Erdvėlaiviai ir technologijos. Oro erdvės struktūros Kosminės struktūros
Įvadas
Reikalavimai spinduliavimo ekranams
Radiacinio ekrano dizainas
1 JWST infraraudonųjų spindulių observatorijos spinduliavimo ekranas
2 Gaia optinės observatorijos spinduliavimo ekranas
3 TPF-C observatorijos spinduliuotės ekranas
Kai kurie radiacijos ekranų laikančiųjų konstrukcijų tipai
Įvadas
Šiuolaikinių kosminių observatorijų atšvaitai atšaldomi iki kriogeninės temperatūros, siekiant sumažinti vidinio triukšmo lygį ir padidinti priimančios įrangos jautrumą. Aušinimas gali būti aktyvus, naudojant įvairias šaldymo mašinas, arba pasyvus, užkertant kelią priėmimo įrangos apšvietimui tiesiogine arba atspindėta saulės spinduliuote. Galimas ir kombinuotas aušinimas.
Užduotis sukurti šešėlį, kuriame veiktų observatorijų priimantys įrenginiai, sprendžiamas radiacijos ekranais - prietaisų ir mechanizmų rinkiniu, skirtu sumažinti arba žymiai susilpninti tiesioginės ir atspindėtos saulės spinduliuotės intensyvumą saugomoje kosmoso zonoje.
Spinduliuotės ekranai, priklausomai nuo aušinimo būdo, ekranuoto ploto tipo, šilumą izoliuojančių medžiagos sluoksnių skaičiaus ir atsidarymo talpos, skirstomi į įvairius tipus.
Pagal aušinimo būdą:
· su neaušinamu ekranu,
· su aktyviai aušinamu ekranu,
· su dalinai aušinamu ekranu.
Pagal ekranuoto ploto tipą:
· su sferine aušinimo zona (erdvėlaivis yra visiškai apsuptas ekranu),
· su vidine aušinimo zona (atviro ekrano sistemos viduje esanti sritis yra apsaugota),
· su vienos pusės aušinimu (viena erdvėlaivio pusė yra apsaugota).
Pagal atskleidimą:
· ekranas tvirtai pritvirtintas prie korpuso,
· ekranas skirtas nusileisti iš transportavimo padėties į darbinę padėtį.
Šiame darbe nagrinėjami šiuolaikinių ar būsimų observatorijų, skirtų elektromagnetinių bangų optiniams, infraraudoniesiems ir radijo diapazonams su neaušinamais, vieno ir kelių sluoksnių išskleidžiamaisiais spinduliuotės ekranais su vidine aušinama zona, projektai. Kadangi nagrinėjamų spinduliuotės ekranų bendri matmenys siekia keliasdešimt metrų, tai leidžia juos priskirti prie didelių erdvinių konstrukcijų.
1. Reikalavimai spinduliavimo ekranams
Spinduliavimo ekranams, kaip ir bet kokiems erdvėlaivių įrenginiams ir mechanizmams, taikomi reikalavimai sumažinti kūrimo, gamybos, bandymo, paleidimo, eksploatavimo ir šalinimo sąnaudas, todėl keliami reikalavimai mažinti svorį, bendrus gabaritus transportavimo padėtyje ir padidinti veiklos patikimumą. Be to, norint užtikrinti pakankamai aukštus pirmuosius natūralių virpesių dažnius, gali prireikti radiacijos ekranų, kaip didelių erdvinių struktūrų. Ir galiausiai, radiacijos ekranai, kaip pasyvios šilumos izoliacijos priemonė, yra reikalingi, kad būtų užtikrintas temperatūros režimas, aušinamos zonos forma ir dydis.
Šie prieštaringi reikalavimai tenkinami optimaliai suprojektavus radiacijos ekranus.
2. Radiacinių ekranų konstrukcijos
Šiame darbe nagrinėjamus spinduliavimo ekranus sudaro šie pagrindiniai elementai:
· ekrano-vakuuminė šilumos izoliacija,
· išskleidžiama atraminė struktūra,
· jungiančius įrenginius.
Teoriškai galimi įvairiausi visų trijų elementų dizainai, todėl pirmiausia nagrinėsime šiuolaikinių ir būsimų kosminių observatorijų spinduliuotės ekranų projektus, o po to kai kuriuos išskleidžiamosios atraminės konstrukcijos dizaino variantus, kaip pagrindinį elementą, suteikiantį saugomos zonos forma ir matmenys, taip pat reikalingi gamtiniai dažniai.
2.1 JWST infraraudonųjų spindulių observatorijos spinduliuotės ekranas
NASA James Webb kosminės infraraudonųjų spindulių observatorijos (JWST) projektas yra vienas pažangiausių iki šiol. Observatoriją ruošiasi pradėti 2013 m. Šiuo metu erdvėlaivių sistemos yra projektuojamos, gaminamos ir išbandomos. Be kita ko, pagamintas ir išbandytas radiacinio ekrano technologinis pavyzdys.
JWST spinduliuotės ekranas yra netaisyklingo plano šešiakampis, sudarytas iš penkių šilumą izoliuojančios medžiagos sluoksnių (nailono, su purškiamais aliuminio ir silicio sluoksniais). Atraminio rėmo vaidmenį atlieka šeši sulankstomi strypai ir atraminiai trosai. Observatorijos išvaizda parodyta 1 paveiksle.
1 pav. Pavadinto kosminio teleskopo vaizdas iš išorės. J. Webb.
· bendri matmenys 32,8 m x 14,2 m,
· penki sluoksniai šilumą izoliuojančios medžiagos, pagamintos iš nailono,
· pirmieji penki natūralūs dažniai: 0,23 Hz, 0,32 Hz, 0,44 Hz ir 0,54 Hz,
· įrangos temperatūra saugomoje zonoje: mažesnė nei 50K.
· apytikslis svoris: 200 kg.
Spinduliavimo ekrano įrenginio schema ir pagrindiniai jo parametrai pateikti 2 pav.
2 pav. Vardo kosminio teleskopo spinduliuotės ekrano konstrukcija ir pagrindiniai parametrai. J. Webb.
1. Priekiniai atraminiai strypai (2 vnt.), 2. Šoniniai atraminiai strypai (2 vnt.), 3. Galiniai atraminiai strypai (2 vnt.), 4. Penki sluoksniai šilumą izoliuojančios medžiagos ant atraminių trosų, 5. Galiniai atraminiai strypai (6) vnt.), 6. Pirminė ekrano-vakuuminė šilumos izoliacija
Spinduliuotės ekranas dislokuojamas tokia seka:
Transportavimo padėtis,
Pirminės ekrano-vakuuminės šilumos izoliacijos atidarymas,
4. Atidarykite galinius atraminius strypus,
6. Priekinių atraminių strypų atidarymas,
Galinių atraminių strypų atidarymas ir atraminių strypų įtempimas. Radiacijos ekrano darbinė padėtis.
Radiacinio skydo išdėstymo seka parodyta 3 paveiksle.
3 pav. Radiacinio skydo išdėstymo seka
2.2 Gaia optinės observatorijos spinduliuotės ekranas
Europos kosmoso agentūros finansuojama „Gaia“ kosmoso observatorija šiuo metu yra projektavimo ir būtinų technologijų kūrimo etape. Taigi 2005 m. buvo atliktas sėkmingas spinduliuotės ekrano prototipo dislokavimo bandymas.
Gaia spinduliuotės ekranas yra taisyklingas dvikampis, kurio skersmuo 11 m. Šešios dvikampio sekcijos pagamintos iš laikančiųjų konstrukcijų, susidedančių iš dviejų dalių. Šilumą izoliuojanti ekrano medžiaga yra nailonas, padengtas aliuminiu. Ekranas susideda iš dviejų medžiagos sluoksnių, atskirtų 130 mm tarpu. Vienos sekcijos atraminis rėmas yra plokštės kvadratas tvirtinimo prie erdvėlaivio korpuso vietoje ir X formos atraminė konstrukcija plane.
Observatorijos išvaizda parodyta 4 paveiksle.
4 pav. Gaia observatorijos vaizdas iš išorės
Pagrindiniai spinduliavimo ekrano parametrai:
· skersmuo 11m,
· du sluoksniai šilumą izoliuojančios medžiagos, pagamintos iš nailono,
· pirmasis natūralių virpesių dažnis: ne mažesnis kaip 35 Hz,
· įrangos temperatūra saugomoje zonoje: mažesnė nei 150 K.
· apytikslis svoris: 70 kg.
Spinduliavimo ekrano konstrukcija parodyta 5 pav.
5 pav. Gaia observatorijos spinduliuotės skydas. Transporto ir darbo padėtys. Rodomi trys skyriai iš dvylikos.
Kvadratinės sekcijos, 2. X formos atraminės konstrukcijos,
Laikančiosios plokštės, 4. Neparemti šilumos izoliacijos sluoksniai.
Izoliacinės plokštės pradedamos kloti vienu metu. Darbinėje padėtyje plokštės tvirtinamos stabdžiais. Diegimo seka parodyta 6 paveiksle.
6 pav. Gaia observatorijos radiacijos skydo išdėstymo seka.
2.3 TPF-C observatorijos spinduliuotės ekranas
NASA projekte „Terestrial Planet Finder“ numatoma sukurti observatorijas, kurios padėtų ieškoti į Žemę panašių planetų. Projekto metu planuojama sukurti dviejų tipų observatorijas: TPF-C (koronografas) ir TPF-I (interferometras). Šiuo metu TPF-C observatorija aktyviai vystoma. Be kitų sistemų, kuriama sistema, skirta palaikyti pastovią teleskopo veidrodžių temperatūrą, kuri apima spinduliavimo ekraną.
Observatorijos išvaizda parodyta 7 paveiksle.
7 pav. Išorinis TPF-C observatorijos vaizdas
Observatorijos dizainas parodytas 8 pav.
8 pav. TPF-C observatorijos dizainas
TPF-C spinduliuotės ekranas susideda iš šešių šilumą izoliuojančios medžiagos sluoksnių, sudarančių taisyklingą nupjautą aštuonkampę piramidę, kurios viduje yra teleskopas. Atraminė konstrukcija sudaryta iš aštuonių stumdomų strypų, kurie sudaro piramidės kraštus.
TPF-C projekto techniniame aprašyme nurodyta, kad observatorijos mokslinė įranga veiks kambario temperatūroje, todėl radiacijos ekranas šiuo atveju skirtas ne tiek teleskopo veidrodžių ir detektorių vėsinimui užtikrinti, kiek temperatūriniam laukui išlyginti. saugomoje teritorijoje ir užtikrinti jos stacionarumą. Deja, literatūroje nėra išsamios informacijos apie naudojamą termoizoliacinę medžiagą, spinduliuotės ekrano matmenis ir svorį.
4 Millimetron ir WMAP observatorijų spinduliavimo ekranai
Rusijos projektas „Millimetronas“ numato sukurti milimetro, submilimetro ir infraraudonųjų spindulių bangų ilgio observatoriją su aktyviai aušinama 12 m skersmens teleskopu. ekranai.
Observatorijos dizainas parodytas 9 pav.
9 pav. Millimetron projekto observatorijos projektavimas
Apie Millimetron projekto observatorijos spinduliuotės ekrano dizainą turimoje literatūroje informacijos nėra.
Erdvėlaivis WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) buvo paleistas 2003 m., siekiant ištirti kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės anizotropiją. Pagrindinė WMAP mokslinė įranga yra dviejų kanalų radiometras. Siekiant sumažinti trukdžių lygį, radiometro priėmimo įtaisai yra apsaugoti spinduliuotės ekranu. Prietaiso išvaizda parodyta 10 pav.
10 pav. WMAP observatorijos išorė
Aparato konstrukcija parodyta 11 pav.
11 pav. WMAP observatorijos dizainas
Turimoje literatūroje informacijos apie WMAP observatorijos spinduliuotės skydo konstrukciją nėra.
3. Kai kurie radiacijos ekranų laikančiųjų konstrukcijų tipai
Pagrindinis spinduliuotės ekrano elementas, suteikiantis saugomos zonos formą ir matmenis, taip pat angą ir reikiamus natūralius dažnius, yra laikančioji konstrukcija.
Šios santraukos 2 skyriuje aprašomi laikančiųjų konstrukcijų projektai, naudojami projektuojant šiuolaikines ir būsimas kosmoso observatorijas. Tačiau literatūroje aprašomos išskleidžiamos erdvės struktūros, kurios taip pat gali būti naudojamos kaip atraminės konstrukcijos.
Kaip pavyzdį apsvarstykite dviejų tipų laikančias konstrukcijas, kurios užtikrina aukštą sukrovimo santykį (maksimalaus dydžio darbinėje padėtyje ir maksimalaus dydžio santykį transportavimo padėtyje) ir mažos masės ploto vienetui derinį: santvarą ir „išskleidžiamą“. “ struktūros.
3.1 Santvaros konstrukcijos
Vienas Rusijoje gaminamų sulankstomų santvarų konstrukcijų pavyzdžių – OKB MEI serijos TKSA ir KTVRM atšvaitai.
Geriausiems pavyzdžiams pateikiamas maždaug 10 sukrovimo koeficientas ir 1 kvadratinio metro masė. m paviršiaus 1 kg lygyje.
Atšvaito TKSA-6 išvaizda atliekant žemės bandymus parodyta 12 pav.
12 pav. TKSA-6 reflektoriaus išvaizda
Santvaros konstrukcijos schema parodyta 13 pav.
13 pav. Santvaros konstrukcijos schema
3.2 Susukamos konstrukcijos
Suvyniojamos konstrukcijos gavo savo pavadinimą dėl to, kad jų laikantys elementai transportavimo padėtyje yra sandariai suvynioti, glaudžiai vienas šalia kito. Pagrindinė vieno tipo sulankstomos konstrukcijos – erdvėlaivio ATS-6 reflektoriaus – konstrukcija parodyta 14 pav.
14 pav. Pagrindinė ATS-6 reflektoriaus konstrukcija
spinduliuotės ekrano observatorija optinė
Atšvaitas ATS-6 yra 9,1 m skersmens, 60 kg svorio, 4,6 krovimo koeficiento ir 1 kvadrato. m paviršiaus masė yra 0,92 kg. Atšvaito ATS-6 išvaizda išskleistoje padėtyje parodyta 15 pav.
15 pav. ATS-6 atšvaito išvaizda išskleistoje padėtyje
Be ATS-6 atšvaito, buvo sukurtos ir kitų tipų sulankstomos konstrukcijos, kurių nuorodos pateiktos naudotų šaltinių sąraše. Deja, šioms konstrukcijoms nėra duomenų apie svorį, maksimalius galimus matmenis ir kitus parametrus.
Naudotų šaltinių sąrašas
James Webb kosminio teleskopo vieta. http://jwst.gsfc.nasa.gov/about.html
Jameso Webbo kosminio teleskopo projektas. Misijos operacijų koncepcijos dokumentas2, 2004. http://docdb.fnal.gov/CMS/DocDB/0004/000498/001/Mission_Ops_Concept.pdf
JWST projekto statusas CAA, 2006 m. gegužės mėn. http://www7.nationalacademies.org/bpa/CAA_May2006_Presentations_Sabelhaus.pdf
Gaia svetainė. http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=26
„Gaia Deployable Sunshield“ mechanizmai, E. Urgoiti, G. Migliorero, 11-asis ESMATS simpoziumas
GAIA: PALYDOVAS IR NAUDOJIMAS APkrova, Oscar Pace, Europos kosmoso agentūra, ESA-ESTEC.C
TPF-C svetainė. http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/tpf_index.cfm
Antžeminės planetos ieškiklio koronagrafo technologijų planas, JPL leidinys 05-8, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/TPF-CTechPlan.pdf
Antžeminės planetos ieškiklio koronagrafo mokslo ir technologijų nustatymo komandos (STDT) ataskaita, JPL dokumentas D-34923, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/STDT_Report_Final_Ex2FF86A.pdf
Per pastaruosius beveik septynis dešimtmečius nuo pirmojo kosminio paleidimo (neskaičiuojant ankstesnių dvidešimties metų tyrimų ir eksperimentų) erdvėlaivių (SV) dizainas buvo nuolat tobulinamas. Didelį indėlį į erdvėlaivių konstrukcijų evoliuciją įnešė vadinamieji „bandomieji“ erdvėlaiviai, kurie buvo specialiai sukurti ir išbandyti realiomis erdvės skrydžio sąlygomis konstrukcinius elementus, sistemas, komponentus, mazgus ir mazgus, optimalaus jų panaudojimo būdus. , ir galimi jų suvienijimo būdai.
Jei SSRS įvairios beveik tik vienos serijos „Cosmos“ erdvėlaivių modifikacijos buvo plačiai naudojamos kaip automatiniai bandomieji erdvėlaiviai, tai JAV buvo naudojamas visas spektras erdvėlaivių: „ATS“, „GGTS“, „0V“, „Dodge“. “, „TTS“, „SERT“, „RW“ ir kt.
Nepaisant daugybės erdvėlaivių konstrukcijų įvairovės, visiems įrenginiams būdingas korpusas su įvairių konstrukcinių elementų rinkiniu (vadinamoji „atraminė“ įranga) ir specialia (tiksline) elektronine įranga.
Erdvėlaivio korpusas yra visų jo elementų ir susijusios įrangos konstrukcinis ir išdėstymo pagrindas. Pavyzdžiui, automatinio erdvėlaivio pagalbinei įrangai reikia turėti bent šias laive esančias sistemas: orientacijos ir stabilizavimo, šilumos valdymo, maitinimo, telemetrijos, trajektorijos matavimo, valdymo ir navigacijos, valdymo ir programinės įrangos, įvairių vykdomųjų organų. ir kt. Be to, pilotuojami erdvėlaiviai ir kosminės stotys turi gyvybę palaikančių, avarinių gelbėjimo sistemų ir kt.
Savo ruožtu erdvėlaivio tikslinė įranga gali būti optinė (optinė-elektroninė), fotografijos, televizijos, infraraudonųjų spindulių, radarų, radiotechnikos, spektrometrinė, rentgeno, radijo ryšio ir relių, radiotechnikos, radiometrinė, kalorimetrinė ir kt.
Visos šios sistemos (jų struktūra, funkcijos, konfigūracija ir kt.) naudoja moderniausius elektroninius komponentus.
Natūralu, kad erdvėlaivių konfigūracijos priklauso nuo jų paskirties ir todėl labai skiriasi – tai yra tie, kurie atlieka erdvėlaivio paleidimą reikiamomis trajektorijomis, erdvėlaivio pagreičio ir lėtėjimo blokai, įskaitant varomuosius ir korekcinius variklius, degalų skyrius, mazgai ir aptarnavimo sistemos (užtikrinti erdvėlaivio perėjimą iš žemos orbitos į aukštesnę ar tarpplanetinę, atliekami atvirkštiniai perėjimai - iš aukštos orbitos į žemąją, trajektorijos parametrų korekcija ir kt.).
Erdvėlaivio „išdėstymo“ sąvoka yra neatsiejamai susijusi su erdvėlaivio dizainu – racionaliausiu ir tankiausiu sudedamųjų elementų erdviniu išdėstymu. Šiuo atveju išskiriama vidinė ir išorinė (aerodinaminė) erdvėlaivio konfigūracija.
Konkretaus erdvėlaivio dizaino kūrimo užduotis yra gana sudėtinga, nes reikia atsižvelgti į daugelį veiksnių, kurie dažnai prieštarauja vienas kitam. Pavyzdžiui, būtina užtikrinti minimalų jungčių skaičių tarp erdvėlaivio ir antžeminio komplekso (ypač nešančiajai raketai), įgulos saugumą ir komfortą (pilotuojamų erdvėlaivių atveju), saugų eksploatavimą ir priežiūrą paleidimo vietoje ir skrydžio, užtikrinant nurodytus stabilumo, valdomumo, šiluminių sąlygų ir erdvėlaivio veikimo aerodinamines charakteristikas bei daug daugiau.
Erdvėlaivių projektuotojų užduotį apsunkina tai, kad jų sprendimo optimalumo kriterijus yra ne tik erdvėlaivio masės minimizavimas, bet ir jo kaina bei statybos laikas, kartu garantuojant patikimumo parametrus, universalumą ir kt.
Pirmasis erdvėlaivis Žemėje „Vostok 1“ iškėlė pirmąjį žmogų į žemos Žemės orbitą.
Kaip žinoma, iš laivo paleistas laivas atliko tik vieną (bet pirmą žmonijos istorijoje) revoliuciją aplink Žemės planetą, o skrydis vyko visiškai automatiniu režimu, kuriame tarsi buvo pirmasis kosmonautas. , „keleivis“, pasiruošęs bet kurią akimirką perjungti valdymą į save. Nors realiai, pagal mūsų klasifikaciją, tai buvo ne „pilotuojamas“, o visiškai automatinis skrydis, tačiau būtent taip yra, kai klasifikacija ne visada teisingai atspindi vykstančio proceso (reiškinio, įvykio) esmę.
Vienas pirmųjų (1977 m.) ilgo nuotolio skverbimosi erdvėlaivių (vadinamasis „kosminis zondas“) iš „Voyager“ serijos (žinomiausi erdvėlaiviai yra „Voyager-1“ ir „Voyager-2“). Kai kurių literatūrinių šaltinių teigimu, šis 723 kg sveriantis automatinis zondas, paleistas 1977 m. rugsėjo 5 d., skirtas tyrimams ir jo artimiausioje aplinkoje, kūrėjų nuostabai, vis dar yra normalios eksploatacinės būklės ir dėl šios aplinkybės netgi atlieka nauja (papildoma) misija - nustatyti Saulės sistemos ribų vietą, įskaitant "" (), nors, pasak kūrėjų, pagrindinė jo pagrindinė misija buvo tik ištirti dvi - ir (tai buvo pirmasis zondas, kuris atliko išsamią informaciją visų šių planetų palydovų nuotraukos)
Toks ilgas aktyvus erdvėlaivio egzistavimas visų pirma yra dėl
optimalūs inžineriniai sprendimai, priimti kuriant elektroninę
borto įranga, kompetentingas kompleksams tinkamų elektroninių komponentų parinkimas
sistemoms.
Išspręsti visą kompleksinių struktūrinių, grandinių ir technologinių problemų kompleksą kuriant, kuriant ir eksploatuojant kosmoso išteklius neįmanoma be plataus kosminių medžiagų mokslo rezultatų plėtojimo ir įgyvendinimo. Kuriant kosmines transporto priemones reikalingos naujos medžiagos, kurios turi atlaikyti skrydžių į kosmosą apkrovas (aukštą temperatūrą ir slėgį, vibracines apkrovas paleidimo fazės metu, žemą kosmoso temperatūrą, gilų vakuumą, radiacijos poveikį, mikrodaleles ir kt.) pakankamai mažas savitasis sunkis . Visas spektras stiprių, dažnai su staigiais perėjimais, smūgių į metalines ir nemetalines konstrukcijas bei elementus turi didelę įtaką jų giliosioms konstrukcinėms savybėms ir dėl to įvairios paskirties kosminių transporto priemonių patikimumui ir ilgaamžiškumui.
Metalai yra pagrindinės raketų ir kosmoso technologijų gaminių konstrukcinės medžiagos, jų masė sausų gaminių masėje yra daugiau nei 90%. Todėl gaminių taktinių ir techninių charakteristikų gerinimą daugiausia lemia naudojamų lydinių savybės. Pastaraisiais metais buvo sukurti ir bus toliau kuriami naujos kartos aliuminio lydiniai, legiruoti su ličiu ir skandžiu. Pakeitus tradicinius lydinius naujais, RKT gaminio komponentų masė sumažės 10-30%, priklausomai nuo konstrukcijos tipo. Detalių iš naujų granuliuotų lydinių gamybos technologija kartu su galimybe padidinti darbinę temperatūrą iki 850°C užtikrins komponentų masės sumažėjimą 10-30%.
Revoliuciniai sprendimai kuriant perspektyvius XXI amžiaus RKT produktus. gali suteikti naują konstrukcinių medžiagų klasę – intermetalinius junginius (cheminiai junginiai titanas – aliuminis, nikelis – aliuminis ir kt.). Šios medžiagos turi mažą tankį (3,7-6,0 g/cm 3) ir pasižymi dideliu atsparumu karščiui (iki 1200°C), aukštu atsparumu korozijai, karščiui ir dilimui.
Šiuo metu kuriamas titano lydinys bus lygiavertis tradiciniam nerūdijančiam plienui pagal pagaminamumą mechaninėje inžinerijoje (nereikia suvirinimo ir terminio apdorojimo su kontroliuojama atmosfera įrangos). Dėl legiravimo daugiausia su hafniu ir niobu, lydinys nesioksiduos kaitinant iki 850-900°C. Nereikės termiškai apdoroti suvirintų jungčių, kad būtų sumažintas liekamasis įtempis, todėl nebereikės terminio apdorojimo krosnių ir kontroliuojamos atmosferos suvirinimo kamerų. Jei reikia, suvirintų mazgų terminis apdorojimas, siekiant išvengti liekamųjų įtempių (pavyzdžiui, didelių konstrukcijų, tokių kaip rėmai, santvaros, dugno apsauginiai tinkleliai ir kt.), gali būti atliekamas oro atmosferoje be vėlesnio smėliavimo ir ėsdinimo. Dalių suvirinimas gali būti atliekamas tik naudojant argono srovę, nebijant siūlės oksidacijos. Lydinys veiks plačiame temperatūrų diapazone: nuo -253 iki +450 °C. Tai atveria plačias perspektyvas naudoti titaną raketų gamyboje vietoj nerūdijančio plieno ir beveik trigubai padidins gaminių masės charakteristikas.
Didinti metalo medžiagų stiprumą tradiciniais metodais (didinant legiruojamųjų elementų kiekį, tobulinant termomechaninio grūdinimo technologijas ir kt.) dabar jau išnaudotos galimybės. Šiuolaikiniuose lydiniuose yra daug brangių ir retų metalų: kobalto, volframo, niobio, molibdeno, nikelio ir kt., O tai smarkiai padidina jų kainą. Be to, labai padidėjus legiruojamųjų elementų kiekiui lydiniuose, atsiranda zoninė ir tūrinė segregacija luituose ir dėl to pusgaminių bei iš jų pagamintų dalių savybių anizotropija. Didelis potencialas pagerinti RCT struktūrų savybes slypi naudojant intermetalinius junginius. Kuriant karščiui atsparias konstrukcines medžiagas, kurių pagrindą sudaro intermetaliniai junginiai, titano-aliuminio ir nikelio-aliuminio, geležies-chromo-aliuminio sistemos kelia didžiausią susidomėjimą.
Tarpmetaliniai junginiai (cheminiai metalų junginiai) savo struktūroje užima tarpinę padėtį tarp metalų ir keramikos. Jie turi sudėtingą kristalų struktūrą su iki 30% kovalentinio komponento tarpatominiuose ryšiuose, o tai lemia jų unikalias fizines ir mechanines savybes - didelį atsparumą karščiui ir atsparumą karščiui, aukštą atsparumą korozijai, palyginti su nerūdijančiu plienu (ypač deguonyje) ir didelį atsparumą dilimui. . Be to, intermetaliniai junginiai turi mažą tankį. Titano pagrindo intermetaliniai lydiniai gali veikti iki +850 °C temperatūros be apsauginių dangų, nikelio lydiniai – iki +1500 °C temperatūros.
Visas intermetalinių junginių savybių kompleksas gali turėti revoliucinį poveikį daugeliui technologijų sričių ir, visų pirma, perspektyvių aviacijos ir kosmoso technologijų pavyzdžių kūrimui, įskaitant orlaivius su hipergarsiniais greičiais (iki M = 25). Varomosiose sistemose (rotorius, statorius, sparnuotės, vožtuvų grupė, neaušinami purkštukai ir kt.) panaudojus intermetalinius junginius, savitoji variklių trauka padidės 25-30%, o konstrukcijų svoris sumažės iki 40%.
Perspektyvios nemetalinės medžiagos. Termostatinės dangos. Vienas iš pagrindinių veiksnių, lemiančių 
Erdvėlaivio veikimo patikimumas ir ilgaamžiškumas yra jo šiluminio režimo stabilumas, nes šiuolaikinė erdvėlaivio optinė-radioelektroninė įranga veikia tam tikru temperatūros režimu. Erdvėlaivio šiluminės kontrolės sistemą sudaro įvairios šiluminės kontrolės dangos (TRC), kurios sukuria pusiausvyrą tarp šilumos išsiskyrimo erdvėlaivio viduje, energijos, sugertos iš kosmoso, ir energijos, pakartotinai išleidžiamos į kosmosą.
TRP būdingos termospinduliavimo charakteristikos, kurios kinta veikiant įvairiems išorinės erdvės veiksniams (ypač jonizuojančiosios spinduliuotės), dėl to pakyla temperatūra erdvėlaivio viduje ir sumažėja jo aktyvaus egzistavimo laikotarpis (SAS). Kaip parodė praėjusių metų patirtis, kai kurie erdvėlaiviai negalėjo įvykdyti suplanuotų programų dėl perkaitimo dėl padidėjusio TRP saulės spinduliuotės sugerties koeficiento pasyviojoje šiluminės kontrolės sistemoje. Esamų TRP analizė rodo, kad jie negali padidinti SAS iki 15 metų, ypač erdvėlaiviams, dirbantiems didelėse elipsinėse ir geostacionariose orbitose. Todėl „saulės reflektorių“ ir „tikrųjų sugėrėjų“ klasių TRP, pasižyminčių stabiliomis termospinduliavimo charakteristikomis ir tuo pačiu antistatinėmis savybėmis ilgalaikio eksploatavimo erdvėje metu su mažu dujų išmetimu, sukūrimas yra viena iš svarbių užduočių. XXI amžiaus kosmonautiką. Tokių dangų sukūrimas leis sumažinti nukrypimus nuo nurodytų šiluminių sąlygų, sumažinti itin jautrios optinės ir elektroninės įrangos gedimus ir gedimus, o tai leis padidinti erdvėlaivio tarnavimo laiką iki 15 metų.
Daug žadančios šios problemos sprendimo kryptys yra šios:
kombinuotų arba modifikuotų karščiui ir radiacijai atsparių rišiklių su maža dujų emisija kūrimas (akrilo, organinio silicio, uretano dervos);
veiksmingų skilimo stabilizatorių parinkimas arba kūrimas poveikio erdvėje sąlygomis;
baltų arba juodų pigmentų susidarymas, įskaitant tuos, kurių elektrinis laidumas yra padidėjęs, atsparus ilgalaikiam poveikiui;
nuimamų dangų, skirtų apsaugai, kūrimas komponentų ir gaminių gamybos ir laikymo laikotarpiui iki 5 metų.
Perspektyvios polimerinės konstrukcinės kompozicinės medžiagos. Antenų konstrukcijų veidrodžiai iš anglies pluošto bus plačiai pritaikyti sprendžiant ryšio per palydovus problemas. Jų naudojimas, sveriantis iki 15 kg, suteiks 900 kgf naikinamąją apkrovą, kurios tarnavimo laikas yra mažiausiai 20 metų.
Korių medžiagos (trisluoksnės), pagamintos iš anglies pluošto laikančiuose konstrukcijų elementuose, palyginti su vienasluoksnėmis (monolitinėmis) medžiagomis, esant tam tikroms eksploatavimo sąlygoms ir didėjančioms apkrovoms esant tam tikrai elemento masei, suteiks:
sumažinti konstrukcinio elemento masę 40-50% ir padidinti jo standumą 60-80%;
padidinti patikimumą 20-25% ir padidinti garantinį laikotarpį 60-70%.
Be to, tokio tipo medžiaga suteiks ypatingų elektrofizinių savybių (pavyzdžiui, radaro antenoms), taip pat atsparumo karščiui ir šilumos laidumo reikalavimus.
Slėgio cilindrai. Lengvieji indai ir konteineriai, pagaminti iš polimerinių kompozitinių medžiagų ir veikiantys esant slėgiui, sėkmingai naudojami raketų ir kosmoso technikoje. Sukurti ir naudojami kuro bakai, cilindrų balionai, raketų variklių korpusai, slėgio akumuliatoriai, kvėpavimo cilindrai pilotams ir astronautams. Naudojant organinį ir stiklo pluoštą bus galima sukurti patvarius slėgio cilindrus su dideliu svorio tobulumo koeficientu.
Teleskopai. Tiksliųjų įrenginių elementų kūrimas siejamas su jų geometrinių matmenų nekintamumo (matmenų stabilumo) užtikrinimu, kai temperatūros laukas kinta plačiame diapazone (±150 °C). Bus kuriamos technologijos, kurios leis iš anglies pluošto sukurti polimerines kompozicines medžiagas, užtikrinančias aukštą įrangos elementų matmenų stabilumą tam tikram temperatūros laukui.
„Protingos“ medžiagos. Technologijos ir technologijų pažanga yra neatsiejamai susijusi su naujų medžiagų kūrimu ir diegimu. Pastarąjį dešimtmetį, nuolat tobulinant esamas medžiagas, kurios dėl unikalaus savybių derinio suteikia reikšmingą techninį ir ekonominį efektą, išryškėjo tendencijos kurti naujas medžiagas, galinčias aktyviai sąveikauti su išoriniais veiksniais. Tokios medžiagos vadinamos „protingomis“, „protingomis“, „išmintingomis“ ir kt. Jie sugeba „jausti“ savo fizinę būseną, išorinius poveikius ir į šiuos „pojūčius“ reaguoti ypatingai, t.y. geba savarankiškai diagnozuoti defekto atsiradimą ir išsivystymą, jį pašalinti ir stabilizuoti savo būklę kritinėse vietose.
Dėl „protingų“ medžiagų savybių įvairovės jas galima naudoti įvairiuose raketų ir kosmoso technologijų konstrukciniuose elementuose (korpusuose, gaubtuose, skyriuose, frikciniuose mazguose ir kt.). Tokių medžiagų naudojimas leis stebėti ir numatyti įvairių konstrukcijų ir konstrukcijų būklę reikiamu laiku ir net sunkiai pasiekiamose vietose, ženkliai padidins sistemų tarnavimo laiką ir patikimumą. Iš specialistų atliktų ekspertinių vertinimų analizės matyti, kad per ateinančius 20 metų 90% pramonėje naudojamų šiuolaikinių medžiagų bus pakeistos naujomis, ypač „protingomis“, kurios leis sukurti konstrukcinius elementus, kurie lems XXI amžiaus technikos pažangą.
Sandarinimo ir sandarinimo medžiagos. Nepaisant esamos sandarinimo ir sandarinimo medžiagų įvairovės, yra didelis poreikis kurti naujas, perspektyvias medžiagas, orientuotas į XXI amžiaus astronautikos poreikius. Jis atsirado dėl vis griežtėjančių reikalavimų sumažinti technologinių procesų skaičių gaminant produktus, išplėsti erdvėlaivių ir raketų temperatūros diapazoną, našumą ir aktyvų tarnavimo laiką. Iškeliami uždaviniai sukurti naujas gumų, sandariklių ir junginių klases (įskaitant laidžias gumas ir sandariklius; termo, šalčiui ir agresyviai atsparias gumas; termiškai, agresyviai atsparius anaerobinius sandariklius; šilumai laidžius, mikrobangų energiją sugeriančius junginius ). Dėl patobulintų technologinių procesų 1,5-2 kartus padidintos laidžios gumos ir sandarikliai su techninėmis charakteristikomis užtikrins statinės elektros pašalinimą iš erdvėlaivio ir padidins gyvenimo trukmę nuo 5 iki 10-15 metų.
Radiacijai atsparūs tepalai yra būtini norint užtikrinti patikimą frikcinių mazgų veikimą įvairiose dujinėse ir skystose terpėse plačiame temperatūrų diapazone žemės sąlygomis ir kosmose 10-15 metų. Tepalai yra universali eksploatacinė ir tausojanti priemonė, apsauganti dalis ir mašinas nuo klimato įtakos sandėliavimo metu. Kuriami tepalai turi būti veiksmingi bet kurioje klimato zonoje ir tinkami ilgalaikiam saugojimui net atvirose vietose.
Struktūriniai klijai su padidintu elastingumu ir mažu dujų išmetimu. Šiuo metu vibracijai ir smūgiams atsparūs epoksidiniai silicio organiniai klijai, atsparūs šiluminiam ciklui, plačiai naudojami saulės kolektorių elementų, laikiklių ir kitų detalių tvirtinimui bei kosminių technologijų apkrautų paviršių remonto darbams atlikti. Reikšmingas jų trūkumas yra didelis dujų išsiskyrimas (iki 8%) veikiant vakuumui ir aukštai temperatūrai. Išsiskiriantys dujiniai produktai užteršia erdvėlaiviuose įrengtų optinių-elektroninių prietaisų darbinius paviršius ir dažnai lemia jų veikimą. Siekiant užtikrinti prietaisų švarą (pailginti jų patikimo veikimo trukmę), turėtų būti kuriamos medžiagos (įskaitant klijus), kurių bendras masės nuostolis ne didesnis kaip 1,0%, o lengvai kondensuojamų medžiagų išsiskyrimas ne didesnis kaip 0,1% ir naudojamas RKT gaminių išoriniams paviršiams.
Skirtingoms medžiagoms klijuoti šiluminio ciklo ir didelės vibracijos bei smūginių apkrovų sąlygomis būtina naudoti padidinto elastingumo klijus kartu su dideliu stiprumu (iki 20 MPa). Laidieji klijai skirti sukurti elektros kontaktus tais atvejais, kai karštas litavimas yra nepriimtinas arba neįmanomas – sunkiai pasiekiamose jungtyse tarp ekrano pertvarų ir korpuso.
RKT gaminiuose pakankamo sukibimo stiprumo laidūs konstrukciniai klijai naudojami valdymo sistemos įrenginiuose:
laidžių elementų tvirtinimas, radioelektroninės įrangos elektros grandinių montavimas;
atskirų komponentų ekranavimas sudėtingos formos konstrukcijose, surinkimo mazgų elektrinis sandarinimas.
Šiuo metu susiklostė mokslinės ir technologinės prielaidos sukurti laidžius šaltai kietėjančius klijus, kurių sudėtyje nėra tauriųjų metalų, skirtus sukurti itin patikimas elektrai laidžias jungtis RKT gaminių valdymo įrenginiuose, ekranuoti atskiras vietas (sunkiai pasiekiamas litavimui) sudėtingos formos struktūros. Gerų konditerinių savybių turinčių laidžių klijų sukūrimas leis pašalinti statinius elektros krūvius nuo erdvėlaivio paviršiaus ir atitinkamai padidinti elektroninės įrangos elementų patikimumą ir tarnavimo laiką bei žymiai sumažinti gaminių gaisro pavojų.
Anglies pagrindu pagamintos medžiagos. Kuriant naujas anglies pagrindo medžiagas, toliau bus kuriamos anglies-anglies, anglies-karbido kompozitinės medžiagos, kurios bus plačiai pritaikytos raketų technologijoje (varomųjų sistemų elementai, šiluminė apsauga, skilimas ir apsauga nuo radiacijos). ekranai, radijo spinduliuotei permatomos konstrukcijos ir kt. ) ir pasižymintys aukštesnėmis eksploatacinėmis savybėmis, bet ir padidėjus sąnaudoms, leis 30–50 % sumažinti gaminių svorį.
Valdymo technologijos. Perspektyvių valdymo technologijų srityje būtina prioritetiškai išryškinti šių problemų sprendimą: daugiapalydinių paskirstytų kosminių sistemų (taip pat ir mikro- ir nanopalydovų pagrindu) valdymas; savarankiškai besimokančių autonominio valdymo sistemų, pagrįstų neuroninių tinklų technologijomis ir dirbtiniu intelektu, kūrimas; antžeminio valdymo infrastruktūros mažinimas; užtikrinti kosminės erdvės naudojimo saugumą jos užteršimo sąlygomis ir padidėjus dislokuotų erdvėlaivių skaičiui.
XX amžiaus pabaigos orbitinių objektų (OS) raidos tendencijų analizė. rodo, kad pirmoje XXI amžiaus pusėje. Būdingi bus šie pagrindiniai jų vystymosi bruožai. Pirmasis bruožas bus susijęs su dideliu pastangų sutelkimu kosminių ryšių srityje, siekiant sukurti kelių palydovų žemos orbitos ryšio sistemas. Kaip pavyzdį pav. Pateikiamas numatomas santykinio orbitinių išteklių, skirtų įvairiems tikslams, dislokuotų artimoje erdvėje, skaičiaus pokytis. Tuo pačiu metu iki XXI amžiaus vidurio. Orbitinių ryšių ir duomenų perdavimo įrenginių, dislokuotų geostacionarios orbitos regione, ir navigacijos įrenginių vidutinės orbitos regione pagrindinis vaidmuo išliks.
Antroji pirmaujanti kosmoso plėtros tendencija XXI amžiaus pirmoje pusėje. Labai padaugės orbitinių išteklių ir sistemų (visų pirma pagrįstų mažais erdvėlaiviais, taip pat mikro- ir nanopalydovais), veikiančių artimojo kosmoso regione.
Tuo pačiu tikimasi reikšmingo mažųjų erdvėlaivių, tarp jų ir nanopalydovų, santykinio skaičiaus padidėjimo, sprendžiant įvairias problemas sumažės didelių erdvėlaivių dalis.
Pažymėtina, kad prioritetinė nagrinėjamų technologijų plėtra bus XXI amžiaus astronautikos plėtros pagrindas.
Sunkiosios klasės vežėjai iš užsienio šalių yra JAV, Europos kosmoso agentūros (ESA) šalys ir Japonija. Pirmuosius sunkiuosius vežėjus 1964–1967 metais sukūrė amerikiečiai. paremti Apollo mėnulio programą. Galingiausias iš jų „Saturn-5“ leido į žemąją Žemės orbitą 500 km aukštyje paleisti apie 120 tonų sveriantį naudingąjį krovinį.Užbaigus „Apollo“ ir „Skylab“ programas...
Kinija eksploatuoja karinius ir dvejopo naudojimo erdvėlaivius ryšiams, oro sąlygų palaikymui, nuotoliniam stebėjimui, taip pat paleidžia eksperimentinius erdvėlaivius, įskaitant karinius. Šiems erdvėlaiviams valdyti numatytas kelių taškų organizaciškai vieningas NKU, kurį valdo Kinijos erdvėlaivių paleidimo, sekimo, telemetrijos ir valdymo asociacija. Ši asociacija yra pavaldi Valstybės tarybos Gynybos mokslo, technologijų ir gynybos pramonės komitetui (KONTOP). NKU sudėtis...
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje. Mūsų šalyje ir JAV prasidėjo pasaulinių navigacijos sistemų GLONASS ir Navstar kūrimo ir diegimo užduotis. Kuriame turėjo būti 24 pilno dydžio erdvėlaiviai (21 pagrindinis + 3 rezervas). Žymus erdvėlaivių skaičiaus padidėjimas sistemoje labai apsunkino dislokavimo per nustatytą laiką užduotį. 1990-aisiais...
Nešančiąją raketą „Start-1“ sukūrė Maskvos šiluminės inžinerijos instituto (MIT) Mokslo ir technikos centras (STC) Kompleksas, gerai žinomas kaip tarpžemyninių balistinių raketų, įskaitant „Topol ICBM“ (SS-25), kūrėjas. , kuri tapo naujosios medijos prototipu. Nešančiaja raketa „Start-1“ skirta mažiems erdvėlaiviams paleisti į žemas Žemės orbitas. Jau buvo du sėkmingi šios raketos paleidimai iš Svobodny kosmodromo su eksperimentiniu erdvėlaiviu...
Esama nešančiųjų raketų sistema apima lengvųjų, vidutinių ir sunkiųjų klasių nešančias raketas, esančias vietiniame Plesecko kosmodrome ir Baikonūro kosmodrome, esančiame Kazachstano Respublikos teritorijoje. Kosmoso infrastruktūros objektų perkėlimas į buvusių SSRS respublikų jurisdikciją Rusijai iškėlė nemažai problemų: nepriklausomybės užtikrinimas vykdant kosminę veiklą, o pirmiausia – karinėje srityje; racionalus...
Raketų ir kosmoso technologijų objektų sudėtingumą lemia jų sprendžiamų mokslinių, socialinių ir ekonominių bei gynybos problemų įvairovė. Ateityje daugiafunkciniai RCT objektai pagal savo galimybes priartės prie automatinių skraidančių robotų, o jų grupės ir valdymo kompleksai – prie didelių erdviškai paskirstytų intelektualių sistemų. Tokios sistemos gali būti topologiškai pavaizduotos žemės ir erdvės intelektualaus informacinio tinklo forma. Tinklo intelektas,…
Kuriant Europos vežėjus, buvo naudojamas laipsniško esamų sistemų tobulinimo principas, kuris laikomas tradiciniu orlaivių konstrukcijoje. Tai rodo įvairios nešančiosios raketos modifikacijos, tarp jų ir nešančiaja raketa Ariane-4. Priešingai, sunkioji „Ariane-5“ yra naujas žingsnis į priekį visais atžvilgiais, todėl ši raketa, kaip siūlo Vakarų Europos ekspertai, turėtų tapti pirmuoju naujos serijos modeliu. Numatoma, kad naudojant nešančiąją raketą Ariane-5...
Japonijos nacionalinė kosmoso administracija NASDA (NASDA) kuria ir valdo ryšių, nuotolinio stebėjimo, orų ir kitus palydovus, turinčius dvejopą paskirtį. Mokslinius erdvėlaivius vykdo Aerokosminių tyrimų institutas ISAS (ISAS). Abi organizacijos turi savo erdvėlaivių valdymo centrą ir prietaisus. Tačiau atrodo, kad kai kuriuose prietaisų įrenginiuose, esančiuose už Japonijos ribų, yra įrengti abiejų organizacijų įrenginiai, kurie prireikus naudojami kartu. Štai NKU...
Reikšmingas erdvėlaivių sudėtingumo padidėjimas, ilgalaikio veikimo erdvėlaivių plėtra ir aukšti patikimumo reikalavimai iš esmės pakeitė jų patikimumo užtikrinimo ir stebėjimo metodiką. Pagrindinis dėmesys užtikrinant ir stebint RKT patikimumą buvo skirtas išanalizuoti potencialių ir gedimų, atsiradusių bandymų metu, priežastis ir sukurti efektyvias priemones joms užkirsti. Pagrindiniai šiuolaikinės metodikos principai teikiant ir...
Valstybinis kosmoso tyrimų ir gamybos centras pavadintas. M.V. Chruničevas, vykdydamas Angaros programą, kuria daugybę nešančiųjų raketų, kurių pagrindinis elementas yra sunkiosios klasės raketos - XXI amžiaus raketos - sukūrimas. kaip Rusijos kosmoso programos transporto pagrindas. Angara nešančiųjų raketų šeimos kūrimo ir plėtros darbai atliekami remiantis Rusijos Federacijos prezidento 1995 m. sausio 6 d. dekretu Nr. 14 „Dėl sukūrimo ...
AVIACIJOS IR KOSMOSIOS STRUKTŪROS
Čia aptariami pagrindiniai (galios) orlaivių ir kosminių transporto priemonių konstrukciniai elementai, šiuolaikinės medžiagos ir svarbūs aviacijos ir kosmoso technologijų dizaino ypatumai.
PAGRINDINĖS LĖKVIŲ PROJEKTAVIMO SCHEMŲ YPATYBĖS
Aerodinaminės charakteristikos. Orlaivio konstrukciniai elementai turi būti labai tvirti, nes skrydžio, tūpimo ir orlaivio judėjimo ant žemės metu jie patiria didelių apkrovų. Nors stacionarių antžeminių konstrukcijų, pavyzdžiui, pastatų ar tiltų, formą gali nustatyti projektuotojas dėl stiprumo ir ekonomiškumo, orlaivio konstrukcija, be to, turi atitikti daugybę griežtų papildomų reikalavimų, ypač aerodinaminių. Pavyzdžiui, sparnas turi atlaikyti lenkimo ir sukimo jėgas bei momentus, atsirandančius dėl nepastovios oro srauto jėgos veikimo sparno paviršiuje. Tokias apkrovas efektyviausiai gali atlaikyti standžiai įkomponuota sija, tačiau tokia konstrukcija netinkama aerodinamikos požiūriu, pagal kurią sparno skerspjūviai turi būti ploni, gerai aptakūs profiliai. Šis pavyzdys iliustruoja svarbią orlaivių konstrukcijų savybę, kurią projektuojant kartu su stiprumo reikalavimų tenkinimu būtina užtikrinti aukštas aerodinamines charakteristikas.
Svorio charakteristikos. Antrasis būdingas aerokosminių konstrukcijų bruožas – siekis sumažinti jų svorį iki minimumo. Priešingu atveju lėktuvas ar raketa negalės pakilti ar nešti reikiamo krovinio. Dėl šios priežasties aviacijos ir kosmoso konstrukcijų projektavimas ir skaičiavimas atliekami tokiu tikslumu, kad leidžiamas tik toks svoris, kuris būtinai reikalingas stiprumui. Tokį mažą konstrukcijos svorį galima pasiekti tik naudojant plonus ir pailgus konstrukcinius elementus, pagamintus iš itin stiprių medžiagų.
Dizaino svarstymai. Taigi du pagrindiniai bruožai, skiriantys aeronautikos statinius nuo antžeminių inžinerinių konstrukcijų, yra aerodinaminių apkrovų įtaka konstrukcijos formai ir išskirtinai lengvų pailgų ir plonasienių elementų, pagamintų iš itin stiprių medžiagų, naudojimas. Įvairiuose aviacijos plėtros etapuose buvo siūlomi įvairūs orlaivių dizaino sprendimai. Yra akivaizdus ryšys tarp optimalaus orlaivio dizaino ir jo greičio. Įdomu pastebėti, kad kai kurie dizaino sprendimai, priimti ankstyvosiose aviacijos plėtros stadijose, pasirodė esantys priimtini šiuolaikiniams orlaiviams, skraidantiems tame pačiame greičio diapazone. Taigi iš plieninių vamzdžių suvirintas fiuzeliažas Pirmojo pasaulinio karo metais buvo naujovė, kuri leido pagerinti naikintuvų charakteristikas ir padidinti jų skrydžio greitį iki 160 km/val. Tokios konstrukcijos tapo visiškai netinkamos Antrojo pasaulinio karo naikintuvams, skriejantiems apie 640 km/h greičiu. Kita vertus, sportiniai ir asmeniniai lėktuvai, atsiradę gerokai vėliau, retai pasiekia didesnį nei 160 km/h greitį, o jų fiuzeliažo konstrukcijose sėkmingai panaudoti suvirinti metaliniai vamzdžiai.
AVIACIJA PRIEŠ PIRMOJO PASAULINIO KARĄ
Per pirmuosius aviacijos dešimtmečius dizaineriai bandė optimizuoti orlaivių dizainą eksperimentuodami su įvairiomis galimybėmis ir dizainu. Paaiškėjo, kad daugelis projektavimo schemų, kurios buvo pasiūlytos paraiškose išradimams praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, turėjo savo prototipus, kurie jau buvo pasiūlyti šio amžiaus pradžioje, tačiau laikui bėgant buvo atmesti ir pamiršti. Viena reikšminga ypatybė, būdinga visiems prieš Pirmąjį pasaulinį karą pastatytiems orlaiviams, buvo tai, kad juose buvo naudojami itin ploni sparnai. Tada buvo manoma, kad reikiamą kėlimą galima pasiekti tik ant labai plonų, plokščių ar šiek tiek išlenktų aerodinaminių paviršių. Toks plonas sparnas, kaip plona plokštelė, sulinksta net ir veikiant nedideliam krūviui. Siekiant užtikrinti reikiamą standumą ir stiprumą, sparnas buvo sustiprintas išorinėmis petnešomis.
Sutvirtintas monoplanas. Ankstyvajame aviacijos kūrimo etape buvo sėkmingai naudojami du orlaivių išdėstymai – sutvirtintas monoplanas (1a pav.) ir dvisparnis (2 pav.). Monoplanų pavyzdžiai yra Alberto Santos-Dumont ir Louis Blériot sukurti orlaiviai. Biplanus sukūrė broliai Wrightai. Paprasta jėgos ir momento pusiausvyros analizė parodo, kaip išorinės petnešos ir statramsčiai padidina konstrukcijos stiprumą. Fig. 1b parodyta, kad orlaivio svorį G subalansuoja kėlimo jėga Y, atsirandanti oro srautui tekant aplink sparną. Kėlimo jėga veikiama atstumu d nuo svorio centro ir sukuria momentą Yd. Šis momentas turi būti subalansuotas reakcijos jėgų momentu, nes sparnų atramų sistema yra pusiausvyroje, kaip parodyta Fig. 1, b. Veikiant kėlimo jėgai, apatinė petnešėlė įtempiama, o viršutinė susilpnėja. Vadinasi, skrendant viršutinė atrama neperduoda jokių jėgų į fiuzeliažą, o reakcijos jėgos atsiras tik sparno sandūroje su apatine atrama. Tai jėgos H Fig. 1, b. Jų dydį galima apskaičiuoti pagal momentų pusiausvyros sąlygas:
Iš šios paprastos algebrinės lygties randame horizontalios reakcijos jėgos H dydį:
(2) formulė rodo, kad kuo didesnis atstumas h tarp sparno ir vietos, kur apatinė atrama pritvirtinta prie fiuzeliažo, tuo mažesnė horizontali reakcijos jėga. Lėktuvui nusileidus arba nusileidus kilimo ir tūpimo taku, sparnas mažai pakeliamas, nes jis yra proporcingas greičio kvadratui. Esant tokioms sąlygoms, dalis sparno svorio turi būti palaikoma viršutine atrama, o apatinė apkrova. Dėl šios priežasties viršutinis įtvaras vadinamas „nusileidimo“ arba grįžtamuoju įtvaru, o apatinis – „skrydžio“ arba apkrovą laikančiu įtvaru. Plonas sparnas negali atlaikyti didelių apkrovų. Todėl reikia didinti atstumą h, t.y. pritvirtinkite atramą prie važiuoklės, o viršutinę atramą - prie pilono, kuri šiems tikslams yra virš fiuzeliažo.
Dviplanis su petnešomis. Norint padidinti vertikalius atstumus tvirtinant petnešas, buvo pasiūlyta dviplanė konstrukcija (2 pav.). Atstumas tarp viršutinių ir apatinių dviplanio lėktuvo sparnų atitinka atstumą h, aptartą aukščiau, kalbant apie monoplano konstrukciją, o d laikomas atstumu tarp statramsčio ir fiuzeliažo. (1) ir (2) lygtys taikomos dviplaniam lėktuvui, kuris leidžia pasiekti didesnį h aukštį, palyginti su vienaplaniu lėktuvu.
Aviacinės medžiagos. Pirmojo lėktuvo konstrukcijose daugiausia buvo naudojamos patvarios medienos rūšys, tokios kaip eglė ir bambukas. Buvo nuomonė, kad sunkios medžiagos, tokios kaip metalai, netinkamos orlaivių konstrukcijoms gaminti. Plienas buvo naudojamas breketams. Mediena neabejotinai yra puiki konstrukcinė medžiaga, sėkmingai sugerianti lenkimo apkrovas esant mažam savisvoriui. Šiuo atveju išoriniai sparno ir fiuzeliažo kontūrai buvo gauti ištempus drobę ant medinio rėmo.
Vilkimo problema. Pagrindinis sutvirtintų konstrukcijų trūkumas yra didelis pasipriešinimas (atsparumo jėga transporto priemonės judėjimui į priekį ore), atsirandanti dėl daugybės pagalbinių konstrukcinių elementų, tokių kaip atramos, statramsčiai, važiuoklės ratai, velenai ir amortizatoriai. nusileidimo įtaisas, veikiamas oro srauto. Toks orlaivis galėjo pasiekti palyginti mažą maksimalų greitį (1910 m. pasaulio skrydžio greičio rekordas buvo tik 106 km/val.).
RĖMŲ KONSTRUKCIJOS
Norint padidinti orlaivio greitį, reikėjo kardinaliai pakeisti jo dizainą – pereiti prie karkasinių konstrukcijų. Karkasinio orlaivio pagrindas yra jo fiuzeliažas, kuriame yra kabina, keleivių skyrius ir krovinių skyriai. Į fiuzeliažą taip pat perkeliami dideli kroviniai, kurie greito manevro metu veikia orlaivio uodegą. Rėmo konstrukcijos stiprumo rinkinys, parodytas Fig. 3a, yra lengvas ir tuo pat metu gali atlaikyti dideles apkrovas.
Suvirinti fiuzeliažai iš plieninių vamzdžių. Kai kurių ankstyvųjų lėktuvų korpusai buvo pagaminti iš eglės arba bambuko strypų, sujungtų su plienine viela. Tačiau tokios konstrukcijos nebuvo pakankamai tvirtos; Didelė pažanga buvo suvirinta fiuzeliažo konstrukcija iš plieninių vamzdžių, per Pirmąjį pasaulinį karą pasiūlyta A. Fokkerio. Lėktuvų konstrukcijoms Fokker naudojo švelnų plieną, kuriame anglies kiekis mažesnis nei 0,12%, nes iš jo pagaminti elementai lengvai suvirinami vienas su kitu. Iš pradžių šis fiuzeliažo tipas buvo laikomas nepatikimu, tačiau pamažu jis buvo plačiai naudojamas, o atsiradus didelio stiprumo chromo-molibdeno vamzdžiams, buvo galima žymiai sumažinti fiuzeliažo svorį.
Fiuzeliažai su nuimamais elementų jungtimis. Visiškai kitokios orlaivių konstrukcijos buvo sukurtos Anglijoje, kur suvirinimas buvo laikomas nepatikimu sujungimo būdu, o atskiri rėmo elementai buvo sujungti naudojant mechanines, dažnai labai meistriškas jungtis. Atsisakius suvirinimo britams atsivėrė plačios galimybės panaudoti aliuminio lydinius ir labai legiruotą plieną, kurio negalima suvirinti. Šios didelio stiprumo medžiagos sumažino orlaivio konstrukcijos svorį, nepaisant papildomo jungčių svorio. Pagrindinis fiuzeliažo su nuimamais elementų jungtimis trūkumas buvo didelės gamybos sąnaudos, net jei orlaivis buvo gaminamas didelėmis serijomis. Suvirintų fiuzeliažų iš plieninių vamzdžių gamyba buvo daug pigesnė.
Apvalkalas. Norint sukurti patogias sąlygas keleiviams, rėmas turi būti uždengtas apvalkalu. Be to, amžiaus pradžioje buvo nustatyta, kad norint padidinti greitį ir sumažinti pasipriešinimą, būtina, kad orlaivio išorinis paviršius būtų lygus. Paprasčiausia danga buvo drobė, kuri buvo ištempta ant sijos rėmo ir vėliau padengta dažais arba laku. Tačiau taip gauta forma neturėjo lygių kontūrų: išoriniai rėmo elementai kyšo iš po oda. Akivaizdu, kad naudojant tokias nepatogias formas buvo neįmanoma pasiekti sklandaus srauto su minimaliu pasipriešinimu. Norėdami pašalinti šį trūkumą, greitaeigių orlaivių dizaineriai pradėjo naudoti rėmo fiuzeliažą, pagamintą iš ovalo formos rėmų, sujungtų su sijomis (sparniais) ir išilginėmis stygomis, kaip parodyta Fig. 3, b. Šie rėmai ir stygos suteikė stačiakampiui rėmui gerai supaprastintą formą. Tačiau iškyšos vis tiek kyšojo iš po medžiaginio apvalkalo, o norėdami juos pašalinti, dizaineriai pradėjo naudoti ploną faneros apvalkalą.
Dviplanio sparnai. Tipiškas karkasinis lėktuvo dizainas buvo biplanas, kuris Pirmojo pasaulinio karo metais buvo naudojamas beveik visur. Jis buvo pageidaujamas iki 1930-ųjų vidurio. Naikintuvų pilotai neigiamai vertino monoplanus, o pagrindinis jų argumentas buvo tas, kad biplanas buvo manevringesnis. Iš tiesų, biplanas pasižymi geru manevringumu dėl mažo sparnų tarpatramio, dėl kurio orlaivio svoris koncentruojasi šalia fiuzeliažo. Aviacijos inžinieriai šią savybę formuluoja kitaip, sakydami, kad biplanas turi nedidelį inercijos momentą. Tradicinis medinio biplano sparno dizainas parodytas Fig. 4. Jame yra du pagrindiniai laikantys elementai – sparnų kotai. Išorinis sparno kontūras formuojamas naudojant elementus, vadinamus briaunomis, ir ant jų ištemptą medžiaginį apvalkalą. Šis orlaivio dizainas išliko nepakitęs iki 1920-ųjų, kai Anglijos orlaivių pramonė perėjo prie metalinių konstrukcijų. Dabar tarpinės pradėtos daryti iš itin legiruoto plieno juostų, o briaunos – iš plieno arba aliuminio plokščių, štampuojant reikiamus profilius. Sparnai ir šonkauliai buvo surinkti į ažūrinę karkaso tipo konstrukciją.
Aukšto sparno monoplanas. Aukšto sparno monoplanai pasirodė XX amžiaus trečiajame dešimtmetyje ir greitai išpopuliarėjo kaip dviviečiai asmeniniai orlaiviai ir treniruokliai, pakeičiantys dviplanio konstrukciją. Net ir po Antrojo pasaulinio karo daugelis tokio tipo lėktuvų turėjo petnešas. Šis monoplanas gerokai skyrėsi nuo savo pirmtako. Jo daug storesnis sparnas yra virš fiuzeliažo, o vietoj petnešų naudojami statramsčiai. Atramos gali atlaikyti dideles jėgas tiek suspaudžiant, tiek įtempiant, o vienas statramstis pakeičia petnešų porą. Tokiame orlaivyje nėra daug sutvirtinto monoplano konstrukcinių elementų ir jis turi žymiai mažesnį pasipriešinimą (5 pav.).
Konsolinis monoplanas. Svarbus žingsnis į priekį, palyginti su dviplaniu lėktuvu, buvo konsolinio monoplano konstrukcija, kuri XX a. 20-ajame dešimtmetyje buvo plačiai naudojama Fokker lėktuvuose. Fig. 6 paveiksle parodyta aukšto sparno Fokker orlaivio schema, kurioje buvo užfiksuota daug skrydžio nuotolio rekordų. Kalbant apie šią schemą, dar kartą pereikime prie (1) lygties, kuri išreiškia momentų lygybę. Dabar jėgos H yra tempimo arba gniuždymo jėgos, veikiančios antbriaunius, o h yra atstumas tarp flanšų. Flanšo apkrovą galima sumažinti padidinus atstumą tarp flanšų, todėl reikia padidinti sparno sekcijos storį. Fokker sparno konstrukcija, kurios santykinis storis (maksimalaus profilio storio ir sparno stygos santykis) yra 20%, pasižymi geromis aerodinaminėmis savybėmis.
Fokker dizaino konsolinis sparnas turėjo medinius tarpiklius ir briaunas bei faneros apvalkalą. Labai patvarus ir standus, jis vis tiek buvo šiek tiek sunkesnis nei kitos panašios konstrukcijos. Daugelyje šalių, pavyzdžiui, Anglijoje, Italijoje ir Sovietų Sąjungoje, buvo sukurti metaliniai konsoliniai sparnai su plieniniais ir aliumininiais koteliais ir briaunomis bei audinio danga. Vėliau metalinės odos naudojimas leido žymiai padidinti sparno stiprumą. Toks sparnas paprastai vadinamas sparnu su darbo oda. Gamybos ir surinkimo būdai bei tokių konstrukcijų apskaičiavimas labai skiriasi nuo karkasinės konstrukcijos sparnui naudojamų metodų.
MONOKOKINĖ STATYBA
Monokoko principas. Didėjant orlaivių skrydžio greičiui, pasipriešinimo mažinimo problema tapo vis svarbesnė. Visiškai natūralus žingsnis buvo medžiaginę sparno odą pakeisti metaline oda, pagaminta iš plonų aliuminio lydinių lakštų. Metalinė oda leido pašalinti deformacijas tarp briaunų ir todėl tiksliau atkurti formas, kurias rekomendavo aerodinamikai, remdamiesi teoriniais skaičiavimais ir eksperimentiniais tyrimais vėjo tuneliuose. Tuo pat metu pasikeitė fiuzeliažo dizainas. Stačiakampis laikantis rėmas buvo įdėtas į korpuso konstrukciją, sudarytą iš lengvų rėmų ir stringų; Ši konstrukcija geriau atitiko aerodinaminius reikalavimus fiuzeliažo formai. Vieno variklio lėktuvuose priekinė fiuzeliažo dalis taip pat buvo aptraukta lakštiniu metalu, siekiant sumažinti gaisro tikimybę. Kai reikėjo pagerinti paviršiaus lygumą, audinio oda per visą fiuzeliažo ilgį buvo pakeista fanera arba metalu, tačiau tokios dangos tapo pernelyg brangios ir sunkios. Padidinti konstrukcijos svorį ir nepanaudoti padidintų stiprumo savybių aerodinaminėms apkrovoms sugerti buvo per daug švaistoma. Kitas žingsnis buvo akivaizdus. Kadangi išorinis korpuso korpusas tapo pakankamai tvirtas, atsirado galimybė nuimti vidinį rėmą. Tai yra monokokinės konstrukcijos principas. Monocoque yra vientisas apvalkalas, kurio forma atitinka aerodinamikos reikalavimus ir tuo pačiu yra pakankamai tvirta, kad sugertų ir perduotų apkrovas, atsirandančias skrydžio, tūpimo ir orlaivio judėjimo ant žemės metu. Terminas „monokokas“ yra hibridas, sudarytas iš graikiškų ir prancūziškų žodžių ir pažodžiui išverstas kaip „vieno gabalo apvalkalas“. Šis terminas taikomas sparnams ir fiuzeliažams, kuriuose oda yra pagrindinis apkrovą laikantis elementas. Antrasis svarbus monokokinio dizaino pranašumas parodytas fig. 7. Rėmo konstrukcijos skerspjūvis, skirtas dviem žmonėms talpinti jame, yra stačiakampio formos, pavaizduotas ištisine linija. Audiniu dengtas išorinis fiuzeliažo apvalkalas pavaizduotas punktyrine linija. Vienkartinio fiuzeliažo, kuriame telpa du žmonės, išoriniai kontūrai pavaizduoti punktyrine linija. Naudojant planimetrą nesunku nustatyti, kad monokokinės konstrukcijos skerspjūvio plotas yra 33% mažesnis nei gerai supaprastinto rėmo fiuzeliažo. Jei visi kiti dalykai yra vienodi, fiuzeliažo varža yra proporcinga jo skerspjūvio plotui. Todėl monokokinė konstrukcija, iš pradžių apytiksliai, leidžia sumažinti pasipriešinimą 33 % tik dėl mažesnio skerspjūvio ploto, palyginti su rėmo konstrukcija. Be to, dėl geresnio tekėjimo aplinkui ir paviršiaus lygumo padidėja pakėlimas. Tačiau karkasinės konstrukcijos dėl mažesnės gamybos savikainos ir santykinai mažesnio svorio ir toliau buvo naudojamos mažo greičio lėktuvams net ir po Antrojo pasaulinio karo. Monokokinės konstrukcijos buvo naudojamos orlaiviams, skriejantiems didesniu nei 320 km/h greičiu.
Plonasienės monokokės.Įprasta plonasienė transporto priemonėms skirta monokokė paprastai gaminama iš plonų aliuminio lydinio plokščių, kurios formuojamos taip, kad atitiktų aerodinaminius reikalavimus. Šis apvalkalas sutvirtintas skersiniais laikančiaisiais elementais – karkasais, o išilginiais laikančiaisiais elementais – špagatais arba stringerais. (Šie terminai reiškia fiuzeliažo konstrukciją. Sparno konstrukcijoje išilginiai stiprumo elementai yra stygos, o skersiniai – briaunelės.) Pav. 8 paveiksle parodyta, kaip konstruojamas tipiškas monokokinis fiuzeliažas. (Šis dizainas dabar dažniausiai vadinamas „pusiau monokokiu“ arba „sustiprintu monokokiu“, o terminas „grynas monokokis“ arba tiesiog „monokokas“ vartojamas išoriniams apvalkalams su mažai ar be sutvirtinimo).
Dėl didelio fiuzeliažo dydžio ir santykinai mažų aerodinaminių apkrovų monokokinis apvalkalas yra labai plonas (dažniausiai nuo 0,5 iki 1,5 mm). Toks plonas apvalkalas išlaiko savo formą, jei jį veikia tempimo jėgos, tačiau jis deformuojasi veikiamas gniuždymo ar šlyties jėgų. Fig. 9 paveiksle parodytas suspaudimo jėgų poveikis stačiakampei metalinei plokštei. Tokios gniuždymo jėgos patiriamos, pavyzdžiui, metalinės plokštės, kraštuose apribotos styginiais fiuzeliažo viršuje, kai aerodinaminės jėgos, veikiančios orlaivio uodegą, nukreipiamos į viršų.
Remiantis kietosios mechanikos dėsniais, kritinį įtempį (t. y. apkrovą ploto vienetui), kuriam esant plokščia plokštė pradeda deformuotis, galima apskaičiuoti pagal formulę.
Kur fcr yra kritinis įtempis, sukeliantis plokštės deformaciją, E yra medžiagos tamprumo modulis, t yra storis, o b yra plokštės plotis tarp atramų (tikroje konstrukcijoje tai yra atstumas tarp stygų). Pavyzdžiui, jei 0,5 mm storio ir 150 mm pločio plokštė yra pagaminta iš aliuminio lydinio, tada jos tamprumo modulis yra maždaug 70 000 MPa. Pakeitę šias reikšmes į (3) formulę, matome, kad kritinio įtempio, kuriam esant atsiranda odos deformacija, vertė yra 2,8 MPa. Tai žymiai mažiau nei medžiagos takumo riba (280 MPa) ir atsparumas tempimui (440 MPa). Vienkartinė medžiaga nebus efektyviai naudojama, jei dėl deformacijos plokštė praras gebėjimą išlaikyti apkrovą. Laimei, taip nėra. JAV Nacionalinio standartų ir technologijų instituto atlikti bandymai parodė, kad plokštės kraštą veikiančios apkrovos gali gerokai viršyti kritinės apkrovos vertę, atitinkančią lenkimo pradžią, nes plokštės apkrova beveik visiškai absorbuojama medžiagos juosteles jos kraštuose. Bendrą šių juostų plotį T. von Karman pavadino plokštės „efektyviuoju pločiu“. Pagal jo teoriją, plokštės sunaikinimo momentu patiriamą ribinę apkrovą dėl medžiagos, kuri išeina šalia prispaustų kraštų, galima apskaičiuoti pagal formulę.
Čia P yra bendra apkrova, veikianti plokštę sunaikinimo momentu, t yra plokštės storis, E yra elastingumo modulis ir ftek yra medžiagos takumo riba (įtempis, kuriam esant deformacija pradeda didėti be toliau didinant apkrovą). Skaičiavimai naudojant (3) ir (4) formules rodo, kad kritinė apkrova, sukelianti lenkimą, yra maždaug eilės tvarka mažesnė už ribinę apkrovą, sukeliančią sunaikinimą. Į šią išvadą reikia atsižvelgti kuriant orlaivį. Plonų plokščių naudojimas superkritinėje būsenoje deformacijai yra vienas iš pagrindinių plonasienių monokokinių konstrukcijų skiriamųjų bruožų. Transporto lėktuvų, bombonešių ir naikintuvų kūrimo pažanga Antrojo pasaulinio karo metais nebūtų buvusi įmanoma nesuvokus fakto, kad plonos plokštės deformacija nesukelia jos sunaikinimo. Konservatyvesnėse inžinerinės mechanikos srityse, tokiose kaip tiltų ir pastatų projektavimas, plokščių deformacija neleidžiama. Kita vertus, tūkstančiai lėktuvų skrenda su kai kuriomis metalinėmis plokštėmis savo konstrukcijose, kurioms būdingos deformacijos sąlygos didžiąją skrydžio laiko dalį. Tinkamai suprojektuotos plokštės, kurios skrendant patiria deformaciją, tampa visiškai lygios, kai tik lėktuvas nusileidžia ir išnyksta konstrukciją skrendant veikiančios aerodinaminės apkrovos.
Plonasienė sija. Kitas lenkimo būdas atsiranda plonasienėje sijoje, svarbiame orlaivių konstrukcijų elemente. Plonasienės sijos sąvoka paaiškinta fig. 10. Jėgai W veikiant laisvąjį plonasienės sijos galą, jos viršutinį flanšą veiks tempimo jėgos, o apatinį – gniuždymo jėgos. Flanšus veikiančių jėgų dydį galima apskaičiuoti pagal statinės pusiausvyros sąlygą. Jėgos W sukuriama šlyties jėga perduodama plona sijos sienele. Tokia plona plokštė praranda stabilumą ir pradeda deformuotis esant gana mažai apkrovai. Ant jo susidaro įstrižos klostės, t.y. jos deformacijos konfigūracija gerokai skiriasi nuo pusrutulio formos išgaubimų, atsirandančių plokštelės paviršiui deformuojant dėl jos suspaudimo.
G. Wagneris sukūrė praktinį plonasienės sijos įtempių skaičiavimo metodą, kai susidaro klostės ant sienų ir eksperimentiškai įrodė, kad galima suprojektuoti plonasienę siją, kuri nesugriūtų veikiant skrydžio apkrovoms. 100 kartų didesnės nei apkrovos, kurioms esant prasideda plonos sienelės deformacija. Deformacijos išlieka elastingos, o raukšlės visiškai išnyksta pašalinus apkrovą. Dėl visos konstrukcijos lenkimo veikiant apkrovai, parodytai pav. 10, viršutinis sijos flanšas yra ištemptas, o apatinis - suspaustas. Atsiradus raukšlėms, plona sienelė veikia kaip daugybės įstrižinių atramų rinkinys, kuris sugeria šlyties jėgas kaip išoriniai sutvirtinto vienaplanio sparno atramos (1 pav.). Vertikalių stulpų paskirtis – išlaikyti atstumą tarp sijos flanšų. 1930-aisiais plonasienių sijų koncepcija buvo plačiai naudojama orlaivių pramonėje, kuriant plonasienes monokokes, ypač sparnų kotelius su kirpimo sienelėmis. Konstrukcinių elementų išdėstymas plonasienėse monokokėse. Idealų plonasienį monokokinį fiuzeliažą sudaro plonos plokštės, paremtos daugybe daugiau ar mažiau tolygiai paskirstytų stygų ir rėmų, kaip parodyta Fig. 8. Tačiau pačiame fiuzeliaže turi būti padarytos išpjovos, kad būtų įrengti keleivinių orlaivių langai ir durys arba karinių orlaivių ginklų bokšteliai ir bombardavimo liukai. Esant didelėms angoms, pavyzdžiui, sunkiuosiuose orlaiviuose, skirtuose pilnai pakrautoms vikšrinėms transporto priemonėms gabenti, arba torpediniais bombonešiais, gabenančiais dideles torpedas fiuzeliažo viduje, streso koncentracija šalia angų tampa rimta problema. Dažnai tokių išpjovų kraštai yra sutvirtinti stipriais špagatais. Kai kuriuose orlaiviuose būtina numatyti tiek daug išpjovų fiuzeliažuose, kad dizaineris mieliau naudotų keturių pagrindinių stulpelių laikančiąsias savybes, o trumpus stringerius naudotų tik kaip pagalbinius stiprumo elementus, nes pjūvio stiprumo elementas yra negalintis perduoti apkrovos. Dėl to, kad apkrovos daugiausia veikia keturis pagrindinius konstrukcinius elementus, šio tipo fiuzeliažas iš tikrųjų yra tarpinis tarp rėmo konstrukcijos ir sustiprintos monokokės. Tai gali būti laikoma iš dalies sustiprinta monokoke. Tokios monokokės dažniau naudojamos sparnams, o ne fiuzeliažams, nes ant orlaivio sparnų turi tilpti ištraukiama važiuoklė, degalų bakai, varikliai, ištraukiami sklendės, eleronai, kulkosvaidžiai, pabūklai ir daugybė smulkių detalių. Rimčiausios problemos, kylančios dėl sustiprintos monokokinės konstrukcijos vientisumo, yra susijusios su važiuoklės ir kuro bakų išdėstymu, nes šie agregatai yra šalia sparno šaknies, kur konstrukcija turi būti stipriausia. Be to, daugelis išdėstymų neleidžia sparnui praeiti pro fiuzeliažą, nes ši erdvė reikalinga įgulai, keleiviams ar varikliams sutalpinti. Todėl sparno konstrukcijoje naudojamos dvi tvirtos špagos, kaip tai daroma monoplane su aukštu sparnu. Tarpas tarp dviejų šoninių elementų gali būti naudojamas aukščiau minėtiems mazgams ir komponentams sutalpinti. Tose sparno vietose, kuriose nėra plyšių, oda yra sutvirtinta styginiais, kurie dar labiau padidina sparno tvirtumą. Tačiau didžiąją dalį apkrovos užima dvi pagrindinės dalys. Išoriniai sparnų pultai yra vienspalvio dizaino (11 pav.). Apkrovas sugeria korpusas ir konsolės išilginiai stiprumo elementai. Skirtumas tarp vertikalios juostos ir juostos yra tas, kad juosta turi jungiamąjį elementą, kurio forma yra tokia pati kaip ir kitų stringų, o juosta tvirtinama naudojant masyvesnius flanšus.
Storasienės monokokinės konstrukcijos koncepcija. Antrojo pasaulinio karo metais eksperimentinių lėktuvų greitis ėmė artėti prie garso greičio, o plonasienės monokokinės konstrukcijos nebeatitiko padidintų reikalavimų. Vienas iš veiksnių, prisidėjusių prie skrydžio greičių didėjimo, buvo sukurtas vadinamasis. laminariniai sparnų profiliai, kurių pasipriešinimas buvo labai mažas. Tačiau laminarinių sparnų privalumus būtų galima realizuoti tik tuo atveju, jei būtų griežtai laikomasi reikiamos sparno paviršiaus formos, o menkiausias paviršiaus glotnumo sutrikimas (išsikišusios kniedės ar įdubimai įdubusioms kniedėms) panaikintų visus laminarinio profilio privalumus. . Dėl šios priežasties plonasienės, sustiprintos monokokės pasirodė netinkamos kurti laminarinio srauto sparnus greitaeigiams orlaiviams. Kitas veiksnys, reikalaujantis tiksliai laikytis greitųjų orlaivių sparno ir fiuzeliažo formos, yra transoninio srauto nestabilumas. Transoniniuose srautuose labai maži supaprastinto paviršiaus formos pokyčiai gali visiškai pakeisti srauto modelį ir atsirasti smūginių bangų, dėl kurių smarkiai padidėja pasipriešinimo jėga. Kadangi labai sunku išlaikyti tiksliai norimą paviršiaus formą iš plonų plokščių, reikėjo padidinti orlaivių konstrukcijų odos storį. Kita dangos storio didinimo priežastis buvo nepakankamas orlaivio sparno konstrukcijos konstrukcijos aukštis (atstumas h 6 pav.). Sparnų profiliai, skirti dideliam skrydžio greičiui, turi būti labai ploni (didžiausias santykinis viršgarsinių orlaivių ir raketų sparnų storis paprastai yra mažesnis nei 10 % stygos). Apkrovos, veikiančios apatinį ir viršutinį tokio sparno paviršius, yra labai didelės, ir jas gali atlaikyti tik stora oda.
Sumuštinio koncepcija. Pirmoji storasienė konstrukcija, naudojusi sumuštinio koncepciją, buvo naikintuvo „Havilland Mosquito“ oda. Šioje konstrukcijoje tarpas tarp dviejų plonų, tvirtų sluoksnių (nešančių sluoksnių) užpildytas daug lengvesne medžiaga; tokia kompozitinė plokštė gali atlaikyti didesnes lenkimo apkrovas nei dvi laikančiosios dangos be šerdies, sujungtos kartu. Be to, ši daugiasluoksnė struktūra išlieka lengva, nes šerdies tankis yra mažas. Lengvos daugiasluoksnės konstrukcijos, kuri padidino stiprumą, pavyzdys yra pakavimo kartonas, kuriame tarp dviejų išorinių kartono lakštų yra gofruoto popieriaus sluoksnis. Daugiasluoksnis kartonas turi didesnį lenkimo standumą ir stiprumą nei tokio paties svorio kartono lapas. Svarbus veiksnys, užkertantis kelią paviršiaus deformacijai, yra plokštės gebėjimas atlaikyti lenkimo apkrovas. Storasienės daugiasluoksnės dangos su padidintu lenkimo standumu neleidžia paviršiui deformuotis normaliomis skrydžio situacijomis ir padeda išlaikyti lygią sparno ir fiuzeliažo paviršių formą. Apkrovą laikantys sluoksniai sujungiami su pagrindiniu sluoksniu klijais. Nenaudojamas kniedijimas ir tai užtikrina lygų paviršių. Daugiasluoksnių konstrukcijų gamybos būdai. Sudėtingos formos daugiasluoksnių struktūrų elementams gaminti naudojami keli metodai. Vienas iš jų paaiškintas fig. 12. Pagaminta forma, kuri tiksliai atkartoja norimą daugiasluoksnio elemento formą. Daugiasluoksnės struktūros sluoksniai sutepami sintetiniais klijais ir dedami į formą. Daugiasluoksnės konstrukcijos korpusas padengtas apvalkalu, pagamintu iš hermetiškos medžiagos, pavyzdžiui, patvarios gumos, o forma sandariai uždaroma dangteliu. Karštas garas pumpuojamas į apvalkalą veikiant slėgiui, o veikiant aukštai temperatūrai ir vienodam garų slėgiui, klijai sukietėja ir patikimai sujungia laikančius sluoksnius su užpildu. Ši formavimo technologija gali būti naudojama sudėtingų formų konstrukciniams elementams su kintamo storio lenktomis sienelėmis gaminti.
Antrojo pasaulinio karo metu sintetiniai klijai ir sluoksnių sujungimo technologija buvo plačiai naudojama orlaivių pramonėje. Ši technologija suteikė patvarias jungtis tarp skirtingų medžiagų, tokių kaip mediena ir metalai, ir leido pigiai gaminti odas su lygiais paviršiais.
Daugiasluoksnės struktūros sunaikinimas. Kaip ir karkasinių konstrukcijų ir plonasienių monokokių atveju, sumuštinių konstrukcijos gedimas prasideda toje pusėje, kuri yra suspaudžiama. Dėl didelio daugiasluoksnės plokštės storio gniuždymo jėga, sukelianti lenkimą ir deformaciją, yra žymiai didesnė už vertę, kuriai esant plonasienių armuotų monokokių paviršiuje atsiranda deformacijos požymių. Šių dydžių santykis gali siekti 20 ar net 50. Tačiau reikia atsiminti, kad plonasienės monokokės gali veikti esant apkrovoms, kurios yra daug didesnės nei kritinė apkrova kreipimosi pradžiai, o daugiasluoksnio sluoksnio paviršius deformuojasi. oda visada sukelia pastarųjų sunaikinimą. Kritinė apkrova, sukelianti daugiasluoksnio apvalkalo sulinkimą, gali būti įvertinta naudojant homogeninės plokštės ir vieno sluoksnio apvalkalo projektavimo metodus. Tačiau santykinai mažas lengvos užpildo medžiagos atsparumas šlyčiai pastebimai sumažina kritinio įtempio dydį, ir šio poveikio negalima nepaisyti. Daugiasluoksnės konstrukcijos stabilumo praradimas paprastai veda prie plonų laikančiųjų korpusų paviršiaus deformacijos arba susiraukšlėjimo. Fig. 13 paveiksle pavaizduoti du nestabilumo tipai: simetriškas patinimas ir pasvirimas. Esant dideliam sluoksnio storiui su užpildu, atsiranda simetriškas patinimas, o esant mažam tokio sluoksnio storiui – iškraipymas.
Kritinis įtempis, sukeliantis daugiasluoksnės struktūros stabilumo praradimą, kartu su abiejų paviršiaus deformacijų formų atsiradimu, gali būti nustatytas pagal formulę
Kur fcr – laikančiųjų sluoksnių kritinė įtempių vertė, Ef – laikančiojo sluoksnio medžiagos tamprumo modulis, Ec – užpildo medžiagos tamprumo modulis, Gc – užpildo medžiagos šlyties modulis. Kaip pavyzdį apsvarstykite daugiasluoksnę struktūrą su laikančiaisiais aliuminio lydinio sluoksniais ir akyta celiuliozės acetato pluošto šerdimi. Aliuminio lydinio tamprumo modulis yra apie 70 000 MPa, o šerdies medžiagos – 28 MPa. Užpildo medžiagos šlyties modulis yra 14 MPa. Pakeitę šias reikšmes į (5) formulę, mes nustatome, kad kritinė įtempio vertė lenkimui yra 150 MPa. Atkreipkite dėmesį, kad santykis (5) neapima plokštės geometrinių charakteristikų. Vadinasi, kritinis įtempis nepriklauso nuo laikančiųjų sluoksnių ir sluoksnio su užpildu storių. Vienintelis būdas padidinti konstrukcijos laikomąją galią deformacijos atžvilgiu yra naudoti geresnes mechanines savybes turintį užpildą.
Kiti storasienių lukštų tipai. Po Antrojo pasaulinio karo buvo sukurtos ir pradėtos gaminti įvairios pirmiau aprašytos originalios sumuštinių konstrukcijos modifikacijos. Fig. 14 parodyta korio struktūra. Jame tarpinis sluoksnis yra korinis (ląstelinis) užpildas. Fig. 15 paveiksle parodyta kito tipo daugiasluoksnė konstrukcija, kurios šerdis yra gofruotas aliuminis. Ši konstrukcija, panaši į pakavimo plokštę, yra labai standi ir stabili, tačiau gofruotoji juosta neturėtų būti sujungta su apkrovą laikančiais apvalkalais kniedėmis.
Kitose konstrukcijose oda ir jos standumą didinantis sluoksnis yra suvynioti ir suformuoti į sparno arba fiuzeliažo skerspjūvį. Galiausiai, labai apkrautiems, labai ploniems sparnams, buvo pradėtos gaminti kintamo storio apvalkalai, pagaminti iš patvaraus aliuminio lydinio, kurių didžiausias storis yra apie 19 mm. Tokie tvirti apvalkalai leidžia pagaminti sparną, kuris išlaiko formą net ir be briaunų tik dėl pačios odos standumo, sutvirtintą trimis ar keturiomis kirpimo sienelėmis, besiremiančiomis į kotus.
VIRŠGARSINIAI LĖKTUVIAI, KOSMINIAI TRANSPORTO PRIEMONĖS IR BALISTINĖS RAKETAS
Aviacijos ir kosmoso technologijų plėtrai būdinga nuolatinė traukos ir svorio santykio augimo tendencija (traukos ir svorio santykis – tai orlaivio jėgainės traukos ir jos svorio santykis). Vertikalaus kilimo ir tūpimo orlaiviams ši vertė viršija vieną. Balistinės raketos varomoji sistema turi sukurti trauką, kuri gerokai viršija raketos svorį, kad galėtų ją pakelti nuo paleidimo aikštelės, pagreitinti ir pastatyti norima trajektorija. Nuolat didėjantis traukos ir svorio santykis bei skrydžio greitis lėmė orlaivių, kurie vis mažiau priklauso nuo sparno sukuriamų aerodinaminių jėgų, atsiradimą. Sparnų dydis pradėjo mažėti (balistinėse raketose jų visiškai nėra). Tačiau sklandantys orlaiviai, paleisti į kosmosą naudojant stiprintuvus, turi turėti sparnus, kad galėtų grįžti į žemę. Viršgarsinių orlaivių sparnai ir stabilizatoriai yra mažesni nei ikigarsinių orlaivių, ne tik plotu; jie taip pat yra plonesni ir turi mažiau pailgėjimo. Viršgarsinių orlaivių sparnai ir uodegos paviršiai yra šluotos arba trikampio formos. Tokių sparnų odos storis yra daug didesnis nei ikigarsinių orlaivių sparnų.
Plonasienių kriauklių pavyzdžiai. Svorio mažinimas yra pagrindinis erdvėlaivio dizaino prioritetas. Daugelis pažangos plonasienių apvalkalų kūrimo srityje atsirado dėl šio reikalavimo. Tipiški šios konstrukcijos pavyzdžiai yra skysto nešiklio „Atlas“ ir kietosios raketos konstrukcija. Atlasui buvo sukurtas specialus kompresinis monokokinis apvalkalas. Raketa su kietojo kuro varikliu gaminama apvyniojus stiklo siūlą aplink kietojo kuro užtaiso formos įtvarą ir suvyniotą sluoksnį impregnuojant specialia derva, kuri po vulkanizacijos sukietėja. Su šia technologija iš karto gaunamas ir atraminis orlaivio korpusas, ir raketinis variklis su antgaliu. Grįžtantys erdvėlaiviai buvo suprojektuoti su kūginiu apvalkalu, kuris buvo padengtas nuo karščio saugančios medžiagos sluoksniu, kuris buvo abliuojamas esant aukštai temperatūrai (aušinimo, naudojant perneštą dangą, koncepcija). Dėl mažų gravitacijos jėgų erdvėje ir Mėnulyje buvo sukurtos unikalios struktūros. Pavyzdžiui, Mėnulio modulio apvalkale yra plokščių, kurios Mėnulyje nesikreiptų, o Žemėje deformuotųsi pagal savo svorį.
taip pat žr ERDVĖS TYRINIMAS IR NAUDOJIMAS; RAKETA.
OROS MEDŽIAGOS
Daugelis medžiagų praranda savo stiprumą aukštoje temperatūroje, kuri atsiranda viršgarsinio skrydžio metu. Todėl lengvos karščiui atsparios medžiagos ypač domina aviacijos ir erdvėlaivius. Iki šeštojo dešimtmečio pabaigos pagrindinės aviacinės medžiagos orlaiviams, skriejantiems ne didesniu kaip dviejų Macho skaičiumi (Macho skaičius yra skrydžio greičio ir garso greičio santykis), buvo aliuminio lydiniai ir plienas. Titanas tapo ekonomiškai prieinamas septintojo dešimtmečio pradžioje, o jo lydiniai buvo naudojami orlaivių konstrukcijose iki 3 machų. Metaliniai superlydiniai ir miltelių medžiagos buvo sukurtos sukepinant silicio arba ličio karbido miltelius su aliuminiu arba titanu. Taip pat sukurtos kompozicinės medžiagos, kuriose plastikinis (polimerinis) pagrindas sutvirtintas stiklo, kevlaro ar anglies pluoštu. Kompozitinės medžiagos plačiai naudojamos orlaivių konstrukcijoje ir kosmoso technologijose dėl gero svorio ir mechaninių savybių, kurios leidžia sukurti lengvas ir patvarias konstrukcijas, kurios gali veikti ir aukštesnėje temperatūroje.
taip pat žr LYDINIAI; PLASTIKAI.
OROS KONSTRUKCIJOS
Transporto lėktuvai ir naikintuvai.Įprastą šiuolaikinio transporto orlaivio išdėstymą sudaro sustiprintas monokokinis fiuzeliažas su dvigubais sparnais ir dvigubos uodegos elementais. Lėktuvų konstrukcijose daugiausia naudojami aliuminio lydiniai, tačiau atskiriems konstrukcijos elementams naudojamos ir kitos medžiagos. Taigi stipriai apkrautos sparnų šaknų dalys gali būti pagamintos iš titano lydinio, o valdymo paviršiai – iš kompozitinės medžiagos su poliamido arba stiklo siūlais. Kai kurių orlaivių uodegos paviršiuose naudojamos grafito-epoksidinės medžiagos. Šiuolaikinio naikintuvo konstrukcija įkūnija naujausius pasiekimus orlaivių kūrimo srityje. Fig. 16 paveiksle parodyta tipiško naikintuvo su daugiasluoksniu delta sparnu ir sustiprintu monokokiniu fiuzeliažu, konstrukcija. Atskiri šio orlaivio sparno ir uodegos elementai pagaminti iš kompozitinių medžiagų.
Ryžiai. 16. F-15C IGL iš McDonnell-Douglas yra naikintuvas, naudojamas JAV oro pajėgose ir jų sąjungininkais. Jis turi du priverstinio apėjimo turboreaktyvinius variklius iš Pratt-Whitney ir išvysto maksimalų greitį, atitinkantį M = 2,5. Jo ginkluotę sudaro 20 mm patranka, valdomos raketos „oras-oras“ ir nevaldomos orlaivių raketos. Skrydžio nuotolis naudojant išorinius degalų bakus yra 5470 km. 1 - radiolokacinės stoties antenos stiklo pluošto aptakas; 2 - Doplerio radiolokacinė stotis; 3 - radijo antena ir radaro antena; 4 - pertvaros; 5 - elektroninės įrangos skyrius; 6 - greičio indikatoriaus imtuvas; 7 - kabinos stogelis; 8 - priekinis stiklas; 9 - piloto sėdynė; 10 - skrydžio projekcijos indikatorius; 11 - prietaisų skydelis; 12 - valdymo rankena; 13 - vairo pedalai; 14 - šoninis valdymo skydelis; 15 - šoniniai žibintai; 16 - apatiniai įrangos skyriai; 17 - antielektroninės apsaugos priemonės; 18 - kabinos stogelio keltuvas; 19 - oro kondicionierius; 20 - važiuoklė; 21 - variklio oro įsiurbimas; 22 - hidrauliniai stiprintuvai; 23 - 20 mm kalibro Vulcan patranka ir amunicija; 24 - Oras-oras valdomos raketos Sparrow; 25 - pneumatinis stabdys; 26 - kuro bakai; 27 - oro įsiurbimo kanalas; 28 - oro papildymo sistemos armatūra; 29 - kuro tiekimo vamzdynų sistema; 30 - gaubtai; 31 - eleronai; 32 - atvartai; 33 - tarpikliai; 34 - kaiščių jungtys; 35 - sparnų šonkauliai; 36 - sparnų odos plokštės su stygomis; 37 - korio konstrukcijos; 38 - tūpimo kablys, skirtas sugriebti stabdymo iškroviklio trosą; 39 - oro sistemos įrangos skyriai; 40 - turboreaktyviniai aplinkkelio varikliai; 41 - kompresorius; 42 - pagalbinis maitinimo blokas (starteris); 43 - pavarų dėžė; 44 - variklio tvirtinimo rėmai; 45 - papildomo degiklio degimo kamera; 46 - variklio skyrius su žiediniais rėmais ir sruogomis iš titano; 47 - titano korpusas; 48 - papildomo degiklio purkštukai; 49 - stabilizatoriaus tvirtinimo mazgas; 50 - boro pluošto apvalkalo plokštės; 51 - pilonas kroviniams pakabinti sparno konsolinėje dalyje; 52 - pilonas kroviniams pakabinti prie sparno šaknies; 53 - bombų stovas; 54 - bombos; 55 - Sidewinder oras-oras raketos; 56 - išorinis kuro bakas.
Erdvėlaivis „Shuttle“. Orbitinis erdvėlaivis gali skristi Žemės atmosferoje hipergarsiniu greičiu. Prietaiso sparnai turi kelių špagų rėmą; Sustiprinta monokokinė kabina, kaip ir sparnai, pagaminta iš aliuminio lydinio. Krovinių skyriaus durys pagamintos iš grafito-epoksidinės kompozicinės medžiagos. Prietaiso šiluminę apsaugą užtikrina keli tūkstančiai lengvų keraminių plytelių, kurios dengia didelių šilumos srautų veikiamas paviršiaus dalis.
taip pat žrŽIUOTOJAMI SKRYDŽIAI KOSMINIAI; KOSMONIS LAIVAS „STUTTLE“. Kosminės stotys. Orbitinis erdvėlaivis turėtų būti naudojamas ilgalaikių kosminių stočių įrengimui. Patirtis, įgyta eksploatuojant Rusijos orbitinę kosminę stotį Mir, naudojama kuriant tarptautinę kosminę stotį „Freedom“. Projektavimo inžinieriai sprendžia ilgalaikės orbitinės stoties blokų ir konstrukcinių elementų paleidimo problemą su vėlesniu jos surinkimu erdvėje.
Collier enciklopedija Vikipedija
Orlaivis, skrendantis palaikomas sparnais ir varomas jėgainės. Lėktuvai, valdomi piloto (ar pilotų), gabena naudingąjį krovinį, t.y. kroviniai, keleiviai, ginklai ar speciali įranga, pvz.,... Collier enciklopedija
Nemotorizuotas orlaivis, sunkesnis už orą. Sklandytuvas išlaikomas ore balansuojant žemyn nukreiptą gravitacijos jėgą su kėlimo jėga, kurią sukuria aukštyn kylančios oro srovės. Yra du sklandytuvų skrydžio režimai: planavimas... ... Collier enciklopedija
IVB POGRUPĖ. TITANO ŠEIMA TITANIS, CIRKONIS, HAFNIS Pereinamieji metalai taip pat apima Ti, Zr ir Hf titano šeimos elementus, kurie išsiskiria nuostabiu savybių panašumu. Paskutiniai du elementai (Zr ir Hf) yra ypač artimi savybėmis.… … Collier enciklopedija
Naudojame slapukus, kad mūsų svetainė būtų kuo geriau pristatyta. Ir toliau naudodamiesi šia svetaine sutinkate su tuo. Gerai
