Kosmosa kuģis un tehnoloģijas. Kosmosa struktūras Kosmosa struktūras
Ievads
Prasības starojuma ekrāniem
Radiācijas ekrāna dizains
1 JWST infrasarkanās observatorijas starojuma ekrāns
2 Gaia optiskās observatorijas starojuma ekrāns
3 TPF-C observatorijas starojuma ekrāns
Daži konstrukciju veidi starojuma ekrānu atbalsta konstrukcijām
Ievads
Mūsdienu kosmosa observatoriju atstarotāji tiek atdzesēti līdz kriogēnai temperatūrai, lai samazinātu iekšējā trokšņa līmeni un palielinātu uztverošās iekārtas jutību. Dzesēšana var būt gan aktīva, izmantojot dažādas saldēšanas iekārtas, gan pasīva, novēršot uztverošās iekārtas apgaismojumu ar tiešu vai atstarotu saules starojumu. Iespējama arī kombinēta dzesēšana.
Uzdevumu izveidot ēnu, kurā darbojas observatoriju uztverošās ierīces, risina starojuma ekrāni - ierīču un mehānismu kopums tiešā un atstarotā saules starojuma intensitātes samazināšanai vai būtiski vājināšanai aizsargājamajā kosmosa zonā.
Radiācijas ekrāni atkarībā no dzesēšanas metodes, ekranētās zonas veida, materiāla siltumizolācijas slāņu skaita un atvēršanas jaudas tiek iedalīti dažādos veidos.
Pēc dzesēšanas metodes:
· ar neatdzesētu ekrānu,
· ar aktīvi atdzesētu ekrānu,
· ar daļēji atdzesētu ekrānu.
Pēc ekranētās zonas veida:
· ar sfērisku dzesēšanas zonu (kosmosa kuģis ir pilnībā ieskauts ar ekrānu),
· ar iekšēju dzesēšanas zonu (atvērtā ekrāna sistēmas iekšpuse ir aizsargāta),
· ar vienas puses dzesēšanu (viena kosmosa kuģa puse ir aizsargāta).
Pēc izpaušanas:
· ekrāns ir stingri piestiprināts pie korpusa,
· ekrāns ir paredzēts nolaišanai no transportēšanas stāvokļa uz darba stāvokli.
Šajā rakstā aplūkoti mūsdienu vai nākotnes observatoriju projekti elektromagnētisko viļņu optiskajam, infrasarkanajam un radio diapazonam ar neatdzesētiem, viena un daudzslāņu nolaižamajiem starojuma ekrāniem ar iekšēju dzesēšanas zonu. Tā kā aplūkojamo starojuma ekrānu kopējie izmēri sasniedz desmitiem metru, tas ļauj tos klasificēt kā lielas telpas struktūras.
1. Prasības starojuma ekrāniem
Uz radiācijas ekrāniem, tāpat kā uz visām kosmosa kuģu ierīcēm un mehānismiem, attiecas prasības samazināt izstrādes, ražošanas, testēšanas, palaišanas, ekspluatācijas un iznīcināšanas izmaksas, un attiecīgi ir prasības samazināt svaru, kopējos izmērus transportēšanas stāvoklī un palielināt darbības uzticamību. Turklāt, lai nodrošinātu pietiekami augstas dabisko svārstību pirmās frekvences, var būt nepieciešami starojuma ekrāni kā lielas kosmosa struktūras. Un, visbeidzot, radiācijas ekrāni kā pasīvās siltumizolācijas līdzeklis ir nepieciešami, lai nodrošinātu dzesēšanas zonas temperatūras režīmu, formu un izmēru.
Šo pretrunīgo prasību apmierināšana tiek panākta ar optimālu radiācijas ekrānu dizainu.
2. Radiācijas ekrānu konstrukcijas
Šajā darbā aplūkotie starojuma ekrāni sastāv no šādiem galvenajiem elementiem:
· ekrāna-vakuuma siltumizolācija,
· nolaižamā atbalsta struktūra,
· savienojošās ierīces.
Teorētiski ir iespējami visdažādākie visu trīs elementu dizaini, tāpēc vispirms mēs apsvērsim mūsdienu un nākotnes kosmosa observatoriju starojuma ekrānu dizainus un pēc tam dažus dizaina variantus nolaižamajai nesošajai konstrukcijai kā galveno elementu, kas nodrošina aizsargājamās zonas formu un izmērus, kā arī nepieciešamās dabiskās frekvences.
2.1 JWST infrasarkanā observatorijas starojuma ekrāns
NASA Džeimsa Veba kosmiskās infrasarkanās observatorijas (JWST) projekts ir viens no līdz šim progresīvākajiem. Observatoriju gatavojas uzsākt 2013. gadā. Pašlaik kosmosa kuģu sistēmas tiek projektētas, ražotas un pārbaudītas. Cita starpā ir izgatavots un pārbaudīts radiācijas ekrāna tehnoloģiskais paraugs.
JWST starojuma ekrāns ir neregulārs sešstūris plānā, kas sastāv no pieciem siltumizolācijas materiāla slāņiem (neilons, ar izsmidzinātiem alumīnija un silīcija slāņiem). Atbalsta rāmja lomu spēlē seši salokāmi stieņi un atbalsta troses. Observatorijas izskats parādīts 1. attēlā.
1. attēls. Nosauktā kosmosa teleskopa ārējais skats. J. Vebs.
· gabarīta izmēri 32,8 m x 14,2 m,
· pieci siltumizolācijas materiāla slāņi uz neilona,
· pirmās piecas dabiskās frekvences: 0,23 Hz, 0,32 Hz, 0,44 Hz un 0,54 Hz,
· iekārtas temperatūra aizsargājamajā zonā: mazāka par 50K.
· aptuvenais svars: 200 kg.
Radiācijas ekrāna ierīces shēma un tās galvenie parametri parādīti 2. attēlā.
2. attēls. Nosauktā kosmosa teleskopa radiācijas ekrāna dizains un galvenie parametri. J. Vebs.
1. Priekšējie atbalsta stieņi (2 gab.), 2. Sānu atbalsta stieņi (2 gab.), 3. Aizmugurējie atbalsta stieņi (2 gab.), 4. Pieci slāņi siltumizolācijas materiāla uz atbalsta kabeļiem, 5. Gala atbalsta stieņi (6 gab.), 6. Primārā sieta-vakuuma siltumizolācija
Radiācijas ekrāns tiek izvietots šādā secībā:
Transportēšanas pozīcija,
Primārā sieta-vakuuma siltumizolācijas atvēršana,
4. Atveriet aizmugurējos atbalsta stieņus,
6. Priekšējo atbalsta stieņu atvēršana,
Gala atbalsta stieņu atvēršana un atbalsta stieņu nospriegošana. Radiācijas ekrāna darba pozīcija.
Radiācijas ekrāna izvietošanas secība ir parādīta 3. attēlā.
3. attēls. Radiācijas vairoga izvietošanas secība
2.2 Gaia optiskās observatorijas starojuma ekrāns
Gaia kosmosa observatorija, ko finansē Eiropas Kosmosa aģentūra, šobrīd atrodas nepieciešamo tehnoloģiju projektēšanas un izstrādes fāzē. Tādējādi 2005. gadā tika veikts veiksmīgs starojuma ekrāna prototipa izvietošanas tests.
Gaia starojuma ekrāns ir regulārs divstūris ar diametru 11 m. Sešas divstūra sekcijas ir izgatavotas no nesošajām konstrukcijām, kas sastāv no divām daļām. Ekrāna siltumizolācijas materiāls ir neilons, kas pārklāts ar alumīniju. Ekrāns sastāv no diviem materiāla slāņiem, kas atdalīti ar 130 mm atstarpi. Vienas sekcijas nesošais rāmis ir plākšņu kvadrāts plānā piestiprināšanas vietā pie kosmosa kuģa korpusa un X formas nesošā konstrukcija plānā.
Observatorijas izskats parādīts 4. attēlā.
4. attēls. Gaia observatorijas ārējais skats
Radiācijas ekrāna pamatparametri:
· diametrs 11m,
· divi siltumizolācijas materiāla slāņi, kuru pamatā ir neilons,
· pirmā dabisko svārstību frekvence: ne zemāka par 35 Hz,
· iekārtas temperatūra aizsargājamajā zonā: mazāka par 150 K.
· aptuvenais svars: 70 kg.
Radiācijas ekrāna dizains ir parādīts 5. attēlā.
5. attēls. Gaia observatorijas radiācijas vairogs. Transporta un darba pozīcijas. Tiek parādītas trīs sadaļas no divpadsmit.
Kvadrātveida sekcijas, 2. X formas atbalsta konstrukcijas,
Nesošie paneļi, 4. Neatbalstīti siltumizolācijas slāņi.
Izolācijas paneļus sāk izvietot vienlaicīgi. Darba stāvoklī paneļi ir fiksēti ar pieturām. Izvietošanas secība ir parādīta 6. attēlā.
6. attēls. Gaia observatorijas radiācijas vairoga izvietošanas secība.
2.3. TPF-C observatorijas starojuma ekrāns
NASA projekts Terrestrial Planet Finder paredz observatoriju izveidi, lai meklētu Zemei līdzīgas planētas. Projekta laikā paredzēts izveidot divu veidu observatorijas: TPF-C (koronagrāfs) un TPF-I (interferometrs). TPF-C observatorija pašlaik tiek aktīvi attīstīta. Citu sistēmu starpā tiek izstrādāta sistēma, lai uzturētu nemainīgu teleskopa spoguļu temperatūru, kas ietver starojuma ekrānu.
Observatorijas izskats parādīts 7. attēlā.
7. attēls. TPF-C observatorijas ārējais skats
Observatorijas dizains parādīts 8. attēlā.
8. attēls. TPF-C observatorijas dizains
TPF-C starojuma ekrāns sastāv no sešiem siltumizolējoša materiāla slāņiem, veidojot regulāru nošķeltu astoņstūra piramīdu, kuras iekšpusē ir ievietots teleskops. Atbalsta konstrukcija sastāv no astoņiem bīdāmiem stieņiem, kas veido piramīdas malas.
TPF-C projekta tehniskajā aprakstā teikts, ka observatorijas zinātniskais aprīkojums darbosies istabas temperatūrā, un tāpēc radiācijas ekrāns šajā gadījumā paredzēts ne tik daudz, lai nodrošinātu teleskopa spoguļu un detektoru dzesēšanu, bet gan temperatūras lauka izlīdzināšanai. aizsargājamajā teritorijā un nodrošināt tās stacionaritāti. Diemžēl literatūrā nav detalizētas informācijas par izmantoto siltumizolācijas materiālu, starojuma ekrāna izmēriem un svaru.
4 Millimetron un WMAP observatoriju starojuma ekrāni
Krievijas projekts "Millimetron" paredz izveidot observatoriju milimetru, submilimetru un infrasarkano staru viļņu diapazonā ar aktīvi dzesējamu teleskopu ar diametru 12 m. Papildus teleskopa aktīvajai dzesēšanai tiek nodrošināta pasīvā dzesēšana, izmantojot divus starojumus. ekrāni.
Observatorijas dizains parādīts 9. attēlā.
9. attēls. Millimetron projekta observatorijas dizains
Pieejamajā literatūrā informācijas par Millimetron projekta observatorijas radiācijas ekrāna dizainu nav.
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) kosmosa kuģis tika palaists 2003. gadā, lai pētītu kosmiskā mikroviļņu fona starojuma anizotropiju. WMAP galvenais zinātniskais aprīkojums ir divu kanālu radiometrs. Lai samazinātu traucējumu līmeni, radiometra uztveršanas ierīces ir aizsargātas ar starojuma vairogu. Ierīces izskats parādīts 10. attēlā.
10. attēls. WMAP observatorijas ārpuse
Aparāta dizains parādīts 11. attēlā.
11. attēls. WMAP observatorijas dizains
Pieejamajā literatūrā nav informācijas par WMAP observatorijas radiācijas vairoga konstrukciju.
3. Daži radiācijas ekrānu nesošo konstrukciju konstrukciju veidi
Radiācijas ekrāna galvenais elements, kas nodrošina aizsargājamās zonas formu un izmērus, kā arī atvērumu un nepieciešamās dabiskās frekvences, ir nesošā konstrukcija.
Šīs kopsavilkuma 2. sadaļā ir aprakstīti atbalsta konstrukciju projekti, kas izmantoti mūsdienu un nākotnes kosmosa observatoriju projektēšanā. Tomēr literatūrā ir aprakstītas nolaižamās telpas struktūras, kuras var izmantot arī kā atbalsta konstrukcijas.
Piemēram, apsveriet divu veidu nesošās konstrukcijas, kas nodrošina augstu sakraušanas koeficientu (maksimālā izmēra attiecība darba stāvoklī pret maksimālo izmēru transportēšanas stāvoklī) un mazu masu uz laukuma vienību: kopnes un "izlocāms". ” struktūras.
3.1. Kopņu konstrukcijas
Viens no Krievijā ražoto saliekamo kopņu konstrukciju piemēriem ir OKB MEI sērijas TKSA un KTVRM atstarotāji.
Labākajiem paraugiem tiek nodrošināts aptuveni 10 kraušanas koeficients un 1 kvadrātmetra masa. m virsmas 1 kg līmenī.
TKSA-6 atstarotāja izskats zemes testu laikā parādīts 12. attēlā.
12. attēls. TKSA-6 atstarotāja izskats
Kopnes konstrukcijas shematiska diagramma parādīta 13. attēlā.
13. attēls. Kopņu konstrukcijas shematiskā diagramma
3.2. Roll-up struktūras
Sarullējamās konstrukcijas savu nosaukumu ieguvušas, jo to nesošie elementi transportēšanas stāvoklī ir cieši saritināti, cieši blakus viens otram. Viena veida saliekamās konstrukcijas, kosmosa kuģa ATS-6 reflektora, pamatkonstrukcija ir parādīta 14. attēlā.
14. attēls. ATS-6 reflektora pamatkonstrukcija
starojuma ekrāna observatorija optiskā
Atstarotāja ATS-6 diametrs ir 9,1 m, svars 60 kg, kraušanas koeficients 4,6 un 1 kvadrāts. m virsmas masa ir 0,92 kg. Atstarotāja ATS-6 izskats izvērstā stāvoklī ir parādīts 15. attēlā.
15. attēls. ATS-6 atstarotāja izskats izvietotā stāvoklī
Papildus ATS-6 reflektoram ir izstrādātas arī cita veida saliekamās konstrukcijas, kuru saites ir norādītas izmantoto avotu sarakstā. Diemžēl šiem dizainparaugiem nav datu par svaru, maksimāli iespējamiem izmēriem un citiem parametriem.
Izmantoto avotu saraksts
Džeimsa Veba kosmosa teleskopa vietne. http://jwst.gsfc.nasa.gov/about.html
Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa projekts. Misijas operāciju koncepcijas dokuments2, 2004. http://docdb.fnal.gov/CMS/DocDB/0004/000498/001/Mission_Ops_Concept.pdf
JWST projekta statuss CAA, 2006. gada maijs. http://www7.nationalacademies.org/bpa/CAA_May2006_Presentations_Sabelhaus.pdf
Gaia vietne. http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=26
Mechanisms for Gaia Deployable sunshield, E. Urgoiti, G. Migliorero, 11th ESMATS simpozijs
GAIA: SATELĪTS UN LIETOTĀJSLOAD, Oskars Peiss, Eiropas Kosmosa aģentūra, ESA-ESTEC.C
TPF-C vietne. http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/tpf_index.cfm
Tehnoloģiju plāns sauszemes planētu meklētājam Coronagraph, JPL publikācija 05-8, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/TPF-CTechPlan.pdf
Zemes planētu meklētāja koronagrāfa zinātnes un tehnoloģiju noteikšanas grupas (STDT) ziņojums, JPL dokuments D-34923, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/STDT_Report_Final_Ex2FF86A.pdf
Pēdējo gandrīz septiņu gadu desmitu laikā kopš pirmā kosmosa palaišanas (neskaitot iepriekšējos divdesmit gadus ilgušos pētījumus un eksperimentus), kosmosa kuģu (SV) konstrukcijas ir nepārtraukti pilnveidotas. Būtisku ieguldījumu kosmosa kuģu konstrukciju evolūcijā sniedza tā sauktie “testa” kosmosa kuģi, kas bija īpaši izstrādāti, lai pārbaudītu un testētu reālos kosmosa lidojuma apstākļos strukturālos elementus, sistēmas, sastāvdaļas, mezglus un vienības, to optimālas izmantošanas metodes. un iespējamie to apvienošanas veidi.
Ja PSRS kā automātiskās pārbaudes kosmosa kuģi plaši tika izmantotas dažādas gandrīz tikai vienas sērijas kosmosa kuģu modifikācijas “Cosmos”, tad ASV tika izmantots vesels kosmosa kuģu klāsts: “ATS”, “GGTS”, “0V”, “Dodge”. ”, “TTS”, “SERT”, “RW” utt.
Neskatoties uz kosmosa kuģu konstrukciju daudzveidību, visām ierīcēm kopīgs ir korpuss ar dažādu konstrukcijas elementu komplektu (tā saukto “atbalsta” aprīkojumu) un īpašu (mērķa) elektronisko aprīkojumu.
Kosmosa kuģa korpuss ir konstrukcijas un izkārtojuma pamats visu tā elementu un saistīto iekārtu uzstādīšanai un novietošanai. Piemēram, automātiskajam kosmosa kuģim atbalsta aprīkojumam ir nepieciešamas vismaz šādas borta sistēmas: orientācija un stabilizācija, siltuma kontrole, barošana, telemetrija, trajektorijas mērījumi, vadība un navigācija, vadība un programmatūra, dažādas izpildinstitūcijas. utt. Turklāt pilotējamiem kosmosa kuģiem un kosmosa stacijām ir dzīvības nodrošināšana, avārijas glābšanas sistēmas utt.
Savukārt kosmosa kuģa mērķa aprīkojums var būt optiskais (optiski-elektroniskais), fotogrāfiskais, televīzijas, infrasarkanais, radars, radiotehnikas, spektrometriskais, rentgena, radiosakaru un releju, radioinženieriskais, radiometriskais, kalorimetriskais u.c.
Visās šajās sistēmās (to struktūra, funkcijas, konfigurācija utt.) tiek izmantoti vismodernākie elektroniskie komponenti.
Protams, kosmosa kuģu konfigurācijas ir atkarīgas no to mērķa un tāpēc ievērojami atšķiras - tās ir tās, kas veic kosmosa kuģa palaišanu uz nepieciešamajām trajektorijām, kosmosa kuģa paātrinājuma un palēninājuma vienības, ieskaitot piedziņas un korekcijas dzinējus, degvielas nodalījumus, vienības un apkalpošanas sistēmas (nodrošina kosmosa kuģa pāreju no zemas orbītas uz augstāku vai starpplanētu, tiek veiktas reversās pārejas - no augstas orbītas uz zemu, trajektorijas parametru korekcija utt.).
Kosmosa kuģa “izkārtojuma” jēdziens ir nesaraujami saistīts ar kosmosa kuģa dizainu - racionālāko un blīvāko sastāvdaļu telpisko izvietojumu. Šajā gadījumā izšķir kosmosa kuģa iekšējo un ārējo (aerodinamisko) konfigurāciju.
Konkrēta kosmosa kuģa dizaina izstrādes uzdevums ir diezgan sarežģīts, jo ir jāņem vērā daudzi faktori, kas bieži ir pretrunā viens otram. Piemēram, nepieciešams nodrošināt minimālu savienojumu skaitu starp kosmosa kuģi un zemes kompleksu (īpaši nesējraķetei), apkalpes drošību un komfortu (pilota kosmosa kuģiem), drošu ekspluatāciju un apkopi palaišanas pozīcijā un lidojumu, nodrošinot noteiktos stabilitātes, vadāmības, termisko apstākļu un kosmosa kuģu darbības aerodinamisko parametru parametrus un daudz ko citu.
Kosmosa kuģu konstruktoru uzdevumu apgrūtina tas, ka viņu risinājuma optimāluma kritērijs ir ne tikai kosmosa kuģa masas, bet arī tā izmaksu un būvniecības laika samazināšana, vienlaikus garantējot uzticamības parametrus, daudzpusību u.c.
Pirmais kosmosa kuģis uz Zemes Vostok 1 pacēla pirmo cilvēku zemās Zemes orbītā.
Kā zināms, no kuģa palaitais kuģis veica tikai vienu (bet pirmo cilvēces vēsturē) apgriezienu ap planētu Zeme, un lidojums notika pilnīgi automātiskā režīmā, kurā it kā atradās pirmais kosmonauts. , “pasažieris”, gatavs jebkurā brīdī pārslēgt vadību uz sevi. Lai gan patiesībā, pēc mūsu klasifikācijas, šis nebija “pilota” lidojums, bet gan pilnībā automātisks lidojums, tieši tas ir gadījums, kad klasifikācija ne vienmēr pareizi atspoguļo notiekošā procesa (parādības, notikuma) būtību.
Viens no pirmajiem (1977) Voyager sērijas liela attāluma iekļūšanas kosmosa kuģiem (tā sauktā "kosmosa zonde") (slavenākie kosmosa kuģi ir Voyager-1 un Voyager-2). Kā liecina daži literārie avoti, šī 723 kg smagā automātiskā zonde, kas tika palaists 1977. gada 5. septembrī un bija paredzēta pētniecībai un tās tuvākajā apkārtnē, par pārsteigumu tās veidotājiem, joprojām ir normālā darba stāvoklī un šī apstākļa dēļ pat veic jauna (papildu) misija - noteikt Saules sistēmas robežu atrašanās vietu, ieskaitot "" (), lai gan saskaņā ar izstrādātāju teikto, tās sākotnējā galvenā misija bija tikai izpētīt divus - un (tā bija pirmā zonde, kas veica detalizētu visu šo planētu satelītu fotogrāfijas)
Kosmosa kuģa tik ilga aktīva pastāvēšana galvenokārt ir saistīta ar
optimālie inženiertehniskie lēmumi, kas pieņemti, veidojot elektronisko
borta aprīkojums, kompetenta kompleksiem atbilstošu elektronisko komponentu izvēle
borta sistēmas.
Visu komplekso strukturālo, shēmu un tehnoloģisko problēmu kopuma atrisināšana kosmosa līdzekļu izstrādē, radīšanā un ekspluatācijā nav iespējama bez kosmosa materiālu zinātnes rezultātu plašas izstrādes un ieviešanas. Izstrādājot kosmosa transportlīdzekļus, ir nepieciešami jauni materiāli, kuriem jāiztur kosmosa lidojumu slodzes (augsta temperatūra un spiediens, vibrācijas slodzes palaišanas fāzē, zemas kosmosa temperatūras, dziļais vakuums, radiācijas iedarbība, mikrodaļiņas utt.) pietiekami zems īpatnējais svars. Viss spēcīgo, bieži ar asām pārejām, triecienu spektrs uz metāla un nemetāliskām konstrukcijām un elementiem būtiski ietekmē to dziļās konstrukcijas īpašības un līdz ar to dažādiem mērķiem paredzētu kosmosa transportlīdzekļu uzticamību un izturību.
Metāli ir galvenie raķešu un kosmosa tehnoloģiju izstrādājumu konstrukcijas materiāli, to masa sauso produktu masā ir vairāk nekā 90%. Tāpēc produktu taktisko un tehnisko īpašību uzlabošanu lielā mērā nosaka izmantoto sakausējumu īpašības. Pēdējos gados ir izstrādāti un tiks izstrādāti jaunas paaudzes alumīnija sakausējumi, kas leģēti ar litiju un skandiju. Tradicionālo sakausējumu aizstāšana ar jauniem, atkarībā no konstrukcijas veida samazinās RKT produkta sastāvdaļu masu par 10-30%. Tehnoloģija detaļu ražošanai no jauniem granulētiem sakausējumiem, kā arī iespēja paaugstināt darba temperatūru līdz 850°C, nodrošinās detaļu masas samazināšanos par 10-30%.
Revolucionāri risinājumi perspektīvu 21. gadsimta RKT produktu izveidē. var nodrošināt jaunu strukturālo materiālu klasi – intermetāliskos savienojumus (ķīmiskie savienojumi titāns – alumīnijs, niķelis – alumīnijs u.c.). Šiem materiāliem ir zems blīvums (3,7-6,0 g/cm 3) un augsta karstumizturība (līdz 1200°C), augsta izturība pret koroziju, karstumizturība un nodilumizturība.
Pašlaik izstrādātais titāna sakausējums pēc izgatavojamības mašīnbūvē būs līdzvērtīgs tradicionālajam nerūsējošajam tēraudam (nav nepieciešamas iekārtas metināšanai un termiskai apstrādei ar kontrolētu atmosfēru). Tā kā sakausējums galvenokārt tiek leģēts ar hafniju un niobiju, sakausējums neoksidēsies, karsējot līdz 850-900°C. Metināto savienojumu termiskā apstrāde nebūs nepieciešama, lai mazinātu atlikušos spriegumus, tādējādi novēršot nepieciešamību pēc termiskās apstrādes krāsnīm un kontrolētas atmosfēras metināšanas kamerām. Ja nepieciešams, metināto mezglu termisko apstrādi, lai novērstu atlikušos spriegumus (piemēram, liela izmēra konstrukcijas, piemēram, rāmji, kopnes, apakšas aizsargsieti utt.), var veikt gaisa atmosfērā bez turpmākas smilšu strūklas un kodināšanas. Detaļu metināšanu var veikt tikai ar strūklu aizsardzību ar argonu, nebaidoties no šuves oksidēšanās. Sakausējums darbosies plašā temperatūras diapazonā: no -253 līdz +450 °C. Tas paver plašas perspektīvas titāna izmantošanai raķešu ražošanā nerūsējošā tērauda vietā un gandrīz trīskāršos izstrādājumu masas īpašības.
Metāla materiālu stiprības palielināšana, izmantojot tradicionālās metodes (leģējošu elementu satura palielināšana, termomehāniskās rūdīšanas tehnoloģiju uzlabošana utt.), šobrīd ir izsmēlusi savas iespējas. Mūsdienu sakausējumi satur lielu skaitu dārgu un retu metālu: kobaltu, volframu, niobiju, molibdēnu, niķeli utt., Kas krasi palielina to izmaksas. Turklāt ievērojams sakausējumu elementu daudzuma pieaugums sakausējumos izraisa zonālu un tilpuma segregāciju lietņos un līdz ar to pusfabrikātu un no tiem izgatavoto detaļu īpašību anizotropiju. Liels potenciāls RCT struktūru īpašību uzlabošanai slēpjas intermetālisku savienojumu izmantošanā. Karstumizturīgu strukturālo materiālu izstrādei, kuru pamatā ir intermetāliskie savienojumi, titāna-alumīnija un niķeļa-alumīnija, dzelzs-hroma-alumīnija sistēmas ir vislielākā interese.
Intermetāliskie savienojumi (metālu ķīmiskie savienojumi) savā struktūrā ieņem starpposmu starp metāliem un keramiku. Tiem ir sarežģīta kristāla struktūra ar līdz 30% kovalento komponentu starpatomu saitēs, kas nosaka to unikālās fizikālās un mehāniskās īpašības - augstu karstumizturību un karstumizturību, augstu izturību pret koroziju salīdzinājumā ar nerūsējošajiem tēraudiem (īpaši skābeklī) un augstu nodilumizturību. . Turklāt intermetāliskajiem savienojumiem ir zems blīvums. Intermetāliskie sakausējumi uz titāna bāzes var darboties līdz +850 °C temperatūrai bez aizsargpārklājumiem, uz niķeļa bāzes izgatavoti sakausējumi - līdz +1500 °C temperatūrai.
Visam intermetālisko savienojumu īpašību kompleksam var būt revolucionāra ietekme uz daudzām tehnoloģiju jomām un, pirmkārt, uz daudzsološu kosmosa tehnoloģiju paraugu izveidi, ieskaitot lidmašīnas ar hiperskaņas ātrumu (līdz M = 25). Intermetālisko savienojumu izmantošana dzinējsistēmās (rotors, stators, lāpstiņriteņi, vārstu grupa, neatdzesētas sprauslas u.c.) palielinās dzinēju īpatnējo vilci par 25-30% un samazinās konstrukciju svaru līdz pat 40%.
Daudzsološi nemetāliski materiāli. Termostatiskie pārklājumi. Viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka 
Kosmosa kuģa darbības uzticamība un izturība ir tā termiskā režīma stabilitāte, jo mūsdienu kosmosa kuģa optiski radioelektroniskās iekārtas darbojas noteiktā temperatūras režīmā. Kosmosa kuģa termiskās kontroles sistēma ietver dažādus termiskās kontroles pārklājumus (TRC), kas rada līdzsvaru starp siltuma izdalīšanos kosmosa kuģa iekšpusē, enerģiju, kas absorbēta no kosmosa, un enerģiju, kas tiek atkārtoti izstarota kosmosā.
TRP raksturo termostarojuma raksturlielumi, kas mainās dažādu kosmosa faktoru (īpaši jonizējošā starojuma) ietekmē, kas izraisa temperatūras paaugstināšanos kosmosa kuģa iekšienē un tā aktīvās pastāvēšanas perioda (SAS) samazināšanos. Kā liecina iepriekšējo gadu pieredze, vairāki kosmosa kuģi nespēja izpildīt plānotās programmas pārkaršanas rezultātā, jo pasīvās termiskās kontroles sistēmas TRP saules starojuma absorbcijas koeficienti palielinājās. Esošo TRP analīze liecina, ka tie nevar nodrošināt SAS pieaugumu līdz 15 gadiem, īpaši kosmosa kuģiem, kas darbojas augstās eliptiskās un ģeostacionārās orbītās. Tāpēc viens no svarīgākajiem uzdevumiem ir “saules reflektoru” un “īsto absorbētāju” klases TRP izveide, kam ir stabilas termostarojuma īpašības un vienlaikus antistatiskas īpašības ilgstošas darbības laikā kosmosā ar zemu gāzu emisiju. 21. gadsimta kosmonautikā. Šādu pārklājumu izstrāde ļaus samazināt novirzes no noteiktajiem termiskajiem apstākļiem, samazināt ļoti jutīgo optisko un elektronisko iekārtu darbības traucējumus un atteices, kas ļaus palielināt kosmosa kuģa dzīves ilgumu līdz 15 gadiem.
Daudzsološi norādījumi šīs problēmas risināšanai ir:
kombinētu vai modificētu karstumizturīgu un starojuma izturīgu saistvielu ar zemu gāzu emisiju (akrila, silīcija organisko, uretāna sveķu) izstrāde;
efektīvu degradācijas stabilizatoru izvēle vai izstrāde kosmosa ietekmes apstākļos;
balto vai melno pigmentu attīstība, ieskaitot tādus, kuriem ir paaugstināta elektrovadītspēja, izturīgi pret ilgstošu iedarbību;
noņemamu pārklājumu izstrāde aizsardzības nolūkā komponenšu un izstrādājumu ražošanas un uzglabāšanas periodam līdz 5 gadiem.
Perspektīvi polimēru strukturālie kompozītmateriāli. Oglekļa šķiedras antenu konstrukciju spoguļi atradīs plašu pielietojumu sakaru problēmu risināšanai caur satelītiem. To izmantošana ar masu līdz 15 kg nodrošinās destruktīvu slodzi 900 kgf ar kalpošanas laiku vismaz 20 gadus.
Šūnveida materiāli (trīsslāņu), kas izgatavoti no oglekļa šķiedras nesošajos konstrukcijas elementos, salīdzinot ar viena slāņa (monolītiem) materiāliem noteiktos ekspluatācijas apstākļos un pieaugošās slodzēs pie noteiktas elementa masas, nodrošinās:
samazinot konstrukcijas elementa masu par 40-50% un palielinot tā stingrību par 60-80%;
palielinot uzticamību par 20-25% un pagarinot garantijas laiku par 60-70%.
Turklāt šāda veida materiāls nodrošinās īpašas elektrofizikālās īpašības (piemēram, radara antenām), kā arī prasības siltuma pretestībai un siltumvadītspējai.
Spiediena cilindri. Vieglie trauki un konteineri, kas izgatavoti no polimēru kompozītmateriāliem un darbojas zem spiediena, tiek veiksmīgi izmantoti raķešu un kosmosa tehnoloģijā. Ir izveidotas un tiek izmantotas degvielas tvertnes, cilindru baloni, raķešu dzinēju korpusi, spiediena akumulatori, elpošanas cilindri pilotiem un astronautiem. Organisko un stikla šķiedru izmantošana ļaus izveidot izturīgus spiediena balonus ar augstu svara pilnības koeficientu.
Teleskopi. Precīzijas iekārtu elementu izveide ir saistīta ar to ģeometrisko izmēru nemainīguma (izmēru stabilitātes) nodrošināšanu, temperatūras laukam mainoties plašā diapazonā (±150 °C). Tiks izstrādātas tehnoloģijas, kas ļaus no oglekļa šķiedras izveidot polimēru kompozītmateriālus, kas nodrošina augstu iekārtu elementu izmēru stabilitāti noteiktam temperatūras laukam.
"Inteliģenti" materiāli. Tehnoloģiju un tehnoloģiju attīstība ir nesaraujami saistīta ar jaunu materiālu izstrādi un ieviešanu. Pēdējā desmitgadē līdz ar pastāvīgu esošo materiālu pilnveidošanu, kas nodrošina būtisku tehniski ekonomisku efektu, pateicoties unikālai īpašību kombinācijai, ir vērojamas tendences jaunu materiālu radīšanā, kas spēj aktīvi mijiedarboties ar ārējiem faktoriem. Šādus materiālus sauc par “inteliģentiem”, “gudriem”, “gudriem” utt. Viņi spēj “sajust” savu fizisko stāvokli, ārējās ietekmes un īpaši reaģēt uz šīm “sajūtām”, t.i. spēj veikt defekta rašanās un attīstības pašdiagnostiku, novērst to un stabilizēt savu stāvokli kritiskajās zonās.
“Viedo” materiālu īpašību daudzveidības dēļ tos var izmantot dažādos raķešu un kosmosa tehnoloģiju konstrukciju elementos (korpusos, apvalkos, nodalījumos, berzes blokos utt.). Šādu materiālu izmantošana ļaus uzraudzīt un prognozēt dažādu konstrukciju un konstrukciju stāvokli vajadzīgajā laikā un pat grūti sasniedzamās vietās, būtiski palielinot sistēmu kalpošanas laiku un to uzticamību. No speciālistu veikto ekspertu vērtējumu analīzes izriet, ka nākamajos 20 gados 90% no mūsdienu rūpniecībā izmantotajiem materiāliem tiks aizstāti ar jauniem, īpaši “inteliģentiem”, kas ļaus izveidot konstrukcijas elementus, kas noteiks 21. gadsimta tehnisko progresu.
Blīvēšanas un blīvēšanas materiāli. Neraugoties uz esošo blīvēšanas un blīvēšanas materiālu daudzveidību, ir liela nepieciešamība izstrādāt jaunus, perspektīvus materiālus, kas būtu orientēti uz 21. gadsimta astronautikas vajadzībām. Tas radās saistībā ar arvien stingrākām prasībām samazināt tehnoloģisko procesu skaitu produktu ražošanā, paplašināt kosmosa kuģu un nesējraķešu temperatūras diapazonu, veiktspēju un aktīvo kalpošanas laiku. Tiek izvirzīti uzdevumi, lai radītu jaunas gumiju, hermētiķu un savienojumu klases (tostarp vadošas gumijas un hermētiķus; termo-, salu un agresīvi izturīgas gumijas; termo-, agresīvi izturīgi anaerobie hermētiķi; siltumvadoši, mikroviļņu enerģiju absorbējoši savienojumi ). Vadītspējīgas gumijas un hermētiķi ar tehniskajiem parametriem, kas palielināti 1,5-2 reizes, pateicoties uzlabotajiem tehnoloģiskajiem procesiem, nodrošinās statiskās elektrības noņemšanu no kosmosa kuģa un palielinās paredzamo kalpošanas laiku no 5 līdz 10-15 gadiem.
Radiācijas izturīgas smērvielas ir nepieciešamas, lai nodrošinātu drošu berzes agregātu darbību dažādās gāzes un šķidrās vidēs plašā temperatūras diapazonā zemes apstākļos un kosmosā 10-15 gadus. Smērvielas ir universāls ekspluatācijas un saglabāšanas līdzeklis, kas aizsargā daļas un mašīnas no klimatiskām ietekmēm uzglabāšanas laikā. Izstrādājamajām smērvielām jābūt efektīvām jebkurā klimata zonā un piemērotām ilgstošai uzglabāšanai pat atklātās vietās.
Strukturāla līme ar paaugstinātu elastību un zemu gāzu emisiju. Šobrīd vibrācijas un triecienizturīgas epoksīda-silīcija silīcija līmes, kas ir izturīgas pret termisko ciklu, tiek plaši izmantotas saules paneļu elementu, kronšteinu un citu detaļu stiprināšanai, kā arī kosmosa tehnoloģiju noslogotu virsmu remontdarbu veikšanai. To būtisks trūkums ir ievērojama gāzes izdalīšanās (līdz 8%), pakļaujot to vakuumam un paaugstinātai temperatūrai. Izdalītie gāzveida produkti piesārņo kosmosa kuģos uzstādīto optiski elektronisko ierīču darba virsmas un bieži nosaka to veiktspēju. Lai nodrošinātu ierīču tīrību (pagarinot to uzticamas darbības mūžu), jāizstrādā materiāli (ieskaitot līmvielas) ar kopējo masas zudumu ne vairāk kā 1,0% un viegli kondensējamo vielu izdalīšanos ne vairāk kā 0,1% un izmanto RKT izstrādājumu ārējām virsmām.
Atšķirīgu materiālu līmēšanai termiskās cikliskās un augstas vibrācijas un trieciena slodzes apstākļos ir jāizmanto līmes ar paaugstinātu elastību kombinācijā ar augstu izturību (līdz 20 MPa). Vadošās līmes ir paredzētas elektrisko kontaktu veidošanai gadījumos, kad karstlodēšana nav pieļaujama vai neiespējama - grūti sasniedzamos savienojumos starp ekrāna starpsienām un korpusu.
RKT izstrādājumos vadošās strukturālās līmes ar pietiekamu līmes stiprību tiek izmantotas vadības sistēmu ierīcēs:
vadošo elementu stiprināšana, radioelektronisko iekārtu elektrisko ķēžu uzstādīšana;
atsevišķu komponentu ekranēšana sarežģītas formas konstrukcijās, montāžas mezglu elektriskā hermetizācija.
Šobrīd ir radušies zinātniski un tehnoloģiski priekšnoteikumi vadošu auksti cietējošu, dārgmetālu nesaturošu līmju izveidei, kas paredzētas ļoti uzticamu elektriski vadītspējīgu savienojumu izveidošanai RKT produktu vadības ierīcēs, atsevišķu vietu (lodēšanai grūti sasniedzamu) ekranēšanai. sarežģītas formas struktūras. Vadošo līmju izveide ar labām konditorejas īpašībām ļaus noņemt statiskos elektriskos lādiņus no kosmosa kuģa virsmas un līdz ar to palielināt elektronisko iekārtu elementu uzticamību un ekspluatācijas laiku un būtiski samazināt izstrādājumu ugunsbīstamību.
Oglekļa bāzes materiāli. Jaunu uz oglekli balstītu materiālu izstrādes jomā turpmākā attīstība būs oglekļa-oglekļa, oglekļa-karbīda kompozītmateriālu radīšana, kas atradīs plašu pielietojumu raķešu tehnoloģijā (vilces sistēmu elementi, termoaizsardzība, sadrumstalotība un aizsardzība pret radiāciju ekrāni, radio caurspīdīgas konstrukcijas utt. ) un ar augstākiem veiktspējas parametriem, bet arī ar izmaksu pieaugumu, ļaus samazināt produktu svaru par 30-50%.
Kontroles tehnoloģijas. Perspektīvo vadības tehnoloģiju jomā kā prioritāri jāizceļ šādu problēmu risināšana: daudzsatelītu izkliedētās kosmosa sistēmu (t.sk. uz mikro- un nanosatelītu bāzes) kontrole; uz neironu tīklu tehnoloģijām un mākslīgo intelektu balstītu pašmācības autonomo vadības sistēmu izstrāde; zemes kontroles infrastruktūras samazināšana; nodrošināt kosmosa izmantošanas drošību tās piesārņojuma apstākļos un palielināt izvietoto kosmosa kuģu skaitu.
Orbitālo objektu (OS) attīstības tendenču analīze 20. gadsimta beigās. liecina, ka 21. gadsimta pirmajai pusei. Būs raksturīgas šādas galvenās to attīstības iezīmes. Pirmā iezīme būs saistīta ar ievērojamu pūļu koncentrāciju kosmosa sakaru jomā, lai radītu daudzsatelītu zemas orbītas sakaru sistēmas. Kā piemēru attēlā. Ir dotas paredzamās izmaiņas orbitālo aktīvu relatīvajā skaitā dažādiem mērķiem, kas izvietoti tuvajā kosmosā. Tajā pašā laikā līdz 21. gadsimta vidum. Orbitālo sakaru un datu pārraides iekārtu, kas izvietotas ģeostacionārās orbītas reģionā, un navigācijas iekārtu vidējā orbītas reģionā vadošā loma saglabāsies.
Otra vadošā tendence kosmosa attīstībā 21. gadsimta pirmajā pusē. Ievērojami palielināsies to orbitālo aktīvu un sistēmu skaits (galvenokārt uz maziem kosmosa kuģiem, kā arī mikro- un nanosatelītiem), kas darbojas tuvākajā kosmosa reģionā.
Vienlaikus sagaidāms būtisks mazo kosmosa kuģu, tostarp nanosatelītu, relatīvā skaita pieaugums, dažādu problēmu risināšanā samazinoties lielo kosmosa kuģu īpatsvaram.
Jāpiebilst, ka aplūkoto tehnoloģiju prioritārā attīstība būs pamats astronautikas attīstībai 21. gadsimtā.
Smagās klases pārvadātāji no ārvalstīm ir ASV, Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) valstis un Japāna. Pirmos smagos pārvadātājus amerikāņi radīja 1964.-1967.gadā. atbalstīt Apollo Mēness programmu. Jaudīgākais no tiem Saturns-5 ļāva zemās Zemes orbītā 500 km augstumā palaist aptuveni 120 tonnu smagu kravnesību.Pabeidzot Apollo un Skylab programmas...
Ķīna izmanto militārus un divējāda lietojuma kosmosa kuģus saziņai, laikapstākļu atbalstam, attālās uzrādes, kā arī palaiž eksperimentālus kosmosa kuģus, tostarp militāros. Lai kontrolētu šos kosmosa kuģus, ir paredzēts daudzpunktu, organizatoriski vienots NKU, ko vada Ķīnas Kosmosa kuģu palaišanas, izsekošanas, telemetrijas un kontroles asociācija. Šī asociācija ir pakļauta Valsts padomes Aizsardzības zinātnes, tehnoloģiju un aizsardzības rūpniecības komitejai (KONTOP). NKU sastāvs...
70. gadu beigās. Mūsu valstī un ASV sākās globālās navigācijas sistēmu GLONASS un Navstar izstrādes un izvietošanas uzdevums. Kurā vajadzēja iekļaut 24 pilna izmēra kosmosa kuģus (21 galvenais + 3 rezerves). Būtisks kosmosa kuģu skaita pieaugums sistēmā ir būtiski sarežģījis izvietošanas uzdevumu noteiktajā laika posmā. 90. gados...
Nesējraķeti Start-1 radīja Maskavas Siltumtehnikas institūta (MIT) Zinātniskais un tehniskais centrs (STC) Kompleks, kas ir labi pazīstams kā starpkontinentālo ballistisko raķešu, tostarp Topol ICBM (SS-25) radītājs. , kas kļuva par jauno mediju prototipu. Nesējraķete Start-1 ir paredzēta mazu kosmosa kuģu palaišanai zemās Zemes orbītās. Jau notikušas divas veiksmīgas šīs nesējraķetes palaišanas no Svobodnijas kosmodroma ar eksperimentālu kosmosa kuģi...
Esošajā nesējraķešu sistēmā ietilpst vieglās, vidējās un smagās klases nesējraķetes, kas atrodas vietējā Pleseckas kosmodromā un Baikonuras kosmodromā, kas atrodas Kazahstānas Republikas teritorijā. Kosmosa infrastruktūras objektu pāreja uz bijušo PSRS republiku jurisdikciju Krievijai radīja vairākas problēmas: neatkarības nodrošināšana kosmosa aktivitāšu veikšanā un galvenokārt militārajā jomā; racionāli...
Raķešu un kosmosa tehnoloģiju objektu sarežģītība ir saistīta ar to risināmo zinātnisko, sociāli ekonomisko un aizsardzības problēmu daudzveidību. Nākotnē daudzfunkcionālie RCT objekti savās iespējās tuvosies automātiski lidojošiem robotiem, bet to grupas un vadības kompleksi – lielām telpiski izkliedētām inteliģentām sistēmām. Šādas sistēmas var topoloģiski attēlot zemes un telpas inteliģenta informācijas tīkla veidā. Tīkla izlūkošana,…
Veidojot Eiropas pārvadātājus, tika izmantots esošo sistēmu pakāpeniskas uzlabošanas princips, kas tiek uzskatīts par tradicionālu gaisa kuģu būvē. To pierāda dažādas nesējraķetes modifikācijas, tostarp nesējraķete Ariane-4. Turpretim smagais Ariane-5 ir jauns solis uz priekšu visos aspektos, tāpēc šai nesējraķetei, kā iesaka Rietumeiropas eksperti, jākļūst par pirmo jaunās sērijas modeli. Ar nesējraķetes Ariane-5 palīdzību paredzēts...
Japānas Nacionālā kosmosa administrācija NASDA (NASDA) izstrādā un pārvalda sakaru, attālās uzrādes, laikapstākļu un citus satelītus ar diviem mērķiem. Zinātniskos kosmosa kuģus vada Aviācijas un kosmosa pētniecības institūts ISAS (ISAS). Abām organizācijām ir savs kosmosa kuģu vadības centrs un instrumenti. Tomēr šķiet, ka dažās instrumentu iekārtās, kas atrodas ārpus Japānas, ir uzstādītas abu organizāciju iekārtas, kuras vajadzības gadījumā izmanto kopīgi. Šeit ir NKU...
Būtisks kosmosa kuģu sarežģītības pieaugums, ilgstošas darbības kosmosa kuģu attīstība un augstās prasības attiecībā uz uzticamību ir veikušas būtiskas izmaiņas to uzticamības nodrošināšanas un uzraudzības metodoloģijā. Galvenā uzmanība RKT uzticamības nodrošināšanā un uzraudzībā tika vērsta uz testēšanas laikā radušos potenciālu un kļūmju cēloņu analīzi un efektīvu pasākumu izstrādi to novēršanai. Mūsdienu metodoloģijas pamatprincipi, lai nodrošinātu un...
Valsts kosmosa izpētes un ražošanas centrs nosaukts. M.V. Hruņičevs Angara programmas ietvaros izstrādā vairākas nesējraķetes, kuru galvenais elements ir smagās klases nesējraķetes - 21.gadsimta nesējraķetes - izveide. kā Krievijas kosmosa programmas transporta pamatu. Pētniecības un attīstības darbs Angara nesējraķešu saimes izveidei tiek veikts, pamatojoties uz Krievijas Federācijas prezidenta 1995. gada 6. janvāra dekrētu Nr. 14 “Par ...
AVIĀCIJAS UN KOSMOSA STRUKTŪRAS
Šeit ir apskatīti gaisa kuģu un kosmosa transportlīdzekļu galvenie (jaudas) konstrukcijas elementi, mūsdienu materiāli un svarīgas kosmosa tehnoloģiju dizaina iezīmes.
GAISA KUĢU KONSTRUKCIJAS DIAGRAMMU GALVENĀS ĪPAŠĪBAS
Aerodinamiskās īpašības. Gaisa kuģa konstrukcijas elementiem jābūt ar augstu izturību, jo tie ir pakļauti lielai slodzei lidojuma, nosēšanās un gaisa kuģa kustības laikā uz zemes. Lai gan stacionāro zemes konstrukciju, piemēram, ēku vai tiltu, formu izturības un ekonomiskuma apsvērumu dēļ var noteikt konstruktors, gaisa kuģa konstrukcijai turklāt jāatbilst vairākām stingrām papildu prasībām, jo īpaši aerodinamiskām. Piemēram, spārnam jāiztur lieces un griezes spēki un momenti, kas rodas gaisa plūsmas nestabilas spēka iedarbības rezultātā uz spārna virsmu. Stingri iestrādāta sija visefektīvāk var izturēt šādas slodzes, taču šāda konstrukcija ir nepiemērota no aerodinamikas viedokļa, saskaņā ar kuru spārna šķērsgriezumiem jābūt plāniem, labi plūstošiem profiliem. Šis piemērs ilustrē būtisku gaisa kuģu konstrukciju iezīmi, kuras projektēšanas laikā līdztekus izturības prasību izpildei nepieciešams nodrošināt augstus aerodinamiskos raksturlielumus.
Svara īpašības. Otra aviācijas un kosmosa konstrukciju raksturīgā iezīme ir vēlme samazināt to svaru līdz minimumam. Pretējā gadījumā lidmašīna vai raķete nevarēs pacelties vai nest nepieciešamo kravnesību. Šī iemesla dēļ aviācijas un kosmosa konstrukciju projektēšana un aprēķins tiek veikts ar tādu precizitāti, ka ir pieļaujams tikai tas svars, kas ir absolūti nepieciešams izturībai. Tik mazu konstrukcijas svaru var panākt, tikai izmantojot plānus un iegarenus konstrukcijas elementus, kas izgatavoti no augstas stiprības materiāliem.
Dizaina apsvērumi. Tādējādi divas galvenās pazīmes, kas atšķir aeronavigācijas būves no uz zemes esošām inženierbūvēm, ir aerodinamisko slodžu ietekme uz konstrukcijas formu un ekskluzīvi vieglu iegarenu un plānsienu elementu izmantošana no augstas stiprības materiāliem. Dažādos aviācijas attīstības posmos tika piedāvāti dažādi gaisa kuģu dizaina risinājumi. Pastāv acīmredzama saikne starp optimālo gaisa kuģa dizainu un tā ātrumu. Interesanti atzīmēt, ka daži dizaina lēmumi, kas pieņemti aviācijas attīstības sākumposmā, ir izrādījušies pieņemami mūsdienu lidmašīnām, kas lido tajā pašā ātruma diapazonā. Līdz ar to metinātā fizelāža no tērauda caurulēm bija jaunums Pirmā pasaules kara laikā, kas ļāva uzlabot kaujas lidmašīnu veiktspēju un palielināt to lidojuma ātrumu līdz 160 km/h. Šādas konstrukcijas kļuva pilnīgi nepiemērotas Otrā pasaules kara iznīcinātājiem, kas lidoja ar ātrumu aptuveni 640 km/h. Savukārt sporta un personīgās lidmašīnas, kas parādījās krietni vēlāk, reti sasniedz ātrumu, kas pārsniedz 160 km/h, un to fizelāžas konstrukcijās veiksmīgi izmantotas metinātas metāla caurules.
AVIĀCIJA PIRMS PIRMĀ PASAULES KARA
Pirmajās aviācijas desmitgadēs dizaineri centās optimizēt gaisa kuģu dizainu, eksperimentējot ar dažādām iespējām un dizainu. Izrādījās, ka daudzām dizaina shēmām, kas 30. gados tika piedāvātas izgudrojumu pieteikumos, bija savi prototipi, kas jau bija ierosināti šī gadsimta sākumā, taču laika gaitā tika noraidīti un aizmirsti. Viena nozīmīga iezīme, kas raksturīga visām pirms Pirmā pasaules kara ražotajām lidmašīnām, bija tā, ka tajās tika izmantoti īpaši plāni spārni. Tad tika uzskatīts, ka nepieciešamo pacēlumu var sasniegt tikai uz ļoti plānām, plakanām vai nedaudz izliektām aerodinamiskām virsmām. Šāds plāns spārns, tāpat kā plāna plāksne, noliecas pat nelielas slodzes ietekmē. Lai nodrošinātu nepieciešamo stingrību un izturību, spārns tika pastiprināts ar ārējām lencēm.
Fiksēts monoplāns. Aviācijas attīstības sākumposmā sekmīgi tika izmantoti divi lidaparātu izkārtojumi - skavots monoplāns (1.a att.) un divplāksnis (2. att.). Monoplānu piemēri ir Alberto Santos-Dumont un Louis Blériot konstruētas lidmašīnas. Divplākšņus izstrādāja brāļi Raiti. Vienkārša spēka un momenta līdzsvara analīze parāda, kā ārējās stiprinājumi un statņi uzlabo konstrukcijas izturību. Attēlā 1.b attēlā redzams, ka gaisa kuģa svaru G līdzsvaro pacelšanas spēks Y, kas rodas, gaisa plūsmai plūstot ap spārnu. Pacelšanas spēks tiek pielikts attālumā d no smaguma centra un rada momentu Yd. Šis moments ir jāsabalansē ar reakcijas spēku momentu, jo spārnu stiprinājumu sistēma ir līdzsvarā, kā parādīts attēlā. 1, b. Pacelšanas spēka ietekmē apakšējais stiprinājums tiek nospriegots, bet augšējais ir novājināts. Līdz ar to lidojuma laikā augšējais stiprinājums nenodod nekādus spēkus uz fizelāžu, un reakcijas spēki radīsies tikai spārna savienojuma vietā ar apakšējo stiprinājumu. Tie ir spēki H attēlā. 1, b. To lielumu var aprēķināt no līdzsvara stāvokļa momentiem:
No šī vienkāršā algebriskā vienādojuma mēs atrodam horizontālās reakcijas spēka H lielumu:
Formula (2) parāda, ka jo lielāks ir attālums h starp spārnu un vietu, kur apakšējā kronšteina ir piestiprināta pie fizelāžas, jo mazāks ir horizontālais reakcijas spēks. Lidmašīnai nolaižoties vai virzoties lejup pa skrejceļu, spārnam ir mazs pacēlums, jo tas ir proporcionāls ātruma kvadrātam. Šādos apstākļos daļa no spārna svara ir jāatbalsta ar augšējo kronšteinu, bet apakšējais stiprinājums ir noslogots. Šī iemesla dēļ augšējo kronšteinu sauc par “piezemēšanās” vai atgriešanās balstu, bet apakšējo – par “lidojuma” vai nesošo balstu. Plāns spārns nevar izturēt lielas slodzes. Tāpēc ir jāpalielina attālums h, t.i. piestipriniet atbalsta balstu pie šasijas un augšējo balstu pie pilona, kas šiem nolūkiem ir novietots virs fizelāžas.
Fiksētais divplāksnis. Lai palielinātu vertikālos attālumus, piestiprinot breketes, tika piedāvāts divplānu dizains (2. att.). Attālums starp divplāna augšējo un apakšējo spārnu atbilst attālumam h, kas tika apspriests iepriekš saistībā ar monoplāna konstrukciju, savukārt d tiek uzskatīts par attālumu starp statni un fizelāžu. (1) un (2) vienādojumi attiecas uz divplānu, kas pieļauj lielāku h augstumu salīdzinājumā ar monoplānu.
Aviācijas materiāli. Pirmās lidmašīnas konstrukcijās galvenokārt tika izmantotas izturīgas koksnes sugas, piemēram, egle un bambuss. Izskanēja viedoklis, ka smagie materiāli, piemēram, metāli, nav piemēroti gaisa kuģu konstrukciju ražošanai. Tērauds tika izmantots breketēm. Koksne neapšaubāmi ir lielisks konstrukcijas materiāls, kas veiksmīgi absorbē lieces slodzi ar zemu pašsvaru. Šajā gadījumā spārna un fizelāžas ārējās kontūras tika iegūtas, izstiepjot audeklu uz koka rāmja.
Vilkšanas problēma. Stiprināto konstrukciju galvenais trūkums ir lielā pretestība (pretestības spēks pret transportlīdzekļa kustību uz priekšu gaisā), ko izraisa daudzi palīgkonstrukcijas elementi, piemēram, balsti, statņi, šasijas riteņi, vārpstas un amortizatori. nosēšanās ierīce, kas ir pakļauta gaisa plūsmai. Šāds lidaparāts varēja sasniegt salīdzinoši zemu maksimālo ātrumu (pasaules lidojuma ātruma rekords 1910. gadā bija tikai 106 km/h).
RĀMJU KONSTRUKCIJAS
Lai palielinātu gaisa kuģa ātrumu, bija radikāli jāmaina tā konstrukcija - pāriet uz rāmja konstrukcijām. Rāmja lidmašīnas pamats ir tā fizelāža, kurā ir kabīne, pasažieru nodalījums un kravas nodalījumi. Uz fizelāžu tiek pārnestas arī lielas kravas, kas ātra manevra laikā iedarbojas uz lidmašīnas asti. Attēlā parādītās rāmja konstrukcijas stiprības komplekts. 3a, ir viegls un tajā pašā laikā spēj izturēt ievērojamas slodzes.
Metinātas fizelāžas no tērauda caurulēm. Dažām agrīnajām lidmašīnām bija rāmja fizelāžas, kas izgatavotas no egles vai bambusa stieņiem, kas tika turēti kopā ar tērauda stiepli. Tomēr šādas struktūras nebija pietiekami izturīgas; Būtisks progress bija metinātā fizelāžas konstrukcija no tērauda caurulēm, ko Pirmā pasaules kara laikā ierosināja A. Fokers. Fokker gaisa kuģu konstrukcijām izmantoja vieglu tēraudu ar oglekļa saturu, kas mazāks par 0,12%, jo no tā izgatavotie elementi ir viegli sametināti viens ar otru. Sākumā šāda veida fizelāža tika uzskatīta par neuzticamu, taču pamazām tā tika plaši izmantota, un, parādoties augstas stiprības hroma-molibdēna caurulēm, bija iespējams ievērojami samazināt fizelāžas svaru.
Fizelāžas ar noņemamiem elementu savienojumiem. Pilnīgi atšķirīgas lidmašīnas konstrukcijas tika izstrādātas Anglijā, kur metināšanu uzskatīja par neuzticamu savienošanas metodi un atsevišķus rāmja elementus savienoja, izmantojot mehāniskus, bieži vien ļoti prasmīgus savienotājus. Atteikšanās no metināšanas pavēra britiem plašas iespējas izmantot alumīnija sakausējumus un augsti leģētus tēraudus, kurus nevarēja metināt. Šie augstas stiprības materiāli samazināja lidmašīnas konstrukcijas svaru, neskatoties uz savienojumu papildu svaru. Galvenais fizelāžas trūkums ar noņemamiem elementu savienojumiem bija augstās ražošanas izmaksas, pat ja lidmašīnas tika ražotas lielās sērijās. Metināto fizelāžu ražošana no tērauda caurulēm bija daudz lētāka.
Apvalks. Lai radītu komfortablus apstākļus pasažieriem, rāmis jāpārklāj ar apvalku. Turklāt gadsimta sākumā tika noteikts, ka, lai palielinātu ātrumu un samazinātu pretestību, ir nepieciešams, lai lidmašīnas ārējā virsma būtu gluda. Vienkāršākais pārklājums bija audekls, kas tika izstiepts virs sijas rāmja un pēc tam pārklāts ar krāsu vai laku. Tomēr šādi iegūtajai formai nebija gludu kontūru: rāmja ārējie elementi izvirzījās no zem ādas. Acīmredzot ar šādām neveiklām formām nebija iespējams panākt vienmērīgu plūsmu ar minimālu pretestību. Lai novērstu šo trūkumu, ātrgaitas lidmašīnu dizaineri sāka izmantot rāmja fizelāžu, kas izgatavota no ovālas formas rāmjiem, kas savienoti ar sijām (špārēm) un garenvirziena stringeriem, kā parādīts attēlā. 3, b. Šie rāmji un stringeri piešķīra taisnstūrveida rāmim labi racionālu formu. Tomēr izvirzījumi joprojām izvirzījās no auduma apvalka apakšas, un, lai tos novērstu, dizaineri sāka izmantot plānu saplākšņa apvalku.
Divplāna spārni. Tipisks rāmja lidmašīnas dizains bija divplāksnis, ko Pirmā pasaules kara laikā izmantoja gandrīz visur. Tas tika dots priekšroka līdz 30. gadu vidum. Iznīcinātāju pilotiem bija negatīvs viedoklis par monoplāniem, un viņu galvenais arguments bija tas, ka divplāksnis ir manevrējamāks. Patiešām, divplāksnim ir laba manevrēšanas spēja, pateicoties tā mazajam spārnu attālumam, kā rezultātā lidmašīnas svars koncentrējas fizelāžas tuvumā. Aviācijas inženieri šo īpašību formulē citādi, sakot, ka divplāksnim ir mazs inerces moments. Tradicionālais koka divplāna spārna dizains ir parādīts attēlā. 4. Tas satur divus galvenos nesošos elementus - spārnu daļas. Spārna ārējā kontūra tiek veidota, izmantojot elementus, ko sauc par ribām, un pār tiem izstieptu auduma apvalku. Šis lidaparātu dizains palika nemainīgs līdz 20. gadsimta 20. gadiem, kad Anglijas gaisa kuģu industrija pārgāja uz pilnībā metālisku konstrukciju. Tagad špakteles sāka izgatavot no augstas leģētā tērauda sloksnēm, bet ribas no tērauda vai alumīnija plāksnēm, apzīmogojot nepieciešamos profilus. Spāres un ribas tika samontētas ažūra karkasa tipa konstrukcijā.
Monoplāns ar augstu spārnu. Augstspārnu monoplāni parādījās 1930. gados un ātri kļuva populāri kā divvietīgi personālie lidaparāti un trenažieri, lai aizstātu divplānu dizainu. Pat pēc Otrā pasaules kara daudzām šāda veida lidmašīnām bija bikšturi. Šis monoplāns būtiski atšķīrās no tā priekšgājēja. Tā krietni biezākais spārns atrodas virs fizelāžas, un lencēm tiek izmantoti statņi. Statņi var izturēt lielus spēkus gan saspiešanā, gan spriegojumā, un viens statnis aizstāj breketes. Šāds lidaparāts nesatur virkni stiprinājuma monoplāna konstrukcijas elementu un tam ir ievērojami mazāka pretestība (5. att.).
Konsoles monoplāns. Būtisks solis uz priekšu salīdzinājumā ar divplānu bija konsoles monoplāna konstrukcija, kas tika plaši izmantota 1920. gados Fokker lidmašīnās. Attēlā 6. attēlā parādīta Fokker augstspārnu lidmašīnas shematiska diagramma, kurā tika uzstādīti daudzi lidojuma diapazona rekordi. Saistībā ar šo shēmu vēlreiz pievērsīsimies (1) vienādojumam, kas izsaka momentu vienādību. Tagad spēki H ir stiepes vai spiedes spēki, kas iedarbojas uz atlokiem, un h ir attālums starp atlokiem. Slodzi uz atloku var samazināt, palielinot attālumu starp atlokiem, kas prasa palielināt spārna sekcijas biezumu. Fokker spārna konstrukcijai ar relatīvo biezumu (maksimālā profila biezuma attiecība pret spārna akordu) 20% ir labas aerodinamiskās īpašības.
Fokker dizaina konsoles spārnam bija koka spārni un ribas, kā arī saplākšņa apvalks. Ļoti izturīgs un stingrs, tas joprojām bija nedaudz smagāks par citām līdzīgām konstrukcijām. Vairākās valstīs, piemēram, Anglijā, Itālijā un Padomju Savienībā, tika izveidoti metāla konsoles spārni ar tērauda un alumīnija spārniem un ribām un auduma pārklājumu. Pēc tam metāla ādas izmantošana ļāva ievērojami palielināt spārna izturību. Šādu spārnu parasti sauc par spārnu ar darba ādu. Ražošanas un montāžas metodes, kā arī šādu konstrukciju aprēķins būtiski atšķiras no karkasa konstrukcijas spārnam izmantotajām metodēm.
MONOKOKU BŪVNIECĪBA
Monokoka princips. Pieaugot gaisa kuģu lidojuma ātrumam, pretestības samazināšanas problēma kļuva arvien aktuālāka. Pilnīgi dabisks solis bija spārna auduma ādas nomaiņa ar metāla apvalku, kas izgatavota no plānām alumīnija sakausējumu loksnēm. Metāla apvalks ļāva novērst novirzes starp ribām un līdz ar to precīzāk atveidot aerodinamistu ieteiktās formas, pamatojoties uz teorētiskiem aprēķiniem un eksperimentāliem pētījumiem vēja tuneļos. Tajā pašā laikā mainījās fizelāžas dizains. Taisnstūrveida nesošais rāmis tika ievietots korpusa konstrukcijā, kas sastāvēja no viegliem rāmjiem un stringeriem; Šis dizains labāk atbilda fizelāžas formas aerodinamiskajām prasībām. Viena dzinēja lidmašīnām fizelāžas priekšējā daļa arī tika apšūta ar lokšņu metālu, lai samazinātu aizdegšanās iespējamību. Kad bija nepieciešams uzlabot virsmas gludumu, auduma miza visā fizelāžas garumā tika aizstāta ar saplāksni vai metālu, taču šādas ādas kļuva pārmērīgi dārgas un smagas. Bija pārāk izšķērdīgi palielināt konstrukcijas svaru un neizmantot tās paaugstinātās stiprības īpašības, lai absorbētu aerodinamiskās slodzes. Nākamais solis bija acīmredzams. Tā kā fizelāžas ārējais apvalks bija kļuvis pietiekami izturīgs, kļuva iespējams noņemt iekšējo rāmi. Tas ir monokoka konstrukcijas princips. Monocoque ir viengabala apvalks, kura forma atbilst aerodinamikas prasībām un tajā pašā laikā ir pietiekami izturīga, lai absorbētu un nodotu slodzes, kas rodas lidojuma, nosēšanās un gaisa kuģa kustības laikā uz zemes. Termins "monokoks" ir hibrīds, kas sastāv no grieķu un franču vārdiem un burtiski tulkots kā "viengabala apvalks". Šis termins attiecas uz spārniem un fizelāžām, kurās āda ir galvenais nesošais elements. Otra svarīgā monokoka dizaina priekšrocība ir parādīta attēlā. 7. Rāmja konstrukcijas šķērsgriezumam, kas paredzēts divu cilvēku izmitināšanai tajā, ir taisnstūra forma, kas attēlota ar nepārtrauktu līniju. Ar audumu pārklātais fizelāžas ārējais apvalks ir parādīts ar pārtrauktu līniju. Monokoka fizelāžas, kurā var izmitināt divus cilvēkus, ārējās kontūras ir attēlotas ar punktētu līniju. Izmantojot planimetru, ir viegli noteikt, ka monokoka konstrukcijas šķērsgriezuma laukums ir par 33% mazāks nekā labi pilnveidotai rāmja fizelāžai. Ja visas pārējās lietas ir vienādas, fizelāžas pretestība ir proporcionāla tās šķērsgriezuma laukumam. Līdz ar to monokoka dizains, sākot ar pirmo tuvinājumu, ļauj samazināt pretestību par 33%, tikai pateicoties mazākam šķērsgriezuma laukumam salīdzinājumā ar rāmja konstrukciju. Turklāt ir palielināts pacēlums, pateicoties labākai plūsmai apkārt un virsmas gludumam. Taču karkasa konstrukcijas to zemāko ražošanas izmaksu un salīdzinoši mazākā svara dēļ turpināja izmantot zema ātruma lidmašīnām arī pēc Otrā pasaules kara. Monokoka konstrukcijas tika izmantotas lidmašīnām, kas lidoja ar ātrumu, kas pārsniedz 320 km/h.
Plānsienu monokoki. Tipisks plānsienu monokoks transporta lidaparātam parasti ir izgatavots no plānām alumīnija sakausējuma plāksnēm, kuras ir veidotas atbilstoši aerodinamiskām prasībām. Šis apvalks ir pastiprināts ar šķērsvirziena nesošajiem elementiem - karkasiem, un garenvirziena nesošajiem elementiem - sprauslām vai stringeriem. (Šie termini attiecas uz fizelāžas konstrukciju. Spārnu konstrukcijā gareniskās stiprības elementi ir stringeri, bet šķērsvirziena – ribas.) Att. 8. attēlā parādīts, kā tiek uzbūvēta tipiska monokoka fizelāža. (Šo dizainu tagad parasti sauc par "daļēji monokoks" vai "pastiprināts monokoks", savukārt terminu "tīrs monokoks" vai vienkārši "monokoks" lieto ārējiem apvalkiem ar nelielu pastiprinājumu vai bez tā.)
Pateicoties lielajam fizelāžas izmēram un salīdzinoši mazajām aerodinamiskajām slodzēm, monokoka apvalks ir izgatavots ļoti plāns (parasti no 0,5 līdz 1,5 mm). Šāds plāns apvalks saglabā savu formu, ja uz to iedarbojas stiepes spēki, bet tas deformējas spiedes vai bīdes spēku ietekmē. Attēlā 9. attēlā parādīta saspiešanas spēku ietekme uz taisnstūrveida metāla plāksni. Šādus saspiešanas spēkus izjūt, piemēram, metāla paneļi, kurus malās ierobežo fizelāžas augšdaļas stringeri, kad aerodinamiskie spēki, kas iedarbojas uz lidmašīnas asti, ir vērsti uz augšu.
Saskaņā ar cietvielu mehānikas likumiem kritisko spriegumu (t.i., slodzi uz laukuma vienību), pie kura plakana plāksne sāk deformēties, var aprēķināt, izmantojot formulu
Kur fcr ir kritiskais spriegums, kas izraisa plāksnes deformāciju, E ir materiāla elastības modulis, t ir biezums un b ir plāksnes platums starp balstiem (reālā dizainā tas ir attālums starp stīgām). Piemēram, ja panelis ar biezumu 0,5 mm un platumu 150 mm ir izgatavots no alumīnija sakausējuma, tad tā elastības modulis ir aptuveni 70 000 MPa. Aizvietojot šīs vērtības formulā (3), mēs atklājam, ka kritiskā sprieguma vērtība, pie kuras notiek ādas deformācija, ir 2,8 MPa. Tas ir ievērojami mazāks par materiāla tecēšanas robežu (280 MPa) un stiepes izturību (440 MPa). Monokoka materiāls netiks izmantots efektīvi, ja deformācija nozīmē, ka plāksne zaudēs spēju noturēt slodzi. Par laimi, tas tā nav. ASV Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta veiktie testi ir parādījuši, ka paneļa malai pieliktā slodze var ievērojami pārsniegt kritiskās slodzes vērtību, kas atbilst izliekuma sākumam, jo paneļa slodzi gandrīz pilnībā absorbē materiāla sloksnes tā malās. Šo sloksņu kopējo platumu T. fon Karmans nosauca par plāksnes "efektīvo platumu". Saskaņā ar viņa teoriju, paneļa galīgo slodzi tā iznīcināšanas brīdī sakarā ar to, ka pie saspiestajām malām rodas materiāls, kas izdodas, var aprēķināt, izmantojot formulu
Šeit P ir kopējā slodze, kas iedarbojas uz paneli iznīcināšanas brīdī, t ir paneļa biezums, E ir elastības modulis un ftek ir materiāla tecēšanas robeža (spriegums, pie kura deformācija sāk palielināties bez vēl vairāk palielinot slodzi). Aprēķini, izmantojot formulu (3) un (4), parāda, ka kritiskā slodze, kas izraisa izliekšanos, ir aptuveni par vienu pakāpi mazāka nekā galīgā slodze, kas izraisa iznīcināšanu. Šis secinājums ir jāņem vērā, izstrādājot gaisa kuģi. Plānu plākšņu izmantošana virskritiskā stāvoklī deformācijai ir viena no galvenajām plānsienu monokoka konstrukciju atšķirīgām iezīmēm. Transporta lidmašīnu, bumbvedēju un iznīcinātāju attīstība Otrā pasaules kara laikā nebūtu iespējama, ja nebūtu saprotams fakts, ka plānas plāksnes deformācija neizraisa tās iznīcināšanu. Konservatīvākās inženiermehānikas jomās, piemēram, tiltu un ēku projektēšanā, paneļu deformācija nav pieļaujama. No otras puses, tūkstošiem lidmašīnu lido ar dažām metāla plāksnēm to konstrukcijās, kas lielāko daļu lidojuma laika ir pakļautas deformācijas apstākļiem. Pareizi izstrādāti paneļi, kas lidojuma laikā piedzīvo deformāciju, kļūst pilnīgi gludi, tiklīdz lidmašīna nolaižas un pazūd aerodinamiskās slodzes, kas iedarbojas uz konstrukciju lidojuma laikā.
Plānas sienas sija. Cits izliekšanās veids notiek plānsienu sijā, kas ir svarīgs elements gaisa kuģu konstrukcijās. Plānsienu sijas jēdziens ir izskaidrots attēlā. 10. Ja spēks W iedarbojas uz plānsienu sijas brīvo galu, tā augšējais atloks tiks pakļauts stiepes spēkiem, bet apakšējais atloks būs pakļauts spiedes spēkiem. Spēku lielumu, kas iedarbojas uz atlokiem, var aprēķināt no statiskā līdzsvara stāvokļa. Spēka W radītais bīdes spēks tiek pārnests pa sijas tievo sienu. Šāda plāna plāksne zaudē stabilitāti un sāk deformēties zem diezgan nelielas slodzes. Uz tā veidojas diagonālas krokas, t.i. tās deformācijas konfigurācija būtiski atšķiras no puslodes izliekumiem, kas parādās, kad plāksnes virsma deformējas tās saspiešanas dēļ.
G. Vāgners izstrādāja praktisku metodi spriegumu aprēķināšanai plānsienu sijā sienu kroku veidošanās apstākļos un eksperimentāli pierādīja, ka ir iespējams izveidot plānsienu siju, kas nesabrūk lidojuma slodžu iedarbībā. 100 reizes lielākas par slodzēm, pie kurām sākas plānas sienas deformācija. Deformācijas paliek elastīgas, un, noņemot slodzi, krokas pilnībā izzūd. Sakarā ar visas konstrukcijas saliekšanu zem slodzes, kas parādīta attēlā. 10, sijas augšējais atloks ir izstiepts, bet apakšējais ir saspiests. Kad parādās krokas, plānā siena darbojas kā daudzu diagonālu spārnu kopums, kas absorbē bīdes spēkus tāpat kā spārnota vienplāna spārna ārējās stiprinājumi (1. att.). Vertikālo stabu mērķis ir saglabāt attālumu starp sijas atlokiem. 20. gadsimta 30. gados plānsienu siju koncepcija tika plaši izmantota lidmašīnu rūpniecībā plānsienu monokoku projektēšanai, jo īpaši spārnu spārniem ar bīdāmām sienām. Konstrukcijas elementu izkārtojums plānsienu monokokos. Ideālā plānsienu monokoka fizelāža sastāv no plānām plāksnēm, kuras atbalsta liels skaits vairāk vai mazāk vienmērīgi sadalītu stīgu un rāmju, kā parādīts attēlā. 8. Tomēr pašā fizelāžā ir jāizveido izgriezumi, lai novietotu pasažieru lidmašīnu logus un durvis vai militāro lidmašīnu lielgabalu torņus un bombardēšanas lūkas. Lielu atveru gadījumā, piemēram, smagajos lidaparātos, kas paredzēti pilnībā piekrautu kāpurķēžu transportlīdzekļu pārvadāšanai, vai torpēdu bumbvedējiem, kas pārvadā lielas torpēdas fizelāžas iekšpusē, stresa koncentrācija atveru tuvumā kļūst par nopietnu problēmu. Bieži vien šādu izgriezumu malas tiek pastiprinātas ar spēcīgām lāpstiņām. Dažās lidmašīnās ir nepieciešams nodrošināt tik lielu izgriezumu skaitu fizelāžās, lai dizainers dod priekšroku četru galveno lāpstiņu nestspējas izmantošanai un īsus stringerus izmanto tikai kā papildu stiprības elementus, jo griezuma stiprības elements ir nespēj pārnest slodzi. Sakarā ar to, ka slodzes galvenokārt iedarbojas uz četriem galvenajiem konstrukcijas elementiem, šāda veida fizelāža faktiski ir starpposms starp rāmja konstrukciju un pastiprinātu monokoku. To var uzskatīt par daļēji pastiprinātu monokoku. Šādi monokoki biežāk tiek izmantoti spārniem, nevis fizelāžām, jo uz lidmašīnas spārniem ir jābūt ievelkamām šasijai, degvielas tvertnēm, dzinējiem, izvelkamiem atlokiem, eleroniem, ložmetējiem, lielgabaliem un daudzām mazākām detaļām. Nopietnākās problēmas, ko rada pastiprinātās monokoka konstrukcijas viengabalainība, ir saistītas ar šasijas un degvielas tvertņu izvietojumu, jo šie mezgli atrodas netālu no spārna saknes, kur konstrukcijai jābūt visizturīgākai. Turklāt daudzi izkārtojumi neļauj spārnam iziet cauri fizelāžai, jo šī vieta ir nepieciešama, lai izmitinātu apkalpi, pasažierus vai dzinējus. Tāpēc spārnu konstrukcijā tiek izmantotas divas spēcīgas lāpstiņas, kā tas tiek darīts monoplānā ar augstu spārnu. Atstarpi starp abiem sānu elementiem var izmantot, lai novietotu iepriekš minētās vienības un sastāvdaļas. Spārna vietās, kur nav spraugu, āda tiek pastiprināta ar stringeriem, kas vēl vairāk palielina spārna izturību. Tomēr lielāko slodzes daļu uzņemas divas galvenās lāpstiņas. Ārējo spārnu konsolēm ir tīrs monokoks dizains (11. att.). Slodzes uzņem konsoles korpuss un gareniskās stiprības elementi. Atšķirība starp vertikālo stieņu un sprauslu ir tāda, ka tam ir savienojošais elements, kam ir tāda pati forma kā citiem stieņiem, savukārt stienis ir piestiprināts, izmantojot masīvākus atlokus.
Biezu sienu monokoka konstrukcijas koncepcija. Otrā pasaules kara laikā eksperimentālo lidmašīnu ātrums sāka tuvoties skaņas ātrumam, un plānsienu monokoka konstrukcijas vairs neatbilst paaugstinātajām prasībām. Viens no faktoriem, kas veicināja lidojuma ātruma pieaugumu, bija t.s. lamināri spārnu profili ar ļoti zemu pretestību. Tomēr lamināro spārnu priekšrocības varēja realizēt tikai tad, ja tika stingri ievērota vajadzīgā spārnu virsmas forma, un mazākais virsmas gluduma traucējums (izvirzītas kniedes vai padziļinājumi iegremdētajām kniedēm) atcēla visas laminārā profila priekšrocības. . Šī iemesla dēļ plānsienu, pastiprināti monokoki ir izrādījušies nepiemēroti, lai izveidotu lamināras plūsmas spārnus ātrgaitas lidmašīnām. Vēl viens faktors, kas prasa precīzu ātrgaitas lidmašīnas spārna un fizelāžas formas ievērošanu, ir transoniskās plūsmas nestabilitāte. Transoniskajās plūsmās ļoti nelielas izmaiņas pilnveidotās virsmas formā var izraisīt pilnīgas plūsmas modeļa izmaiņas un triecienviļņu parādīšanos, kas izraisa strauju pretestības spēka pieaugumu. Tā kā no plānām plāksnēm veidotai virsmai ir ļoti grūti saglabāt tieši vēlamo formu, bija nepieciešams palielināt gaisa kuģu konstrukciju apvalka biezumu. Vēl viens iemesls apvalka biezuma palielināšanai bija gaisa kuģa spārnu konstrukcijas nepietiekamais konstrukcijas augstums (attālums h 6. att.). Spārnu profiliem, kas paredzēti lielam lidojuma ātrumam, jābūt ļoti plāniem (maksimālais relatīvais spārnu biezums virsskaņas lidmašīnām un raķetēm parasti ir mazāks par 10% no hordas). Slodzes, kas iedarbojas uz šāda spārna apakšējo un augšējo virsmu, ir ļoti lielas, un tās var izturēt tikai bieza āda.
Sviestmaizes koncepcija. Pirmā biezu sienu struktūra, kas izmantoja sviestmaižu koncepciju, bija Havilland Mosquito iznīcinātāja lidmašīna. Šajā dizainā telpa starp divām plānām, spēcīgām apvalkām (nesošajiem slāņiem) ir piepildīta ar daudz vieglāku materiālu; šāds kompozītmateriāla panelis var izturēt lielākas lieces slodzes nekā divas nesošās apvalkas bez serdes, kas savienotas kopā. Turklāt šī daudzslāņu struktūra joprojām ir viegla, jo kodolam ir mazs blīvums. Vieglas daudzslāņu struktūras, kurai ir palielināta izturība, piemērs ir iepakojuma kartons, kurā starp divām ārējām kartona loksnēm ir gofrēta papīra slānis. Daudzslāņu kartonam ir lielāka lieces stingrība un izturība nekā tāda paša svara kartona loksnei. Svarīgs faktors, kas novērš virsmas deformāciju, ir paneļa spēja izturēt lieces slodzi. Biezu sienu daudzslāņu apvalki ar paaugstinātu lieces stingrību novērš virsmas deformāciju parastās lidojuma situācijās un palīdz saglabāt spārnu un fizelāžas virsmu gludu formu. Nesošos slāņus savieno ar serdes slāni, izmantojot līmi. Kniedēšana netiek izmantota, un tas nodrošina gludu virsmu. Daudzslāņu konstrukciju ražošanas metodes. Sarežģītas formas daudzslāņu struktūru elementu ražošanai tiek izmantotas vairākas metodes. Viens no tiem ir izskaidrots attēlā. 12. Izgatavo veidni, kas precīzi atveido daudzslāņu elementa vēlamo formu. Daudzslāņu struktūras slāņi tiek ieeļļoti ar sintētisko līmi un ievietoti veidnē. Daudzslāņu struktūras korpuss ir pārklāts ar apvalku, kas izgatavots no hermētiska materiāla, piemēram, izturīgas gumijas, un veidne ir cieši noslēgta ar vāku. Karstais tvaiks tiek iesūknēts korpusā zem spiediena, un augstas temperatūras un vienmērīga tvaika spiediena ietekmē līme sacietē un droši savieno nesošos slāņus ar pildvielu. Šo formēšanas tehnoloģiju var izmantot sarežģītu formu konstrukcijas elementu ražošanai ar mainīga biezuma izliektām sienām.
Otrā pasaules kara laikā sintētiskās līmvielas un slāņu savienošanas tehnoloģija tika plaši izmantota gaisa kuģu rūpniecībā. Šī tehnoloģija nodrošināja izturīgus savienojumus starp dažādiem materiāliem, piemēram, koku un metāliem, un ļāva lēti ražot ādas ar gludām virsmām.
Daudzslāņu struktūras iznīcināšana. Tāpat kā ar karkasa konstrukcijām un plānsienu monokokiem, sviestmaižu konstrukcijas bojājums sākas tajā pusē, kas tiek pakļauta saspiešanai. Sviestmaižu paneļa lielā biezuma dēļ spiedes spēks, kas izraisa izliekšanos un deformāciju, ir ievērojami lielāks nekā vērtība, pie kuras pirmās parādās deformācijas pazīmes uz plānsienu pastiprinātas monokoka virsmas. Šo vērtību attiecība var sasniegt 20 vai pat 50. Tomēr jāatceras, ka plānsienu monokoki var darboties slodzē, kas ir daudz lielāka par kritisko slodzi deformācijas sākumam, vienlaikus deformējot daudzslāņu virsmu. āda vienmēr izraisa pēdējo iznīcināšanu. Kritisko slodzi, kas izraisa daudzslāņu apvalka izliekšanos, var novērtēt, izmantojot viendabīgas plāksnes un viena slāņa apvalka projektēšanas metodes. Tomēr vieglā pildmateriāla salīdzinoši mazā bīdes pretestība ievērojami samazina kritiskā sprieguma lielumu, un šo efektu nevar atstāt novārtā. Daudzslāņu struktūras stabilitātes zudums parasti noved pie plānu nesošo apvalku virsmas deformācijas vai saburzīšanās. Attēlā 13. attēlā parādīti divu veidu nestabilitāte: simetrisks pietūkums un šķībums. Simetrisks pietūkums rodas liela slāņa biezuma gadījumā ar pildvielu, un deformācija rodas neliela šāda slāņa biezuma gadījumā.
Kritisko spriegumu, kas izraisa daudzslāņu struktūras stabilitātes zudumu, ko pavada abu virsmas deformācijas veidu parādīšanās, var noteikt ar formulu
Kur fcr ir kritiskā sprieguma vērtība nesošajiem slāņiem, Ef ir nesošā slāņa materiāla elastības modulis, Ec ir pildvielas elastības modulis, Gc ir pildvielas materiāla bīdes modulis. Kā piemēru apsveriet daudzslāņu struktūru ar nesošajiem alumīnija sakausējuma slāņiem un porainu celulozes acetāta šķiedras serdi. Alumīnija sakausējuma elastības modulis ir aptuveni 70 000 MPa, savukārt serdes materiālam tas ir 28 MPa. Pildmateriāla bīdes modulis ir 14 MPa. Aizvietojot šīs vērtības formulā (5), mēs atklājam, ka kritiskā sprieguma vērtība izliekumam ir 150 MPa. Ņemiet vērā, ka attiecība (5) neietver paneļa ģeometriskos raksturlielumus. Līdz ar to kritiskais spriegums nav atkarīgs no nesošo slāņu un slāņa ar pildvielu biezumiem. Vienīgais veids, kā palielināt konstrukcijas nestspēju attiecībā uz deformāciju, ir izmantot pildvielu ar labākām mehāniskajām īpašībām.
Cita veida biezu sienu čaumalas. Pēc Otrā pasaules kara tika izstrādātas un nodotas ražošanā dažādas iepriekš aprakstītās sākotnējās sendviča konstrukcijas modifikācijas. Attēlā 14 parāda šūnveida struktūru. Tajā starpslānis ir šūnveida (šūnu) pildviela. Attēlā 15. attēlā parādīts cita veida sendviča konstrukcija, kuras kodols ir gofrēts alumīnijs. Šī konstrukcija, līdzīgi kā iepakojuma kartons, ir ļoti stingra un stabila, taču gofrēto lenti nevajadzētu savienot ar nesošajiem apvalkiem, izmantojot kniedes.
Citos dizainos apvalks un slānis, kas palielina tās stingrību, ir velmēts un veidots spārna vai fizelāžas šķērsgriezumā. Visbeidzot, smagi noslogotiem, ļoti plāniem spārniem tika izveidota mainīga biezuma apvalku ražošana no izturīga alumīnija sakausējuma ar maksimālo biezumu aptuveni 19 mm. Šādas stipras ādas ļauj izgatavot spārnu, kas saglabā savu formu pat bez ribām tikai pašas ādas stingrības dēļ, ko pastiprina trīs vai četras bīdes sienas, kas balstās uz lāpstiņām.
VIRSSKAŅAS LIDMAŠĪNAS, KOSMOSA TRANSPORTLĪDZEKĻI UN BALISTISKĀS RAķetes
Aviācijas un kosmosa tehnoloģiju attīstībai ir raksturīga vienmērīga vilces un svara attiecības pieauguma tendence (vilces un svara attiecība ir gaisa kuģa spēkstacijas vilces spēka attiecība pret tās svaru). Vertikālās pacelšanās un nosēšanās gaisa kuģiem šī vērtība pārsniedz vienu. Ballistiskās raķetes piedziņas sistēmai ir jārada vilces spēks, kas ievērojami pārsniedz raķetes svaru, lai to paceltu no palaišanas platformas, paātrinātu un novietotu vēlamajā trajektorijā. Nepārtrauktā vilces un svara attiecības un lidojuma ātruma palielināšanās ir izraisījusi tādu gaisa kuģu parādīšanos, kas arvien mazāk ir atkarīgi no spārna radītajiem aerodinamiskajiem spēkiem. Spārnu izmērs sāka samazināties (ballistiskajās raķetēs to pilnībā nav). Tomēr planējošajām lidmašīnām, kas palaistas kosmosā, izmantojot pastiprinātājus, ir jābūt spārniem, lai tie atgrieztos uz zemes. Virsskaņas lidmašīnu spārni un stabilizatori ir mazāki nekā zemskaņas lidmašīnu spārni un stabilizatori ne tikai pēc platības; tie ir arī plānāki un mazāk izstiepušies. Virsskaņas lidmašīnu spārnu un astes virsmas ir slaucītas vai trīsstūrveida formas. Šādu spārnu ādas biezums ir daudz lielāks nekā zemskaņas lidmašīnu spārniem.
Plānsienu čaulu piemēri. Svara samazināšana ir galvenā prioritāte kosmosa kuģu projektēšanā. Daudzi sasniegumi plānsienu čaulu radīšanas jomā ir saistīti ar šo prasību. Tipiski šīs konstrukcijas piemēri ir šķidrās nesējraķetes Atlas un cietās raķetes konstrukcija. Atlasam tika izveidots īpašs monokoka apvalks ar kompresoru. Raķete ar cieto propelenta dzinēju tiek ražota, aptinot stikla pavedienu ap stieni, kas veidots kā ciets propelenta lādiņš, un piesūcinot brūces slāni ar īpašiem sveķiem, kas pēc vulkanizācijas sacietē. Ar šo tehnoloģiju uzreiz tiek iegūts gan lidmašīnas nesošais apvalks, gan raķešu dzinējs ar sprauslu. Atkārtoti ieplūstošie kosmosa kuģi tika konstruēti ar konisku apvalku, kas tika pārklāts ar siltumu aizsargājoša materiāla slāni, kas tika pakļauts ablācijai augstās temperatūrās (atdzesēšanas jēdziens ar ievilkta pārklājuma palīdzību). Pateicoties zemajiem gravitācijas spēkiem kosmosā un uz Mēness, ir izveidotas unikālas struktūras. Piemēram, Mēness moduļa čaulā ir paneļi, kas nevelkas uz Mēness, bet deformētos zem sava svara uz Zemes.
Skatīt arī KOSMOSA IZPĒTE UN IZMANTOŠANA; RAKETE.
AEROSMOCIJAS MATERIĀLI
Daudzi materiāli zaudē spēku augstās temperatūrās, kas rodas virsskaņas lidojumā. Tāpēc vieglās, karstumizturīgās vielas īpaši interesē kosmosa lidmašīnas. Līdz 1950. gadu beigām galvenie aviācijas materiāli lidmašīnām, kas pārvietojās ar Maha skaitļiem, kas nepārsniedz divus (Maha skaitlis ir lidojuma ātruma attiecība pret skaņas ātrumu), bija alumīnija sakausējumi un tērauds. Titāns kļuva ekonomiski pieejams 20. gadsimta 60. gadu sākumā, un tā sakausējumi tika izmantoti lidaparātu konstrukcijās līdz 3 Mach. Metāliskie supersakausējumi un pulvermateriāli tika izveidoti, saķepinot silīcija vai litija karbīda pulverus ar alumīniju vai titānu. Ir izveidoti arī kompozītmateriāli, kuros plastmasas (polimēra) pamatne ir pastiprināta ar stikla, kevlara vai oglekļa šķiedrām. Kompozītmateriālus plaši izmanto lidmašīnu konstrukcijās un kosmosa tehnoloģijās to labā svara un mehānisko īpašību dēļ, kas ļauj izveidot vieglas un izturīgas konstrukcijas, kas spēj darboties arī paaugstinātā temperatūrā.
Skatīt arī SAKAUSĒJUMI; PLASTMASAS.
AEROSPLACEMENTS STRUKTŪRAS
Transporta lidmašīnas un iznīcinātāji. Mūsdienu transporta lidmašīnas tipiskais izkārtojums sastāv no pastiprinātas monokoka fizelāžas ar dubultiem spārniem un dvīņu astes elementiem. Lidmašīnu konstrukcijās galvenokārt tiek izmantoti alumīnija sakausējumi, bet atsevišķiem konstrukcijas elementiem tiek izmantoti arī citi materiāli. Tādējādi smagi noslogotas spārnu sakņu daļas var izgatavot no titāna sakausējuma, bet vadības virsmas var izgatavot no kompozītmateriāla ar poliamīda vai stikla pavedieniem. Dažu lidmašīnu astes virsmās tiek izmantoti grafīta-epoksīda materiāli. Mūsdienu kaujas lidmašīnas dizains iemieso jaunākos sasniegumus lidmašīnu būves jomā. Attēlā 16. attēlā parādīts tipiska kaujas lidmašīnas dizains ar daudzsparu delta spārnu un pastiprinātu monokoka fizelāžu. Atsevišķi šīs lidmašīnas spārna un astes elementi ir izgatavoti no kompozītmateriāliem.
Rīsi. 16. F-15C IGL no McDonnell-Douglas ir iznīcinātājs, kas tiek izmantots ASV gaisa spēkos un to sabiedrotajos. Tam ir divi Pratt-Whitney piespiedu apvada turboreaktīvie dzinēji, un tas attīsta maksimālo ātrumu, kas atbilst M = 2,5. Tā bruņojums sastāv no 20 mm lielgabala, vadāmām gaiss-gaiss raķetēm un nevadāmām lidaparātu raķetēm. Lidojuma diapazons, izmantojot ārējās degvielas tvertnes, ir 5470 km. 1 - radiolokācijas stacijas antenas stikla šķiedras radoms; 2 - Doplera radara stacija; 3 - radio antena un radara antena; 4 - starpsienas; 5 - elektronisko iekārtu nodalījums; 6 - ātruma indikatora uztvērējs; 7 - kabīnes nojume; 8 - vējstikls; 9 - pilota sēdeklis; 10 - lidojuma projekcijas indikators; 11 - informācijas panelis; 12 - vadības rokturis; 13 - stūres pedāļi; 14 - sānu vadības panelis; 15 - sānu gaismas; 16 - apakšējie aprīkojuma nodalījumi; 17 - pretelektroniskie aizsardzības līdzekļi; 18 - kabīnes nojumes pacēlājs; 19 - gaisa kondicionieris; 20 - šasija; 21 - dzinēja gaisa ieplūde; 22 - hidrauliskie pastiprinātāji; 23 - 20 mm kalibra Vulcan lielgabals un munīcija; 24 - Gaiss-gaiss vadāmās raķetes Sparrow; 25 - gaisa bremze; 26 - degvielas tvertnes; 27 - gaisa ieplūdes kanāls; 28 - armatūra gaisa uzpildes sistēmai; 29 - degvielas padeves cauruļvadu sistēma; 30 - apvalki; 31 - eleroni; 32 - atloki; 33 - lāpstiņas; 34 - tapu savienojumi; 35 - spārnu ribas; 36 - spārnu ādas paneļi ar stringeriem; 37 - šūnveida konstrukcijas; 38 - nosēšanās āķis aizturošā izvadītāja kabeļa satveršanai; 39 - gaisa sistēmas aprīkojuma nodalījumi; 40 - turboreaktīvie apvada dzinēji; 41 - kompresors; 42 - papildu barošanas bloks (starteris); 43 - pārnesumkārba; 44 - dzinēja stiprinājuma rāmji; 45 - pēcdegļa sadegšanas kamera; 46 - dzinēja nodalījums ar gredzenu rāmjiem un stringeriem, kas izgatavoti no titāna; 47 - titāna apvalks; 48 - pēcdegšanas sprauslas; 49 - stabilizatora montāžas vienība; 50 - bora šķiedras apvalka paneļi; 51 - pilons kravas pakarināšanai spārna konsoles daļā; 52 - pilons kravas pakarināšanai spārna saknē; 53 - bumbu plaukts; 54 - bumbas; 55 - Gaiss-gaiss raķetes ar sāniem; 56 - ārējā degvielas tvertne.
Kosmosa kuģis "Shuttle". Orbitālais kosmosa kuģis spēj lidot Zemes atmosfērā ar hiperskaņas ātrumu. Ierīces spārniem ir vairāku spārnu rāmis; Pastiprinātā monokoka kabīne, tāpat kā spārni, ir izgatavota no alumīnija sakausējuma. Kravas nodalījuma durvis ir izgatavotas no grafīta-epoksīda kompozītmateriāla. Ierīces termisko aizsardzību nodrošina vairāki tūkstoši vieglo keramikas flīžu, kas nosedz lielām siltuma plūsmām pakļautās virsmas daļas.
Skatīt arī PILOTĀTI LIDOJUMI KOSMOSA; KOSMOSA KUĢIS "SHUTLE". Kosmosa stacijas. Orbitālo kosmosa kuģi paredzēts izmantot ilgtermiņa kosmosa staciju uzstādīšanai. Pieredze, kas gūta, darbojoties ar Krievijas orbitālo kosmosa staciju Mir, tiek izmantota starptautiskās kosmosa stacijas Freedom attīstībā. Projektēšanas inženieri risina ilgtermiņa orbitālās stacijas bloku un konstrukcijas elementu palaišanas problēmu ar tās turpmāko montāžu kosmosā.
Collier's Encyclopedia Wikipedia
Lidmašīna, ko lidojumā atbalsta spārni un kuru virza spēkstacija. Lidmašīnās, ko vada pilots (vai piloti), ir krava, t.i. krava, pasažieri, ieroči vai īpašs aprīkojums, piemēram... Koljēra enciklopēdija
Nemotorizēts lidaparāts, kas ir smagāks par gaisu. Planieris tiek turēts gaisā, līdzsvarojot lejup vērsto gravitācijas spēku ar pacelšanas spēku, ko rada augšup vērstās gaisa plūsmas. Planieriem ir divi lidojuma režīmi: plānošana... ... Koljēra enciklopēdija
IVB APAKŠGRUPA. TITĀNIJU SAIME TITĀNIJA, CIRKONIJA, HAFNIJA Pārejas metālos ietilpst arī Ti, Zr un Hf titāna saimes elementi, kas izceļas ar pārsteidzošu īpašību līdzību. Pēdējie divi elementi (Zr un Hf) ir īpaši tuvi pēc īpašībām.… … Koljēra enciklopēdija
Mēs izmantojam sīkfailus, lai nodrošinātu vislabāko mūsu vietnes prezentāciju. Turpinot lietot šo vietni, jūs piekrītat tam. labi
