Разработка конструктивно-силовой схемы пола кабины многоразового космического аппарата туристического класса из термопластичного композиционного материала

Язык труда и переводы:
УДК:
629.782
Дата публикации:
24 января 2022, 00:29
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена конструктивно-силовая схема пола герметичной кабины многоразового космического аппарата туристического класса. В качестве материала пола выбран термопластичный композиционный материал, а в качестве технологии изготовления — 3D-печать методом послойного наплавления. С целью повышения весовой эффективности проведена топологическая оптимизация конструкции пола и на основе ее решения предложена конструктивно-силовая схема пола.
Ключевые слова:
многоразовые космические аппараты, космический туризм, термопластичные композиционные материалы, конструктивно-силовая схема, топологическая оптимизация
Основной текст труда

В настоящее время широкое применение в изделиях авиационной и ракетно-космической техники нашли термопластичные композиционные материалы (КМ) благодаря их высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и ударной вязкости. Для достижения максимальной весовой эффективности изделий перспективным представляется применение аддитивных технологий (АТ), которые позволяют в относительно короткие сроки получать изделия сложной формы с минимальными затратами сырьевых материалов. Необходимо отметить, что по сравнению с оригинальными конструкциями, изготовленными традиционных методами производства, 3D-печатные изделия как минимум на 15–20% легче, что очень важно для авиационной и ракетно-космической техники.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана в течение нескольких лет ведутся работы по созданию крылатого многоразового космического аппарата туристического класса (МКА ТК) «Одуванчик» [1–4]. В носовой части МКА ТК располагается герметичная вставная кабина объемом 10 м3 для одного пилота и экипажа из 4 человек [5]. Одним из важных силовых элементов конструкции герметичной кабины фюзеляжа является пол, который оказывает значительное влияние на весовую эффективность всего аппарата. Предполагается, что в качестве материала пола используется термопластичный КМ, а в качестве технологии изготовления — 3D-печать, в частности метод послойного наплавления (FDM).

Технология FDM печати заключается в следующем: экструзионная головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния полимерную нить, и с высокой точностью подает полученный термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и затвердевают, формируя готовое изделие — термопластичный КМ [6].

Для разработки конструктивно-силовой схемы пола требуются сведения о физико-механических характеристиках КМ, которые отсутствуют в справочной литературе. Поэтому для их определения проводилось численное моделирование в программе Digimat. Для этого были проведены виртуальные испытания исследуемого материала. Исходными данными служили характеристики моноволокон и заданная укладка нитей при 3D-печати. В результате анализа были получены физико-механические характеристики термполастичного КМ.

Для верификации результатов математического моделирования проведены испытания образцов на разрыв для направлений армирования 0° и 90°. На основании проведенного эксперимента показано хорошее согласие с результатами численного моделирования характеристик.

Полученные значения физико-механических характеристик были использованы при определении оптимальной конструктивно-силовой схемы пола МКА ТК методом топологической оптимизации [3, 4, 7, 8].

На основе решения задачи топологической оптимизации предложена конструктивно-силовая схема пола МКА ТК, которая обладает высокой весовой эффективностью.

 

Литература
  1. Резник С.В. Актуальные проблемы проектирования, производства и испытания ракетно-космических композитных конструкций // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 3 (15). С. 25. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-3-638
  2. Ашихмина Е.Р., Просунцов П.В. Оптимизация формы крыла и выбор рациональных параметров траектории многоразового космического аппарата туристического класса // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 8 (737). С. 74–86. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-8-74-86
  3. Ашихмина Е.Р., Просунцов П.В. Оптимизация силового набора крыла многоразового космического аппарата туристического класса // XLIII Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения – 2019): сб. тез. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. С. 40–41.
  4. Ashikhmina E.R., Prosuntsov P.V. Wing box topology optimization of tourist class reusable space vehicle // AIP Conference Proceedings. M.: BMSTU Press, 2019. P. 030014. DOI: 10.1063/1.5133180
  5. Ашихмина Е.Р. Методика разработки конструктивно-силовой схемы и теплозащитного покрытия крыла суборбитального многоразового космического аппарата туристического класса: дисс. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. 191 с.
  6. Ляпков А.А. Полимерные аддитивные технологии. Томск: ТПУБ, 2016. 114 с.
  7. Htet T.L., Prosuntsov P.V. Parametric and topology optimization of load bearing elements of aircraft fuselage structure // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 934 (1). P. 012029. DOI: 10.1088/1757-899X/934/1/012029
  8. Тун Т.Л.Х., Просунцов П.В. Топологическая оптимизация силового набора хвостовой части самолета для набора расчетных случаев // Будущее машиностроения России: тез. докл. Всерос. конф. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. С. 806–807.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.