Разработка ТКС от КБ "Южное"
В ГП «КБ «Южное» (Украина) ведется разработка ТКС, на базе возвращаемого высотного гиперзвукового беспилотного летательного аппарата (БПЛА), предназначенная для выведения пико- и наноспутников на низкие круговые и эллиптические орбиты в диапазоне высот до 500 км. Выведение полезной нагрузки при помощи БПЛА и трехступенчатой ракеты предусматривает самолетный вариант старта и посадки.
Облик и состав БПЛА приведены на рис. 1.
Планер БПЛА состоит из фюзеляжа (носового отсека, передней части фюзеляжа, центральной части фюзеляжа, отсека силовой установки), крыла (2 консоли), горизонтального оперения (2 консоли), вертикального оперения (2 консоли).
Планируемое количество пусков БПЛА – 500, при этом срок его эксплуатации должен быть не менее 10 лет. Интенсивность полетов БПЛА обеспечивается интервалом между посадкой и последующим стартом не более 7 суток.
При создании многоразовых космических систем важной задачей является выбор конструкционных и теплозащитных материалов, что обусловлено высокими температурами на поверхности.
Целью данной работы является выбор жаростойких и теплозащитных материалов наружной поверхности БПЛА.
Определяющий критерий выбора материалов, используемых в наружных конструкциях БПЛА, – высокая температура торможения потока газа, реализующаяся у носовой части фюзеляжа и передних кромок выступающих элементов, требующая применения термостойких материалов.
Нагрев БПЛА в полете происходит, в основном, за счет воздействия аэродинамического нагрева вследствие торможения воздушного потока поверхностью летательного аппарата. Интенсивному воздействию аэродинамического теплового потока БПЛА подвергается на участке разгона до скорости 6 М (с ~900 по ~1150 с полета). При этом максимальное значение температуры торможения составляет ~1400°С. После отделения PКH от БПЛА температуры торможения существенно уменьшаются и при дальнейшем полете изменяются незначительно. Максимальному тепловому воздействию в полете подвержены, главным образом, носовая часть фюзеляжа и передние кромки выступающих элементов (крыльев, оперения, воздухозаборников) [3].
Анализ распределения температур на поверхности БПЛА позволяет выделить три основных температурных диапазона функционирования материалов:
– от плюс 330 до плюс 450°С – силовые элементы фюзеляжа и крыла;
– от плюс 450 до плюс 850°С – обшивки фюзеляжа и крыла, оперения и органов управления;
– от плюс 850 до плюс 1150°С – обтекатель носового отсека, передние кромки крыла, оперения и воздухозаборного устройства.
Распределение максимальных температур на наружной поверхности БПЛА приведено на рис. 2.
Изменение температуры наружной поверхности наиболее теплонапряженных элементов БПЛА в полете приведено на рис. 3.
Материалы для транспортно-космической системы должны комбинировать в себе способность суперсплавов работать при высоких температурах и плотность титановых сплавов. В настоящее время создаются новые материалы на основе алюминидов титана, которые имеют примерно такую же плотность, что и титан, однако при этом они способны работать при более высоких температурах. Перспективные системы сплавов для применения в несущих конструкциях базируется на интерметаллических соединениях на основе Ti 3Al («альфа-2») и TiAl («гамма»). Потенциальные рабочие температуры таких материалов соответственно плюс 815°С и плюс 980°С. Однако алюминиды титана плохо поддаются обработке, что затрудняет изготовления из них компонентов конструкции.
В Украине разработкой и исследованием интерметаллидов титана занимаются ученые Института электросварки им. Патона. Здесь разработана технология получения таких материалов методами электрошлакового и дугошлакового переплавов титана. Несомненным достоинства электрошлаковой технологии является возможность получения гомогенных слитков практически любого заданного химического состава с хорошей поверхностью [5].
Основным недостатком указанных материалов, сдерживающим и ограничивающим их широкое применение, является низкая пластичность при комнатной и минусовой температуре [4]. Сплавы на основе алюминидов титана являются труднообрабатываемыми материалами, однако при использовании мягких режимов обработок возможно выполнение ряда операций – точение (фрезерование), шлифование и полирование. Эти сплавы свариваются лазерной сваркой. Для изготовления сложных деталей применяется пайка по специальной технологии. Литье, как наиболее простой вид производства деталей из интерметаллидов, осуществляется в вакуумно-дуговых печах или вакуумно-индукционных печах методом центробежной заливки в керамические или графитовые формы [4].
Наиболее перспективными в настоящее время являются сплавы с орторомбической структурой (Ti 2NbAl). Данные сплавы обладают лучшей технологичностью, имеют более высокие показатели прочности и жаропрочности по сравнению со сплавами на основе Ti3Al.
В диапазоне температур от плюс 850 до плюс 1150°С прочностные свойства всех конструкционных металлических материалов сильно понижаются, поэтому большинство металлических конструкций, длительно работающих при таких температурах используются с наружной теплозащитой. В диапазоне температур от плюс 400 до плюс 1250°С в качестве наружной теплозащиты возвращаемых ЛА «Буран», «Space Shuttle» использовалась плиточная теплозащита на основе кварцевых волокон. Для современных МКА разрабатываются многослойные съемные теплозащитные конструкции с наружным жаропрочным жаростойким слоем и внутренней теплоизоляцией.
Для обтекателя носового отсека, передних кромок крыла, оперения и воздухозаборного устройства, температура на которых достигает более 1000°С перспективным является использование жаропрочных суперсплавов, а также углеродных и керамических материалов. Углерод-углеродные материалы должны использоваться с антиокислительным покрытием. Конструкции из таких материалов применялись в ЛА «Буран», «Space Shuttle», а также ряде современных демонстраторов. К их основным недостаткам относится высокая стоимость и длительный технологический цикл изготовления.
Основным недостатком металлов является высокий удельный вес и недостаточная коррозионная стойкость при рабочих температурах, а также низкие значения прочностных характеристик при многоцикловом нагружении в рабочем диапазоне температур. Основными жаростойкими металлами, применяемыми для работы в высокотемпературных конструкциях, являются сплавы на основе железа и никеля, а также сплавы ниобия с защитным покрытием. В Украине разработан порошковый жаростойкий дисперсно-упрочненный порошковый сплав ЮИМП-1200 на основе никель-хрома, аналогичен по химическому составу суперсплавам
PM-1000 и МА754, являющимися в настоящее время одними из наиболее перспективных жаропрочных сплавов. Для получения сплава ЮИМП-1200 разработана принципиально новая технология, позволяющая увеличить его пластичность и стойкость к окислению [6].
Механические характеристики сплава ЮИПМ-1200 обеспечивают его работоспособность в условиях высокотемпературного нагружения.
Для использования сплава ЮИПМ-1200 в жаростойких конструкциях БПЛА необходима его доработки с целью повышения усталостной статической прочности и ползучести, а также обеспечения достаточной циклической прочности в рабочем диапазоне температур.
УУКМ характеризуются малой удельной массой, низким коэффициентом термического расширения, жаропрочностью. К недостаткам УУКМ относится сравнительно низкая прочность и необходимость защиты от окисления в высокотемпературных газовых потоках.
В Украине изделия из УУКМ ортогональной 3D структуры изготавливаются ИФТТМТ ННЦ ХФТИ (г.Харьков). Технология изготовления УУКМ типа КИМФ довольно сложная и трудоемкая. Стоимость изготовления 1 кг материала составляет около 5000 долларов США. Нанесение антиокислительных покрытий приводит к дополнительному удорожанию материала. Нанесение защитных покрытий на УУКМ связано с преодолением ряда трудностей, обусловленных их низким температурным коэффициентом линейного расширения, неоднородностью структуры и сравнительно высокой пористостью. К защитным покрытиям предъявляются жесткие требования относительно их термодинамической стабильности, совместимости и высокой адгезии к углероду. В настоящее время в Украине разработкой такого рода покрытий занимаются специалисты ИФТТМТ ННЦ ХФТИ, а также научного парка «ФЭД» совместно с научно-технологическим центром «Нанотехнология» (г. Харьков).
Керамические материалы по многим эксплуатационным параметрам существенно превосходят металлические материалы. Основной причиной ограничивающей использование керамики в качестве конструкционного материала, являются хрупкость и склонность к разрушению под действием термического удара. Однако в последние десятилетия разработано новое поколение керамических материалов ультравысокотемпературная керамика (УВТК).
В Украине в Институте проблем материаловедения НАНУ разработаны научные основы получения нового класса конструкционных керамических материалов с повышенным сопротивлением окислению и коррозии в газовых средах и расплавах с рабочей температурой выше 1500°С [8]. Это керамика на основе ZrB2, HfB2; ZrB2-SiC; ZrB2-SiC-MeB2 (Me – Zr, Mo, W).
Организовано опытно-промышленное производство с возможностью изготовления деталей диаметром до 300 мм и высотой до 150 мм.
http://technological-systems.com.ua/images/journal/2017/files/ts78_8.pdf
