Milline on kiudkomposiitmaterjalide hetkeseis ja arengusuunad kanderakettide korpustes?

Satelliidi kattekiht on kanderaketi üks olulisemaid komponente, millel on hea aerodünaamiline kuju, kerge struktuurne mass ja usaldusväärne eraldusvõime. Selle põhiülesanne on säilitada kanderaketi aerodünaamiline kuju stardieelsel-lennul ja lennu ajal, kaitstes sees olevat kasulikku koormust välise looduskeskkonna mõjude ja aerodünaamilise erosiooni eest ning eraldudes pärast atmosfäärist väljumist raketist usaldusväärselt. Joonisel 1 on kujutatud kanderaketi korpust eraldatud olekus. Kattekiht asub kanderaketi esiosas, kaitstes kanderaketis olevat satelliiti ja muid täppisinstrumente atmosfäärist väljumise ajal kuumakorrosiooni eest. Kui kanderakett on atmosfäärist väljunud, ei täida vooder enam oma eesmärki ja sel hetkel raketi kaalu vähendamiseks eraldub kaitserakett kanderaketist. Andmeedastuse tagamiseks kaitsekatte sees oleva kasuliku koormuse ja välismaailma vahel enne eraldamist on kaitsekattel üldiselt elektromagnetlainete ülekandevõimalused. Praegu jagunevad satelliitkatted nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt peamiselt kahte kategooriasse: metallist needitud konstruktsioonid ja komposiitmaterjalist struktuurid. Metallist needitud konstruktsioonides kasutatakse tavaliselt alumiiniumisulameid, samas kui komposiitmaterjalide struktuurides kasutatakse vaigul{9}}põhinevaid kiudkomposiitmaterjale, millel on laineid{10}}edastusvõime. Vaigu{12}}põhistest kiudkomposiitmaterjalidest projekteeritud ja valmistatud katted võivad konstruktsioonikaalu tõhusalt vähendada 20%-30%, suurendades raketi kandevõimet ja vähendades mootori kütusekulu sama kasuliku koormuse korral, alandades seeläbi raketi käivitamise kulusid. Lisaks pakuvad vaigupõhised{18}}kiudkomposiitmaterjalid suuremat disainipaindlikkust kui metallmaterjalid, võimaldades integreeritud projekteerimist ja tootmist, vähendades konstruktsioonikomponentide arvu ja parandades konstruktsiooni töökindlust. Vaigupõhiste kiudkomposiitmaterjalide suurepärane korrosioonikindlus, niiskuskindlus, kiirguskindlus ja väsimuskindlus pikendavad kattekonstruktsiooni kasutusiga, võimaldades seega katte taastumist.

2.1 Paneeli materjalid Paneeli struktuur annab katte aerodünaamilise kuju. Paneeli materjal on vaigul{2}}põhine kiudkomposiitmaterjal, mis koosneb maatriksmaterjalist ja tugevdusmaterjalidest. Vaigu-põhised kiudkomposiitmaterjalid on kerged, suure-tugevuse ja kuuma-kindlad ning suure disaini paindlikkusega ning suudavad saavutada laia-lainete edastamise funktsiooni, muutes need ideaalseteks materjalideks kattematerjalide jaoks. Selles peatükis vaadeldakse nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt levinud kiu- ja vaigupõhiseid{9}}kattematerjale.

2.1.1 Kiudmaterjalid Vaigu{1}}põhistel kiudkomposiitidel on sellised eelised nagu kõrge eritugevus ja kõrge erimoodul. Suure jõudlusega -tugevdavate materjalide hulka, mida tavaliselt kasutatakse nii kodu- kui ka rahvusvaheliselt kattepaneelides, on süsinikkiud, klaaskiud ja aramiidkiud.

Süsinikkiul on palju suurepäraseid omadusi, sealhulgas kõrge aksiaalne tugevus ja moodul, madal tihedus, roome puudumine, hea väsimuskindlus, madal soojuspaisumistegur ning hea elektrijuhtivus ja elektromagnetiline varjestus. Seda on laialdaselt kasutatud kosmosetööstuses.klaaskiudon laineliste{0}}läbipaistvate kattekihtide kõige sagedamini kasutatav tugevdusmaterjal, millel on sellised eelised nagu kõrge tugevus, suurepärased dielektrilised omadused, vähene niiskuse neeldumine ja mõõtmete stabiilsus. Kvartsklaaskiudomab kõigi klaaskiudude parimaid dielektrilisi omadusi, jäädes laial sagedusribal põhimõtteliselt muutumatuks, võimaldades lairibalainete edastamist kattekihtides. Lisaks on kvartskiul suurepärane laineülekande jõudlus kõrgetel temperatuuridel ja enamikus välismaistes arenenud kattes kasutatakse praegu tugevdusmaterjalina kvartskiudu. Aramiidkiul, kõrgtehnoloogiline erikiud, on kõrge tugevuse ja kõrge mooduliga, suurepärase kuumakindluse ja leegiaeglustusega ning seda kasutatakse kosmosetööstuses, näiteks aramiidkuulivestides ja -kiivrites. Aramiidkiu hügroskoopsus mõjutab aga selle dielektrilisi omadusi, piirates selle kasutamist laine{4}}läbipaistvates kattes.

2.1.2 Vaikmaterjalid Kattekihtides kasutatakse paneeli maatriksmaterjalina üldiselt suure jõudlusega termoreaktiivseid vaikusid, sealhulgas epoksüvaiku (EP), bismaleimiidvaiku (BMI) ja tsüanaatestervaiku (CE) jne. Epoksüvaik on kõige sagedamini kasutatav vaigumaterjal. Sellel on suurepärased termodünaamilised omadused, tugev töödeldavus ja suurepärased elektrilised omadused, mistõttu on see komposiitvaigumaatriksite põhiosa. Kuid epoksüvaik kannatab halva löögikindluse ja märgatava mehaaniliste omaduste languse tõttu niisketes ja kuumades tingimustes. Viimastel aastatel on teadlased keskendunud paindlike rühmade lisamisele epoksüsüsteemidele, et parandada nende sitkust ja kuumakindlust. Bismaleimiidvaigul (BMI) kui aromaatsel polüimiidmaterjalil on suurepärane vastupidavus kõrgele ja madalale temperatuurile, kõrge tugevus ja moodul, madal soojuspaisumise koefitsient, madal dielektriline konstant ja kadu, madal lenduv vaakum ja vähe lenduvaid kondenseeruvaid aineid. Sellel on ka sarnased eelised epoksüvaiguga, näiteks töötlemise lihtsus, ja seda kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses. Selle puuduste hulka kuuluvad aga kõrge sulamistemperatuur, halb lahustuvus ja suur rabedus. Tsüanaatestervaik (CE) on uut tüüpi vaik, mis töötati välja 1980. aastatel. Sellel on madal dielektriline konstant, kõrge temperatuuritaluvus ja vastupidavus niiskele kuumusele ning seda kasutatakse peamiselt suure jõudlusega-trükkplaatides ja suure jõudlusega{13}}läbipaistvates konstruktsioonimaterjalides. Selle puudused on kõrge rabedus ja halb sitkus pärast kõvenemist. Vaigusüsteemi sitkuse suurendamiseks kasutavad BMI ja CE tavaliselt komposiitmaterjali maatriksina karastatud modifitseeritud segavaigusüsteeme. Modifitseeritud BMI ja CE vaigusüsteemid, tagades samal ajal suurepärase vastupidavuse niiskele kuumusele ja dielektrilistele omadustele, võivad parandada konstruktsiooni löögitugevust.

2.2 Sandwich-materjalid Kattekihi kihtstruktuur mängib paneeli materjali toetavat rolli ja selle jõudlusparameetrid mõjutavad oluliselt satelliidikatte laine{1}}edastussektsiooni mehaanilisi omadusi. Sandwich-materjal peaks vastama järgmistele nõuetele: madal tihedus, kõrge survemoodul, kõrge nihkemoodul, kõrge paindetugevus ja suurepärased dielektrilised omadused. Peamised nendele nõuetele vastavad kattekihi materjalid on:klaaskiudkärgstruktuuriga, alumiiniumist kärgstruktuuriga, Nomexi paberist kärgstruktuuriga ja PMI (polümetüülmetakrülaat) vahtkärgstruktuuriga.

Klaaskiust kärgstruktuuril on ebaoluline kaalu vähendav toime ja halvad mehaanilised omadused. Lennunduses on selle järk-järgult asendanud Nomexi paberist kärg ja PMI vahtkärg; alumiiniumist kärgstruktuuri ja süsinikkiust paneelide kombinatsioon võib põhjustada elektrokeemilist korrosiooni, mis ei vasta komposiitmaterjalide korrosioonikindluse nõuetele kosmosesõidukite karmis keskkonnas; Nomexi paberist kärg on valmistatud fenoolvaiguga immutatud aramiidist ning Nomexi kärgstruktuuri ja süsinikkiust paneelide kombinatsioon ei põhjusta elektrokeemilist korrosiooni, sellel on suurem nihkemoodul kui PMI jäigast vahtplastist, see on odavam, hästi töödeldav ning seda kasutatakse laialdaselt kere, konnektorites ja muudes kosmosetööstuses kasutatavates osades; PMI vahukihtstruktuur on paljude mehaaniliste omaduste poolest parem kui teised kärgstruktuuriga kihilised struktuurid ja on suure jäikusega{1}}jäik struktuur. Tõmbetugevusega üle 0,5 MPa, tihedusega alla 100 kg/m³ ja soojusmoonutustemperatuuriga kuni 240 kraadi, on PMI-l suurepärane liidese tugevus termoreaktiivsete vaikudega, nagu EP, BMI ja CE. Sandwich-struktuurina on see vähem altid paneeli liidesest eraldumisele. Lisaks pakuvad PMI struktuurid suurepärast laineülekande jõudlust, võimaldades lairiba laineedastust, täites samal ajal koormusnõudeid. Välismaal kasutatakse seda laialdaselt kattekihtides ja kodumaal kasutatakse seda peamiselt tsiviillennukite konstruktsioonikomponentides. Uue põlvkonna kanderaketid-seeria Long March 3A{12}}võtsid oma katte esikoonuse jaoks kasutusele kodumaise toodetud PMI sandwich-struktuuri, mis vähendab satelliidi stardikulusid ja näitab laialdasi rakendusvõimalusi.

Kodumaiste kattematerjalide arendamise hetkeseis

Minu riigi kanderakettide ja muude kosmoselaevade kaitsekatete tulevaste arendusvajaduste rahuldamiseks on Hiina mitmed ülikoolid ja uurimisinstituudid keskendunud kiudkomposiitmaterjalide muutmisele, et kavandada ja arendada suure -jõudlusega ja odava-kiudkomposiitmaterjale. See on suurendanud kanderaketi võimet pääseda ruumi ning vähendanud starditsüklit ja -kulusid.

Kanderakettide kattekihtide vaigupõhiste{0}materjalide uurimisel uurisid Yang Shiyong et al. Hiina Teaduste Akadeemia keemiainstituudist on välja töötanud rea polüimiidvaigu maatrikseid, sealhulgas esimene põlvkond, mis on vastupidav 316 kraadini, teine ​​põlvkond on vastupidav 371 kraadini ja kolmas põlvkond on vastupidav 426 kraadini. Samuti on nad välja töötanud erinevaid vormimismeetodeid kõrge -temperatuurikindlate süsinikkiuga tugevdatud vaigumaatrikskomposiitide jaoks, sealhulgas vaakumautoklaavitehnoloogia, vaakumkõrg{7}temperatuuri RTM-tehnoloogia ja reaktiivkuumvormimise tehnoloogia. Ta Guowen viis läbi mikroskoopilised analüüsiuuringud polüimiidkomposiitide valmistamise ja liidese tugevuse kohta, pakkudes võrdlusmaterjali polüimiidkomposiitide kasutamiseks lennukite kattes. Rao Xianhua Jilini ülikoolist on läbi viinud suure jõudlusega fenüülatsetüleen{11}}otsaga polüimiidvaigumaatriksite ja nende süsinikkiudkomposiitide uurimistööd, avardades silmaringi kõrgel temperatuuril{12}}kindlate polüimiidsüsinikkiust komposiitkatete väljatöötamiseks. Aerospace Materials and Processes Research Institute on välja töötanud kvarts{14}}tugevdatud polüimiidkomposiitmaterjali, mida saab kasutada kaua aega kuni 370 kraadi juures. Sellel materjalil on ka madal dielektriline konstant ja dielektriline kadu, stabiilne jõudlus ning suurepärased dielektrilised ja mehaanilised omadused, mistõttu on see sobiv kandidaat laine{18}}läbipaistvaks/suurt{19}}koormust{20}}kandvaks funktsionaalseks materjaliks. Zhang Xing et al. kujundas täielikult lainelise{23}}läbipaistva satelliitkatte, kasutades klaaskiudpaneeli-aramiidpaberist kärgstruktuuri. Katsetulemused on kinnitanud, et see saavutab suure-efektiivsuse laine edastamise võime keskmise 90%-lise laine edastuskiirusega kõikjal. Isegi üle 20% kaalulanguse korral vastab kandevõime endiselt konstruktsiooninõuetele, saavutades kerge, suure kandevõime ja kõikjalsuunalise laineülekande funktsionaalsuse, mida on kontrollitud lennukatsetes. Qu Guangyan Harbini FRP uurimisinstituudist kavandas kerge, suure -tugevuse ja paksusega-kontrollitava komposiitmaterjalist kattekonstruktsiooni, kasutades suure-tugeva süsinikkiust komposiitmaterjali kaas{36}}kõvastumise protsessi. See ületab valuvormide kujundamise väljakutsed, mis tulenevad laiaulatuslikust-integreeritud vormimistehnoloogiast. Tugevast-süsinikkiust komposiitmaterjalist kate säilitab oma aerodünaamilise kuju, tagades samas suured mõõtmed, kaitstes sisemist kasulikku koormust väliste keskkonnamõjude eest.

Välismaal kattematerjalide arendamise hetkeseis

Ameerika Ühendriigid uhkeldavad kõige arenenuma tehnoloogiaga kanderakettide kattematerjalide projekteerimisel ja valmistamisel. Kattematerjalide hulka kuuluvad nii anorgaanilised kui ka orgaanilised materjalid ning vormimisprotsessid hõlmavad vaakumkottidesse pakkimist, vormimist ja valamist. USA-l on laiaulatuslikud voodri jõudluse testimise ja katsemeetodid, samuti tuuletunnelitehnoloogia reaalses-katsetustes. 1970. aastatel töötas USA välja komposiitmaterjali Duroid 5870 ja viidi lõpule kattekihi termilise koormuse, kõrgel -temperatuuri elektriliste omaduste, ablatsiooni ja vihmaerosioonikindluse testid. Samuti töötas ta välja automaatse katte testimise seadmed elektrilise jõudluse testimiseks. Praegu on USAs välja töötatud PI-vaigud (PMR-15 ja PMR-50) kõrgel-orgaanilisel vaigul{10}}põhinevas komposiitmaterjalide (HTPMC) süsteemis muutunud kosmosetööstuse põhimaterjalideks, mis edendavad märkimisväärselt PI-komposiitmaterjalide kasutamist suurtes konstruktsioonikomponentides ja vähendavad kulusid. Kvartskiu suurepärased dielektrilised omadused hõlbustavad lairibalainete edastamist ja enamik välismaistest kanderakettidest on nüüd valmistatud kvartskiust komposiitmaterjalidest. Ameerika Ühendriigid on välja töötanud kvartskiuga{20}}tugevdatud PI-vaiguga komposiitkatte struktuuri, mille töötemperatuur on üle 538 kraadi. Venemaal on maailmas{21}liider komposiitmaterjalide valmistamise tehnoloogia. Täiustatud kõrge temperatuurikindlate materjalide väljatöötamise ja rakendamise ajal on ta välja töötanud ka uusi komposiitmaterjale, mis sobivad lairiba- ja elektromagnetiliste/infrapuna-kaherežiimiliste kattekihtide jaoks. Samal ajal tugevdab see katte töötlemise ja tootmistehnoloogiate alast uurimistööd, keskendudes kattekihtide konstruktsioonile ja elektrilisele toimivusele. Venemaa poolt välja töötatud modifitseeritud fenoolvaik on saavutanud väga kõrge töötlemise ja laineülekande jõudluse, maksimaalse töötemperatuuriga 600 kraadi ja seda on edukalt kasutatud lairiba kattekihtides.