Оценка возможности применения композитного материала в конструкции криогенного конического бака ракетного блока

Уменьшение массы элементов ракеты-носителя для увеличения массы выводимого на орбиту полезного груза — одно из главных направлений развития рынка космических услуг. Современные варианты конструкций ракет-носителей требуют чрезвычайно высокой массовой доли топлива, что вызывает необходимость применения материалов малой плотности. Топливные баки могут составлять 70…80 % общего объема изделия, вследствие чего разработка баков для криогенного топлива имеет решающее значение при проектировании ракеты-носителя нового типа. Благодаря использованию композитных материалов в конструкции криогенного топливного бака его масса становится на 30 % меньше, чем у эталонного алюминиевого бака, что, соответственно, позволяет увеличить массу выводимой полезной нагрузки. Дан обзор способов изготовления криогенных композитных топливных баков. Предложены технология изготовления лейнера и материал, из которого его выполняют, с учетом разности температур при формообразовании и его взаимодействии с криогенным топливом. Выбраны композитный материал и способ изготовления бака. Проведен проектировочный расчет композитного криогенного бака.

Литература

[1] Perez E. Soyuz. User’s manual. Iss. 2. Arianespace, 2012. 244 p.

[2] Тимофеев Е.В., Ваулин С.Д., ред. Использование композитных материалов при проектировании стенок баков многоразовых ракет-носителей. Астероидная безопасность. Мат. III студ. науч.-тех. конф. Челябинск, ЮУрГУ, 2021, с. 56–62.

[3] Михайлов М.Ю., Спиридонов В.В., Мищеряков С.В. Система контроля температур топливного бака окислителя ракеты космического назначения «Союз–2». Патент РФ 2651554. Заявл. 03.03.2016, опубл. 20.04.2018.

[4] Johnson T.F., Sleight D.W., Martin R.A. Structures and design phase I summary for the NASA composite cryotank technology demonstration project. Hampton, NASA Langley Research Center, 2013. 11 p.

[5] Исикава Я., Мори Х. Низкотемпературный резервуар и способ его изготовления. Патент РФ 2717931. Заявл. 25.10.2017, опубл. 26.03.2020.

[6] Котляр И.К. Сосуды, работающие под давлением, и способы их изготовления с использованием аддитивной технологии. Патент РФ 2665089. Заявл. 17.03.2015, опубл. 20.04.2018.

[7] Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 431 с.

[8] Аюшеев Т.В. Геометрические вопросы адаптивной технологии изготовления конструкций намоткой из волокнистых композиционных материалов. Улан-Удэ, Изд-во БНЦ СО РАН, 2005. 212 с.

[9] Аэрокосмическая отрасль. umatex.com: веб-сайт. URL: https://umatex.com/applications/space/ (дата обращения: 15.09.2022).

[10] Энциклопедия полимеров. Т. 1–3. Москва, Советская энциклопедия, 1972, 1974, 1977; 1224 с., 1032 с., 1152 с.

[11] Гусев Ю.А., Борщев А.В., Хрульков А.В. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP. Труды ВИАМ, 2015, № 3, doi: https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2015-0-3-6-6

[12] Крысин В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. Москва, Машиностроение, 1989. 240 с.

[13] Лавров Н.А., Игуменов М.С. Сосуд высокого давления из полимерных композитных материалов. Пластические массы, 2018, № 5–6, с. 45–47.

[14] Сплав 36Н — инвар. poliasmet.ru: веб-сайт. URL: https://poliasmet.ru/pretsizionnye-splavy-svojstva/invar-36n-feni36.html (дата обращения: 15.09.2022).

[15] Курицын Д.Н., Бойцов А.Г., Курицына В.В. Технологическое обеспечение сварки трением с перемешиванием в производстве аэрокосмических конструкций. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2021. 159 с.

[16] Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. Москва, Машиностроение, 1976. 408 с.

[17] Муйземнек А.Ю., Карташова Е.Д. Механика деформирования и разрушения полимерных слоистых композиционных материалов. Пенза, Изд-во ПГУ, 2017. 44 с.