Решетневские чтения, 2017, часть 1

Table of contents :
1-й титульный экран
2-й титульный экран
3-й титульный экран
Приветственное слово
Секция «Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты»
Секция «Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов»
Секция «Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов»
Секция «Тепломассообменные процессы в конструкциях летательных аппаратов, энергетических установок и систем жизнеобеспечения»
Секция «Системы управления, космическая навигация и связь»
Секция «Космическое и специальное электронное приборостроение»
Секция «Электронная компонентная база космических систем»
Секция «Контроль и испытания ракетно-космической техники»
Секция «Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление»
Секция «Использование космических средств, технологий и геоинформационных систем для мониторинга и моделирования природной среды»
Секция «Эксплуатация и надежность авиационной техники»
Секция «Технология и мехатроника в машиностроении»
Секция «Механика специальных систем»
Секция «Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли»
СОДЕРЖАНИЕ
CONTENTS

Citation preview

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» АО «Красноярский машиностроительный завод» при поддержке Министерства образования и науки РФ Государственной корпорации по космической деятельности «РОСКОСМОС» Правительства Красноярского края Совета ректоров вузов Красноярского края Федерации космонавтики России АО «ЦКБ «Геофизика» АО «НПП «Радиосвязь» ФИЦ «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» Технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» Российского Союза научных и инженерных общественных объединений ОУ «Красноярский краевой Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций»

Материалы XXI Международной научно-практической конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева (08–11 ноября 2017, г. Красноярск) В 2 ЧАСТЯХ. ЧАСТЬ 1 Электронное издание

Красноярск 2017 © СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2017

УДК 629.7 ББК 30 + 2 Р47 Редакционная коллегия: Ю. Ю. ЛОГИНОВ (председатель), А. В. АВДЕЕВ, Ю. Д. АЛАШКЕВИЧ, Е. В. БЕЛЯКОВА, В. Г. БОНДАРЕНКО, Е. Н. ГОЛОВЕНКИН, В. В. ДВИРНЫЙ, С. П. ЕРЕСКО, Л. В. ЕРЫГИНА, В. В. ЗОЛОТАРЕВ, И. Н. КАРЦАН, А. А. КИШКИН, В. А. ЛЕВКО, М. В. ЛУКЬЯНЕНКО, Ю. Н. МАЛАНИНА, А. В. МЕДВЕДЕВ, П. В. МИРОНОВ, А. Е. МИХЕЕВ, А. В. МУРЫГИН, В. П. НАЗАРОВ, В. И. ОРЛОВ, А. С. ПАРШИН, О. Е. ПОДВЕРБНЫХ, В. В. ПРОЦЕНКО, Л. В. РУЧКИН, М. В. САВЕЛЬЕВА, К. В. САФОНОВ, С. И. СЕНАШОВ, А. А. СТУПИНА, Г. А. СУБОЧ, О. В. ТАСЕЙКО, М. Н. ФАВОРСКАЯ, В. Х. ХАНОВ, Ю. П. ЮРОНЕН, В. Г. ЯЦУНЕНКО Под общей редакцией доктора физико-математических наук Ю. Ю. ЛОГИНОВА

Решетневские чтения [Электронный ресурс] : материалы XXI Междунар. науч.-практ. Р47 конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева (08–11 нояб. 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 24,75 МБ). – Систем. требования : Internet Explorer; Acrobat Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата .pdf) ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2017. Ч. 1. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialykonferentsii. – Загл. с экрана. Сборник содержит материалы XXI Международной научно-практической конференции «Решетневские чтения», посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, в которых представлены результаты исследований ученых и специалистов предприятий и организаций аэрокосмической отрасли, преподавателей, научных сотрудников, аспирантов и студентов высших учебных заведений Российской Федерации и стран ближнего и дальнего зарубежья. Сборник рассчитан на научных сотрудников, работников промышленности, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений. В статьях сохранен авторский стиль изложения. УДК 629.7 ББК 30 + 2

Подписано к использованию: 30.10.2017. Объем: 24,75 МБ. C 266/17. Корректоры Т. Л. Патюкова, Л. В. Звонарева Макет и компьютерная верстка М. А. Светлаковой, О. В. Булатниковой Ответственный за перевод английского текста М. В. Савельева Редакционно-издательский отдел СибГУ им. М. Ф. Решетнева. 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail : [email protected]. Тел. (391) 201-50-99.

Уважаемые коллеги! Приветствуем вас на XXI Международной научно-практической конференции «Решетневские чтения»! В XXI веке освоение и использование околоземного пространства стало одним из ключевых факторов, определяющих благополучие государства и высокий уровень жизни его граждан. В настоящее время в России продолжается реформирование военно-промышленного комплекса, действуют федеральные программы по развитию национальной орбитальной группировки космических аппаратов навигации и связи. Освоение околоземного пространства и далеких планет невозможно без развития науки. Именно поэтому в Сибирском государственном университете науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева вновь начинает свою работу Международная научно-практическая конференция «Решетневские чтения», посвященная памяти выдающегося ученого и конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева. Михаил Федорович Решетнев – ярчайший представитель той плеяды ученых и организаторов производства, которых в нашей стране принято называть первопроходцами космических трасс. М. Ф. Решетнев остался в нашей памяти как величайший ученый современности, как человек, внесший неоценимый вклад в развитие общества. Он был талантливейшим организатором, автором множества работ и открытий в области спутниковых коммуникаций, признанным мировым авторитетом. На конференции студенты профильных направлений, специалистыпрактики, представители базовых предприятий и научного сообщества могут обменяться опытом, обсудить перспективы дальнейшей работы, начать совместные проекты. За 21 год проведения конференция стала основой для интеграции образования, науки и производства, что способствует развитию науки и техники в современном мире. В этом году впервые будет организована работа секций конференции «Электронная компонентная база космических систем» и «Эффективность функционирования сложных систем». Конференция проводится ежегодно. Дата проведения конференции приурочена ко дню рождения академика М. Ф. Решетнева – 10 ноября. Уважаемые участники! Желаем вам успешных выступлений, плодотворных дискуссий и новых научных открытий! И. о. ректора Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Д. Н. Деревянных

Генеральный директор АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Н. А. Тестоедов

Генеральный директор АО «Красмаш» В. А. Колмыков

Секция

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТЫ»

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 621.29.03 ВЕРИФИКАЦИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ КРИОЭКРАНА ТЕЛЕСКОПА КОСМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ «МИЛЛИМЕТРОН» ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЖЕСТКОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ СТВОРКИ П. О. Агеев, В. В. Скрябин АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Конечно-элементные модели (КЭМ), созданные на ранних этапах проектирования космического аппарата (КА), после испытаний требуют их уточнения. Приведен пример верификации КЭМ криоэкрана обсерватории «Миллиметрон». Ключевые слова: обсерватория «Миллимитрон», КЭМ, криоэкран, жесткостные испытания, модальный анализ. VERIFICATION OF THE FINITE-ELEMENT MODEL OF TELESCOPE CRYO-SCREEN OF THE SPACE OBSERVATORY “MILLIMETRON” BY THE RESULTS OF THE FLAP HARDNESS TESTS P. O. Ageev, V. V. Skryabin JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] Finite-element models (FEM) are generated at the early stages of the spacecraft designing, the models need their specification after the tests. This article gives an example of the verification of the FEM cryo-screen of space observatory “Millimetron”. Keywords: Observatory “Millimetron”, FEM, cryo-screen, hardness tests, modal analysis. Космический телескоп (КТ) предназначен для исследования объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн с ультравысокой чувствительностью и со сверхвысоким угловым разрешением. Рабочий диапазон длин волн в режиме однозеркального телескопа 0,02–0,8 мм; в режиме интерферометра космос-земля 0,3–17мм. Криоэкран входит в состав системы активного охлаждения. Его задачей является минимизация теплопритоков от теплозащитных экранов к зеркальной системе телескопа и приборам приемного комплекса, расположенным в охлаждаемом контейнере. Задаваемая величина рабочей температуры криоэкрана равна 20 К [1]. Конструктивно криоэкран (рис. 1) состоит из двадцати четырех радиально расположенных створок, каждая из которых представляет собой многослойную конструкцию, которая включает в себя: две обшивки и сотовый заполнитель. Общий вид створки криоэкрана представлен на рис. 2. Створки между собой соединены металлизированной полиимидной пленкой. При срабатывании системы раскрытия криоэкрана происходит поворот панелей, при котором они занимают рабочее положение. Створка моделировалась при помощи конечноэлементной (КЭ) многослойной оболочки типа LAMINATE. Сечение переменное от 10 мм до 60 мм, сверху вниз соответственно [2].

Рис. 1. Створка криоэкрана

Рис. 2. Криоэкран в рабочем положении

Общий вид КЭМ криоэкрана в рабочем положении показан на рис. 3. Общий вид КЭМ створки криоэкрана показан на рис. 4. КЭ MEMBRANE (пленка)

КЭ BEAM (Система раскрытия)

Рис. 3. КЭМ криоэкрана в рабочем положении

5

Решетневские чтения. 2017 Таблица 1 Сравнение результатов испытаний и результатов расчета № измеряемой точки Р5 Р8 Р11

Нагружение в сторону алюминиевой обшивки 1 13,2 54,2 128,6

Максимальные перемещения, мм Расчетные Нагружение перемещения в сторону фольги Δ1–2 % по КЭМ 2 3 12,9 2,3 16,7 53,4 1,5 61,8 127,8 0,6 140,8

КЭ LAMINATE (створки) Обшивка В95 Сот. зап. АМг2-Н-3,5-20П Обшивка В95 Фольга АД1

Среднее значение перемещений при испытаниях 4 13,1 53,8 128,2

Δ3–4 % 21 13 9

Вычисление собственных форм и частот конструкции необходимо в различных видах динамического анализа при решении задач методом разложения отклика по собственным формам.

P

Таблица 2 Результаты расчета верифицированной модели

№ измеряемой точки

Узлы крепления КЭМ

Рис. 4. КЭМ створки криоэкрана

Р5 Р8

Определение жесткостных характеристик створки криоэкрана проводилось на этапе КДИ. Производилось поэтапное нагружение створки силой Р, сначала в сторону алюминиевой обшивки, затем в сторону фольги. На каждом этапе нагружения измерялось положение створки по индикаторам перемещений и контрольным маркам. По результатам измерений при жесткостных испытаниях проведен пересчет перемещений с учетом жесткости оснастки (табл. 1). Расчетные значения перемещений превышают опытные значения на 8,5–21 %. Жесткость створки при испытаниях оказалась выше расчетной. Полученные при испытаниях значения перемещений позволяют внести изменения в КЭМ створки криоэкрана. Жесткость створки можно изменить за счет изменения модуля упругости обшивок. Первоначальный модуль упругости обшивки B95 составляет E = 71 ГПа. Изменяем его на Е = 84 ГПа. Проведем расчет перемещений верифицированной модели (табл. 2) [3]. Новые расчетные значения перемещений находятся или в пределах диапазона перемещений, полученных при испытаниях, или отличаются не более чем на 6 %. Верифицированная КЭМ створки может быть использована для корректировки модели криоэкрана и дальнейших расчетов. Для обеспечения нормального функционирования криоэкрана в рабочем положении в составе космической обсерватории частота собственных колебаний конструкции криоэкрана должна быть не менее 0,12 Гц.

Р11

Максимальные перемещения, мм Расчетные Среднее значение перемещения перемещений при верифицироΔ1–2 % испытаниях ванной КЭМ 1 2 13,1 14 6 53,8 53,4 0,7 128,2

122,2

4,5

Проведенный модальный анализ криоэкрана в рабочем положении показал, что первая частота собственных колебаний криоэкрана в рабочем положении составляет 1,19 Гц. Конструкция криоэкрана в рабочем положении требованиям по жесткости удовлетворяет (0,12 Гц). Библиографические ссылки 1. Астрономический центр ФИАН Миллиметрон [Электронный ресурс]. URL: http://millimetron.ru/ (дата обращения: 25.08.2017). 2. Рудаков К. Н. FEMAP 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. Киев : КПИ, 2011. 317 с. 3. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М. : Стройиздат, 1982. 447 с. References 1. Astro Space Center Millimetron. Available at: http://millimetron.ru/ (accessed: 05.08.2017). (In Russ.) 2. Rudakov K. N. FEMAP 10.2.0. Geometricheskoe i konechno-elementnoe modelirovanie konstrukciy. K. : KPI, 2011. P. 317. (In Russ.) 3. Bate K., Wilson E. Chislennie metodi analiza i metod konechnikh elementov. M. : Stroyizdat, 1982. P. 447. (In Russ.) © Агеев П. О., Скрябин В. В., 2017

6

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 621.396.677.55 ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА СБОРКИ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ВВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ Я. Ю. Бакулин, С. В. Землянская, В. В. Землянский АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Рассмотрены варианты внедрения элементов автоматизации в процесс сборки антенно-фидерных устройств, непосредственно влияющие на получаемые электрические параметры. Ключевые слова: спиральная антенна, фидер, антенна. INCREASING STABILITY TO THE ASSEMBLY PROCESS OF ANTENNA-FIDER DEVICES BY INTRODUCING AUTOMATION ELEMENTS Ya. Y. Bakulin, S. V. Zemlyanskaya, V. V. Zemlyansky JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] The article scrutinizes introduction options of automation elements into the process of assembling antenna-feeder devices directly affecting the electric parameters. Keywords: spiral antenna, feeder, antenna. Обмен информацией между космическими аппаратами (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), метеорологического, военного, исследовательского назначения или другими КА и Землей является одной из главных задач. Антенно-фидерные устройства (АФУ) входят в линию связи как активный элемент, параметры которого, безусловно, сказываются на передаваемом сообщении. От характеристик антенны зависит не только дальность действия линии связи «КА – Земля», и наоборот, но и такие весьма важные характеристики линии связи, как быстрота передачи информации и её достоверность. Для примера приведём такую характеристику антенн, как ширина полосы рабочих частот. Без применения АФУ на КА невозможно было бы осуществлять полёты с благополучной посадкой в заданном районе в условиях плохой видимости, невозможно было бы успешно исследовать космическое пространство и т. д. АФУ, образно говоря, выполняют роль «глаз и ушей» тех КА, на которых они установлены [1] В настоящее время на КА применяются различные виды антенн. Одни из широко применимых – так называемые спиральные антенны. Спиральные антенны активно используются в качестве бортовых АФУ КА благодаря тому, что обладают подходящей ДН для различных требований, возможностью выбора конструктива при проектировании и т. д. Спиральные антенны представляют собой спираль из излучателей. Основными проблемами при изготовлении спиральных антенн являются: 1) длительный цикл изготовления; 2) наличие пустот после приклейки проводника (так называемых «хлопунов»); 3) сложности

разметки трубы и раскроя лент (особенно в случаях мультирадиусных труб с эксоненциальным шагом, как на рис. 1). Для решения этих задач потребовался ряд конструкторско-технологических решений.

Рис. 1. Приклейка проводника на трубу с переменным радиусом

После приклейки лент на трубу и проведения термоциклирований происходило образование «хлопунов». Причины их возникновения: концентрирование газов из клея в результате полимеризации и термоциклирований, а также перераспределение напряжений, возникающих при намотке лент. По результатам радиотехнических испытаний «хлопуны» не оказывали отрицательного воздействия на параметры антенн, однако портили внешний вид, тем самым снижая коммерческую привлекательность продукции предприятия. Решением данной проблемы стало применение гофр на лентах (рис. 2). 7

Решетневские чтения. 2017

Для автоматизации процесса гофрирования проводника разработана и изготовлена установка, способная гарантировать однородность гофр (рис. 3). До внедрения автоматизированной установки для гофрирования ее функции выполняются вручную слесарем. Ручное гофрирование имеет ряд недостатков: сложность обеспечения однородности гофр и затраты времени. После внедрения установка решит поставленные задачи.

ляет вести автоматическую намотку с переменным, так называемым, экспонентным шагом. В настоящее время установка для автоматической намотки введена в эксплуатацию, что позволило существенно сократить производственный цикл изготовления спиральных антенн. Установка для автоматического гофрирования лент ожидает внедрения в ближайшем будущем. Ряд конструкторско-технологических решений от гофрирования лент до внедрения автоматизированных установок позволили повысить коммерческую привлекательность продукции, а также существенно сократить сроки изготовления спиральных антенн.

Рис. 2. Гофрированный проводник

Рис. 4. Установка для автоматической намотки

Библиографическая ссылка 1. Соколов А. Г., Гвамичава А. С. Решения инженерных конструкций космических радиотелескопов // Антенны / под ред. А. А. Пистолькорса. М. : Радио и связь, 1981. Вып. 29. С. 2–10.

Рис. 3. Установка для автоматизированного гофрирования лент

Для решения задач по разметке и автоматизированной намотки лент на трубы была спроектирована и изготовлена установка для автоматической намотки (рис. 4). Установка состоит из направляющей рамы, позволяющей вести работы с трубами длиною до 5 м, оснастки для крепления труб и центровки, элементов для проведения разметки, а также электродвигателя, подключенного к ПК. ПО, установленное на ПК, позво-

Reference 1. Sokolov A. G., Gvamichava A. S. Solutions of the engineering constructions of space radio telescopes // Antennas / Ed. A. A. Pistolkors. M. : Radio and Communication, 1981. Iss. 29. C. 2–10. © Бакулин Я. Ю., Землянская С. В., Землянский В. В., 2017

8

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.783 МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В. С. Богданова, Д. А. Замятин, В. В. Кольга Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Рассматриваются различные факторы космического пространства, воздействующие на космический аппарат во время его работы на орбите, и некоторые методы защиты бортовой аппаратуры КА от них. Ключевые слова: космический аппарат, факторы космического пространства, космический мусор, защита, орбита, Земля. SPACECRAFT PROTECTION METHODS FROM EXTERNAL INFLUENCES V. S. Bogdanova, D. A. Zamyatin, V. V. Kolga Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] This article discusses various factors of outer space affecting the spacecraft during its operation in orbit, and some methods to protect onboard equipment from them. Keywords: spacecraft, space factors, space debris, protection, orbit, Earth. металлических пластин толщиной обычно около 0,3–0,5 мм, вызывающих разрушение потенциально опасных объектов на более мелкие осколки до момента столкновения непосредственно с корпусом КА [3]. Для предотвращения перегрева КА на его поверхность наносят специальные терморегулирующие покрытия (ТРП). В космосе теплообмен между телами происходит путем излучения. Процессы поглощения и рассеяния тепла поверхностью КА характеризуются, соответственно, коэффициентом поглощения солнечного излучения αs и степенью черноты поверхности ε. Для эффективного отвода избыточного тепла с поверхности КА необходимы ТРП, имеющие αs ~0,1–0,3 и ε ~ 0,8–0,9. Этим требованиям удовлетворяют, в частности, белые эмали, состоящие из полимерного или керамического связующего и пигмента – окислов металлов (ZnO, TiO2, SrO2 и др.), вводимых в связующее в виде порошков с размерами частиц ~0,1–1 мкм. Под действием космического ионизирующего излучения белые ТРП окрашиваются, вследствие чего увеличивается коэффициент αs. При этом степень черноты поверхности ε изменяется незначительно [4]. В результате воздействия широкого спектра факторов космического пространства происходит накопление электрического заряда на поверхности корпуса КА. Вследствие бомбардировки его заряженными частицами, особенностей конструкции и применения материалов с различными электрофизическими свойствами на поверхности КА в процессе перезарядки возникает дифференциальный заряд. В результате разности потенциалов поверхности, а также в местах попадания в КА твёрдых заряженных микрочастиц возможно возникновение электростатических разря-

Обеспечение защиты космического аппарата от внешних воздействий – одна из важнейших задач проектирования ракетно-космических систем. Корпус КА должен эффективно защищать размещённое внутри оборудование от разного рода внешних воздействий, быть технологичным в производстве и иметь как можно меньшую массу. Для низкоорбитальных КА задача проектирования корпусов и защитных экранов особенно актуальна ввиду сосредоточения на низких орбитах большого количества космического мусора [1]. Процесс эксплуатации космического аппарата включает в себя следующие этапы: наземной эксплуатации, выведения на орбиту, орбитального полета – с различными для каждого из них условиями (факторами) окружающей среды. К факторам космического пространства, воздействующим на КА, относятся невесомость, вакуум, электромагнитное и корпускулярное излучения, метеорное вещество [2]. Присутствие в приземном слое (протяженностью от 300 до 2000 километров) большого количества космического мусора различных размеров, образовавшегося в процессе разрушения спутников, верхних ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и других аппаратов и устройств, представляет серьезную угрозу безопасности автоматических и пилотируемых космических объектов. Угрозу представляют также и метеорные частицы естественного происхождения, приходящие из дальнего космоса. Значительное время полета космических аппаратов повышает для них вероятность столкновения с осколками. Для защиты от механических повреждений при столкновении КА с космическим мусором используются специальные экраны, состоящие из нескольких 9

Решетневские чтения. 2017

тественных осколков. Эксперимент и численное моделирование // Вестник Томского гос. ун-та. Математика и механика / Томский гос. ун-т. Томск, 2011. 4. Новиков Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов : учеб. пособие. М. : Университетская книга, 2010. 192 с. 5. Моделирование распределения электромагнитного поля при электростатическом разряде на поверхности космического аппарата / Н. Д. Сёмкин, В. Л. Балакин, В. В. Брагин // Вестник СГАУ. 2012. № 2. С. 112–119.

дов (ЭСР), что приводит к возникновению паразитного электромагнитного поля (ЭМП), которое вносит помехи в работу бортовой аппаратуры (БА). По оценке экспертов, до 50 % сбоев в функционировании и отказов БА вызваны поражающим действием электризации. Определение мест возможного возникновения ЭСР основывается на анализе картин распределения потенциалов на поверхности модели КА. При таком анализе выявляются области наибольших градиентов потенциалов. Используя численные значения потенциалов в разных узлах расчётной сетки и данные о размерах сетки, с высокой точностью рассчитываются значения градиентов потенциала. Анализ совокупности этих расчётных данных показывает, что возникновение ЭСР возможно: на остроугольных элементах; на элементах с градиентом потенциала, равным или превышающим пороговое значение ЭСР; на любом элементе поверхности КА в результате попадания твёрдой заряженной частицы [5]. Минимизация воздействия ЭСР на бортовую аппаратуру КА достигается путём установки в выявленные места элементов конструкции, понижающих значения градиента потенциала.

References 1. Bogdanova V. S., Zamyatin D. A. Design of the protective screen for low-orbital information support spacecraft // XLI Academic readings on cosmonautics, dedicated to the memory of academician S. P. Korolev and other outstanding domestic scientists–pioneers of space exploration : book of abstracts. M. : MGTU im. N. E. Bauman, 2017. 565 p. 2. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Fundamentals of spacecraft design information support : study guide / Siberian State Aerospace University. Krasnoyarsk, 2011. 488 p. 3. Gerasimov A. V., Pashkov S. V., Khristenko Y. F. Protecting spacecraft from manmade and natural debris. Experiment and numerical simulation // Vestnik of the Tomsk state University. Mathematics and mechanics / Tomsk state University. Tomsk, 2011. 4. Novikov L. S. Radiation effects on materials of space vehicles : study guide. M. : University book, 2010. 192 p. 5. Modeling distribution of electromagnetic fields due to electrostatic discharge on spacecraft surface / N. D. Semkin, V. L. Balakin, V. V. Bragin // Vestnik SGAU. 2012. № 2. P. 112–119.

Библиографические ссылки 1. Богданова В. С., Замятин Д. А. Проектирование защитного экрана для низкоорбитального космического аппарата информационного обеспечения // XLI Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С. П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства : сб. тез. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. 565 с. 2. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с. 3. Герасимов А. В., Пашков С. В., Христенко Ю. Ф. Защита космических аппаратов от техногенных и ес-

© Богданова В. С., Замятин Д. А., Кольга В. В., 2017

10

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.764.7 ОБЗОР РАЗГОННЫХ БЛОКОВ, СОВМЕСТИМЫХ С СЕМЕЙСТВОМ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ «АНГАРА» В. С. Богданова, Д. А. Замятин, С. В. Степанова, В. В. Кольга Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Рассмотрены краткое описание и технические характеристики современных российских разгонных блоков, совместимых с семейством ракет-носителей «Ангара». Ключевые слова: ракета-носитель, разгонный блок, технические характеристики, орбита, жидкостный ракетный двигатель. OVERVIEW OF THE UPPER STAGES COMPATIBLE WITH “ANGARA” CARRIER ROCKET FAMILY V. S. Bogdanova, D. A. Zamyatin, S. V. Stepanova, V. V. Kolga Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] This article presents a short description and technical characteristics of modern Russian upper stages compatible with carrier rocket family “Angara”. Keywords: carrier rocket, upper stage, technical characteristics, orbit, liquid-propellant rocket engine. При реализации проекта орбитальной компьютерной сети одной из ключевых задач является предварительный выбор ракеты-носителя, удовлетворяющей требованиям к выводу на целевую орбиту тяжёлого космического аппарата, представляющего собой спутник связи с небольшим центром хранения и обработки данных (ЦОД) на борту. В ходе обзора актуальных российских ракет-носителей для данной задачи были выбраны ракеты «Ангара-А5» и «Ангара-А7», а также выявлена необходимость использования разгонных блоков (РБ). В работе проведен анализ возможностей разгонных блоков для доставки на орбиту модулей орбитальной компьютерной сети и их совместимость с данными ракетами-носителями (см. таблицу) [1]. В основу семейства носителей «Ангара» положен универсальный ракетный модуль (УРМ). В его состав входит блок баков окислителя, горючего и двигатель РД-191. Модуль выполнен по схеме «моноблок» с несущими баками. Однокамерный двигатель РД-191, создаваемый в НПО «Энергомаш», работает на компонентах керосин/жидкий кислород. Этот двигатель является вариантом четырехкамерных двигателей РД-170 и РД-171, устанавливавшихся на первых ступенях PH «Энергия» и PH «Зенит-2» соответственно, и двухкамерного двигателя РД-180, созданного для PH «Атлас». Его тяга у земли 1923 кН, в пустоте – 2086 кН, удельный импульс тяги на Земле – 3048 Н*с/кг, в пустоте –3306 Н*с/кг. Для обеспечения управления ракетойносителем в полете двигатель закрепляется в карданном подвесе [2].

Масса заправки одного универсального ракетного модуля до 127 т, сухая масса – 8,0 т. Длина УРМ составляет 23 м, диаметр – 2,9 м. В зависимости от конкретных задач на носителях «Ангара» среднего и тяжелого классов предусмотрено использование дополнительных ступеней: – разгонного блока от PH Протон-М – Бриз-М; – кислородно-водородного разгонного блока КВРБ; – универсальный кислородно-водородный блок УКВБ; – кислородно-водородного разгонного блока тяжёлого класса КВТК. «Бриз-М». Разгонный блок, состоящий из центрального блока на базе РБ «Бриз-КМ» и окружающего его сбрасываемого дополнительного топливного бака тороидальной формы. Использует топливную пару «несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и азотный тетраоксид» (АТ). Имеет начальную массу 22500 кг и допускает до восьми включений маршевого двигателя. Максимальное время автономного полета составляет более 24 часов. Двигательные установки РБ Бриз-М: ЖРД 14Д30 (1 шт.), 2,0 тс (маршевый); ЖРД 11Д458 (4 шт.) по 40 кгс (двигатели коррекции); 17Д58Э (12 шт.) по 1,36 кгс (двигатели ориентации и стабилизации). «КВРБ». Представляет собой одноступенчатый ускоритель стартовой массой 22000 кг, предназначенный для запусков различных космических аппаратов. Конструкция «КВРБ» позволяет выполнять многочасовой полет в условиях космического пространства и осуществлять многократное включение маршевого двигателя в процессе полета. 11

Решетневские чтения. 2017 Сравнение характеристик рассматриваемых разгонных блоков Разгонный блок Стартовая масса, кг Масса ПН (для ГПО), кг Масса ПН (для ГСО), кг Топливная пара Совместимые РН

Бриз-М 22500 5400 2800 НДМГ + АТ

КВРБ 22000 13300 8000 H2 + O2 Протон-М Ангара-А5 Ангара-А7

Протон-М Ангара-А5

На блоке «КВРБ» установлен двигатель КВД1МЗ тягой в пустоте 103 кН и удельным импульсом тяги в пустоте 4611 Н*с/кг. «УКВБ». Представляет собой ступень ракетыносителя, оснащенную четырьмя двигателями типа КВД1МЗ, но с однократным запуском в полете. Длительность функционирования УКВБ в самостоятельном полете составляет приблизительно 12 мин. УКВБ, как и КВРБ, спроектированы таким образом, чтобы с минимальными доработками могли быть использованы как в составе носителя «Протон-М», так и в «Ангаре» сверхтяжелого класса. Стартовая масса РБ УКВБ составляет до 51500 кг [3]. «КВТК». Конструктивно КВТК включает несущий бак горючего (жидкого водорода), подвесной бак окислителя (жидкого кислорода), межбаковый и приборный отсеки изогридной конструкции, изготовленные из углепластика. Разгонный блок КВТК устанавливается на ракетеносителе посредством нижней проставки, которая остается на РН при его отделении. Баки разгонного блока покрыты теплоизоляцией на основе пенопласта «изолан» и многослойной экранно-вакуумной изоляцией, что позволяет выполнять длительный (до девяти часов) полет в условиях космического пространства и осуществлять многократное (до пяти раз) включение маршевого двигателя. В качестве маршевого двигателя на РБ КВТК применен ЖРД РД0146Д с тягой 7,5 т и удельным импульсом тяги 470 с, превосходящий по своим параметрам мировой уровень. Проектно-конструкторский задел и производственная кооперация, сложившаяся в процессе создания РБ КВТК, позволяет разработать на его основе систему криогенных РБ, имеющих высокую степень унификации конструкции, двигательной установки и бортового оборудования, за счет чего обеспечивается снижение технических рисков, сроков и стоимости, разработки российских средств выведения, используемых для запуска полезной нагрузки на высокоэнергетические орбиты и поддержание их транспортной эффективности в долгосрочной перспективе [4]. Таким образом, наиболее привлекательным вариантом выглядят разгонные блоки КВТК и КВРБ, так как они имеют наилучшее соотношение стартовой массы и массы полезной нагрузки среди совместимых как с РН «Ангара-А5» тяжёлого класса, так и «Ангара-А7» сверхтяжёлого класса, что позволяет беспрепятственно выводить на целевые орбиты тяжёлые космические аппараты, необходимые для выполнения задач проекта орбитальной компьютерной сети [5].

УКВБ 51500 12000 10000 H2 + O2 Протон-М Ангара-А5 Ангара-А7

КВТК 24000 – 32000 7500 – 12500 4600 – 7600 H2 + O2 Ангара-А5 Ангара-А7

Библиографические ссылки 1. Степанова С. В., Замятин Д. А. Анализ потенциала ракет-носителей при выводе их на орбиту // Политехнический молодежный журнал. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана 2017 [Электронный ресурс]. URL: http://ptsj.ru/catalog/arse/adbmc/121.html (дата обращения: 01.09.2017). 2. Ракета-носитель «Ангара» Описание: russ_kosmos [Электронный ресурс]. URL: http://russ-kosmos. livejournal.com/728.html/ (дата обращения: 01.09.2017). 3. Ракета-носитель АНГАРА [Электронный ресурс] URL: http://militaryarticle.ru/raketnoe-i-bombovoevooruzhenie/20432-raketa-nositel-angara / (дата обращения: 01.09.2017). 4. ГКНПЦ имени М. В. Хруничева | «КВТК» [Электронный ресурс]. URL: http://www.khrunichev.ru/ main.php?id=52 (дата обращения: 01.09.2017). 5. Степанова С. В., Замятин Д. А., Кольга В. В. Анализ ракет-носителей для доставки на орбиту тяжёлых космических платформ информационного обеспечения // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы III Междунар. науч. конф. (10–14 апреля 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2017. References 1. Stepanova S. V., Zamyatin. D. A. Analysis of the potential of carrier rockets in the shipping of their orbit // Polytechnic youth magazine. M. : MGTU n. a. N. E. Bauman 2017/ Available at: http://ptsj.ru/catalog/arse/adbmc/ 121.html/ (accessed: 01.09.2017). (In Russ.) 2. Raketa-nositel’ “Angara” Opisanie: russ_kosmos/ Available at: http://russ-kosmos. livejournal.com/728. html (accessed: 01.09.2017). (In Russ.) 3. Raketa-nositel’ ANGARA Available at: http://militaryarticle.ru/raketnoe-i-bombovoe-vooruzhenie/20432raketa-nositel-angara (accessed: 01.09.2017). (In Russ.) 4. GKNPC imeni M. V. Hrunicheva / KVTK/ Available at: http://www.khrunichev.ru/ main.php?id=52 (accessed: 01.09.2017). (In Russ.) 5. Zamyatin D. A., Stepanova S. V., Kolga V. V. Analysis of carrier rockets for transporting information support heavy space platforms into orbit // Aktual’nye problemy aviacii i kosmonavtiki : materialy III Mezhdunar. nauch. konf. (10–14 aprelya 2017, g. Krasnoyarsk) : v 2 ch. / pod obshch. red. Yu. Yu. Loginova ; Sib. gos. aehrokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2017. © Богданова В. С., Замятин Д. А., Степанова С. В., Кольга В. В., 2017

12

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 539.3 О ПОДХОДЕ К РЕШЕНИЮ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АНИЗОГРИДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Т. В. Бурнышева, О. А. Штейнбрехер Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета Российская Федерация, 654041, г. Новокузнецк, ул. Циолковского, 23 E-mail: [email protected] Представлен подход к решению обратных задач, возникающих на этапах проектирования и диагностики сетчатых анизогридных оболочек. При решении используется дискретное моделирование конструкции и методология вычислительного эксперимента. Ключевые слова: анизогридные конструкции, вычислительный эксперимент, дискретное моделирование. APPROACH TO THE DECISION OF THE INVERSE PROBLEMS WHILE DESIGNING ANISOGRID CONSTRUCTIONS T. V. Burnysheva, O. A. Shteinbreher Novokuznetsk branch of the Kemerovo State University 23, Tsiolkovsky Str., Novokuznetsk, 654041, Russian Federation E-mail: [email protected] The research presents an approach to solve inverse problems arising during the design and diagnostics of mesh anisogrid shells. The solution uses discrete modeling and design methodology of computational experiment. Keywords: anizogrid construction, numerical experiment, discrete modeling. Сетчатые анизогридные композиционные оболочки относятся к силовым конструкциям, набор структурных элементов которых должен обеспечивать прочность и жесткость оболочки под действующими нагрузками [1]. Особенностью данных конструкций является система пересекающихся спиральных и кольцевых ребер. Оболочка может иметь обшивку, вымотка которой согласно технологии производства композитов осуществляется одновременно с реберной структурой, в результате получают монолитную конструкцию. Различают сетчатые анизогридные композиционные оболочки регулярной и нерегулярной структуры. Использование сетчатых оболочек в качестве элементов корпусных конструкций космических летательных аппаратов требует наличия в них вырезов различного назначения и местных усилений для восприятия сосредоточенных нагрузок. Такие особенности нарушают регулярность структуры сетчатой оболочки и приводят к нарушению равно напряженности рёбер, что представляет собой дополнительную сложность при проектировании. Определение напряженно-деформированного состояния сетчатой оболочки нерегулярной структуры под действием нагрузки является предметом прямой задачи. Для её решения задаются: область, в которой процесс изучается; уравнения, описывающие данный процесс; начальные условия (если процесс нестационарный); условия на границе исследуемой области.

В обратной задаче помимо физических полей или процессов неизвестны какие-либо функции, входящие в прямую задачу. Эти неизвестные определяют решение. Для их вычисления к заданным уравнениям добавляется дополнительная информация о решении прямой задачи (данные обратной задачи). В работе рассматриваются основные постановки обратных задач, решаемые на разных этапах проектирования и диагностики сетчатых оболочек: задача рационального проектирования анизогридных конструкций, задача минимизации конструкции по массе, задача идентификации фактических параметров прочности и жесткости конструкции и идентификация параметров нагружения [2]. Формально математическая модель исследуемой сетчатой оболочечной конструкции представляется как модель «черного ящика» [3], в которой внутреннее строение моделируемого объекта не раскрывается, констатируются причины той или иной реакции объекта на приложенные воздействия. Задача рационального проектирования конструкции заключается в определении значений структурных параметров модели, которые удовлетворяют изначально заданным ограничениям, без условия минимума критерия оптимизации. Для сетчатых оболочек в качестве ограничений структурных параметров рассматривают габариты конструкции (её радиус и высота), заданное число спиральных и/или кольцевых ребер и т. д., а также ограничения по прочности, жесткости и устойчивости. 13

Решетневские чтения. 2017

Ввод начальных значений структурных параметров модели ρ0

Определение параметров варьирование ρ

Формирование план-матрицы вычислительного эксперимента P′

Определение вида базисных функций Li(ρ) в аппроксимации Ζ

Формирование аппроксимирующей функции Ζ , базисных функций Li(ρ)

Подстановка новых значений параметров варьирования ρ в базисные функции Li(ρ)

Изменение значений параметров варьирования ρ

Расчет значений аппроксимирующей функции Ζ

Проверка ограничений F (Ω) ≥ 0, Ф(Z) ≥ 0

Вычисления закончены Принципиальная блок-схема алгоритма определения структурных параметров модели с построением функции аппроксимации откликов

вычислительного эксперимента, реализация плана вычислительного эксперимента, построение и проверка адекватности аппроксимирующей модели отклика, оценка значимости коэффициентов аппроксимации. Дополнительно добавляется этап решения поставленной задачи моделирования. Построение моделей анизогридных конструкций осуществляется с помощью дискретного подхода, который позволяет получить более достоверные результаты [5]. Формально в рамках приведенных постановок задач найденное решение может быть единственным, но на практике отыскивается область близких решений, из которых с учетом чувствительности модели к вариации оцениваемых факторов, а также априорных данных, полученных независимо другими методами, выбирается окончательный вариант.

Блок-схема алгоритма определения структурных параметров модели с построением функции аппроксимации откликов представлена на рисунке. На ранних стадиях проектирования проводится оптимизация конструкции по массе, которую можно сформулировать так: найти значения структурных параметров, обеспечивающих минимум критерия качества (массы конструкции) при условии, что параметры состояния удовлетворяют системе заданных ограничений. Рассматривают ограничения по прочности, жесткости и устойчивости, а в отдельных случаях используются дополнительные условия. Обозначенные задачи применительно к классу сетчатых конструкций решаются с помощью методологии вычислительного эксперимента [4]. Технология вычислительного эксперимента для параметрического исследования полей напряжений и деформаций в сетчатых оболочках складывается из следующих этапов: кодирование факторов, составление план-матрицы 14

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Библиографические ссылки

References

1. Анизогридные композитные сетчатые конструкции – разработка и приложения к космической технике / В. В. Васильев и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38–50. 2. Каледин В. О., Бурнышева Т. В., Штейнбрехер О. А. Применение математического моделирования в проектировании анизогридных сетчатых силовых конструкций нерегулярной структуры // Информационные технологии и нанотехнологии : сб. трудов III Междунар. конф. и молодежной школы (ИТНТ-2017) (25–27 апреля 2017, г. Самара). Самара : Новая техника, 2017. С. 1051–1058. 3. Казначеева О. К., Каледин В. О. Идентификация параметров упругости и жесткости конструкций из армированных материалов. Новочеркасск : ЛИК, 2012. 135 с. 4. Бурнышева Т. В. Применение методологии вычислительного эксперимента в задачах проектирования и диагностики анизогридных конструкций космических летательных аппаратов // Науч.-техн. вестник Поволжья. 2014. № 6. С. 98–102. 5. Бурнышева Т. В., Каледин В. О. Сравнение дискретного и континуального подхода к расчету напряженного состояния сетчатых оболочечных конструкций при статическом нагружении // Науч.-техн. вестник Поволжья. 2011. № 4. С. 113–116.

1. Khalimanovich [Anizogrid composite mesh design – development and application of space technology] / V. V. Vasil’ev et al. // Composites and Nanostructures. 2009. № 3. P. 38–50. 2. Kaledin V. O., Burnysheva T. V., Shteinbreher O. A. [Application of mathematical modeling in the design of anisogrid power mesh structures of irregular structure] // Sbornik trudov III mezhdunarodnoy konferentsii i molodezhnoy shkoly “Informatsionnye tekhnologii i nanotekhnologii” [Collection of proceedings of the III International Conference and the Youth School “Information Technologies and Nanotechnologies”]. Samara, 2017. P. 1051–1058. 3. Kaznacheyeva O. K., Kaledin V. O. [Identifying parameters of elasticity and stiffness of the structure made from reinforced materials]. Novocherkassk : LIK Publ., 2012. 135 p. 4. Burnysheva T. V. [Application of the methodology of computing experiment in the task of projection and diagnosis of anisogrid structures of spacecraft] // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya. 2014. № 6. P. 98–102. 5. Burnysheva T. V., Kaledin V. O. [Comparison of discrete and continual approach to calculation of a stressed state of network capsulate designs at a static loading] // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya, 2011. № 4. P. 113–116. © Бурнышева Т. В., Штейнбрехер О. А., 2017

15

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.78.018 ПРИМЕНЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПРОКРУТОЧНОГО РАБОЧЕГО МЕСТА ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ КА ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ Е. B. Голубь, А. С. Поздняков, Р. Н. Новицкий, В. В. Двирный АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Рассмотрены проблемы проведения высокочастотных испытаний КА нестандартного конструктива и предложено решение посредством применения специального многофункционального технологического оборудования. Ключевые слова: сборка КА, универсальное рабочее место, высокочастотные испытания. APPLYING UNIVERSAL WORKSTATION ASSEMBLY OF SPACECRAFT FOR HIGH-FREQUENCY TEST E. V. Golub, A. S. Pozdnyakov, R. N. Novitsky, V. V. Dvirniy JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] This article discusses the problems of using a multi-level building berth for the high-frequency test and the ability to produce a universal workstation for high-frequency test. Keywords: assemble of spacecraft, universal workplace, high-frequency test. Особенностью нового аппарата системы «Глонасс-КК-В» является нестандартное расположение антенн целевого назначения – астроплата с антеннами размещена вдоль оси OY по длине всего корпуса КА, что ставит под собой изменение традиционных компоновочных схем и методов изготовления КА в целом [2]. В настоящей конструкции отсутствует традиционное для АО «ИСС» конструктивное деление КА на модуль служебных систем (МСС) и модуль полезной нагрузки МПН, что предполагает сборку 2-х функциональных частей КА с последующей их интеграцией. КА представляет собой параллелепипед из сотовых панелей с размещенными на них приборами. Длина корпуса и некоторых цельных панелей достигает 5500 мм, тем самым делая конструктив космического аппарата нестандартным, не соответствующим традиционному модульному принципу, что требует новых подходов и методик к сборке по установке приборов в полости корпуса, сборки КА. В связи с вышеперечисленным, встала необходимость создания универсального рабочего места (УРМ), которое позволяло бы проводить сборку КА с возможностью, прокрутки КА вокруг своей оси, учитывая индивидуальные особенности конструкции. Был проведен выбор схем кинематических схем для обеспечения прокручивания изделия в составе УРМ (рис. 2) [3–4]. В связи с нестандартным расположением астроплаты и относительно малыми габаритами зала безэховой камеры (БЭК), возникает проблема размещения КА для высокочастотных испытаний [2].

Сложность космических аппаратов, высокие требования к надежности приводят к большому объему испытательных работ при производстве КА и в период технологической подготовки производства [1]. Одним из важнейших этапов изготовления является окончательная сборка КА и высокочастотные испытания (ВЧИ) (рис. 1).

Рис. 1. Схема сборки с КА

В связи с увеличением функциональных качеств целевой задачи КА стоит необходимость принятия конструкторских решений более эффективных компоновочных схем размещения бортовой аппаратуры без значительного увеличения его массовых характеристик КА (см. таблицу). Одним из таких аппаратов имеющих свою конструктивную эволюцию является КА системы «Глонасс» серии К2. 16

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты Сравнительные характеристики габаритов КА системы «Глонасс» Габариты

КА «Глонасс-М»

«Глонасс-К»

«Глонасс-К2»

Высота, мм

5000

4000

6500

Диаметр, мм

3070

3070

4350

4330×3500×11800

3390×3600×9300

3210×6010×12360

1415

995

1673

В рабочем положении Масса, кг

Рис. 2. Окончательная кинематическая схема: 1 – вращение с осью вращения в плоскости чертежа; 2 – привод ручной; 3 – ведущее звено; 4 – ведомое звено; 5 – кольцо большое поворотное; 6 – роликовая опора; 7 – колесный ход; 8 – муфта соединительная; 9 – червячный редуктор; 10 – ролики для зацепления; 11 – звездочка приводная

Рис. 3. Манипуляции с КА при позиционировании для проведения ВЧИ

При проектировании в конструктивное исполнение УРМ было добавлено прокруточное кольцо с возможностью установки на транспортировочную телегу-кантователь для обеспечения завоза в безэховую камеру (БЭК). Позиционирование бортовой аппаратуры КА для излучения в сторону высокомощного радиопогло-

щающего материала (РПМ) предполагает проведение манипуляций с разворотом КА в сборе вдоль оси OХ и последующим переводом из транспортировочного положения в сторону позиционирования на РПМ перемещение по OY, что могло быть обеспечено применением данного технологического оборудования (рис. 3). 17

Решетневские чтения. 2017

4. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин : учеб. пособие для техн. спец. вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1998. 447 с.

Применение универсального рабочего места позволило решить проблемы связанные со сборкой КА нестандартного компоновки при изготовлении изделия 05ДИ, что показало значительную эффективность обеспечения монтажных работ без применения дополнительных вспомогательных средств (подъемники для работы на высоте и пр.). В дальнейшем будет проводиться монтаж оборудования и последующее обеспечение манипуляций и позиционирования при сборке КА на всех этапах жизненного цикла, включая заключительные операции ВЧИ.

References 1. Tehnologia proizvodstva kosmicheskih apparatov [The Technology of production of the spacecraft.] / N. A. Testoedov, M. M. Mikhnev, A. E. Mikheev et al. Krasnoyarsk, Sib. State Aerospace University Publ., 2009. 352 p. 2. Pozdnyakov A. S., Dvirniy V. V. [Design and creation of universal workstation assembly spacecraft] // Materialy III nauch. tech. konf. molodyh specialistov OAO ISS “Rasrabotka, proizvodstvo, ispitania i ekspluatacia kosmicheskih apparatov i system” [Materials III Scientific and Technical Conference of Young Specialists of JSC "ISS" “Development, production, testing and operation of space vehicles and systems”]. Zheleznogorsk, 2014. P. 188–190 (In Russ.). 3. Dunaev P. F., Lelikov O. P. Detali mashin [The parts of machines]. M. : Vyshya shcola Publ., 1984. 336 p. 4. Dunaev P. F., Lelikov O. P. Konstruirovanie uzlov i detalei mashin [Designing of units and parts of machines]. M. : Vyshya shcola Publ., 1998. 447 p.

Библиографические ссылки 1. Технология производства космических аппаратов : учебник для вузов / Н. А. Тестоедов, М. М. Михнев, А. Е. Михеев [и др.] ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. 352 с. 2. Поздняков А. С., Двирный В. В. Проектирование и создание универсального прокруточного рабочего места сборки КА // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : материалы III Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ИСС» / под ред. Н. А. Тестоедова, В. Е. Косенко [и др.]. Железногорск, 2014. C. 188–190. 3. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Детали машин / под ред. К. И. Аношина. М. : Высш. шк., 1984. 336 с.

© Голубь Е. B., Поздняков А. С., Новицкий Р. Н., Двирный В. В., 2017

18

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 621.372.83.001.24 СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ РАБОТЫ С ЖИДКОСТЯМИ, СОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯ АММИАКА В. Ю. Гусев1, С. К. Злобин1, А. И. Демченко2, М. М. Михнев1, Р. В. Зайцев1 1

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] 2 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Проведены металлографические исследования и испытания на прочность сварных и паяных образцов тонкостенных трубопроводов из хромоникелевой аустенитной стали 12Х18Н10Т для определения метода соединения труб систем терморегулирования космических аппаратов, работающих с жидкостями, содержащими соединения аммиака. Ключевые слова: пайка тонкостенных трубопроводов, лазерная сварка, автоматизированная аргонодуговая сварка. METHOD OF CONNECTION OF THIN-WALL PIPELINES OF AUSTENITE STAINLESS STEELS TO WORK WITH LIQUID CONTAINING AMMONIA CONNECTIONS V. U. Gusev1, S. K. Zlobin1, A. I. Demchenko2, M. M. Michnev1, R. V. Zaitsev1 1

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] 2 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation The article describes metallographic studies and tests on the strength of welded and brazed samples of thin-walled pipelines from chromium-nickel austenitic steel 12Kh18N10T to determine the method to connect pipes for thermal control systems of spacecraft operating with liquids containing ammonia compounds. Кeywords: soldering thin-walled pipelines, laser welding, automated argon-arc welding. Исследуемые способы пайки и сварки применяются для изготовления контуров систем терморегулирования космических аппаратов, использующих в качестве рабочей среды жидкости, содержащие соединения аммиака. Элементы системы состоят из тонкостенных труб и арматуры, изготовленных из хромоникелевой аустенитной стали 12Х18Н10Т. Из-за агрессивных свойств аммиакосодержащих жидкостей недопустимо использование при сварке и пайке присадочных материалов, содержащих медь и её сплавы. В данной работе рассмотрены сварные и паяные стыковые соединения трубы диаметром 5 мм и толщиной стенки 0,4 мм с арматурой. Целью работы является определение способа соединения тонкостенной трубы и арматуры, обеспечивающее максимально прочное соединение и не подверженное влиянию межкристаллитной коррозии при эксплуатации. В качестве способов соединения были выбраны: – радиационная пайка телескопического стыкового неповоротного соединения в нагревательном эле-

менте из ниобиевого сплава, в среде защитного газа аргона, припоем ПЖК-35; – лазерная сварка телескопического стыкового поворотного соединения в среде защитного газа аргона без применения присадочного материала; – автоматизированная импульсная аргонодуговая сварка телескопического стыкового неповоротного соединения в закрытой сварочной головке, в среде защитного газа без применения присадочного материала. Были получены образцы соединений тонкостенных труб с арматурой (рис. 1). В стыковых соединениях образцов были проведены металлографические исследования микроструктуры формирования швов, околошовных зон основного металла и макроструктуры формирования соединения. На основании полученных результатов и анализа технологических режимов процессов пайки, лазерной и аргонодуговой импульсной сварки были определены границы оптимальных технологических параметров оборудования (рис. 2).

19

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. Образцы соединений тонкостенной трубы с арматурой, слева направо: пайка припоем ПЖК-35, лазерная сварка, автоматическая аргонодуговая сварка

Рис. 2. Металлографические шлифы соединений, слева направо: пайка припоем ПЖК-35, лазерная сварка, автоматическая аргонодуговая сварка Средние результаты испытаний соединений прочности на разрыв Вид соединения трубы

Максимальная разрывная нагрузка, кгс

Место разрушения

Пайка припоем ПЖК-35

117

В околошовной зоне

Лазерная сварка

248

По сварному шву

Автоматическая аргонодуговая сварка

374

В околошовной зоне

Отмечено влияние термодинамических процессов на структуру металла, подтверждающееся разрывами образцов, выполненных с помощью автоматизированной импульсной аргонодуговой сварки в околошовной зоне. Не смотря на это, прочность конструкции выше, чем при пайке и лазерной сварке. С точки зрения технологичности используемых методов, применение закрытых сварочных головок позволяет производить сварку в неповоротном положении и обеспечить гарантированную защиту сварного шва.

На технологических режимах оборудования, которые обеспечили получение образцов с минимальным количеством внутренних дефектов соединений, были сварены образцы для проведения испытаний прочности на разрыв. Полученные данные испытаний на разрыв были внесены в таблицу для получения средних значений разрушения образцов (см. таблицу). Анализ результатов полученных с помощью металлографических исследований микро и макроструктуры швов и испытаний прочности на разрыв соединений тонкостенных труб с арматурой, позволил выбрать оптимальный способ соединения элементов систем терморегулирования космических аппаратов.

© Гусев В. Ю., Злобин С. К., Демченко А. И., Михнев М. М., Зайцев Р. В., 2017

20

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.783 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СТРУКТУРЫ ОРБИТАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ Д. А. Замятин, В. С. Богданова, В. В. Кольга Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Описывается структура и принципы работы концептуальной крупной независимой компьютерной сети с размещением центров обмена данными на орбите Земли. Ключевые слова: компьютерная сеть, космический аппарат, орбита Земли, серверный комплекс, передача данных. MAIN STRUCTURE PRINCIPLES OF THE ORBITAL COMPUTER NETWORK D. A. Zamyatin, V. S. Bogdanova, V. V. Kolga Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] This article describes the structure and principles of large independent conceptual computer network location of data-centers on Earth orbit. Keywords: computer network, spacecraft, Earth orbit, the server complex data transfer. Актуальность создания независимой от Интернета крупной компьютерной сети с повышенной степенью защиты от несанкционированных воздействий уже не раз отмечалась в различных работах [1]. В основном это вопросы безопасности хранения и передачи данных, проблема информационного мусора, влияния глобальной сети на общество и т. д. Многие из существующих проблем современного информационного пространства обусловлены несовершенством структуры и иерархии взаимодействия на программном уровне с ограничением степени доступа к администрированию высокого уровня. Данные тезисы посвящены рассмотрению именно структурных различий между Интернетом и концептом альтернативной сети. Структура основной части сети Интернет представляет собой множество проводных соединений, обеспечивающих связь в цепочке «Backbone (опорные сети Интернета) – точки обмена трафиком – провайдер – маршрутизатор – клиент» [2]. В век повсеместного распространения беспроводной связи и мобильных коммуникационных систем данный принцип построения постепенно устаревает, так как требует колоссального объёма сырьевых, материальных и трудовых ресурсов, необходимых для того, чтобы проложить очередную ветку и обслуживать её, поддерживая работоспособность и возможность бесперебойной связи. Высокоскоростные спутниковые соединения занимают всё более значимую роль, однако просто распространение спутникового Интернета само по себе является решением лишь некоторых проблем современного информационного пространства [3]. При этом полный переход с проводной связи на спут-

никовую может занять значительно больше времени, чем развитие полностью спутниковой сети «с нуля». Проект независимой орбитальной компьютерной сети, получивший рабочее название SeON («Secure Orbital Network», англ. «защищённая орбитальная сеть») представляет собой концепцию изолированного информационного пространства, физическая часть которого в значительной мере расположена на орбите Земли, за исключением наиболее крупных центров хранения данных, а какие-либо проводные связи между узлами сети отсутствуют. Основными хранилищами информации для SeON, как и для Интернета, являются крупные наземные DATA-центры, но с такими особенностями, как обязательное наличие мощного комплекса радиосвязи при полном отсутствии проводных каналов взаимодействия с другими узлами сети. За обмен данными между хранилищами и клиентами отвечает орбитальная группировка спутников связи и кратковременного хранения информации, которая и является собственно сетью, главной особенностью структуры SeON [4]. С крупным DATA-центром связан спутникретранслятор на геостационарной орбите (ГСО), передающий потоки информации на низкоорбитальные центры обмена данными (ЦОД), из которых ближайший к клиентскому устройству предоставляет пользователю запрашиваемые данные. При уходе низкоорбитального ЦОД за горизонт информацию предоставляет соседний аналогичный космический аппарат, так как спутники этой части сети обмениваются данными не только с геостационарным ретранслятором, но и между собой [5]. 21

Решетневские чтения. 2017

Примечательно, что информационная сеть как таковая фактически существует только непосредственно во время обращения к ней и обмена данными между отдельными её узлами. В пассивном режиме элементы сети представляют собой просто набор центров долговременного хранения данных (DATA-центров), высокоорбитальных ретрансляторов («зеркал»), временных хранилищ (кэш-серверов) на низких орбитах и клиентских устройств. При передаче данных появляется цепочка связей «DATA-центр – зеркало – кэш-серверы – клиент», а собственно сеть является набором таких цепочек, постоянно появляющихся и исчезающих. Такой принцип может также являться защитой от перехвата сигнала, сохраняя конфиденциальность поисковых запросов, что повышает комфорт пользователей. Проблема доступа рядовых пользователей к «нежелательной» информации при этом может решаться не путём отслеживания потоков данных, а на этапе становления клиента пользователем сети, то есть при приобретении клиентского устройства и выборе тарифного плана, учитывающего права будущего пользователя. Также благодаря полной изоляции от Интернета и сильному ограничению возможности выгрузки информации с клиентских устройств, необходимость отслеживания сведена к минимуму. Таким образом, предлагается структура сети, принципиально отличающаяся от используемой Интернетом, и потенциально способная в дальнейшем обеспечить эффективное выполнение целей проекта.

3. Спутниковый Интернет – шаг за шагом – StarBlazer [Электронный ресурс]. URL: http://www. starblazer.ru/article/satinternet/ (дата обращения: 01.09.2017). 4. Замятин Д. А., Богданова В. С., Кольга В. В. Концепция орбитальной компьютерной сети // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы III Междунар. науч. конф. (10–14 апреля 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2017. 5. Наблюдение ИСЗ [Электронный ресурс]. URL: http://www.sat.belastro.net/ (дата обращения: 14.09.2016). References 1. Zamyatin D. A., Shashilo E. P., Kolga V. V. The development of the concept of orbital computer network // Reshetnevskie chteniya : materialy XX Mezhdunar. nauch. konf. (09–12 noyabrya 2016, g. Krasnoyarsk) : v 2 ch. / pod obshch. red. Yu. Yu. Loginova ; Sib. gos. aehrokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2016. P. 27–28. 2. Kak ubit’ internet | // ZHurnal Populyarnaya Mekhanika [How to kill the Internet| Popular Mechanics Magazine]. Available at: http://www.popmech.ru/ technologies/13055-kak-ubit-internet/ (accessed 01.09.2017). (In Russ.) 3. Sputnikovyj Internet – shag za shagom – StarBlazer. [Satellite Internet – step by step – StarBlazer]/ Available at: http://www.starblazer.ru/article/satinternet/ (accessed: 01.09.2017). (In Russ.) 4. Zamyatin D. A., Bogdanova V. S., Kolga V. V. The concept of orbital computer network // Aktual’nye problemy aviacii i kosmonavtiki : materialy III Mezhdunar. nauch. konf. (10–14 aprelya 2017, g. Krasnoyarsk) : v 2 ch. / pod obshch. red. Yu. Yu. Loginova ; Sib. gos. aehrokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2017. 5. Nablyudenie ISZ [Satellites observation]. Available at: http://www.sat.belastro.net/ (accessed: 14.09.2016). (In Russ.)

Библиографические ссылки 1. Замятин Д. А., Шашило Е. П., Кольга В. В. Разработка концепции орбитальной компьютерной сети // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. (09–12 ноября 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 27–28. 2. Как убить Интернет | // Журнал Популярная Механика [Электронный ресурс]. URL: http://www. popmech.ru/technologies/13055-kak-ubit-internet/ (дата обращения: 01.09.2017).

© Замятин Д. А., Богданова В. С., Кольга В. В., 2017

22

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 621.828 К ВОПРОСУ О НОРМИРОВАНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ АСИММЕТРИИ МАСС ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ А. В. Ключников Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина Российская Федерация, 456770, г. Снежинск, ул. Васильева, 13, а/я 245 E-mail: [email protected] Рассматривается обоснование требований к инструментальной точности стендового оборудования, используемого на заключительном этапе общей сборки летательного аппарата для определения и обеспечения параметров его массо-инерционной асимметрии. Ключевые слова: летательный аппарат, ось симметрии, центр масс, ось инерции, массо-инерционная асимметрия, балансировка, измерительный стенд, точность измерений. RATE SETTING OF INSTRUMENTAL PRECISION OF EXPERIMENTAL TESTING EQUIPMENT TO MEASURE FLYING VEHICLE MASS-INERTIA PARAMETERS A. V. Klyuchnikov Russian Federal Nuclear Centre – All-Russia Research Institute of Technical Physics named after academician E. I. Zababakhin P.b. 245, 13, Vassilyev Str., Snezhinsk, 456770, Russian Federation E-mail: [email protected] The article provides rationalizations to instrumental precision standards for testing equipment used on the final stage of general assembly of a flying vehicle to determine and ensure its mass-inertia parameters. Keywords: flying vehicle, axis of symmetry, centre of masses, axis of inertia, mass-inertia asymmetry, counterbalancing, measuring stand, precision of measure. Полунатурные моделирующие стенды и комплексы, широко применяемые для отработки аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения летательных аппаратов (ЛА), позволяют существенно снизить затраты на их разработку и проведение лётных испытаний [1; 2]. При этом в процессе моделирования динамики движения используются значения массо-центровочных и массо-инерционных характеристик (МЦИХ) аппарата – масса, координаты центра масс, моменты инерции, – полученные в результате проведения теоретического расчёта. Однако, ввиду невысокой точности такого расчёта, на стадиях изготовления и сборки ЛА возникает задача экспериментального определения фактических значений МЦИХ для использования в расчете реальных траекторий движения аппарата. При проектировании, конструировании и изготовлении высокоскоростных ЛА, например, выполненных в форме конического тела вращения и стабилизируемых вращением вокруг оси симметрии своей наружной поверхности, как правило, стремятся придать симметричную форму и обеспечить совпадение оси симметрии масс аппарата и оси симметрии наружной поверхности, которая обычно принимается в качестве строительной. Но в процессе изготовления и сборки ЛА появляется массоинерционная асимметрия, источником которой явля-

ются неизбежные случайные отклонения характеристик компонуемых полезных грузов и элементов бортовой автоматики в корпусе аппарата (масса, моменты инерции, координаты установки). В частности, к параметрам, характеризующим асимметричность распределения масс относительно строительной оси ЛА и в существенной мере влияющим на его лётнотехнические характеристики, относятся – величина поперечного смещения центра масс с оси симметрии наружной поверхности и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от той же оси [3; 4]. Несмотря на весьма малые фактические значения, наличие массо-инерционной асимметрии может привести к возникновению аномальных режимов движения высокоскоростного аппарата в атмосфере, обусловленных его динамической неустойчивостью, а это, в свою очередь, может привести к существенному уменьшению скорости движения аппарата по сравнению с расчётной, значительному отклонению от расчётной траектории движения, неравномерному нагреву корпуса, снижению точности функционирования датчиковой аппаратуры и исполнительных механизмов и т. п. и, в конечном итоге, снижению эффективности эксплуатации ЛА. Конечно же, при отсутствии параметров асимметрии или в случае их 23

Решетневские чтения. 2017

0,022 мм и 2,2 угловой минуты в заданных диапазонах измерений этих параметров. И, естественно, оборудование, проектируемое и применяемое для контроля МЦИХ, должно исключать возможность воздействия мощных электромагнитных полей на уравновешиваемый аппарат в процессе выполнения измерений, а также должно учитывать характерные конструктивные особенности ЛА, в частности, значительные габаритные размеры и массу, наличие неметаллической наружной поверхности корпуса, наличие нежёстких и далеко выступающих за пределы корпуса элементов конструкции, форму корпуса и отсутствие удобной технологической базы для закрепления на рабочем органе контрольно-измерительного стенда, наличие единственной плоскости коррекции, которая может быть использована для уравновешивания аппарата. Это делает задачу повышения инструментальной точности стендового оборудования, применяемого для контроля МЦИХ, всё более актуальной по мере совершенствования аппаратов. Одним из решений задачи прецизионного определения и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии является использование методов и средств динамической балансировки [5; 8]. В работах [5; 9–11] приведена математическая постановка задачи балансировки ЛА, выполненного в форме конического тела вращения, на низкочастотном динамическом балансировочном стенде с газовыми опорами, параметров массо-инерционной асимметрии c погрешностью не более 0,01 мм при определении поперечного смещения центра масс и 10 угловых минут при определении перекоса продольной ГЦОИ, приведено описание опытного образца стенда. Применение стенда в операциях по контролю поперечного смещения центра масс и перекоса продольной ГЦОИ аппарата позволяет задавать допуск на величину смещения центра масс не более 0,1 мм, а на угол отклонения продольной ГЦОИ не более 10 угловых минут.

достаточной малости вероятность появления аномальных режимов движения в процессе полёта полностью не исключается, но, по крайней мере, уменьшается до допустимой величины по критерию влияния последствий динамической неустойчивости на лётнотехнические характеристики ЛА [3; 5]. Таким образом, для обеспечения устойчивого движения стабилизированного вращением высокоскоростного аппарата актуальной также является задача обеспечения нормативов статической и моментной балансировки, т. е. определения и приведения с заданной точностью (при необходимости) параметров, характеризующих асимметричность в распределении масс относительно строительной оси аппарата, к значениям, не превышающим заданных в эксплуатационной документации (ЭД) на аппарат предельно-допустимых значений. Эта задача решается на заключительном этапе общей сборки путём установки балансировочных грузов на плоскость коррекции, обычно совмещенную с днищем, конструктивно расположенным вблизи торца корпуса аппарата. Массу и углы установки балансировочных грузов рассчитывают по результатам измерений МЦИХ и параметров массо-инерционной асимметрии, полученных с применением специализированных контрольно-измерительных стендов. В работах [5; 6] произведён анализ методик балансировки ЛА. В последнее время наблюдается ужесточение требований к параметрам остаточной (после уравновешивания) массо-инерционной асимметрии ЛА. Это, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к точности определения и обеспечения этих параметров. В соответствии с метрологическими рекомендациями [7] погрешность определения нормируемых параметров, в том числе, обеспечиваемых параметров массо-инерционной асимметрии ЛА должна быть, как минимум, втрое меньше предельно-допустимого остаточного значения параметра. Очевидно, что характеристики инструментальной точности контрольноизмерительного оборудования, используемого для определения действительных значений МЦИХ, являются одним из основных факторов, определяющих дальнейшее повышение точности обеспечения нормативов статической и моментной балансировки БЛА и, следовательно, повышение эффективности их применения. Зачастую в нормативной документации предписывается требование обеспечения коэффициентов точности КТ ≥ 3 при контроле МЦИХ (кроме массы, для контроля которой обычно должен быть обеспечен коэффициент точности КТ ≥ 5). Таким образом, при выборе оборудования для контроля параметров массо-инерционной асимметрии скоростных летательных аппаратов следует руководствоваться характеристиками инструментальной точности, по крайней мере, в 9–10 раз превышающими предельно-допустимые значения указанных параметров, задаваемых в эксплуатационной документации на аппараты. Это означает, что точность контрольно-измерительных стендов, используемых для обеспечения значений поперечного смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ, равных, например, 0,2 мм и 20 угловых минут, не должна быть хуже соответственно

Библиографические ссылки 1. Ильиных В. В., Андреев С. В., Ключников А. В., Чертков М. С. Моделирование динамики полёта БПЛА в компьютеризированном имитационном стенде // Надежность и качество : труды Междунар. симпозиума. Пенза, 2011. Т. 1. С. 302–304. 2. Андреев С. В., Ключников А. В., Чертков М. С., Шалашов С. В. Полунатурное моделирование ИНС на поворотном стенде при использовании БЧЭ с интерфейсом МКИО // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.техн. конф. Пенза, 2013. С. 424–427. 3. Ярошевский В. А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. М. : Машиностроение, 1978. 168 с. 4. Правдин В. М., Шанин А. П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. Снежинск : РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. 496 с. 5. Ильиных В. В., Ключников А. В., Лысых А. В., Михайлов Е. Ф., Тимощенко А. Г. Технология обеспечения качества при изготовлении высокоскоростных неуправляемых летающих моделей // Вестник СибГАУ. 2013. № 3 (49). С. 191–196. 24

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

3. Yaroshevskiy V. A. Motion in atmosphere of uncontrolled solid [Dvizhenie neupravlyaemogo tela v atmosphere]. M. : Mashinostroenie, 1978. 168 p. (In Russ.) 4. Pravdin V. M., Shanin A. P. Ballistics of uncontrollable flying machines [Ballistika neupravlyaemih letatelnih apparatov]. Snezhinsk : RFNC-VNIITF, 1999. 496 p. (In Russ.) 5. Ilinykh V. V., Klyuchnikov A. V., Mihailov E. F., Timoshchenko A. G. Technological support of quality during the manufacture of hypersonic uncontrollable flying models [Tehnologiya obespecheniya kachestva pri izgotovlenii visokoskorostnih letayushchih modelei]. Vestnik SibSAU. 2013. № 3 (49). P. 191–196 (In Russ.). 6. Mironov A. D. Methods of researches on flying models [Metody issledovaniy na letayushchih modelyah]. M. : Mashinostroenie, 1988. 144 p. (In Russ.) 7. Burdun G. D., Markov B. N. Fundamentals of metrology [Osnovy metrologii]. M. : Standards, 1975. 336 p. (In Russ.) 8. GOST 22061–76. M. : Izdatelstvo standartov, 1977. 139 p. (In Russ.) 9. Klyuchnikov A. V. Development and improvement of the algorithm monoplanar balancing dynamically flying model [razvitiye I sovershenstvovaniyealgoritma odnoploskostnoi balansirovki v dinamicheskom rezhime visokoskorostnoi letayushchei modeli] // Vestnik SibSAU. 2015. Vol. 16, No. 2. P. 411–416. (In Russ.) 10. Klyuchnikov A. V. The specified mathematical model of an assessment and ensuring parameters of massinertial asymmetry of the lengthy rotor module [Utochnyonnaya matematicheskaya model otsenki I obespecheniya parametrov masso-inertsionnoi asimmetrii dlinnomernogo rotornogo modulya] // Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma “Nadyozhnost i kachestvo”. [Proc. Int. Technol. Symp. “Reliability & Quality”]. Penza, 2013. Vol. 1. P. 224–227. (In Russ.) 11. Klyuchnikov A. V. Numerical algorithm for optimization of a process of conical flying model equilibration on a vertical balancing stand [chislennyi algoritm optimizatsii protsessa uravnoveshivaniya konicheskoi letayushchei modeli na dinamicheskom balansirovochnom stende] // Vestnik SibSAU. 2016. Vol. 17, No. 2. P. 309–317. (In Russ.)

6. Методы исследований на летающих моделях / под ред. А. Д. Миронова. М. : Машиностроение, 1988. 144 с. 7. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. М. : Изд-во стандартов, 1975. 336 с. 8. ГОСТ 22061–76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. М. : Изд-во стандартов, 1977. 139 с. 9. Ключников А. В. Развитие и совершенствование алгоритма одноплоскостной балансировки в динамическом режиме высокоскоростной летающей модели // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 2. С. 411–416. 10. Ключников А. В. Уточнённая математическая модель оценки и обеспечения параметров массоинерционной асимметрии длинномерного роторного модуля» // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума. Пенза, 2012. Т. 1. С. 224–227. 11. Ключников А. В. Численный алгоритм оптимизации процесса уравновешивания конической летающей модели на динамическом балансировочном стенде // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 2. С. 309–317. References 1. Ilinykh V. V., Andreev S. V., Klyuchnikov A. V., Chertkov M. S. Simulation of fly of unmanned vehicle by computer-aided imitating system [Modelirovanie dinamiki polyota BPLA v komp’yuterizirovannom imitatsionnom stende] // Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadyozhnost i kachestvo». [Proc. Int. Symp. «Reliability & Quality»]. Penza, 2011. Tom 2. P. 234–236. (In Russ.) 2. Andreev S. V., Klyuchnikov A. V., Chertkov M. S., Shalashov S. V. Half-natural simulation of inertia navigation systems with turning-stand by using a block of sensors equipped with consistent interface [Polunaturnoe modelirovanie INS na povorotnom stende pri ispolzovanii BChE s interfeisom MKIO] // Trudy Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii “Problemy avtomatizatsii i upravleniya v tehnicheskih sistemah” [Proc. Int. Technol. Conference «Problems of Automation & Control in Technical Systems»]. Penza, 2013. P. 424–427. (In Russ.)

© Ключников А. В., 2017

25

Решетневские чтения. 2017

УДК 678.027 МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПОДХОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ* Е. И. Куркин1, В. О. Садыкова, М. О. Спирина Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева Российская Федерация, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34 1 E-mail: [email protected] Производство изделий ракетно-космической техники требует учета характеристик напряженнодеформированного состояния, а также технологии их изготовления. Разработана конструкция кронштейна навески из перспективного короткоармированного материала с использованием многоуровневого подхода. Ключевые слова: моделирование, прочностный расчет, композиционный материал, реверс-инжиниринг, литье под давлением, кронштейн. MULTI-LEVEL APPROACH FOR AEROSPACE DESIGN FROM PERSPECTIVE MATERIALS E. I. Kurkin1, V. O. Sadykova, M. O. Spirina Samara National Research University 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation 1 E-mail: [email protected] The production of aerospace structures requires taking into account the characteristics of the stress-strain state and their production technology. This paper develops the fitting from a prospective composite material reinforced by short fibers based on a multilevel approach. Keywords: modeling, strength calculation, composite material, molding under pressure, reverse engineering, fitting. В современной ракетно-космической промышленности широко применяются композиционные материалы, армированные короткими высокопрочными волокнами. Высокими механическими характеристиками обладают реактопласты. К их преимуществам можно отнести высокую жесткость, сопротивляемость высокому температурному режиму, а также незначительную усадку. Внедрение подобных материалов зачастую позволяет находить новые, во многом уникальные технические решения, способствующие усовершенствованию конструктивно-технологического облика аэрокосмического изделия [1]. Проектирование аэрокосмических конструкций из композитов основано на высокоточном моделировании процесса их создания и изготовления, требующего экспериментального уточнения характеристик используемых при их производстве материалов [2]. В данной работе при исследовании реактопластов использованы изготавливаемые на кафедре КиПЛА Самарского университета смеси эпоксидной смолы Этал-Карбон М с угольными волокнами длиной 0,3 мм. Целью работы является создание кронштейна навески из перспективного короткоармированного материала, способного выдержать нагрузку в 20000 Н, а также моделирование полного цикла его изготовления.

Задача выбора геометрии кронштейна решена с помощью метода топологической оптимизации, основанный на моделировании методом конечных элементов в системе ANSYS с применением тела переменной плотности [3; 4]. Постановка и решение прочностной задачи проведена в модуле ANSYS Mechanical, в котором заданы механические свойства, условия закрепления и действующие на тело переменной плотности нагрузки [5]. После решения прочностной задачи в модуле Topology Optimization системы ANSYS проведена топологическая оптимизация конструкции. Это позволило снизить массу конструкции, но при этом повысить жесткостные характеристики изделия. Оптимизированная геометрия кронштейна в формате STL для дальнейшего расчета преобразована в программе Geomagic, затем доработана в программном комплексе SolidWorks. Для учета полного цикла изготовления кронштейна было произведено моделирование литья кронштейна из короткоармированого реактопласта в системе Moldex 3D. Описана модель вязкости, механические характеристики матрицы и угольных волокон. При задании технологических условий были выбраны параметры температур и давлений, приближенные к условиям проведения проливки кронштейна в термокамере на кафедре КиПЛА Самарского университета.

______________________ *

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-31-60093 мол_а_дк.

26

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Aicraft Engineering and Aerospace Techology: An Int. Journal 84/3. 2012. P. 162–171. 5. Комаров В. А. Рациональное проектирование силовых авиационных конструкций : дис. … д-ра техн. наук / Моск. авиац. ин-т. М., 1976. 329 с.

В системе Digimat определены проектировочные переменные многоуровневой модели композиционного материала с использованием реверс-инжиниринга, а также учтен тензор ориентации волокон, полученный на предыдущем этапе. Расчет на прочность кронштейна из композиционного материала, армированного короткими волокнами, показал, что при нагружении детали происходит смятия материала в проушине кронштейна, поэтому в конструкцию была добавлена титановая втулка. Было разработано и рассчитано несколько модификаций втулки. Напряжения при расчете на прочность не превышают допускаемых.

References 1. Matthews F., Rolings R. World of Materials and Technologies. Composite materials. Mechanics and technology. M. : Technosphere, 2004. 408 s. 2. Hull D. An Introduction to Composites Materials, Cambridge University Press. 1981. 3. Komarov V. A. Designing of power circuits of aircraft constructions // Actual problems of aviation science and technology. M. : Mechanical engineering. 1984. P. 114–129. 4. Aircraft design using a variable density model / V. A. Komarov, A. V. Boldyrev, A. S. Kuznetsov et al. // Aicraft Engineering and Aerospace Techology: An Int. Journal 84/3. 2012. P. 162–171. 5. Komarov V. A. Rational design of power aviation structures : dis. …. doct. tech. sc. ; Moscow Aviation. In-t. M., 1976. 329 p.

Библиографические ссылки 1. Мэттьюз Ф., Роллингс Р. Мир материалов и технологий. Композиционные материалы. Механика и технология. М. : Техносфера, 2004. 408 с. 2. Hull D. An Introduction to Composites Materials, Cambridge University Press. 1981. 3. Комаров В. А. Проектирование силовых схем авиационных конструкций // Актуальные проблемы авиационной науки и техники. М. : Машиностроение. 1984. С. 114–129. 4. Aircraft design using a variable density model / V. A. Komarov, A. V. Boldyrev, A. S. Kuznetsov et al. //

© Куркин Е. И., Садыкова В. О., Спирина М. О., 2017

27

Решетневские чтения. 2017

УДК: 621.3.036.662 СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НЕГЕРМЕТИЧНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ Н. В. Луконин1*, Г. В. Дмитриев, П. С. Морозов, И. Я. Шестаков2 1

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected] Рассмотрен новый способ изготовления электронагревателей, выполняемый методом фотолитографии и травлением резистивного слоя, позволяющий изготавливать гибкие плёночные электронагреватели различных форм и размеров, с использованием материалов, производимых отечественной промышленностью, с уменьшенными массо-габаритными показателями и повышенными рабочими показателями. Ключевые слова: космический аппарат, система терморегулирования, электронагреватель, температурный режим, фотолитография. METHOD OF MANUFACTURING ELECTRIC HEATERS OF HIGH EFFICIENCY OF UNPRESSURIZED DESIGN SPACECRAFT N. V. Lukonin1*, G. V. Dmitriev1, P. S. Morozov1, I. Y. Shestakov2 1

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article considers a new method of electric heaters production manufactured by a photolithography method and resistive layer etching that allows to produce flexible film heaters of various shapes and sizes, reduced massdimensional factor and higher operational performances using materials manufactured by the domestic industry. Keywords: spacecraft, thermal control system, electric heating, temperature control, photo process. Конструкция современных космических аппаратов (КА) в негерметичном исполнении накладывает особые требования к системе терморегулирования (СТР), которая должна обеспечить поддержание его систем в работоспособном состоянии в течение срока активного существования (САС) при воздействии условий космического пространства со значительным перепадом температур. Обеспечение температурного режима работы аппаратуры и узлов КА в заданном температурном диапазоне, поддержание баланса между получаемой тепловой энергией и её отдачей, с перераспределением тепловой энергии между конструкциями аппарата является важной технической задачей [1]. Повышенные требования к СТР налагают и особые требования к активным исполнительным устройствам СТР – электронагревателям (ЭН), и их техническим характеристикам (ТХ). Технические требования к характеристикам перспективных ЭН [2]. С целью получения ЭН с необходимыми ТХ в АО «ИСС» в 2011–2016 годах проведены работы по выбору перспективных материалов, производимых отечественной промышленностью, и отработке новых технических решений, которые могут быть применены при изготовлении ЭН в условиях действующего

производства. Для решения задачи разработан способ изготовления ЭН с помощью метода фотолитографии и травления резистивного слоя для получения необходимого рисунка проводников, прессованием слоев, пайкой токовыводов, проведением испытаний, не имеющий аналогов [3]. Для проверки соответствия конструкторскотехнологических, технических и эксплуатационных характеристик ЭН требованиям, предъявляемым к ресурсу, надежности, эффективности ЭН нового поколения к использованию в составе КА негерметичного конструктивного исполнения проведены испытания, подтверждающие работоспособность ЭН в установленном состоянии. На рис. 1 представлен один из ЭН типоразмерного ряда изделия, установленный с помощью клея на сотовую панель КА для проведения испытаний. Данный ЭН обеспечил выделение удельной номинальной тепловой нагрузки 2,2 Вт/см² при перепаде температур между ЭН и обогреваемой поверхностью ΔТ = 50 °С, и выделение удельной тепловой нагрузки 2,85 Вт/см² при ΔТ = 65 °С. На рис. 2 представлено температурное поле ЭН при тепловой нагрузке 2,85 Вт/см². 28

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Рис. 1. Внешний вид установленного ЭН

Рис. 3. Гибкий плёночный ЭН с двукратным резервированием

Библиографические ссылки 1. Луконин Н. В., Шестаков И. Я. Способ изготовления гибко-плоских электронагревателей космических летательных аппаратов // Решетнёвские чтения : материалы ХIХ Междунар. науч.-практ. конф. Красноярск, 2015. 2. Луконин Н. В., Шестаков И. Я., Шевердов В. Ф. Электронагреватели космических аппаратов // Современное состояние науки и техники : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Сочи, 2016. 3. Пат. Российская Федерация 2602799. Способ изготовления гибко-плоского электронагревателя / Луконин Н. В., Полякова Г. В., Шушерина Г. П., Снытко Д. В. 2016. 4. Низкотемпературный электронагрев / Альтгаузен А. П., Гутман М. Б., Малышев С. А. и др. М. : Энергия, 1978. 5. Федотов А. Я., Поль Г. Фотолитография и оптика. М. : Советское радио, 1974.

Рис. 2. Температурное поле ЭН при тепловой нагрузке 2,85 Вт/см²

Использование фотопроцесса для создания рисунка резистивного слоя и химической реакции удаления металла позволяют изготавливать слои различных геометрических форм и размеров без использования механических приспособлений [4], в том числе с шириной проводников менее 0,5 мм, с расстоянием между проводниками менее 0,5 мм, что позволяет реализовывать различные конструкции ЭН с требуемыми ТХ, с возможностью «горячего» и «холодного» резервирования функции нагрева. В качестве основных конструкционных материалов выбраны отечественные материалы: гибкая стеклоткань (возможно применение полиимида), константан или нихром, провода с фторопластовой изоляцией (возможны и другие), оловянно-свинцовый припой или низкотемпературный серебросодержащий припой. С целью повышения эффективности и расширения возможностей применения ЭН в качестве резистивного слоя проработано применение тонкой фольги из сплава с высоким электрическим сопротивлением марки Х20Н80 (нихром) [5], что вдвое увеличивает сопротивление ЭН при той же ширине дорожки (по сравнению с константаном), и обеспечивает переход на питание ЭН по шине 100 В. Вариант отработанного ЭН с резистивным слоем из нихрома приведен на рис. 3. Новый способ может быть использован для изготовления ЭН различных конструкций, форм и свойств: гибких, плоских, гибко-плоских, трехмерных форм, с заданным уровнем технологичности и качества при создании современных и перспективных КА.

References 1. Lukonin N. V., Shestakov I. Y. A method of manufacturing a flexible flat heaters spacecraft // Proceedings of the XIX International scientific-practical conference “Resetdevice reading”. Krasnoyarsk, 2015. 2. Lukonin N. V., Shestakov I. Y., Sheverdov V. F. Electric spacecraft // Materials of International scientificpractical conference “Current state of science and technology”. Sochi, 2016. 3. Patent of the Russian Federation 2602799. A method of manufacturing a flexible flat heaters», Lukonin N. V., Polyakova G. V., Shusherina G. P., Snytko D. V. 2016. 4. Low-temperature electric heating / A. P. Altgauzen, M. B. Gutman, S. A. Malyshev et al. M. : Energiya, 1978. 5. Fedotov A. Y., Paul G. Photolithography and optics. M. : Soviet radio, 1974. © Луконин Н. В., Дмитриев Г. В., Морозов П. С., Шестаков И. Я., 2017

29

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.7.017 ОЦЕНКА РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В. В. Москвичев*, А. М. Лепихин, А. Е. Буров Институт вычислительных технологий СО РАН – СКТБ «Наука» Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 * E-mail: [email protected] Представлены результаты анализа ресурса и надежности металлокомпозитных баков высокого давления, которые нашли широкое применение в аэрокосмической и авиационной промышленности. Ключевые слова: ресурс, надежность, напряженно-деформированное состояние, композиты, баки высокого давления. LIFETIME AND RELIABILITY OF METAL-COMPOSITE PRESSURE VESSELS V. V. Moskvichev*, A. M. Lepikhin, A. E. Burov Institute of Computational Technologies SB RAS – SDTB “Nauka” 52, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article presents the results of analysis on lifetime and reliability of metal-composite pressure vessels that have found a wide application in aerospace and aeronautical industries. Keywords: lifetime, reliability, stress-strain state, composites, high pressure vessels. Полимерные композитные материалы (ПКМ) широко применяются в высоконагруженных конструкциях авиационной и ракетной техники, транспортных систем и космических аппаратов. Одним из перспективных направлений применения ПКМ является изготовление сосудов высокого давления. Эти сосуды должны иметь малую массу, высокую прочность и требуемую герметичность. Данные требования обеспечиваются при использовании металлокомпозитных баков высокого давления (MCOPV). Такая конструкция содержит внутренний металлический лейнер и внешнюю композитную оболочку. Обеспечение высоких требований прочности и надежности МКБВД можно осуществить на основе теоретических и экспериментальных исследований механики деформирования такой гибридной конструкции. Фундаментальные исследования в этом направлении были представлены в работах [1]. В данной работе представлены обобщающие результаты исследований ресурса и надежности MCOPV, включающего лейнер из титанового сплава и композитную силовую оболочку, образованную методом непрерывной намотки угольных волокон, пропитанных эпоксидным связующим. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) баков выполнялся методом конечных элементов с использованием разработанных 3D-моделей, отражающие особенности геометрических и деформационных характеристик этой конструкции. Расчеты ресурса MCOPV были выполнены на основе классических моделей малоцикловой усталости для металлического лейнера, циклической долговеч-

ности и ползучести композитного материала [2–4]. Ресурс определялся с учетом результатов численных расчетов напряженно-деформированного состояния. Ресурс композитной оболочки определялся по двум повреждающим факторам – деформаций ползучести и усталостных повреждений. Ресурс на стадии ползучести определялся с использованием эмпирических моделей [2], определяющих долговечность в виде зависимости деформации ползучести от уровня напряжений и времени нагружения. Расчет ресурса при циклическом нагружении композитной оболочки был выполнен с использованием модели Пальмгрена– Майнера [3]. Ресурс металлического лейнера определялся с учетом упруго-пластического характера деформирования. Для оценки ресурса была рассчитана диаграмма малоцикловой усталости в форме зависимости размаха деформации от числа циклов до разрушения [4]. Из результатов расчетов циклической долговечности композитной оболочки следует, что при уровне номинальных напряжений в композитной оболочке не превышающем 500 МПа ее долговечность составляет не менее 300–400 циклов нагружения. Результаты расчета малоцикловой долговечности лейнера показали, что при рабочем давлении ресурс лейнера составляет около 130 циклов нагружения, а при давлении испытаний – порядка 70 циклов. При комбинации давлений в процессе испытаний допустимое число циклов нагружения не превышает 60. Если ввести запас по деформациям ne = 1,25, то число циклов нагружения MCOPV не должно превышать 50. 30

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Расчет надежности включал оценку двух компонент: надежности R(0) на начало эксплуатации (конструкционная надежности) и надежности R(t, σ) на стадии эксплуатации (функциональная надежность). Компонента R(0) оценивалась с использованием стандартной модели «нагрузка – прочность» в предположении о нормальных законах распределения вероятностей значений нагрузки и прочности MCOPV. Компонента R(t, σ) определялась с использованием модели Феникса, основанной на Вейбулловской модели надежности [5]. Для учета влияния структурномеханической неоднородности MCOPV в расчет вводилась эталонная мера M0, в пределах которой условия деформирования материала можно считать однородными. Тогда, при общем «масштабе» конструкции M, вероятность безотказной работы будет иметь следующий вид: ⎧ ⎪ M R ( t , σ ) = exp ⎨− ⎪ M0 ⎩

⎡ t ⎛ σ ⎞α ⎤ ⎢ ⎜ P⎟ ⎥ ⎢⎣ tc ⎝ σc ⎠ ⎥⎦

β

Испытания MCOPV в течение 2,5 лет при статической нагрузке также не выявили заметных эффектов ползучести, изменений параметров НДС, недопустимых деформаций или нарушений герметичности. Таким образом, расчетный анализ с использованием разработанных моделей и экспериментальные оценки свидетельствуют о высоких рабочих параметрах металлокомпозитных сосудов. Разработанная конструкция может рассматриваться как основа для создания серии баков различной емкости, для использования в космических аппаратах тяжелого, среднего и легкого классов. Библиографические ссылки 1. Vasiliev V. V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Blacksburg VA: Ridge Publishing, 2009. 690 p. 2. Holcomb D. E., Cetiner S. M., Flanagan G. F. An Analysis of Testing Requirements for Fluoride SaltCooled High Temperature Reactor Components // ORNL, 2009. TM-2009/297. 73 p. 3. Derewońko A., Gieleta R. Carbon-epoxy composite fatigue strength – experiment and fem numerical estimation // Journal of KONES Powertrain and Transport, 2012. Vol. 19, № 3. P. 103–110. 4. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении / под ред. Н. А. Махутова. М. : Наука, 1983. 271 с. 5. Composite Overwrap Pressure Vessels: Mechanics and Stress Rupture Lifing Philosophy [Электронный ресурс]. URL: http://hdl.handle.net/2060/20070022369 (дата обращения: 20.11.2016).

⎫ ⎪ ⎬, ⎪ ⎭

где t – срок эксплуатации; tc – характерное время разрушения; σp – рабочие напряжения, соответствующие рабочему давлению Р; σc – нормативное напряжение разрушения; α, β – статистические параметры. Результаты расчетов надежности R(0) для конструкций MCOPV с 7 и 9 слойной композитной оболочкой в зависимости от уровня напряжений показали, что при 7-слойной оболочке высокий уровень вероятности безотказной работы не ниже 0,999 обеспечивается при напряжениях не выше 650 МПа. Для МКБВД с 9-слойной оболочкой указанный уровень надежности обеспечивается при напряжениях не выше 800 МПа. При заданных рабочих давлениях для рассматриваемых вариантов MCOPV напряжения не превышают 500 МПа. Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах MCOPV, выполненных в соответствии с требованиями конструкторской документации. Исследования включали испытания на прочность до разрушения при кратковременном статическом нагружении и ресурсные испытания при длительном статическом и циклическом нагружении внутренним пневматическим давлением. В процессе испытаний проводился акустико-эмиссионный контроль, а также контроль перемещений и герметичности. Испытания при длительном нагружении проводились при постоянном рабочем давлении. Результаты экспериментальных исследований в целом подтвердили расчетные оценки. При статических испытаниях образцы MCOPV показали высокую прочность с коэффициентом запаса выше требуемого по КД. При циклических испытаниях успешно выдержал предусмотренные нагрузки без образования повреждений и существенных изменений НДС.

References 1. Vasiliev V. V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Blacksburg VA: Ridge Publishing, 2009. 690 p. 2. Holcomb D. E., Cetiner S. M., Flanagan G. F. An Analysis of Testing Requirements for Fluoride SaltCooled High Temperature Reactor Components // ORNL, 2009. TM-2009/297. 73 p. 3. Derewońko A., Gieleta R. Carbon-epoxy composite fatigue strength – experiment and fem numerical estimation // Journal of KONES Powertrain and Transport, 2012. Vol. 19. No. 3. P. 103–110. 4. Prochnost’ konstruktsii pri malotsiklovom nagruzhenii [Strength of Structures under Low-Cycle Loading] / N. A. Makhutov Eds. M. : Nauka, 1983. 271 p. (In Russ.) 5. Composite Overwrap Pressure Vessels: Mechanics and Stress Rupture Lifing Philosophy. Available at: http://hdl.handle.net/2060/20070022369 (accessed: 20.11.2016). © Москвичев В. В., Лепихин А. М., Буров А. Е., 2017

31

Решетневские чтения. 2017

УДК 67.02 НАНЕСЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МДО-ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ РАКЕТ ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ А. Д. Назаренко, М. А. Думаницкий, Т. В. Трушкина Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] В последние годы к магниевым сплавам привлечено повышенное внимание, обусловленное резким расширением их производства и потребления. Магний имеет хорошие удельные характеристики, но обладает низкой коррозионной стойкостью, которую можно повысить посредством обработки микродуговым оксидированием (МДО). Ключевые слова: магниевый сплав, микродуговое оксидирование, удельные характеристики. APPLYING CORROSION-RESISTANT MAO-COATINGS FOR ROCKET ELEMENTS OF MAGNETIC ALLOYS A. D. Nazarenko, M. A. Dumanitskiy, T. V. Trushkina Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] In recent years magnesium alloys are of great attention due to the sharp expansion of their production and application. Magnesium has good specific characteristics, but it has low corrosion resistance, which can be enhanced by microarc oxidizing coating (MAOC). Keywords: magnesium alloy, microarc oxidation, specific characteristics. Магниевые сплавы – идеальный вариант для использования в аэрокосмической технике. Магний является одним из самых легких металлов. Благодаря этому свойству можно значительно сократить вес летательного аппарата. Но основная причина отсутствия распространения магниевых сплавов в аэрокосмической отрасли – их низкая коррозионная стойкость. В настоящее время проблемы коррозии и защиты магниевых сплавов становятся все более актуальными в связи с расширением применения этих сплавов в изделиях, эксплуатирующихся в различных климатических зонах. Надежность и долговечность деталей из магниевых сплавов определяется не только коррозионной стойкостью выбранного сплава, которая в значительной степени зависит от химического состава сплава и технологии плавки, а так же от конструктивной приспособленности деталей к противокоррозионной защите, от способа защиты, от качества выполнения операций противокоррозионной защиты, от применения в сборочных единицах допустимых к контактированию материалов, от выполнения противокоррозионных мероприятий в процессе эксплуатации [1]. Для повышения противокоррозионного свойства сплава был выбран метод микродугового оксидирования. Микродуговое оксидирование (МДО) – это процесс получения защитных покрытий на поверхности электропроводящего материала, погруженного в электролит. Процесс проходит в высоковольтном режиме, обеспечивающем наличие микродуговых разрядов, которые перемещаются по поверхности материала при анодной поляризации [2].

Для разработки технологического процесса нанесения защитных покрытий был выбран сплав на основе магния МЛ-6, включающий в себя так же алюминий, марганец и цинк. Обладает пониженной пластичностью. Так же сочетает в себе высокие механические и технологические свойства. Из этого сплава изготовляют детали летательных аппаратов, детали колес, детали управления и крыла самолета, корпусы агрегатов, маслопомпы, высоко- и средненагруженные детали – различные корпуса, детали приборов, аппаратуры. Целесообразно применять для деталей, требующих повышенного предела текучести [3]. Для экспериментов было выбрано три электролита: Na2SiO3 + NaF + NaOH, Na2SiO3 + NaF и Na2SiO3 + NH4F + NaOH [5]. Для их подробного изучения были подобраны параметры, представленные в табл. 1. Для проведения ускоренных испытаний на коррозию, в условиях морской воды, было заготовлено 10 образцов. Предварительно образцы были взвешены. Результаты представлены в табл. 2. Образцы после коррозионных испытаний представлены на рисунке. Из проведенных исследований можно сделать вывод, что образцы, полученные в электролите Na2SiO3 + NaF + NaOH, имеют меньшую потерю массы. Исследование поверхности образцов на оптическом микроскопе показало, что при увеличении соотношения тока размеры и количество пор на покрытии уменьшается. Дальнейшее исследование будет направлено на более подробное изучение технологии получения покрытий в данном электролите. 32

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты Таблица 1 Параметры эксперимента Состав электролита Na2SiO3 + NaF + NaOH Na2SiO3 + NaF Na2SiO3 + NH4F + NaOH

Соотношение Ik / Ia

Плотность тока

Время обработки

0,6; 0,8; 1

55,5 А/дм2

10 минут

Таблица 2 Результат коррозионных испытаний Покрытие Na2SiO3 + NaF + NaOH Na2SiO3 + NaF Na2SiO3 + NH4F + NaOH Без покрытия

№ обр.

Iк + Iа

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1

1 0,8 0,6 1 0,8 0,6 1 0,8 0,6

Масса до испытаний (г) 0,78480 0,77998 0,84504 0,76146 0,79592 0,75806 0,82290 0,77976 0,81118 0,68716

Масса после испытаний (г) 0,78302 0,77176 0,82908 0,68004 0,71568 0,69780 0,79676 0,75890 0,78922 0,66396

Уменьшение массы –0,22 % –1,05 % –1,88 % –10,69 % –10,08 % –7,94 % –3,17 % –2,67 % –2,7 % –3,37 %

Образцы после коррозионных испытаний

Библиографические ссылки

References

1. Елкин Ф. М. Актуальные проблемы металловедения, производства и применение магниевых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. № 1. С. 5–18. 2. Микродуговое оксидирование магниевых сплавов и композитов на их основе / А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин, Б. Л. Крит и др. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). 2013. Т. LVII. № 6. С. 107–131. 3. Морская коррозия : справ. изд. ; пер. с англ. / под ред. М. М. Шумахера. М. : Металлургия, 1983. 512 с.

1. Elkin F. M. Actual problems of metal science, production and use of magnesium alloys // Technology of light alloys. 2007. № 1. Р. 5–18. 2. Microarc oxidation of magnesium alloys and composites based on them / A. V. Eppelfeld, V. B. Ludin, B. L. Crete et. al. // Ros. chem. f. (Zh. M., D. of the Chemical Society named after D. I. Mendeleyev). 2013. Vol. LVII, № 6. Р. 107–131. 3. Marine Corrosion: Ref. ed. Trans. with eng. / Ed. M. M. Schumacher. M. : Metallurgy, 1983. 512 p. © Назаренко А. Д., Думаницкий М. А., Трушкина Т. В., 2017

33

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.78 АНАЛИЗ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА СОЛНЕЧНО-СИНХРОННЫХ ОРБИТАХ Т. С. Павленко, С. С. Щесняк АО «Научный центр прикладной электродинамики» Российская Федерация, 190103, г. Санкт-Петербург, Рижский просп., 26 E-mail: [email protected] Рассмотрены различные конструкции корпуса малого космического аппарата, находящегося на солнечносинхронной орбите Земли, проанализировано влияние конструкции корпуса и расположения элементов на стойкость к внешним воздействующим факторам, проведена оценка поглощенной дозы. Ключевые слова: солнечно-синхронная орбита, поглощенная доза, малые космические аппараты, моделирование. ANALYSIS OF RADIATION RESISTANCE OF SMALL SPACECRAFT ON SUN-SYNCHRONOUS ORBITS T. S. Pavlenko, S. S. Schesnyak Scientific Centre of Applied Electrodynamics, Ltd. 26, Rizhsky Av., Saint-Petersburg, 190103, Russian Federation E-mail: [email protected] The research considers different body designs of a small spacecraft located on sun-synchronous orbit of the Earth, the effect of the body design and arrangement of elements for resistance to external influencing factors, the research evaluates the absorbed dose. Keywords: Sun-synchronous orbit, absorbed dose, small spacecraft, modeling. Одним из наиболее перспективных направлений в проектировании и электронике является разработка малых космических аппаратов (КА). Не высокие весовые и габаритные размеры позволяют значительно снизить затраты на запуск таких КА. Однако в условиях импортозамещения использование зарубежных радиационно-стойких комплектующих накладывает ограничение на их применение в современных малых КА – наноспутниках (весом от 1 до 10 кг). Поэтому является актуальной задача оценки и прогнозирования радиационной стойкости внешней оболочки (защиты), препятствующей прохождению заряженных частиц космического пространства и защищающей электронные компоненты КА. Использование наноспутников на малых (до 1000 км) солнечносинхронных орбитах позволит улучшить качество навигации транспортных морских судов, а также позволит более точно исследовать необходимые участки местности. Объектом исследования являлись малые КА, находящиеся на солнечно-синхронной орбите со следующими параметрами: 1) срок активного существования 5 лет; 2) наклонение 70°; 3) перигей 800 км; 4) апогей 810 км. Масса КА определялась из условий проектирования аппарата – не более 10 кг. Корпуса аппаратов рассматривались в форме куба и шестиугольной призмы из алюминиевых сплавов. Моделирование параметров орбиты и дозовых нагрузок проводилось с использованием программного

пакета OMRE и SRIM. По результатам оценки весовых параметров корпуса относительно веса всей конструкции спутника установлено, что одним из наиболее оптимальных вариантов корпуса для малого КА весом в среднем до 10 кг является использование корпуса из алюминия (алюминиевых сплавов) в форме шестиугольной призмы с гранью не более 300 мм при максимальной толщине не более 3,5 мм. Данный размер и толщина грани обеспечивает вклад в массу всего КА не более 67 %. Однако при выборе толщины грани в 3,5 мм необходимо более детально продумывать состав комплектующих изделий аппарата, масса которых не должна превышать требуемой массы. В случае проектирования малого космического аппарата в форме куба с гранью не более 300 мм при максимальной толщине не более 3,5 мм масса корпуса составит 51 %, однако объем такой конструкции будет в 2,6 раз меньше, относительно шестиугольной призмы. В случае использования корпуса КА с толщиной стенки не более 1 мм, вклад веса корпуса составит не более 21 % при выборе конструкции в виде шестиугольной призмы и не более 29 % при выборе конструкции корпуса в виде формы куба. Использование толщины стенки не более 1 мм позволяет значительно снизить весовые характеристики аппарата, но усиливает влияние внешних воздействующих факторов на электронные компоненты. По результатам моделирования установлено, что при выбранном сроке активного существования при 34

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

использовании стандартной толщины защиты 1 мм суммарная поглощенная доза от всех видов излучения космического пространства составит в среднем 80 кРад. На основании литературных данных для бесперебойного функционирования суммарная поглощенная доза не радиационно-стойких электронных компонент КА не должна превышать 10 кРад [1]. Поэтому использование стандартной толщины защиты из алюминиевых сплавов не позволит надежно защитить компоненты спутников. Использование защиты толщиной 2 мм позволяет снизить поглощенную дозу почти в три раза в среднем до 29 кРад. Однако выбор толщины защиты 2 мм задает значительную прибавку веса малого КА. Также установлено, что при отсутствии требований к весовым характеристикам использование толщины защиты до 3,5 мм позволяет с высокой вероятностью защитить электронные компоненты КА и снизить поглощенную дозу при выбранном сроке активного существования 5 лет. В случае проектирования КА с солнечными панелями на гранях корпуса из алюминиевого сплава толщиной 2 мм и расположением аккумуляторных батарей с внутренней стороны, обеспечивается дополнительная защита электронных компонент от ионизирующего излучения. На рис. 1 и 2 приведена, рассчитанная с помощью программы SRIM, траектория прохождения протонов через элементы КА. Рассматривался случай падения частиц в горизонтальной плоскости.

Как видно по результатам моделирования, доля частиц (протонов) с энергией 30МэВ снижается при прохождении через солнечную батарею и задерживается в корпусе аппарата. При отсутствии солнечных панелей на корпусе основная доля частиц задерживается аккумуляторной батареей, которая выступает в качестве дополнительной защиты от ионизирующего излучения для электронных компонент аппарата. Однако, доля прошедших частиц, вызывающих необратимые изменения в структуре батареи, значительно увеличивается.

Рис. 2. Прохождение протонов с энергией 30 МэВ через корпус, аккумулятор и солнечную батарею

Исследованные закономерности поглощенной дозы КА, параметров орбиты и комплектации элементов аппарата свидетельствуют о том, что необходимо учитывать как параметры орбиты выводимых спутников, так и толщину, форму, а также расположение элементов аппаратов, увеличивая их срок службы. Библиографическая ссылка 1. Белоус А. И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника. Кн. 2. М. : Техносфера, 2015. 488 с. Reference 1. Belous A., Solodukha V., Shvedov S. Electronics Space. Book 2. M. : Tekhnosfera, 2015. 488 p.

Рис. 1. Прохождение протонов с энергией 30 МэВ через корпус и аккумулятор

© Павленко Т. С., Щесняк С. С., 2017

35

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.7.028.4 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ А. С. Павлов, Г. А. Павлова АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Рассматривается новая технология монтажа высокочастотных кабелей с использованием кронштейнов револьверного типа, позволяющая повысить надежность и ремонтопригодность БКС. Ключевые слова: технология, револьверный кронштейн, усовершенствование, ремонтопригодность. IMPROVING TECHNOLOGY TO MOUNT HIGH-FREQUENCY BOARD CABLE NETWORK OF MODERN SPACECRAFT A. S. Pavlov, G. A. Pavlova JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation The research considers a new technology to install high-frequency cables using revolver-type brackets, which makes it possible to increase the reliability and maintainability of the on-board cable network. Keywords: technology, revolver-type bracket, improvement, maintainability. С момента начала создания первых космических аппаратов и по настоящее время технология изготовления КА неоднократно видоизменялась и усовершенствовалась. Развивалось материаловедение, внедрялись новые технологии изготовления и применения материалов. Технология прокладки высокочастотной БКС не претерпела больших изменений, а вот качество самих кабелей и требования к их монтажу изменились существенно. На данный момент прокладку кабелей в отрасли космического машиностроения регламентирует ОСТ92-8730-82. Прокладка кабелей идущих по одной трассе осуществляется путем формирования кабелей в общие жгуты и фиксации их к элементам конструкции (рис. 1), либо к специальным кронштейнам и скобам.

Современные высокочастотные кабели передают сигналы частотой 40 ГГц и более, и даже незначительное механическое воздействие на оболочку кабеля может повлиять на частотные характеристики. Таким образом, формирование ВЧ-кабелей в общие жгуты уже оказывает влияние на конечные характеристики. Также при необходимости замены одного из кабелей из состава общего кабельного жгута необходимо произвести разборку всего жгута, что может отрицательно сказаться на частотных характеристиках соседних кабелей. Для устранения рисков повреждения ВЧ-кабелей предлагается внедрить кронштейны револьверного типа (рис. 2), позволяющие осуществлять монтаж и демонтаж кабеля независимо от соседних кабелей, сформированных в одном жгуте.

Рис. 1. Применяемая технология монтажа ВЧ-кабелей

36

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Рис. 2. Револьверный кронштейн

Рис. 3. Предлагаемый вариант прокладки ВЧ кабелей

Револьверный кронштейн монтируется на кабельную стойку подкрепления в центральное отверстие стойки, до конца фиксации кабелей кронштейн можно поворачивать на 360о вокруг своей оси, тем самым изменяя направление трассы в любом требуемом направлении согласно КД. Кабели, предварительно защищенные изоляционным материалом, укладываются в каналы кронштейна без зазора, далее кабели фиксируются ремнем типа ВАЯП8.844.003-01 обхватывая весь кронштейн по периметру. От сползания ремень фиксируется с одной стороны ребром кронштейна с другой стороны кабельной стойкой (рис. 3). При затяжке ремня обеспечивается плотное примыкание стойки к пазам во внутренних боковых стенках кронштейна, тем самым положение кронштейна фиксируется в заданном положении. При необходимости более жесткой фиксации кронштейна возможно нанесения клея типа ВК-9 на ось, вставляемую в трубку стойки подкрепления кабеля. В качестве примера рассмотрен кронштейн под шесть ВЧ кабелей, монтируемый на кабельную стойку подкрепления, в действительности, кронштейн можно видоизменить под любое количество кабелей, также можно изменить основание кронштейна для монтажа его не на стойку, а на плоскую поверхность (сотопанель, плита и т. д.). В качестве выбора материала предлагается применить Полиамид 610 литьевой, предназначенный для изготовления литьем под давлением различных изделий конструкционного и электроизоляционного назначения [1], активно применяющийся в космической отрасли и имеющий летную квалификацию.

Представленный револьверный кронштейн и фрагмент монтажа ВЧ-кабелей был импортирован и проанализирован в среде Femap with NX Nastran, которая позволяет для разработанной или импортированной из любой САПР-программы выполнять линейный и нелинейный анализы при статическом нагружении, определять собственные формы колебаний, производить динамический и частотный, тепловой и термопрочностной анализы конструкции, в том числе при случайном характере нагрузок, осуществлять расчет на общую и местную упругую устойчивость, оптимизировать параметры конструкции на заданной системе ограничений [2]. Предложенная технология повысит качество монтажа ВЧ-кабелей и его ремонтопригодность на стадии наземных испытаний. Библиографические ссылки 1. ГОСТ 10589–87. Полиамид 610 литьевой. М., 1987. 2. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/ NASTRAN for Windows. М. : ДМКПресс, 2001. 448 с. (Сер. Проектирование). References 1. GOST 10589–87 Polyamide 610 molding. M., 1987. 2. Shimkovich D. G. Calculation of structures in MSC/NASTRAN for Windows. М. : DMKPress, 2001. 448 p. (Ser. Designing). © Павлов А. С., Павлова Г. А., 2017

37

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.78.051.076.6 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДРАКОНИЧЕСКОГО ПЕРИОДА ОБРАЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА «ГОНЕЦ-М» В. Н. Подолякин, Д. Н. Шмаков, И. К. Коловский* АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 * Е-mail: [email protected] Исследуется принцип изменения драконического периода обращения космического аппарата (КА) «Гонец-М». В результате исследования выявлена уникальная особенность поведения периода обращения КА «Гонец-М» № 37152 (номер из базы данных NORAD) относительно других КА орбитальной группировки «Гонец-М». Обнаруженная особенность периода обращения будет актуальна при коррекции орбиты КА. Ключевые слова: круговая орбита, космический аппарат, параметры орбиты «Гонец-М», драконический период обращения, амплитуда колебаний, долгопериодическая составляющая драконического периода обращения. RESEARCH OF THE REVOLUTION OF THE DRACONIC NODAL PERIOD OF THE SPACECRAFT “GONETS-M” V. N. Podolyakin, D. N. Shmakov, I. K. Kolovsky* JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: [email protected] This article describes the revolution of the draconic nodal period of the spacecraft «Gonets-M». As a result of research and comparison with other spacecrafts from the «Gonets-M» the orbital group has got a unique feature of the spacecraft “Gonets-M” № 37152 nodal period (number from the datebase NORAD). This detected feature of the nodal period can be useful for the space orbit correction. Keywords: circular orbit, spacecraft, orbital parameters of “Gonets-M”, draconic nodal period, amplitude of oscillation, long-period component of draconian nodal period. При движении КА по орбите значение драконического периода обращения Тдр под действием второй зональной гармоники гравитационного поля Земли испытывает изменение. Возмущение Tдр представляет собой совокупность вековой составляющей и долгопериодической составляющей [1]. Данное возмущение следует учитывать при расчете коррекций орбиты КА. Для выявления колебания драконического периода обращения Тдр рассмотрим три КА орбитальной группировки (ОГ) «Гонец-М» № 37152, № 38736 и № 38734 (с высотой орбиты 1500 км и наклонением 82,5°), которые находятся в одной орбитальной плоскости. На рисунке по информации из БД NORAD [2] приведено изменение драконического периода обращения КА № 37152, № 38736 и № 38734 в течение 10–12 месяцев, начиная с июня 2016 года. Анализ векового изменения периода обращения Тдр у всех трех КА «Гонец-М» показывает, что величина Тдр у каждого КА за период 01.06.2016 – 01.06.2017 г. уменьшилась в среднем на ~ 0,04 с. Рассмотрев подробнее рис. 1, можно отметить, что в драконическом периоде КА «Гонец-М» № 37152 произошло существенное снижение величины амплитуды долгопериодической составляющей.

Характер изменения периода обращения с течением времени стал более плавным. Разница в изменениях величины Тдр у КА № 37152 и Тдр других КА ОГ объясняется воздействием долгопериодических возмущений. Долгопериодическая составляющая порождается долгопериодическими колебаниями драконического периода, которые имеют амплитуду [3] АТ = 3·C2,0·(Rэ/a)2·Tдр·(2 – (5·sin2(i))/2)·e,

(1)

где С2,0 = –1082,627·10–6 – безразмерная постоянная, характеризующая форму Земли; е – эксцентриситет орбиты; Rэ = 6378,16 км – экваториальный радиус Земли [4]; a = 7878,16 км – большая полуось орбиты; Tдр = 6955,0 с – начальное значение драконического периода обращения рассматриваемого КА; i = 82,5° – наклонение плоскости орбиты. В рассматриваемом случае долгопериодические колебания драконического периода (Тдр)dk на момент прохождения экватора на витке принимают следующий вид [3] (Тдр)dk = –АТ·cos(w),

(2)

где w – значение аргумента перигея орбиты на витке. 38

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Изменение Тдр КА № 37152, КА № 38736 и КА № 38734

Таблица 1 Результаты ИТНП КА № 37152, 38736, 38734 Дата 04.06.16 06.07.16 06.11.16 06.03.17 07.07.17

КА № 37152 e 0,0010284 0,0011624 0,0009379 0,0012092 0,0012199

w, ° 67,778 73,497 73,050 61,417 75,115

Дата 29.06.16 22.09.16 16.11.16 17.03.17 17.07.17

КА № 38736 e 0,0015911 0,0010319 0,0028615 0,0011888 0,0019047

w, ° 327,809 238,830 107,508 197,741 349,824

Дата 29.06.16 21.08.16 26.11.16 27.03.17 05.05.17

КА 38734 e 0,0030670 0,0017654 0,0028563 0,0014133 0,0027339

w, ° 69,888 177,554 91,390 163,996 99,380

Таблица 2 Результаты расчета АТ, (Тдр)dk по данным ИТНП КА № 37152 Дата 04.06.16

e 0,0010284

w, ° 67,778

АТ 0,00699

06.07.16 06.11.16 06.03.17 07.07.17

0,0011624 0,0009379 0,0012092 0,0012199

73,497 73,050 61,417 75,115

0,00790 0,00638 0,00822 0,00830

0,007–0,021 с, а по формуле (2) величина (Тдр)dk изменяется по абсолютному значению от 0,007 до 0,013. Изменение АТ при движении КА «Гонец-М» № 37152 по орбите осуществляется иначе (см. рисунок). Для проверки этого воспользуемся значениями из табл. 1, полученными по результатам ИТНП, и используем формулы (2), (3) для расчетов АТ, (Тдр)dk (см. табл. 2). Сравнивая полученные результаты параметра (Тдр)dk из табл. 2 со значениями на графике реальных наблюдений Tдр (см. рисунок), отмечаем, что в обоих случаях полуразмах долгопериодических колебаний

Подставив перечисленные выше значения в формулу (1) получаем, что АТ = 6,8·e.

(Тдр)dkс –0,00265 –0,00225 –0,00186 –0,00394 –0,00214

(3)

Обратимся к полученным измерениям текущего навигационного положения (ИТНП), чтобы вычислить АТ у рассматриваемых КА «Гонец-М» (табл. 1). По данным ИТНП эксцентриситет орбит КА № 38736 и 38734 орбитальной группировки «Гонец-М» изменяется в пределах 0,001 – 0,003. А аргумент перигея w меняется от 0° до 360°. Следовательно, в соответствии с формулой (3) АТ имеет значение 39

Решетневские чтения. 2017

3. Назаренко А. И., Скребушевский Б. С. Эволюция и устойчивость спутниковых систем. М. : Машиностроение, 1981. 284 с. 4. Чернявский Г. М., Бартенев В. А. Орбиты спутников связи. М. : Связь, 1978. 240 с. 5. Балк М. Б. Элементы динамики космического полета. М. : Наука, 1965. 340 с.

периода Тдр по абсолютному значению составляет около 0,001 с. В табл. 1 эксцентриситет КА № 37152 меняется от 0,0009 до 0,0012, а w меняется от 60–76°, таким образом АТ изменяется от 0,007 – 0,008 с. Данная особенность в поведении АТ с течением времени появляется из-за того, что параметры орбиты e и w стали меняться в пределах ограниченного диапазона. Подтверждение данной гипотезы следует осуществить на дальнейших этапах исследования [4; 5]. Выявленная особенность изменения Тдр КА «Гонец-М» № 37152 может способствовать повышению точности расчета параметров коррекций орбиты, что будет актуальным в условиях увеличения численности орбитальной группировки.

References 1. Elyasberg P. E. [Introduction to the theory of flight satellite]. Ed. 2-nd M. : Knijnyi dom “LIBROKOM”, 2011. 544 p. 2. The electronic database of North American Aerospace Defense Command (NORAD), Available at: https://www.space-track.org (accessed: 18.07.2017). 3. Nazarenko A. I., Skrebushevsky B. S. [Evolution and stability of satellite systems]. M. : Mashinostroenie, 1981. 284 p. 4. Cherniavsky G. M., Bartenev V. A. [The Orbit of communication satellites]. M. : Svyaz, 1978. 240 p. 5. Balk M. B. [Elements of the dynamics space flight]. M. : Nauka, 1965. 340 p.

Библиографические ссылки 1. Эльясберг П. Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. 2-е изд. М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. 544 с. 2. Электронная база данных командования воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD) [Электронный ресурс]. URL: https://www. space-track.org (дата обращения: 01.06.2017).

© Подолякин В. Н., Шмаков Д. Н., Коловский И. К., 2017

40

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.7 МИНИМИЗАЦИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПРИ МОНТАЖЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ НЕУПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ М. С. Руденко, П. А. Орлин, А. С. Тимохович, С. А. Зоммер, Е. М. Борисова Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected] Рассмотрены дефекты, которые могут возникнуть при монтаже стабилизатора к корпусу модели ракеты, и методы предотвращения их возникновения. Ключевые слова: модель ракеты, стабилизатор, запас устойчивости, стапель. MITIGATION OF DEFECTS DURING INSTALLATION STABILIZERS OF UNDECLEARD ROCKETS M. S. Rudenko, P. A. Orlin, A. S. Timohovich, S. A. Zommer, E. M. Borisova Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected] The article considers the defects that can arise while installing the stabilizer to the body of rocket model and methods to prevent their occurrence. Keywords: rocket model, stabilizer, static stability, slipway. В космонавтике и ракетной техники актуальной проблемой является точность сборки и минимизация возникновения дефектов механических соединений, обеспечивающих надежность аппарата [1]. Также данная проблема часто встречается в ракетомоделизме. В основном она связана с монтажом стабилизатора к корпусу ракеты. Стабилизатором называют аэродинамическую поверхность, служащую для обеспечения продольной и путевой балансировки, а в некоторых случаях и для управляемости ракеты [2]. В данной статье мы рассматриваем стабилизаторы, которые увеличивают продольную устойчивость. Обычно они устанавливаются на неуправляемых ракетах или на стартовых ускорителях, например, зенитная управляемая ракета В-750 [3]. Важнейшей характеристикой неуправляемой ракеты является запас устойчивости, который обеспечивается наличием стабилизаторов в хвостовой части. Очевидно, запас устойчивости ракеты зависит от того, насколько правильно выбрана площадь поверхности стабилизаторов [4]. Существует большое количество форм и размеров стабилизаторов. При монтаже стабилизатора могут возникнуть следующие проблемы: 1. Несовпадение плоскости стабилизатора с осью корпуса ракеты (рис. 1). Видно, что стабилизатор отклонен на расстояние Х. При небольшом значении этого расстояния, его влияние на запас устойчивости ракеты будет минимальным. 2. Поворот плоскости стабилизатора на некоторый угол (рис. 2). В данном случае центр давления приближается к центру масс, что уменьшает запас устойчивости.

3. Поворот плоскости стабилизатора относительно продольной плоскости корпуса (рис 3.). Во-первых, данная проблема приводит к уменьшению запаса устойчивости. Во-вторых, во время полета ракета начнет вращаться, но с другой стороны этим моментом можно и стабилизировать ее полет, если угол наклона будет не слишком большой, в этом случае у ракеты увеличится аэродинамическое сопротивление.

Рис. 1. Несовпадение плоскости стабилизатора с плоскостью корпуса ракеты

Рис. 2. Поворот плоскости стабилизатора на некоторый угол

41

Решетневские чтения. 2017

4. Нижние кромки стабилизаторов не лежат в горизонтальной плоскости (рис. 4) . Это приводит к дестабилизации ракеты во время полета. Так же на стартовом столе продольная ось ракеты будет отклоняться от нормали.

Библиографические ссылки 1. Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов / А. С. Чумадин, В. И. Ершов, К. А. Макаров и др. М. : Инфра-М, 2008. С. 327. 2. Горский В. А., Кротов И. В. Ракетное моделирование. Методическое руководство для внешкольной и внеклассной работы по ракетно-космическому моделированию. М. : Изд-во ДОСААФ, 1973. 99 с. 3. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс]. URL: http://www.russianarms.ru/forum/ index.php?topic = 8814.0 (дата обращения: 10.09.2017). 4. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет. М. : Мир, 1978. 215 с. 5. Савченко А. М. Development of the building berth // Актуальные проблемы современной науки : сб. тез. науч. тр. XХI Междунар. науч.-практ. конф. (29 июня 2017, г. Санкт-Петербург–Астана–Киев– Вена) / Международный научный центр. 2017. С. 59–62.

Рис. 3. Поворот плоскости стабилизатора относительно продольной плоскости корпуса

References 1. Osnovy avia- i raketostroenija [Air and rocket science bases] / A. S. Chumadin, V. I. Ershov, K. A. Makarov. М. : Infra-M, 2008, 327 p. 2. Gorskiy V. A., Krotov I. V. Raketnoe modelirovanie. Metodicheskoe rukovodstvo dlya vneshkolnoi i vneklassnoi raboti po raketno-kosmicheskomu modelirovaniyu [Rocket modeling. Methodological guide for afterschool and extracurricular work on rocket-space modelling]. М. : Izd-vo DOSAAF, 1973, 99 p. 3. Electronic textbook StatSoft. Available at: http://www.russianarms.ru/forum/index.php?topic=8814.0 (accessed: 10.09.2017). 4. Jel'shtejn P. Konstruktoru modelej raket. [To rocket model builder]. M. : Mir, 1978, 215p. 5. Savchenko A. M. Development of the building berth // Aktual’nye problemy sovremennoj nauki: sbornik tezisov nauchnyh trudov XXI Mezhdunarodnoj nauchnoprakticheskoj konferencii [Actual problems of modern science: a collection of theses of scientific works of the XXI International Scientific and Practical Conference]. St. Petersburg–Astana–Kiev–Vienna, 2017. P. 59–62.

Рис. 4. Нижние кромки стабилизаторов не лежат в горизонтальной плоскости

Все рассмотренные случаи были взяты с той оговоркой, что и стабилизатор и корпус были сделаны идеально. В случае изготовления деталей из композитных материалов кустарным способом достаточно трудно обеспечить точность технологического процесса. Проблемы, возникающие при этом, требуют более глубокого анализа и не рассматриваются в данной статье. Стоит признать, что большинство дефектов возникаю из-за человеческого фактора и отсутствия оснастки. Для решения вышеуказанных проблем, мы предлагаем использовать стапель [5]. Стапель фиксирует стабилизатор и корпус относительно друг друга, что позволяет минимизировать влияние человеческого фактора, тем самым уменьшая вероятность возникновения дефекта.

© Руденко М. С., Орлин П. А., Тимохович А. С., Зоммер С. А., Борисова Е. М., 2017

42

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 539.3 ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПИЦЫ ЗОНТИЧНОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ИЗГИБНОЙ ЖЕСТКОСТИ М. А. Рутковская Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected] Рассматривается задача выбора геометрических параметров тонкостенной спицы большой космической зонтичной антенны, обеспечивающих максимальную изгибную жесткость при сохранении заданной массы. Ключевые слова: трансформируемые конструкции, зонтичная антенна. OPTIMAL CHOICE OF DESIGN PARAMETERS OF THE THIN-WALLED COMPOSITE SPOKE TO REACH MAXIMAL BENDING STIFFNESS M. A. Rutkovskaya Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected] The research considers the problem of the geometrical parameters selection for the thin-walled spoke of umbrellatype antenna to reach maximal bending stiffness keeping predetermined mass. Keywords: deployable structures, umbrella-type antenna. Основными видами деформирования спицы являются изгиб в плоскости zoy и изгиб в плоскости zox. Изгиб в плоскости zoy происходит при нагружении спицы силами, возникающими в процессе натяжения сетеполотна. Натяжение сетеполотна является основным расчетным случаем для спицы зонтичной антенны. Поэтому жесткость спицы при изгибе в плоскости zoy должна быть больше жесткости спицы при изгибе в плоскости zox. Поперечное сечение постоянной толщины не является оптимальным для достижения максимальной жесткости при заданной массе. В работе предлагается изменить форму поперечного сечения спицы за счет использования участков различной толщины, чтобы увеличить изгибную жесткость тонкостенной спицы зонтичной антенны с сохранением заданной массы конструкции (рис. 2). Немаловажным обстоятельством является и то, что подобная конструкция технологически реализуема.

Большие развертываемые параболические антенны широко используются в системах спутниковой связи. Наибольшее распространение среди таких систем получили конструкции зонтичного типа с радиальными спицами-ребрами, соединенными одним концом с основанием (рис. 1).

а

б

Рис. 1. Зонтичная антенна со спицами с круглым поперечным сечением: а – в развернутом положении; б – в стартовом положении

Спицы являются основными несущими элементами зонтичной антенны. Они должны обладать изгибной жесткостью, достаточной для раскрытия антенны и натяжения сетеполотна как при орбитальной эксплуатации, так и при наземных испытаниях конструкции. Существует несколько подходов к конструктивному оформлению спиц зонтичной антенны [1–4]. Наиболее технологичным способом изготовления тонкостенной спицы является намотка, при которой лента из однонаправленного композиционного материала укладывается слой за слоем на цилиндрическую оправку под углом +φ к продольной оси. При большом числе тонких, чередующихся слоев с углами + φ и –φ структуру стенки спицы можно считать однородной и ортотропной.

Рис. 2. Общий вид спицы с переменным сечением

Свяжем продольную ось спицы, проходящую через центры поперечных сечений с координатой z, отсчитываемой от основания и отнесем поперечное сечение спицы к системе координат xoy (рис. 3). Для сохранения заданной массы конструкции необходимо обеспечить равенство площадей поперечного сечения 43

Решетневские чтения. 2017

рассматриваемых спиц (рис. 3, 4), что может быть достигнуто за счет использования поперечного сечения, показанного на рис. 2.

Определим изгибные жесткости поперечного сечения спицы. Расчет тонкостенного стержня с замкнутым контуром поперечного сечения осуществляется на основе гипотез балочной теории, согласно которым поперечное сечение не деформируется и при изгибе поворачивается как жесткий диск. В рамках балочной теории [5] изгибные жесткости поперечного сечения в плоскостях zoy и zox определяются следующим образом

Для верификации полученных результатов был проведен модальный анализ спиц методом конечных элементов. Спицы, выполнены из углепластика со следующими характеристиками: модуль упругости – 100 ГПа, коэффициент Пуассона – 0,3, плотность – 1500 кг/м3. Внутренний диаметр спицы 200мм, длина 6м, толщина гладкого поперечного сечения t = 2 мм. Спица с переменным поперечным сечением имеет параметры, определяемые по выше приведенным формулам: угол β1 равен 59°, толщина t1 = 4 мм и t2 = 1 мм. Первая частота спицы с гладким поперечным сечением равна 233,91 Гц, а спицы с переменным сечением равна 332,34 Гц. В результате расчета видно, что жесткость спицы с переменным сечением значительно увеличилась по сравнению со спицей с гладким поперечным сечением. Отношение полученных частот дает жесткостной параметр = 1,42. Верификация полученных результатов показала хорошую сходимость с теоретическими выводами. Таким образом, полученные формулы позволяют оценить изгибную жесткость поперечного сечения спицы зонтичной антенны в том случае, когда его толщина меняется ступенчато.

Dx = v∫ B11 y 2 ds , Dy = v∫ B11 x 2 ds .

Библиографические ссылки

Рис. 3. Спица с гладким поперечным сечением

Рис. 4. Спица с переменным поперечным сечением

(1)

Здесь s – контурная координата, которая вычисляется по формуле s = Rβ, соответственно ds = Rdβ Величина В11 обозначает жесткость стенки спицы при растяжении или сжатии в осевом направлении. (2) y = R cos β , x = R sin β .

1. Akira M. In-orbit deployment performance of large satellite antennas // J. Spacecraft and Rockets, 1996. № 33. № 2. C. 222–227. 2. Lai C.-Y., Pellegrino S. Deployable membrane reflectors with offset configuration // AIAA Pap. 1999. № 1477. C. 1–9. 3. Pellegrino S. Deployable membrane reflectors // In Proc. 2nd World Engineering Congress. 22–25 July. 2002. Sarawak, Malaysia. C. 1–9. 4. Лопатин А. В., Рутковская М. А. Моделирование сетчатой спицы зонтичной параболической антенны // Наука. Промышленность. Оборона : материалы Рос. науч.-техн. конф. Новосибирск, 2003. С. 13–14. 5. Vasiliev V. V. Mechanics of Composite Structures. Taylor & Francis, 1993. 517c.

Для спицы с поперечным сечением, показанной на рис. 4, выражение для изгибной жесткости поперечного сечения в плоскости zoy примет вид β1 2

Dx = 2 R ( A11t1 ∫ cos βd β + A11t2 3

2

0

β1 β +β2 + 1 2 2

+ A11t1

∫

β1 +β2 2

∫

cos 2βd β +

β1 2

cos 2βd β) ,

(3)

β1 +β2 2

References

где β2 = π-β1 После некоторых преобразований (3) получим следующее выражение

Dx = A11R3 (t1 (β1 + sin β1 ) + t2 (π − (β1 + sin β1 ))) .

1. Akira M. In-orbit deployment performance of large satellite antennas // J. Spacecraft and Rockets, 1996. № 33. № 2. P. 222–227. 2. Lai C.-Y., Pellegrino S. Deployable membrane reflectors with offset configuration // AIAA Pap. 1999. № 1477. P. 1–9. 3. Pellegrino S. Deployable membrane reflectors. // In Proc. 2nd World Engineering Congress. 22–25 July. 2002. Sarawak, Malaysia. P. 1–9. 4. Lopatin А. V., Rutkovskaya М. А. [Modeling meshed spoke of parabolic umbrella-type antenna] // Мaterialy Ros. nauch.-tech. konf. “Nauka. Promishlennost. Oborona” [Materials Russian Scientific-Technical Conf “Science. Industry. Defense”. Novosibirsk, 2003. P. 13–14. (In Russ.) 5. Vasiliev V. V. Mechanics of Composite Structures. Taylor & Francis, 1993. 517 p.

(4)

С учетом равенства площадей поперечных сечений двух рассматриваемых спиц, получим выражения для изгибной жесткости спицы с гладким поперечным сечением D и сечением с переменной толщиной Dx

D = A11R3t2 (π +β1 (α −1)) , Dx = A11 R3t2 ((α − 1)(β1 + sin β1 ) + π) ,

(5)

где α = t1/t2 Отношения изгибных жесткостей можно записать в виде D sin β1 . (6) η = x = 1+ π D β1 + α −1

© Рутковская М. А., 2017

44

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 621.396.969.33 СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ОБЪЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ МОРСКИХ СУДОВ Д. Н. Сурин1*, П. И. Добак2, Д. О. Королев1, С. О. Паздерин1 1

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2 АО «Красноярский электровагоноремонтный завод» Российская Федерация, 660021, г. Красноярск, ул. Профсоюзов, 39 * E-mail: [email protected] Предложен способ объективного контроля местоположения морских судов с применением низкоорбитальной спутниковой системы, определены параметры системы для реализации разностно-дальномерного метода. Ключевые слова: разностно-дальномерный метод, погрешность определения координат, погрешность определения момента прихода сигнала. OBJECTIVE CONTROL SATELLITE SYSTEM OF MARINE SHIPS' LOCATION D. N. Surin1*, P. I. Dobak2, D. O. Korolev1, S. O. Pazderin1 1

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2 Krasnoyarsk Electric Railway Carriage Repair Plant 39, Profsoyuzov Str., Krasnoyarsk, 660021, Russian Federation * E-mail: [email protected] The research studies a method of objective control of marine ships’ location using low-orbit satellite system. System parameters are defined to implement range-difference method. Keywords: range-difference method, coordinates of estimation error, error in arrival time estimation. На территориях исключительной экономической зоны Российской Федерации остро стоит проблема браконьерства. Системы идентификации не могут в полной мере обеспечить целостный контроль местоположения судов. Для определения соответствия реальных координат и переданных по радиоканалу, актуальной является задача оценки возможности использования системы объективного контроля местоположения морских судов. Использование спутниковой системы пассивного определения координат источников радиоизлучения (ИРИ) на базе малых космических аппаратов (МКА) позволит объективно контролировать местоположение судов, в том числе занимающихся незаконным промыслом. Для осуществления контроля оптимальным является использование радиосигналов аппаратуры Инмарсат, которая в соответствии с Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности должна быть включена на каждом морском судне. Радиосигналы данной системы в малой степени подвержены рефракции при прохождении атмосферы Земли, а также не требуют использования бортовых антенн больших габаритов. Расчет радиолинии канала связи «терминал Инмарсат – МКА», показал, что мощности передатчика терминала достаточно для качественного приема сигналов космическим аппаратом, находящимся на орбите не более 1500 км.

Для определения местоположения ИРИ может быть выбран разностно-дальномерный метод. Данный метод позволяет определить координаты по единичному измерению разности расстояний от источника до разнесенных в пространстве пунктов наблюдения, которая определяется по взаимной временной задержке принятых сигналов [1]. В работе [2] предложен метод вычисления координат на основе линеаризованных уравнений разностно-дальномерного метода. В работах [3–4] для поиска координат источника радиоизлучения предлагается использовать итерационный метод наименьших квадратов. Данный метод позволяет определить координаты источника сигнала в пространстве, используя четыре пункта наблюдения. Для решения задачи на море достаточно трех МКА в предположении, что высота над уровнем моря равна нулю. Ошибка местоопределения ИРИ разностнодальномерным методом зависит как от погрешностей из-за неоднородности трассы распространения радиоволн, так и от аппаратных погрешностей. Для определения параметров спутниковой системы пассивного определения координат ИРИ было проведено исследование зависимости точности расчета положения источника сигнала при различных вариантах расположения космических аппаратов. 45

Решетневские чтения. 2017

При построении модели использовались следующие исходные данные: – точность определения координат пунктов наблюдения (МКА) – 10 метров; – погрешность определения времени прихода – до 0,1 мс; – высота орбиты – от 750 км до 1500 км; – размер базы – от 40 до 120 км. На рисунке представлены графики зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) оценки координат от высоты орбиты МКА при различных размерах базы.

Приведенные параметры баллистического построения системы являются оптимальными с точки зрения минимизации ошибки определения координат ИРИ и обеспечивает погрешность местоопределения не более 3 км. Точность может быть увеличена при учете и компенсации погрешности измерения времени прихода сигналов. Библиографические ссылки 1. Канаков В. А., Горда В. В. Исследование характеристик многопозиционной локационной системы малой дальности для диагностики динамических процессов // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 2. С. 124–134. 2. Оценка координат источника радиоизлучения на основе решения линеаризованной системы уравнений разностно-дальномерного метода / И. В. Гринь, Р. А. Ершов, О. А. Морозов и др. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2014. № 4 (32). C. 71–81. 3. Ворошилин Е. П., Миронов М. В., Громов В. А. Определение координат источников радиоизлучения разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических аппаратов // Доклады ТУСУРа. 2010. № 1 (21). Ч. 2. C. 81–85. 4. Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация. М. : Радио и связь, 1993. 416 с. 5. Спутниковые системы морской навигации. М. : Транспорт, 1987. 200 с.

Зависимость СКО рассчитанных координат от высоты орбиты

Для повышения вероятности обнаружения источника сигнала необходимо обеспечить максимальное время нахождения ИРИ в общей подспутниковой зоне всех КА. Для этого необходимо выбрать наименьший размер базы, удовлетворяющий требованиям по точности определения координат при заданном ограничении на приемные антенны. Для существующей спутниковой системы КОСПАС – САРСАТ, основанной на использовании низкоорбитальных ИСЗ, средняя квадратичная погрешность определения координат радиобуя составляет не более 3 км [5]. Данная величина может быть принята как предел погрешности при вычислении координат проектируемой системой. Согласно графикам, представленным на рисунке, наименьшее СКО измеренных координат от истинных получено при размере базы 120 км и высоте орбиты 850 км. Однако при размере базы 100 км и орбите 1400 км погрешность измерения не превышает допустимую, а зона одновременной радиовидимости увеличивается. С учетом проведенного анализа, для проектируемой спутниковой системы объективного контроля местоположения морских судов на поверхности Мирового океана целесообразно использовать следующие параметры: – высота орбиты: от 1000 до 1400 км; – база в пределах от 100 до 120 км; – количество МКА: 3 ед.; – частотный диапазон: 1626,5–1660,5 МГц.

References 1. Kanakov V. A., Gorda V. V. [Study of characteristics of a short-range multistatic radar system for diagnostics of the dynamic processes] // Izvestiya vuzov. Radiofizika. 2013. Vol. 56, № 2. P. 124–134. (In Russ.) 2. Evaluation of radio source’s coordinates based on solution of linearized system of equations by rangedifference method / I. V. Grin, R. A. Ershov, O. A. Morozov et al. // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tekhnicheskie nauki. 2014. № 4. P. 71–81. (In Russ.) 3. Voroshilin E. P., Mironov M. V., Gromov V. A. [The estimation of radio source positioning by means of the range-difference method using the multiposition passive satellite system] // Doklady TUSURa. 2010. № 1, Vol. 2. P. 81–85. (In Russ.) 4. Chernyak V. S. Mnogopozitsionnaya radiolokatsiya [Multi-position radiolocation]. M. : Radio and communication Publ., 1993. 416 p. 5. Sputnikovye sistemy morskoy navigatsii [Satellite navigation systems]. M. : Transport Publ., 1987. 200 p. © Сурин Д. Н., Добак П. И., Королев Д. О., Паздерин С. О., 2017

46

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 517.972 МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОРТОТРОПНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ ДАВЛЕНИИ* А. П. Попова, Л. А. Бабкина Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Численно и аналитически решена задача устойчивости композитной ортотропной цилиндрической оболочки, нагруженной гидростатическим давлением. Давление действует на боковую поверхность оболочки и на жесткие диски, прикрепленные к ее краям. Эти диски имитируют днища подводного аппарата с композитным цилиндрическим корпусом. Ключевые слова: устойчивость, композитная ортотропная оболочка. MODELING BUCKLING OF ORTHOTROPIC CYLINDRICAL SHELL UNDER HYDROSTATIC PRESSURE A. P. Popova, L. A. Babkina Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] This article solves the task of computational investigation of buckling of orthotropic cylindrical shell loaded by external pressure. Pressure influences the lateral surface of the shell and to the attached hard drives. These discs simulate the bottom of an underwater vehicle with a composite cylindrical body. Keywords: buckling, composite orthotropic shell. Конструкции многих подводных аппаратов состоят из цилиндрической оболочки с прикрепленными по краям днищами различной формы. Соединение оболочки и днища осуществляется, как правило, с помощью шпангоута. При погружении подводного аппарата его внешняя поверхность подвергается воздействию гидростатического давления. Аналогичное воздействие аппарат испытывает при наземном тестировании, когда внутри него создается вакуум. Наиболее вероятным видом исчерпания несущей способности этой конструкции является потеря устойчивости цилиндрической части корпуса. При исследовании устойчивости цилиндрической оболочки, как отдельного структурного элемента, предполагается, что она

подвергается воздействию двух нагрузок. Одной из них является сжимающее равномерное давление, приложенное к внешней цилиндрической поверхности. Другая нагрузка представляет собой равномерное погонное сжимающее усилие, приложенное к краям оболочки. Это усилие статически эквивалентно давлению, действующему на днище подводного аппарата [1]. В работе численно и аналитически решена задача устойчивости композитной ортотропной цилиндрической оболочки, нагруженной гидростатическим давлением. Давление действует на боковую поверхность оболочки и на жесткие диски, прикрепленные к ее краям (рис. 1), которые имитируют днища подводного аппарата с композитным цилиндрическим корпусом [2–3].

Рис. 1. Расчетная схема нагружения гидростатическим давлением цилиндрической оболочки _________________________ *

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57517X0144.

47

Решетневские чтения. 2017

Рис. 2. Конечно-элементная модель оболочки с кинематическими и статическими граничными условиями

Рис. 3. Первая форма потери устойчивости оболочки, нагруженной гидростатическим давлением

Граничные условия в задаче учитывали перемещение жестких дисков навстречу друг другу при выпучивании оболочки. Конечно-элементная модель оболочки представлена на рис. 2. Результаты параметрического анализа, учитывающего изменение угла армирования композиционного материала, показали максимальные значения критического гидростатического давления. Визуализация результатов представлена на рис. 3. Расхождение численного и аналитического результатов расчета составило менее 5 %.

References 1. Ross CTF. A conceptual design of an underwater missile launcher// Ocean Engineering. 2005.Vol. 32. P. 85–99. 2. Vasiliev V. V. Mechanics of composite structures // Washington, DC : Taylor & Francis, 1993. 3. MSC Nastran. Quick reference guide’s: MSC // Software Corporation, 2011. © Попова А. П., Бабкина Л. А., 2017

48

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 539.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ КОМПОЗИТНОГО КОНИЧЕСКОГО АДАПТЕРА С ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ* А. А. Унрайн, М. А. Рутковская Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Выполнено численное моделирование ортотропного конического адаптера, исследована зависимость основной частоты колебания от характера изменения толщины стенки вдоль образующей конуса. Ключевые слова: космический аппарат, конический адаптер, основная частота колебания. DETERMINING FUNDAMENTAL FREQUENCY OF THE CONICAL ADAPTER WITH VARIABLE THICKNESS А. A. Unrain, M. А. Rutkovskaya Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] Numerical simulation is performed for an orthotropic conical adapter; the researchers investigate a dependence of the fundamental frequency of the oscillation on the nature of the change in the wall thickness along the generator of the cone. Keywords: spacecraft, conical adapter, fundamental frequency. Адаптер полезной нагрузки – переходная конструкция, которая служит для жесткого соединения космического аппарата с ракетой-носителем. Конструкция должна обеспечивать высокие прочностные, жесткостные и частотные характеристики, чтобы воспринимать нагрузки, возникающие на всех режимах эксплуатации, включая этап наземной эксплуатации, транспортировку, выведения и отделения. При проектировании адаптера в первую очередь рассматривают поперечные колебания, характеризующие жесткость конструкции. Решение этой задачи можно получить, определяя основную частоту колебаний. Первая частота является удобной мерой оценки жесткости. В работе исследуется влияние характера изменения толщины оболочки на величину основной частоты колебаний. Для этого была создана модель в виде консольной усеченной конической оболочки с жестким массивным диском на краю. Расчетная схема и конечно-элементная модель представлены на рис. 1–2. Характеристики материала: модуль упругости Еx = 70 ГПа, Еy = 70 ГПа, коэффициент Пуассона µ=0,3 и модуль сдвига G = 5 ГПа. Характер изменения толщины стенки h вдоль образующей конической оболочки представлен в виде функциональной зависимости. Рассматривается три функциональных зависимости изменения толщины стенки, удовлетворяющие постоянству массы: постоянная толщина стенки оболочки, линейный и квадратичный законы изменения толщины стенки. _______________________

Исследование проведено с использованием пакета конечно-элементного анализа Femap with NX Nastran. Результаты расчета представлены на рис. 3–5. Таким образом, проведенные исследования показывают, что наибольшей поперечной жесткостью обладает конический адаптер с постоянной толщиной стенки.

Рис. 1. Расчетная схема

Рис. 2. Конечно-элементная модель

* Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57517X0144.

49

Решетневские чтения. 2017

Рис. 3. Первая форма колебаний адаптера. Постоянная толщина стенки – основная частота 37,79 Гц

Рис. 4. Первая форма колебаний адаптера. Толщина стенки изменяется по линейному закону – основная частота 14,67 Гц

Рис. 5. Первая форма колебаний адаптера. Толщина стенки изменяется по квадратичному закону – основная частота 26,26 Гц

References

Библиографические ссылки 1. Образцов И. Ф. Строительная механика летательных аппаратов : учебник для авиационных специальностей вузов. М. : Машиностроение, 1986. 536 с. 2. Хахленкова А. А. Двухконусный адаптер для запуска блока трех космических аппаратов // Вестник СибГАУ. Красноярск, 2016. № 3 (17). С. 748–759. 3. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М. : ДМК Пресс, 2010. 464 с. 4. Wijker J. J. Spacecraft Structures // Springer. 2007. P. 503. 5. Фокин В. Г. Метод конечных элементов в механике деформируемого твердого тела : учеб. пособие. Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2010. 131 с.

1. Obraztsov I. F. Construction Mechanics of Aircraft: A Textbook for Aviation Sources of higher education. M. : Mechanical Engineering, 1986. 536 p. 2. Khakhlenkova A. A. A two-cone adapter for launching a block of three spacecrafts // Vestnik SibSAU. 2016. №. 3 (17). P. 748–759. 3. Alyamovskiy A. A. Engineering calculations in SolidWorks Simulation. M. : DMK Press, 2010. 464 p. 4. Wijker J. J. Spacecraft Structures // Springer. 2007. P. 503. 5. Fokin V. G. Finite element method in mechanics of deformable solids: Proc. allowance. Samara : Samar. state. tech. university, 2010. 131 p. © Унрайн А. А., Рутковская М. А., 2017

50

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 531.2 АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ НАТЯЖЕНИЯ В МЕХАНИЗМЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ С ШЕСТЬЮ ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ Е. В. Фалькова, Д. А. Климовский, Л. П. Назарова, В. Д. Нестеров, С. А. Жежера Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Рассматривается алгоритм определения сил натяжения механизма параллельной структуры с шестью гибкими звеньями от действия веса платформы и груза. Ключевые слова: механизм параллельной структуры, сила натяжения. ALGORITHM TO DETERMINE THE FORCE OF TENSION IN THE PARALLEL KINEMATIC MACHINE WITH SIX FLEXIBLE LINKS E. V. Falkova., D. A. Klimovskiy, L. P. Nazarova, V. D. Nesterov, S. A. Zhezhera Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] In the paper we present a sequence to determine the tension forces of a parallel kinematic machine with six flexible links under the weight of the platform and the payload. Keywords: parallel kinematic machine, tension force. В области производства космической техники начинают находить перспективы механизмы параллельной структуры с гибкими звеньями, которые имеют большое рабочее пространство, большой диапазон перемещаемых масс, быстрое развертывание, низкую металлоемкость конструкции [1–4]. Рабочий орган приводится в действие набором гибких звеньев, роль которых выполняют тросы. Такие механизмы могут использоваться для высокоточного сложного пространственного перемещения и сборки крупногабаритных изделий ракетной техники [1].

Одним из основных расчетов этого типа механизмов будет определение сил натяжения в гибких звеньях. Рассмотрим алгоритм их определения на примере механизма на рис. 1. Во-первых необходимо определить координаты точек крепления звеньев к подвижной платформе Bi(Xi2, Yi2, Zi2) и к неподвижным основаниям Ai(Xi1, Yi1, Zi1) для исследуемого положения механизма. Во-вторых определяем направляющие косинусы для каждой силы Тi [5].

Рис. 1. Механизм параллельной структуры с гибкими звеньями

51

Решетневские чтения. 2017

T1cos α1 + T 2cos α2 + T 3cos α3 + T 4cos α4 +

Согласно рис. 2 получим: Axi − Bxi cos αi = 2 2 2 ( Axi − Bxi ) + ( Ayi − Byi ) + ( Azi − Bzi )

cos βi =

cos γ i =

+ T 5cos α5 + T 6cos α6 = 0, T1cos β1 + T 2cos β2 + T 3cos β3 + T 4cos β4 + + T 5cos β5 + T 6cos β6 = 0,

Ayi − Byi

( Axi − Bxi ) + ( Ayi − Byi ) + ( Azi − Bzi ) 2

2

T1cos γ1 + T 2cos γ 2 + T 3cos γ 3 + T 4cos γ 4 +

2

+ T 5cos γ5 + T 6cos γ 6 = P,

T1( By1 cos γ1 − Bz1 cos β1 ) + T 2 ( By2 cos γ 2 − Bz2 cos β2 ) +

Azi − Bzi

( Axi − Bxi ) + ( Ayi − Byi ) + ( Azi − Bzi ) 2

2

2

+ T 3 ( By3 cos γ3 − Bz3 cos β3 ) + T 4 ( By4 cos γ 4 − Bz4 cos β4 ) + + T 5 ( By5 cos γ5 − Bz5 cos β5 ) + + T 6 ( By6 cos γ 6 − Bz6 cos β6 ) = P ⋅ Yo ', T1( Bz1 cos α1 − Bx1 cos γ1 ) + + T 2 ( Bz2 cos α2 − Bx2 cos γ 2 ) + + T 3 ( Bz3 cos α3 − Bx3 cos γ3 ) + + T 4 ( Bz4 cos α4 − Bx4 cos γ 4 ) + + T 5 ( Bz5 cos α5 − Bx5 cos γ5 ) + + T 6 ( Bz6 cos α6 − Bx6 cos γ 6 ) = − P ⋅ Xo '. T1( Bx1 cos β1 − By1 cos α1 ) + + T 2 ( Bx2 cos β2 − By2 cos α2 ) +

Рис. 2. Определение направляющих косинусов

+ T 3 ( Bx3 cos β3 − By3 cos α3 ) + + T 4 ( Bx4 cos β4 − By4 cos α4 ) +

Система является статически определенной, поэтому для определения сил натяжения рассмотрим равновесие подвижной платформы. На платформу действуют 6 сил натяжения (Т1–Т6) и вес платформы с грузом (P), который приложен в точке O' и всегда направлен противоположно оси Z. Запишем уравнения равновесия в проекции на оси координат OXYZ [5]:

+T 5 ( Bx5 cos β5 − By5 cos α5 ) + + T 6 ( Bx6 cos β6 − By6 cos α6 ) = 0. Найдем решение этой системы уравнений в матричном виде (для сокращения записи запишем функцию cos как с):

cα1 cα2 cα3 cα cα5 cα6 ⎤ ⎡Т1⎤ ⎡ ⎥ ⎢Т 2⎥ ⎢ cβ1 cβ2 cβ3 cβ4 cβ5 cβ6 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢Т3⎥ ⎢ cγ1 cγ2 cγ3 cγ4 cγ5 cγ ⎥ ⎢ ⎥=⎢ ⎢Т 4⎥ ⎢ By1 cγ1 − Bz1 cβ1 By2 cγ2 − Bz2 cβ2 By3 cγ3 − Bz3 cβ3 By4 cγ4 − Bz4 cβ4 By5 cγ5 − Bz5 cβ5 By6 cγ6 − Bz6 cβ6 ⎥ ⎢Т5⎥ ⎢ Bz1 cα1 − Bx1 cγ1 Bz2 cα2 − Bx2 cγ2 Bz3 cα3 − Bx3 cγ3 Bz4 cα4 − Bx4 cγ4 Bz5 cα5 − Bx5 cγ5 Bz6 cα6 − Bx6 cγ6 ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎣⎢Т 6⎦⎥ ⎢⎣Bx1 cβ1 − By1 cα1 Bx2 cβ2 − By2 cα2 Bx3 cβ3 − By3 cα3 Bx4 cβ4 − By4 cα4 Bx5 cβ5 − By5 cα5 Bx6 cβ6 − By6 cα6 ⎥⎦

−1

⎡ 0 ⎤ ⎢ 0 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ P ⎥ ⎢ ⎥. ⎢ P ⋅ Yo ' ⎥ ⎢−P ⋅ Xo '⎥ ⎢ ⎥ ⎣⎢ 0 ⎦⎥

ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 35–36. 2. Gosselin C. Cable-driven parallel mechanisms: state of the art and perspectives / Mechanical Engineering Reviews. Vol. 1, № 1. 2014. 3. Albus J., Bostelman R., Dagalakis N. The NIST Robocrane / Journal of Robotic Systems. 1993. № 10(5). P. 709–724. 4. Tang X. An Overview of the Development for Cable-Driven Parallel Manipulator / Advances in Mechanical Engineering. 2014. 5. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики : учебник для втузов. 10-е изд., перераб и доп. М. : Высш. шк., 1986. 416 с.

Определение сил натяжение является базовым расчетом для дальнейшего анализа и определения возможностей механизма. Изложенный алгоритм хорошо поддается компьютеризации, что делает его привлекательным для автоматизации расчетов.

Библиографические ссылки 1. Климовский Д. А., Смирнов Н. А. Применение тросо-управляемых механизмов параллельной структуры в производстве ракетной техники // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. (9–12 ноября 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. 52

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

3. Albus J., Bostelman R., Dagalakis N. The NIST Robocrane / Journal of Robotic Systems. 1993. 10(5). P. 709–724. 4. Tang X. An Overview of the Development for Cable-Driven Parallel Manipulator / Advances in Mechanical Engineering. 2014. 5. Targ S. M. Kratkiy kurs teoreticheskoy mechaniki [A short course of theoretical mechanics]: Ucheb. dlya vtuzov. 10-e izd., pererab i dop. M. : Vissh. shk., 1986. 416 p.

References 1. Klimovskiy D. A., Smirnov N. A. [Application of cable-driven parallel kinematic machine for production of rocket technics]. Мaterialy XX Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [ Materials XX Intern. Scientific. Conf “ Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2016. P. 35–36. ( In Russ.). 2. Gosselin C. Cable-driven parallel mechanisms: state of the art and perspectives / Mechanical Engineering Reviews Vol. 1, № 1. 2014.

© Фалькова Е. В., Климовский Д. А., Назарова Л. П., Нестеров В. Д., Жежера С. А., 2017

53

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.9.047

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯХАРАКТЕРИСТИК КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ И. Я. Шестаков, М. В. Ворошилова, Д. С. Ворошилов Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Е-mail: [email protected] Приведены результаты исследований электрохимическойобработки (ЭХО) крупногабаритных деталей летательных аппаратов. Изучено влияние конструкции и материала катода-инструмента на качество обрабатываемой поверхности. Ключевые слова: электрохимическая обработка, катод-инструмент, шероховатость поверхности, электролит.

INFLUENCE OF CATHODE-INSTRUMENT CHARACTERISTICS AT SURFACE QUALITY OF LARGE-SIZE DETAILS DURING ELECTROCHEMICAL MACHINING I. Ya. Shestakov, M. V. Voroshilova, D. S. Voroshilov Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation Е-mail: [email protected] This work represents research results of electrochemical machining (ECM) of large-size aircraft details. We scrutinize the influence of the design and material of the cathode-instrument on the quality of the treated surface. Keywords: electrochemical machining, cathode-instrument, surface roughness, electrolyte. сованной в нее медной пластиной. В качестве электролита применяли 15 % NH4NO3 + 2,5 % Na3C6H5O7. Проведенные ранее исследования [3–4] показали, что введение комплексообразователя 2,5 % Na3C6H5O7 в раствор электролита позволяет устранить оседание шлама на обрабатываемой поверхности и увеличить прорабатываемость электролита. Установлено, что при использовании катодаинструмента, имеющего в сечении круглую форму, происходит растекание тока по поверхности обрабатываемого материала. Это приводит к снижению точности обработки, ухудшая качество поверхности. Применение катода-инструмента, имеющего плоскую рабочую поверхность, позволит повысить степень локализации плотности тока на обрабатываемой поверхности, что способствует улучшению качества обработки детали. Дальнейшие исследования выявили, что использование титанового (ВТ1-0) катода с полупроводниковым покрытием позволит повысить качество обрабатываемой поверхности (см. рисунок). Как известно [5], оксид титана обладает полупроводниковыми свойствами. Это может быть использовано для повышения качества обработки, что в свою очередь должно привести к снижению переходной зоны на входе в межэлектродный канал и на выходе из него. Покрытие из оксида титана получено путем наложения положительного потенциала на анод из титана в водном растворе.

Производство новейшейракетно-космической техники развивается в направлениях наращивания мощности и экономичности изделий, путем увеличения рабочих температур, использования более легких материалов и современных методов их обработки. Исследование, разработка и внедрение новых технологий обработки материалов, обеспечивающих надежность, долговечность и безопасность при эксплуатации летательных аппаратов является актуальнойтемой для исследования. Применение электрохимической обработки (ЭХО) тонкостенных деталей летательных аппаратов позволит обрабатывать сборочные единицы, изготовленные практически из любых металлов и сплавов [1–2]. Кроме того, ЭХО характеризуется высокой скоростью удаления материала и возможностью эффективной обработки труднообрабатываемых материалов, что позволяет достичь необходимого качества поверхности (Ra = 2,5 мкм) для получения заданного уровня механических свойств. При ЭХО деталей летательных аппаратов часто используют электроды специальных конструкций, при использовании которых становится возможна обработка крупногабаритных сборочных единиц, в том числе деталей, имеющих форму тел вращения. Для изучения процесса ЭХО тонкостенных деталей использовали катоды-инструменты двух типов: с круглой и плоской рабочей поверхностью, представляющие собой фторопластовую втулку с запрес54

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Зависимость качества поверхности от материала катода-инструмента

инструментом для деталей летательных аппаратов // Вестник СибГАУ. 2017. Т. 18, № 1. С. 227–231 5. Физико-химические свойства окислов / Г. В. Самсонов, А. Л. Борисова и др. M. : Металлургия, 1978. 472 с.

Таким образом, использование титанового катодаинструмента с плоской рабочей поверхностью, которая имеет полупроводниковое покрытие, при ЭХО деталей позволяет повысить качество обработки, т.к. шероховатость поверхности обработанной титановым катодом меньше в переходной зоне, и сама зона короче по сравнению с результатами, полученными при использовании медного катода-инструмента. Кроме того, применение данной конструкции катода и режима обработки дает возможность избежать растравливания поверхности анода и получать тонкостенные детали летательных аппаратов с требуемым качеством поверхности.

References 1. Handbook of electrochemical and electrophysical methods of machining / G. L. Amitan, I. A. Baysupovand et al. L. : Mashinostroenie, 1988. 719 p. 2. Electrochemical dimensional processing of metals and alloys. Problems of theory and practice : мonograph / O. I. Nevskiy, V. M. Burkovand et al. ; Ivan. Gos. Chem.technol. un-ty. 2006. 282 p. 3. Shestakov I. Ya., Voroshilova M. V., Voroshilov D. S. Looking at the surface quality during local ammonium nitrate electrolytic machining // Vestnik MagnitogorskogoGosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universitetaim. G. I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2017. T. 15. № 1. P. 64–69. 4. Shestakov I. Ya., Voroshilova M. V., Voroshilov D. S. Capabilities of electrochemical dimensional machining of thin-walled oversized aircraft details using rotating cathode-instrument // Vestnik SibGAU [Vestnik ofSiberianstateaerospaceuniversitynamed after academician M. F. Reshetnev]. 2017. T. 18, № 1. P. 227–231. 5. Samsonov G. V, Borisova A. L. et al. Physicochemical properties of oxides. M. : Metallurgiya, 1978. 472 p.

Библиографические ссылки 1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г. Л. Амитан, И. А. Байсупов и др. Л. : Машиностроение, 1988. 719 с. 2. Электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов. Проблемы теории и практики : монография / О. И. Невский, В. М. Бурков и др. ; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2006. 282 с. 3. Шестаков И. Я., Ворошилова М. В., Ворошилов Д. С. Исследование качества поверхности при локальной электрохимической обработке в электролитах, содержащих нитрат аммония // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2017. Т. 15, № 1. С. 64–69. 4. Шестаков И. Я., Ворошилова М. В., Ворошилов Д. С. Возможности применения электрохимической размерной обработки вращающимся катодом-

© Шестаков И. Я., Ворошилова М. В., Ворошилов Д. С., 2017

55

Решетневские чтения. 2017

УДК 519.853.4

О РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СЕТЧАТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ О. А. Штейнбрехер, Т. В. Бурнышева Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета Российская Федерация, 654041, г. Новокузнецк, ул. Циолковского, 23 E-mail: [email protected] Представлены результаты применения алгоритма оптимизации, основанного на симплексном поиске. Задача параметрической оптимизации решена для сетчатой цилиндрической оболочки без обшивки. Данный класс конструкций широко применяется в машиностроении, в том числе аэрокосмического назначения. Ключевые слова: оптимальное проектирование силовых конструкций, анизогридные конструкции, минимум массы.

SOLVING PROBLEM TO OPTIMIZE LATTICE SHELL O. A. Shteinbreher, T. V. Burnysheva Novokuznetsk branch of the Kemerovo State University 23, Tsiolkovsky Str., Novokuznetsk, 654041, Russian Federation E-mail: [email protected] This paper presents result of application of an optimization algorithm based on the simplex search. The results of solving the optimization problem for lattice shell are presented. This class of designs is widely applied in mechanical engineering, including space appointment. Keywords: optimum design of power designs, anizogrid construction, weight minimum. допустимой области, учитывающий только ближайшие к текущей точке участки границы (доминанты). В качестве функций границ – функций ограничений – могут использоваться известные аналитические зависимости, либо аппроксимационные зависимости, полученные в ходе вычислительного эксперимента. На рисунке изображена схема решения задачи оптимизации конструкции по массе. Рассмотрим применение данного алгоритма к решению задачи оптимального проектирования сетчатых цилиндрических оболочек. Типовая сетчатая конструкция характеризуется следующими проектными параметрами: толщиной сетчатой структуры h, толщинами спиральных и кольцевых ребер δс и δк , рас-

Многие конструкции и сооружения, применяемые в строительстве и машиностроении, имеют вид многоэлементных сетчатых конструкций, образованных регулярной реберной структурой. Применение таких конструкций в аэрокосмической отрасли позволяет повысить транспортную эффективность, за счет меньшей массы конструкции по сравнению с аналогами [1]. Решение задачи оптимального проектирования позволяет определить конструктивные параметры, при которых конструкция удовлетворяет техническим и производственным требованиям при наименьшей массе. Набор разработанных и используемых в настоящий момент подходов и методов для оптимального проектирования силовых конструкций достаточно велик. При этом применение аналитических методов затрудняется высокой размерностью задач оптимизации многоэлементной конструкции, а большинство численных методов основаны на континуальном подходе к моделированию сетчатых конструкций. Следует отметить, что применение дискретного подхода [2] к моделированию сетчатых конструкций с нарушением регулярности сетки позволяет получить более достоверные результаты. Как правило, при оптимальном проектировании машиностроительных конструкций при критерии минимума массы, в качестве ограничений рассматриваются условия на прочность, местную и общую устойчивость и габариты. В работе [3] предствлен алгоритм оптимизации, в основе которого лежит алгоритм симплексного поиска, в котором для описания невыпуклых гладких участков границы строится частичный R-предикат

стояниями между спиральными ребрами ас (по нормали к оси ребра) и между кольцевыми ребрами ак , углом наклона спиральных ребер (по отношению к образующей). В качестве варьируемых параметров выступают значения высоты сечения, угла наклона спиральных ребер по отношению к образующей, число пар спиральных ребер и ширина поперечного сечения спирального ребра. В работе [4] рассматривается постановка данной задачи и ее решение при использовании в качестве функций ограничений известных аналитических зависимостей [1]. В таблице приведены результаты решения задачи оптимизации методом перебора с расчетом критерия оптимальности и ограничений (расчет 1) и симплексным методом с использованием в качестве ограничений аналитических функций (расчет 2) и результатов вычислительного эксперимента (расчет 3). 56

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты Задание проектных параметров Построение план матрицы вычислительного эксперимента

Построение аппроксимирующих зависимостей

Построение дискретных моделей

Приведение аппроксимирующих зависимостей к виду ограничений-неравенств

Расчет напряженно деформированного состояния для серии моделей

Проведение оптимизационного расчета

Уточнение структурных параметров и параметров состояния конструкции из задачи рационального проектирования

Блок-схема алгоритма решения задачи оптимизации конструкции по массе

Номер расчета

Результаты оптимизационного расчета

1 2 3

Результаты оптимизационного расчета

ϕ

mh

h, мм

δ h , мм

δ c , мм

Объем V, м3

36 38,5 39

32 49 32

14 4 4

4 5,5 8

1 3 3,5

665,9 177,8 130,9

Напряженно-деформированное состояние λ σ max, us , un , 2 2 кгс/мм кгс/мм мм мм –67,9 50,8 31 11,5 –0.017 –44,8 39,5 43,1 8,2 0.0111 –70,4 55,33 54,8 13,2 0.0122

σmin,

5. Программная система для алгоритмизации численного решения задач механики сплошной среды / В. О. Каледин, Я. С. Крюкова, Н. В. Нагайцева, Е. В. Равковская // Известия Алтайского государственного университета. 2014. № 1–1 (81). С. 161–164.

Кроме того приведены результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния при осевом сжатии – максимальные значения напряжений в спиральных σmin и кольцевых σmax ребрах и максимальные перемещения по образующей us и нормали к поверхности un и первые собственные значения λ. Вычисления производились в пакете программ «Композит-НК» [5] на основе дискретной модели.

References 1. Anizogrid composite mesh design – development and application of space technology / V. V. Vasil’ev et al. // Composites and Nanostructures. 2009. № 3. P. 38–50. 2. Burnysheva T. V., Kaledin V. O. [Comparison of discrete and continual approach to calculation of a stressed state of network capsulate designs at a static loading] // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh'ya, 2011. № 4. P. 113–115. 3. Kaledin V. O., Shteynbrekher O. A. [Algorithm of optimization of multielement designs with restrictions on durability and dimensions] // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya. 2016. № 3. P. 113–115. 4. Kaledin V. O., Shteynbrekher O. A., Burnysheva T. V. [Searching of optimum design data of lattice shell] // Мaterialy XX Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XX Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2016. № 1. P. 30–32. (In Russ.) 5. Software system for algorithmization numerical solution of problems of continuum mechanics / V. O. Kaledin, Ya. S. Kryukova, N. V. Nagaytseva, E. V. Ravkovskaya // Izvestiya Altayskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014. № 1–1(81). P. 161–164. (In Russ.)

Библиографические ссылки 1. Анизогридные композитные сетчатые конструкции – разработка и приложения к космической технике / В. В. Васильев и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38–50. 2. Бурнышева Т. В., Каледин В. О. Сравнение дискретного и континуального подхода к расчету напряженного состояния сетчатых оболочечных конструкций при статическом нагружении // Науч.-технич. вестник Поволжья. 2011. № 4. С. 113–116. 3. Каледин В. О., Штейнбрехер О. А. Алгоритм оптимизации многоэлементных конструкций с ограничениями по прочности и габаритам // Науч.-технич. вестник Поволжья. 2016. № 3. С. 113–115. 4. Каледин В. О., Штейнбрехер О. А., Бурнышева Т. В. Поиск оптимальных конструктивных параметров сетчатой цилиндрической оболочки // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. (10–12 ноября 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 33–34.

© Штейнбрехер О. А., Бурнышева Т. В., 2017

57

Секция

«КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 629.76 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЛИНЕЙНОГО ПЬЕЗОПРИВОДА* А. В. Азин1, С. В. Пономарев1, С. В. Рикконен1, С. А. Кузнецов2 1

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 2 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Ряд отечественных отраслей, в том числе и космическая отрасль, нуждаются в линейных пьезоприводах, применение которых существенно снижает массогабаритные показатели исполнительных устройств космических аппаратов. Ключевые слова: линейный пьезопривод, космический аппарат, колебательная система, физическая модель. EXPERIMENTAL RESEARCHING MODES OF PHYSICAL MODELS OF LINEAR PIEZO DRIVE A. V. Azin1, S. V. Ponomarev1, S. V. Rikkonen1, S. A. Kuznetsov2 1

Research institute of Applied Mathematics and Mechanics Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

Space industry needs linear piezo drives. The use of linear piezo drive significantly reduces the weight and overall dimensions of spacecraft actuators. Keywords: linear piezo drives, spacecraft, oscillatory system, physical model. В космической отрасли наиболее остро стоит вопрос уменьшения массогабаритных характеристик систем космического аппарата (КА). Одним из решений является замена электромеханических приводов различных устройств КА на пьезоприводы, при этом массогабаритные показатели соответствующих устройств уменьшается в разы [1–2]. В НИИ ПММ ТГУ разработана физическая модель конструкции линейного пьезопривода (ЛПП), предназначенного для однонаправленного движения направляющей рейки. Конструкция ЛПП и схема проведения эксперимента представлена на рис. 1. На рисунке приняты следующие условные обозначения: Uт – напряжение управления пьезоактюатора МЛП-толкателя; Uф – напряжение управления МЛП-фиксатора; Uптол – информационный сигнал напряжения управления МЛПтолкателя; Uпфик – информационный сигнал напряжения управления МЛП-фиксатора; UFтол – информационный сигнал датчика сил МЛП-толкателя; UFфик – информационный сигнал датчика силы МЛПфиксатора; Uуск – информационный сигнал акселерометра; G – вес груза. МЛП толкатель жестко упирается в правую мембрану, в подвижном корпусе МЛП-толкатель свобод-

но движется и упирается в перемычку подвижного корпуса. Подвижный корпус состоит из двух частей: левая часть жестко соединена с МЛП-толкателем и жестко соединена с правой мембраной; левая часть трубы подвижного корпуса жестко соединена с левой мембраной и свободно движется в подшипниках скольжения, в этой трубе свободно движется МЛПтолкатель и жестко закреплен МЛП-фиксатор. При подачи сигнала на МЛП-толкатель он раздвигает две части подвижного корпуса, деформируя обе мембраны. Левая мембрана деформируется и передвигает рейку (рис. 1). На физической модели ЛПП были отработаны методики экспериментальных исследований и определены частоты устойчивой работы устройства. Эксперимент № 1. Частота питания 17,1 кГц (холостой ход ЛПП). Результат: скорость движения рейки – 0,05 мм/мин. Эксперимент № 2. Частота питания 17,1–17,4 кГц (холостой ход ЛПП, резкое увеличение частоты питания на 100 Гц). Результат: скорость движения рейки – 9 мм/мин. Эксперимент № 3. Частота питания 17,1 кГц (вес груза 25 гр). Результат: скорость движения рейки – 0,046 мм/мин.

______________________ *

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор RFMEFI57817X0257.

59

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. Схема эксперимента по исследованию режимов физической модели ЛПП

Эксперимент № 4. Частота питания 13,0 кГц (вес груза 25 г). Результат: вес груза, превышает силу тяги ЛПП. В результате испытаний физической модели ЛПП была разработана методика определения рабочих режимов работы ЛПП, сняты частотные характеристики ускорения подвижной части ЛПП и частотные характеристики рабочих режимов ЛПП (рис. 2) [3–5].

3. Анализ работы пьезопривода по частотным характеристикам механоакустической колебательной системы / С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Азин // Изв. вузов. Физика. 2014. № 8/2, Т. 57. С. 196–202. 4. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements / S. V. Ponomarev, S. Rikkonen, A. Azin et al. // Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 71. P. 012056. 5. Моделирование колебательных процессов пьезоэлектрического преобразователя / С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Азин // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2015. № 2(34). С. 86–95. References 1. Park S. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto, 2011, 136 p. 2. Wang Z., Li T., Cao Y. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators Aerospace Science and Technology. 2013. P. 160–168. 3. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Azin A. V. [Analiz raboty p’ezoprivoda po chastotnym kharakteristikam mekhanoakusticheskoy kolebatel’noy sistemy] Proceedings of the universities. Physics. 2014. Vol. 57, № 8/2. P. 196–202/ (In Russ.) 4. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements / S. V. Ponomarev, S. Rikkonen, A. Azin et al. // Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015. Vol. 71. p. 012056. 5. Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Azin A. V. [Modelirovanie kolebatel’nykh protsessov p’ezoelektricheskogo preobrazovatelya] // Reporter of TSU. A series of mathematics and mechanics. 2015. № 2(34). P. 86–95/ (In Russ.)

Рис. 2. Экспериментальные частотные характеристики физической модели ЛПП: 1 – частотная характеристика ЛПП без нагрузки; 2 – частотная характеристика ЛПП с нагрузкой

Определены скорости движения направляющей рейки для трех режимов работы ЛПП: холостого хода; холостого хода с резким увеличением частоты питания; с грузом весом 25 гр. Частоты устойчивой работы ЛПП при наличии груза составляют 6.6 и 17,1 кГц. Библиографические ссылки 1. Park S. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations. Toronto, 2011. 136 p. 2. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators / Z. Wang, T. Li, Y. Cao // Aerospace Science and Technology. 2013. P. 160–168.

© Азин А. В., Пономарев С. В., Рикконен С. В., Кузнецов С. А., 2017

60

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 624.139.64 ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ ГРУНТОВ С ПОМОЩЬЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИРОДНЫХ ХЛАДАГЕНТОВ В. В. Ананьев ООО НПП «Медгаз» Российская Федерация, 121471, г. Москва, Можайское шоссе, 29 E-mail: [email protected] Рассмотрены проблемы использования сжиженного природного газа для термостабилизации грунтовых оснований инженерных сооружений при первом способе строительства в криолитозоне. Приведены результаты моделирования теплового взаимодействия природных низкотемпературных хладагентов с грунтовыми основаниями. Ключевые слова: термостабилизация грунтов, сжиженный газ, всесезонный термостабилизатор, засоленные грунты, криопэги. THERMOSTABILIZATION OF GROUND USING LOW-TEMPERATURE NATURAL REFRIGERANTS V. V. Ananiev LLC SPE “Medgas” 29, Mozhaiskoye shosse, Moscow, 121471, Russian Federation E-mail: [email protected] The research deals with the problems of using liquefied natural gas for thermal stabilization of ground engineering bases at the first way construction in kriolitozone. It contains the results of the simulation of the thermal interaction of natural low temperature refrigerants with ground bases. Keywords: thermostabilization of the ground, the liquefied gas, the all-season thermostabilizer, the salted ground, cryopegs. Тепловое взаимодействие грунтов с инженерными сооружениями в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) приводит к уменьшению несущей способности грунтовых оснований. Существенное негативное влияние на этот процесс оказывает засоленность грунтов (п-ов Ямал и др.), которые могут вмещать криопэги. Криопэги залегают на разной глубине в виде изолированных линз. Перспективным решением проблемы повышения надежности круглогодичного функционирования оснований инфраструктуры на пластично-мерзлых и засоленных грунтах может являться потенциальная возможность частичного использования природных хладагентов – сжиженного природного газа (СПГ), а также продуктов его фракционного разделения этана и пропана. Предлагается использовать этот хладоресурс для целей термостабилизации грунтов, используя рекуперативные теплообменные устройства (трубки Фильда) или всесезонный термостабилизатор ВТС (см. рисунок) [1]. Моделируется процесс промерзания четырехслойного массива: техногенная насыпь, мерзлый грунт, засоленный талый грунт, вмещающий линзу криопэга, соответственно транспортируется чисто кондуктивным механизмом теплопереноса, при наличии условий идеального теплового контакта на границах слоев. Задача реализована с помощью программного продукта [2].

Схема трубки Фильда: cтрелки – направление движения хладоносителя в ВТС; заштрихованные участки – материал стенки ВТС

Для оценки водно-солевого режима пород и криопэгов использовались данные [3], обработанные с помощью программы «FREEZBRINE» [4]. 61

Решетневские чтения. 2017

один месяц, а на радиус до 3 м составило менее 4 месяцев при самых высоких температурах подаваемого хладагента.

Задачей данного прогнозного расчета является оценка времени промерзания линзы криопэгов с различной степенью минерализации (М) при промораживании грунта с помощью ВТС. Были рассмотрены разрезы, сложенные песками с различной засоленностью и влажностью равной полной влагоемкости. Для оценки времени промерзания в условиях отсутствия ВТС был решен ряд одномерных задач промерзания пород сверху, а для учета охлаждающего влияния ВТС решались двумерные задачи. В случае использования термостабилизатора на базе природных хладагентов, время промораживания линзы криопэга мощностью 2 м, с минерализацией, меняющейся в диапазоне от 81,1 до 91,9 г/л, практически не зависит от ее величины, но значительно увеличивается с понижением температуры подаваемого хладагента. Радиус промерзания в 1,5 метра достигается за 34–40 дней при температуре хладагента минус 40 оС, а при понижении температуры до минус 60 и 80 оС за 26–28 и 22 дня соответственно. При температурах хладагента –60 оС и ниже, полное по мощности промораживание линзы криопэга на радиус 3 м происходит в течении одного зимнего сезона после установки стабилизатора. Выводы 1. Использование хладоресурса сжиженных природных газов и продуктов его ректификации (этан, пропан) для термостабилизации грунтов представляется перспективным в сложных геокриологических условиях за счет круглогодичного функционирования, высокой интенсивности промораживания и потенциальной возможности вымораживания криопэгов предельной минерализации. Данная технология позволяет частично утилизировать холод вторичных технологических потоков природного газа. 2. Результаты моделирования показывают, что данная технология позволяет успешно промораживать линзы криопэгов высокой минерализации до 91, 1 г/л. Время промораживания криопэга на 1,5 м составило

Библиографические ссылки 1. Комаров И. А, Ананьев В. В., Бек Д. Д. К проблеме использования хладоресурса сжиженного природного газа для целей термостабилизации грунтов // Криосфера Земли. 2015. Т. XIX, № 2. С. 75–80. 2. Пустовойт Г. П., Венкстерн А. А., Барке В. В. Программа расчета процесса промерзания-оттаивания пород / Свидетельство о государственной регистрации № 2014611743. 2014. 3. Komarov I. A., Kiyashko N. V. Method for Estimating Properties of Cryopegs from the Yamal Peninsula. Tenth International Conference on Permafrost. Vol. 2: Salekhard, 2012. Р. 169–174. 4. Комаров И. А., Мироненко М. В., Кияшко Н. В. Совершенствование нормативной базы по расчетной оценке теплофизических свойств пород и криопэгов // ОФМГ. 2012. № 2. С. 25–30. References 1. Komarov I. A., Ananiev V. V., Beck D. D. Problem of utilisation of the cooling capacity of natural liqued gas for the thermostabilization of ground // Earth Cryosphere, 2015. Vol. XIX, № 2. P. 75–80. (In Russ.) 2. Pustovoyt G. P., Venkstern A. A, Barka V. V. Program calculation process of freezing-thawing breeds/State Registration certificate No. 2014611743. 2014. (In Russ.) 3. Komarov I. A., Kiyashko N. V. Method for Estimating Properties of Cryopegs from the Yamal Peninsula. Tenth International Conference on Permafrost. Vol. 2: Salekhard, 2012. Р. 169–174. (In Russ.) 4. Komarov I. A., Mironenko M. V., Kiyashko N. V. Improving the regulatory framework for computational evaluation of Thermophysical properties of rocks and kriopjegov // OFMG. 2012. № 2. Р. 25–30. (In Russ.) © Ананьев В. В., 2017

62

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 665.939.57 РАЗРАБОТКИ ЦИАНАТЭФИРНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КЛЕЕВ С ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ОТВЕРЖДЕНИЯ В. Ф. Аристов1, И. А. Вихров2*, В. В. Миронович3 1

ООО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р 2 ООО «Синтез-проект» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р, пом. 160 3 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 * Е-mail: [email protected]

Рассмотрены имеющиеся в РФ и за рубежом термостойкие клеи конструкционного назначения. Представлены разработки цианатэфирных клеёв с пониженной температурой отверждения разработки ООО «НИИКАМ», приведены сравнительные данные с имеющимися аналогами. Ключевые слова: конструкционный клей, цианатэфирный, углепластик, алюминий, титан DEVELOPING CYANATE ESTER STRUCTURAL ADHESIVES WITH LOW TEMPERATURE CURING V. F. Aristov1, I. A. Vikhrov2*, V. V. Mironovich3 1

“Research institute of cosmic and aviation materials” Ltd 2p, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation 2 ”Syntez-project” LLC 2p/160, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation 3 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The article reviews Russian and foreign heat-resistant adhesives of constructional purposes. It presents the development of cyanate ester adhesives with low temperature curing produced by “Research institute of cosmic and aviation materials” Ltd, the research compares the data with the existing analogs. Keywords: structural adhesive, cyanate ester, carbon fiber, aluminum, titanium. При изготовлении крупногабаритных размеростабильных изделий ракетно-космической техники (РКТ) к применяемым материалам предъявляются определённые требования – это минимальные показатели влагопоглощения и газовыделения, низкие значения коэффициента термического расширения, работоспособность при воздействии факторов космического пространства (циклические перепады температур +/– 160 °С, космические лучи, вакуум), а также низкие массогабаритные характеристики. К таким материалам относятся лёгкие сплавы на основе алюминия, титана или бериллия, а также полимерные композиционные материалы (ПКМ) – стекло- и углепластики, и хотя последние имеют наилучшие показатели по удельным упруго-прочностным свойствам, полностью отказаться от лёгкосплавных элементов конструкций не удается. Для соединения различных элементов конструкций между собой используют различные клеящие составы. Как отмечалось нами ранее [1–3], углепластики на основе цианатэфирных связующих имеют ряд преимуществ, по сравнению с традиционно используемыми в российской космонавтике ПКМ на основе

эпоксидных связующих. Это в первую очередь связано с особенностями химического строения полициануратной матрицы – образующейся уникальной квазирегулярной структуры при отверждении цианатэфирного связующего. В то же время, наиболее распространенные конструкционные клеи, использующиеся в настоящее время в российской РКТ имеют эпоксидную основу. Эти клеи имеют наиболее высокие (из производимых в РФ клеёв) прочностные адгезионные и когезионные свойства, однако по показателям трещиностойкости при термоциклировании, газовыделению, влагопоглощению и теплостойкости не в полной мере удовлетворяют современным требованиям. В то же время в США производятся конструкционные плёночные клеи так называемого «следующего поколения» на цианатэфирной основе, например, FM_2555 фирмы Cytec и TC_4015 фирмы Tencate, применяемые главным образом в спутникостроении при изготовлении сотовых сэндвич конструкций и при склеивании металлических и композитных деталей в различном сочетании. Поэтому разработка конструкционных клеёв на цианатэфирной основе является актуальной задачей. 63

Решетневские чтения. 2017 Таблица 1 Прочность на сдвиг цианатэфирных плёночных клеёв [4; 5] Клеевой слой / режим отверждения *Tencate TC4015 / 177 °С 2 ч + 232 °С > 1 ч *Cytec FM 2555 / 177 °С 4 ч + 227 °С 2 ч НИИКАМ-ЦЭК / 125 °С 10 ч НИИКАМ-ЦЭК / 125 °С 6 ч + 150°С 6 ч НИИКАМ-ЦЭК / 125 °С 5 ч + 150°С 4 ч + 180°С 3 ч

Прочность на сдвиг, [МПа] при температуре

Примечания

20 °С

200 °С

220 °С

15,2

–

–

17,9 (177 °С) 15,1 (150 °С) 24,9 (150 °С)

20,7 (232 °С)

250 °С 17,9 (260 °С) 17,2 (260 °С)

–

–

–

–

21,2

19,3

14,3

18,6 16,3 23,3 26

Al_2024 / TCAC Primer 2A Al_2024 / T3 FPL etch Д16АТ пиклинг, вакуумное формование при ~ 0,1 атм.

Таблица 2 Прочность клеевой плёнки НИИКАМ-ЦЭК при склеивании сплавов Д16АТ и ОТ4 Склеиваемые поверхности Д16АТ/Д16АТ ОТ4/ОТ4 ОТ4/Д16АТ

Прочность на сдвиг, [МПа] при температуре 20 °С 150 °С 23,3 24,9 25,6 25,1 21,4 19,6

Примечания (режим отв. 125 °С 6 ч + 150 °С 6 ч) Д16АТ пиклинг ОТ4 шлиф. + обезжирен

пературе, практически не я теряя в прочности при 150 °С. Прочность при склеивании материалов, имеющих различный КТР, как и ожидалось более низкая чем при склеивании однородных материалов, однако в то же время остаётся на высоком уровне, и при 150 °С превышает существующие эпоксидные аналоги. Таким образом, нами были разработаны образцы высокопрочного термостойкого конструкционного цианатэфирного клея с пониженной температурой отверждения для склеивания деталей из различных материалов при изготовлении размеростабильных крупногабаритных конструкций РКТ. Дальнейшие исследования будут направлены на модификацию клея с целью ещё большего снижения температуры отверждения при сохранении термостойкости.

В настоящее время в ООО «НИИКАМ» ведутся разработки цианатэфирных клеёв конструкционного назначения с пониженной температурой отверждения, поскольку существующие импортные аналоги хоть и обладают лучшими по многим показателями свойствами, но требуют высоких температур отверждения (177 °С и выше), что приводит к высоким внутренним напряжениям в создаваемых конструкциях, а в некоторых случаях вовсе недопустимо. На данном этапе нами получены образцы цианатэфирных клеевых пленок НИИКАМ-ЦЭК, отверждающиеся уже при температуре 125–150 °С. Прочностные свойства данных плёночных клеёв в сравнении с зарубежными аналогами представлены в табл. 1. Как видно из таблицы все клеевые плёнки имеют высокие прочностные свойства при склеивании алюминиевых сплавов, как при стандартной, так и при повышенной температурах, однако клеевая пленка НИИКАМ-ЦЭК имеет минимальную температуру отверждения – 125 °С. Ещё одним важным свойством клея при соединении разнородных материалов (например, алюминия и титана) является эластичность, поскольку позволяет в некоторой степени скомпенсировать создающиеся внутренние напряжения при деформациях вследствие неравномерного нагрева склеенных деталей в изделии, а также вследствие разных коэффициентов термического расширения (КТР). Ниже в табл. 2 представлены результаты испытаний на сдвиг клеевых соединений алюминиевого сплава Д16АТ и титанового сплава ОТ4 в различных сочетаниях при помощи образца клеевой плёнки НИИКАМ-ЦЭК. Как видно из таблицы клеевая пленка НИИКАМЦЭК обладает хорошей адгезией как к алюминиевому сплаву, так и к титановому, имея при этом высокие показатели как при 20 °С, так и при повышенной тем-

Библиографические ссылки 1. Вихров И. А., Аристов В. Ф., Гуров Д. А. Адамантан-олигоциануратные связующие для размеростабильных углепластиковых конструкций космических аппаратов // Решетневские чтения 2015 : тез. докл. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 2. Цианат-эфирные связующие в аэрокосмической отрасли. Каталитические свойства органометаллических комплексов и солей диазония с комплексными анионами в отверждении цианат-эфирных связующих / В. Ф. Аристов и др. // Вестник СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 159–165. 3. Вихров И. А., Аристов В. Ф. Цианатэфирное связующее для размеростабильных углепластиковых конструкций спутниковых систем и орбитальных комплексов нового поколения // VI Международная конференция «ФНМ» : сб. материалов (3–7 октября 2016, г. Суздаль). Суздаль, 2016. 64

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

plex acid ions while curing cyanate-ethereous binds)/ Aristov V. F., Halimanovich V. I., Mironovich V. V., Islent'eva T. A., Gurov D. A. // Vestnik SibSAU. 2013. № 2 (48). Р. 159–165. 3. Vihrov I. A., Aristov V. F. Cianatjefirnoe svjazujushhee dlja razmerostabil'nyh ugleplastikovyh konstrukcij sputnikovyh sistem i orbital'nyh kompleksov novogo pokolenija (Cyanate- ethereous bind for size-stable carbon-filled structures of satellite systems and orbital complexes of new generations // VI Mezhdunarodnaja konferencija “FNM”, Suzdal’. 3–7 oktjabrja 2016 g. / Sbornik materialov. 4. MatWeb [Электронный ресурс]. URL: http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matgu id=9e94b90d486b4e42aee6e313b2138397 (дата обращения: 12.09.2017). 5. URL: https://www.tencatecomposites.com/media/ 441f2fa3-94ed-405a-8adc-465549f65020/z5hGmA/TenCate %20Advanced%20Composites/Documents/Product%20d atasheets/Adhesives%20and%20core/Film%20adhesives/ TC4015_Cyanate-Ester_PDS.pdf (дата обращения: 12.09.2017).

4. MatWeb [Электронный ресурс]. URL: http:// www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matguid=9e 94b90d486b4e42aee6e313b2138397 (дата обращения: 12.09.2017). 5. URL: https://www.tencatecomposites.com/media/ 441f2fa3-94ed-405a-8adc-465549f65020/z5hGmA/TenCate %20Advanced%20Composites/Documents/Product%20 datasheets/Adhesives%20and%20core/Film%20adhesives/TC4015_Cyanate-Ester_PDS.pdf (дата обращения: 12.09.2017). References 1. Vihrov I. A., Aristov V. F., Gurov D. A. Adamantanoligocianuratnye svjazujushhie dlja razmerostabil'nyh ugleplastikovyh konstrukcij kosmicheskih apparatov (Adamantane oligocyanurates binds for size-stable carbon-filled structures of spacecraft) // Reshetnjovskie chtenija : tezisy dokladov. 2015. 2. Cianat-jefirnye svjazujushhie v ajerokosmicheskoj otrasli. Kataliticheskie svojstva organometallicheskih kompleksov i solej diazonija s kompleksnymi anionami v otverzhdenii cianat-jefirnyh svjazujushhih (Cyanateethereous binds in aerospace field. Catalytical features of organometallic structures and diazonium salts with com-

© Аристов В. Ф., Вихров И. А., Миронович В. В., 2017

65

Решетневские чтения. 2017

УДК 665.939.57 РАДИОПРОЗРАЧНЫЕ ЦИАНАТЭФИРНЫЕ СИНТАКТИКИ (СФЕРОПЛАСТИКИ) НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ СТЕКЛЯННЫХ ИЛИ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСФЕР ДЛЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В. Ф. Аристов1, И. А. Вихров2* 1

ООО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р 2 ООО «Синтез-проект» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р, пом.160 * Е-mail: [email protected]

Представлены разработки ООО «НИИКАМ» в области радиопозрачных цианатэфирных синтактиков на основе стеклянных и полимерных микросфер – перспективных материалов для приёмопередающих устройств КА, приведены сводные данные по свойствам. Ключевые слова: синтактик, сферопластик, радиопрозрачный, цианатэфирный. RADIO CYANATE ESTER SYNTACTICS (SPHEROPLASTICS) ON THE BASIS OF HOLLOW GLASS OR POLYMER MICROSPHERES FOR TRANSCEIVER DEVICES OF SPACE SATELLITES V. F. Aristov1, I. A. Vikhrov2* 1

”Research institute of cosmic and aviation materials” Ltd 2p, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation 2 ”Syntez-project” LLC 2p/160, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The research presents the developments by «Research institute of cosmic and aviation materials» Ltd in the field of radiotracing cyanate ester syntactics based on glass and polymeric microspheres, they are promising materials for spacecraft transceivers. The research summarizes these properties. Keywords: cyanate ester, syntactic, spheroplastic, radio. Для изготовления различных приемопередающих устройств космических аппаратов (КА) требуются материалы со специальными характеристиками, обеспечивающими надежную работу как самого устройства, так и не нарушающими функционирование всего КА в целом. В общем эти материалы должны иметь минимальный удельный вес, стойкость к факторам космического пространства (циклические перепады температур +/– 160 °С, космические лучи, вакуум) для незащищённых элементов устройств, низкие показатели газо- и пылевыделения, а также устойчивость к вибрационным нагрузкам, возникающим при выводе КА на орбиту. Для ряда элементов устройств, например, обтекателей антенн, к используемым материалам дополнительно предъявляются требования по диэлектрическим характеристикам – это минимальные значения диэлектрической постоянной ε и тангенса угла диэлектрических потерь δ в диапазоне частот порядка десятков ГГц. К таким материалам относятся полимерные композитные материалы (ПКМ) на основе стеклянных или кварцевых волокон, синтактики (сферопластики) на основе полых стеклянных или полимерных микросфер или различные керамики. Каждый из указанных типов материалов обладает рядом преимуществ и недостатков перед друг другом. Керамики обладают

самой высокой термостойкостью, но имеют достаточно низкую радиопрозрачность, высокую плотность и сложны в изготовлении, поэтому геометрия изделий ограничена и высока стоимость. Стеклопластики отличаются высокими упруго-прочностными и технологичными характеристиками, умеренными значениями удельного веса, но имеют сравнительно высокие диэлектрические показатели, даже при использовании дорогих кварцевых волокон. Минимальными диэлектрическими свойствами обладают синтактики, которые также имеют наименьшую плотность, высокотехнологичны (можно изготовить детали по геометрии любой сложности), изотропны и, хотя имеют наименьшие упругопрочностные характеристики из рассмотренных материалов, во многих случаях достаточно прочны для изготовления деталей приемопередающих устройств КА и могут обеспечить защиту чувствительных элементов от ФКП. Свойства полых микросфер, производимых на территории РФ, соответствуют лучшим мировым аналогам, в то время как отечественные связующие, применяемые для изготовления синтактических материалов, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к соответствующим приемопередающим устройствам КА. 66

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов Сводные характеристики цианатэфирных синтактиков и отверждённого связующего Показатель 3

Плотность, г/см Теплопроводность, Вт/(м*К) Теплоемкость, Дж/(г*К) ε (10 ГГц) σизгиб, МПа Еизгиб, ГПа σсжатие, МПа Есжатие, ГПа

Цианатэфирные синтактики на основе стеклянных сфер полимерных сфер 0,6–0,7 0,2–0,5 0,13–0,15 0,07–0,10 1,1–1,5 – 1,5–1,7 1,1–1,4 40–50 – 2,6–3,3 – 70–110 – 2,7–3,6 –

НИИКАМ-РС 1,2 0,21 – 2,2 110 3,4 175 4,5–5

ских аппаратов // Решетневские чтения 2015 : тез. докл. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 2. Цианат-эфирные связующие в аэрокосмической отрасли. Каталитические свойства органометаллических комплексов и солей диазония с комплексными анионами в отверждении цианат-эфирных связующих / В. Ф. Аристов и др. // Вестник СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 159–165. 3. Вихров И. А., Аристов В. Ф. Цианатэфирное связующее для размеростабильных углепластиковых конструкций спутниковых систем и орбитальных комплексов нового поколения // VI Международная конференция «ФНМ» : сб. материалов. (3–7 октября 2016, г. Суздаль). Суздаль, 2016. 4. High-Performance Composites, May 2014 / Donna Dawson // The Curiosity Mars rover: Descent stage composites. 5. URL: http://www.cytec.com/sites/default/files/ datasheets/CYCOM %205575-2.pdf. 6. URL: http://www.compositesworld.com/articles/ are-high-temp-thermosets-ready-to-go-commercial; Thermosets: Structure, Properties and Applications edited by Qipeng Guo, 2012.

Эпоксидные связующие имеют относительно низкую радиопрозрачность и высокие показатели газовыделения, а кремнийорганические связующие нестойки к ФКП и недостаточно прочны. Ранее нами были показаны преимущества использования цианатэфирных связующих в углепластиковых конструкциях КА [1–3]. Это в первую очередь связано с особенностями химического строения полициануратной матрицы – образующейся уникальной квазирегулярной структуры при отверждении цианатэфирного связующего. Применение цианатэфирных связующих в производстве синтактиков, также позволяет создавать материалы с лучшими эксплуатационными характеристиками – минимальными значениями диэлектрической постоянной ε и тангенса угла диэлектрических потерь δ в диапазоне частот порядка десятков ГГц, минимальными газовыделением и влагопоглощением, лучшими упруго-прочностными свойствами и повышенной стойкостью к ФКП. Тенденция к использованию цианатэфирных производных при изготовлении радиопрозрачных деталей в аэрокосмической технике подтверждается использованием данных материалов при изготовлении обтекателей антенн марсохода «Curiosity» [4], а также обтекателей антенн малозаметных многоцелевых истребителей пятого поколения F-22 Raptor и F-35 Lighting II разработки Lockheed Martin (США) [5; 6]. В настоящий момент нами разработаны синтактные материалы на основе цианатэфирного связующего и полых микросфер (керамической и полимерной природы), по совокупности свойств, превосходящие существующие отечественные аналоги, сводные характеристики указанных материалов в сравнении со связующим НИИКАМ-РС приведены в таблице. Как видно из таблицы, синтактные материалы на основе цианатэфирного связующего, разработанные в ООО «НИИКАМ» могут быть изготовлены в широком диапазоне плотностей от 0,2 до 0,7 г/см3. При этом низкие диэлектрические константы данных материалов (ε ~1,1–1,7 в диапазоне частот порядка десятков ГГц) позволяют изготавливать на их основе радиопрозрачные элементы приёмопередающих устройств КА, например, обтекатели антенн, защищая чувствительные элементы от воздействия ФКП, в том числе от перегрева ввиду пониженных показателей теплопроводности синтактиков.

References 1. Vikhrov I. A., Aristov V. F., Gurov D. A. Adamantane oligocyanurate resins for dimensionally stable carbon composite structures used in spacecraft // Materials XIX Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”, 2015. 2. Cyanate ester coupling agents in aerospace industry. Catalytic properties of organometallic complexes and diazonium salts with complex anions in the curing reaction of cyanate coupling agents / Aristov V. F., Khalimanovich V. I., Mironovich V. V., Islentyeva T. A., Gurov D. A. // Vestnik SibSAU. 2013. № 2 (48). P. 159–165. (In Russ.) 3. Vikhrov I. A., Aristov V. F. Cyanate ester binders for the dimensionally stable carbon composite structures of satellite systems and orbital complexes of new generation // Materials VI Intern. Conf. “Functional nanomaterials and high-purity substances”, 2016. 4. High-Performance Composites, May 2014 / Donna Dawson // The Curiosity Mars rover: Descent stage composites. 5. URL: http://www.cytec.com/sites/default/files/ datasheets/CYCOM %205575-2.pdf. 6. URL: http://www.compositesworld.com/articles/ are-high-temp-thermosets-ready-to-go-commercial; Thermosets: Structure, Properties and Applications edited by Qipeng Guo, 2012.

Библиографические ссылки 1. Вихров И. А., Аристов В. Ф., Гуров Д. А. Адамантан-олигоциануратные связующие для размеростабильных углепластиковых конструкций космиче-

© Аристов В. Ф., Вихров И. А., 2017

67

Решетневские чтения. 2017

УДК 54.057 УНИКАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТЕРМОСТОЙКИЕ КЛЕИ В. Ф. Аристов, А. Т. Здвижков, О. К. Кошелева ООО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р E-mail: [email protected] Представлены результаты по разработке конструкционных клеёв с повышенной термостойкостью для изготовления силовых конструкций космических аппаратов (КА). Приводятся сравнения материалов, разработанных ООО «НИИКАМ» с отечественными и зарубежными аналогами. Ключевые слова: клеи, конструкционные материалы, космическая техника, термостойкость. HIGH-PERFORMANCE HEAT-RESISTANT ADHESIVES V. F. Aristov, A. T. Zdvizhkov, O. K. Kosheleva Research Institute for Cosmic and Aviation Materials 2r, Mendeleeva sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation E-mail: [email protected] The presented work describes the results of developing of high-performance heat-resistant adhesives. Developed materials are compared with Russian and foreign analogues. Keywords: adhesives, high-performance-materials, aerospace industry, heat-resistance. сдвиге клеевых соединений пластин из алюминиевого сплава Д16АТ, а так же характеристики при разрыве соединений пластина Д16АТ+сотовый заполнитель приведены в табл. 1. Для сравнения в таблице приведены значения прочности клея НИИКАМ КП и его американского аналога Cytec FM 300-2U. Согласно полученным данным соединение, склеенное клеем НИИКАМ КП имеет бóльшую прочность по сравнению с аналогом, склеенным Cytec FM 3002U. При 150 °С данные клеевые соединения имеют близкие значения прочности. ООО НИИКАМ был разработан пастообразный высокопрочный термостойкий клей «холодного» отверждения НИИКАМ-КТВК для склеивания фиттингов и закладных деталей, а также для монтажа температурочувствительного оборудования.

Развитие современной аэрокосмической техники невозможно представить без уникальных конструкционных материалов. Одной из приоритетных задач космического машиностроения является поиск решений снижения веса КА. С точки зрения снижения веса КА клеевые соединения имеют неоспоримое преимущество перед механическими соединениями (клёпочным или болтовым). В данной работе представлены результаты разработки конструкционных высокопрочных термостойких клеев «горячего» (125 °С) и «холодного» (25–70 °С) отверждения. Клей НИИКАМ-КП выпускается в виде эластичной липкой плёнки, что позволяет его применять для склеивания элементов конструкций КА и сотовых заполнителей. Прочностные характеристики при

Таблица 1 Прочностные характеристики клея НИИКАМ КП и его зарубежного аналога Cytec FM 300-2U № п/п 1

2

Марка клея НИИКАМ-КП Cytec FM 300-2U

Наименование показателя Предел прочности при сдвиге клеевых соединениий алюминиевых сплавов Д16АТ, МПа, не менее, при температуре 20 оС 150 оС Предел прочности при отрыве Д16АТ+сотовый заполнитель, МПа, не менее, при температуре 20 оС 80 оС 150 оС

68

20,0 15,0

16,4 16,0

6,0 5,0 3,0

нет данных

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов Таблица 2 Прочностные характеристики клея НИИКАМ КТВК и его российских аналогов № п/п

Марка клея

Предел прочности при сдвиге клеевых соединениий алюминиевых сплавов Д16АТ, МПа, не менее, при температуре 20°С 21,0

150°С 9,5

К-300

8,9

2,4

ВК-9

22,4

2,0

1

НИИКАМ-КТВК

2 3

Низкая (25–70 °С) температура полимеризации клея делает его удобным для монтажа крупногабаритных конструкций КА, для склеиваниях которых по «горячему» методу необходимо использование дорогостоящего оборудования (так как крупногабаритные термошкафы). Прочностные характеристики клеевых соединений пластин из алюминиевого сплава Д16АТ, склеенных клеем НИИКАМ-КТВК и другими клеямианалогами ВК-9 и К-300, представлены в табл. 2. Согласно полученным результатам клей НИИКАМ КТВК по эксплуатационным свойствам значительно

превосходит аналогичные клеи отечественного производства. Резюмируя вышеиложенное, в данной работе представлены результаты исследований по разработке высокопрочных термостойких конструкционных клеёв «горячего» и «холодного» отверждения. Данные клеи отличаются от аналогов более высокими прочностными характеристиками как при комнатной так и при повышенной ( 0 ниже температуры перехода в орбитально упорядоченное состояние (вставка к рис. 1, б). Магнитная восприимчивость твердых растворов Mn1-xGdxSe обнаруживает отклонение от закона Кюри–Вейсса в области высоких температур. Следует отметить, что прогрев твердых растворов до температуры ~ 900 К приводит к необратимым изменениям величины намагниченности в режиме «нагревохлаждение» для составов с x = 0,1; 0,15 в пределах (σheat – σcool)/ σcool ≈ 0,05, изображенных на рис. 2, а. Магнитная восприимчивость твердых растворов растет с увеличением содержания в них гадолиния. Так, для малых концентраций гадолиния в твердых растворах в температурном поведении намагниченности наблюдается излом в окрестности температуры Нееля. С ростом концентрации х величина магнитного момента увеличивается при низких температурах, что характерно для ферримагнетиков и антиферромагнетиков со «скошенной» магнитной ячейкой. Температура Нееля в зависимости от концентрации хорошо описывается линейной зависимостью TN(x)/TN(MnSe) = 1 – λx c отношением обменов λ = K/J2 = 0,45. Так в антиферромагнетиках с ГЦК решеткой и 2-м типом магнитного упорядочения температура Нееля имеет вид TN = 2/3S(S + 1)z2 J2, где J2 – обмен во 2-й координационной сфере, z2 = 6. Итак, замещение ионов марганца ионами гадолиния приводит к понижению температуры Нееля и резкому уменьшению парамагнитной температуры Кюри от концентрации.

Рис. 2. Относительное изменение намагниченности (σheat – σcool)/σcool в режиме «нагрев (1) – охлаждение(2)» для Gd0,1Mn0,9Se (a) и намагниченность σ при нагреве и охлаждении (б) для х = 0,1 от температуры

Для составов Mn1-xGdxSe с х = 0,1; 0,15 установлена зависимость магнитной восприимчивости от предыстории образца. При температурах, в несколько раз превышающих температуру Нееля найдено отклонение от закона Кюри–Вейсса. Экспериментальные данные объясняются в модели орбитального стекла. Библиографические ссылки 1. Аплеснин С. С., Ситников М. Н. Магнитотранспортные эффекты в парамагнитном состоянии в GdxMn1−xS // Письма в ЖЭТФ. 2014. T. 100, вып. 2. С. 104–110. 2. Нагаев Э. Л. Магнетики со сложными обменными взаимодействиями. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1988. 232 с. References 1. Aplesnin S. S., Sitnikov M. N. [Magnitotransportnye effekty v paramagnitnom sostoyanii v GdxMn1−xS]. JETP Letters. 2014. T. 100, Vol. 2. P. 104–110. 2. Nagaev E. L. [Magnetiki so slozhnymi obmennymi vzaimodeystviyamiyu]. M. : Nauka Publ., 1988. 232 p.

319

© Масюгин А. Н., Живулько А. М., Бандурина О. Н., Рыбина У. И., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.311.6 ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА А. А. Миронов ООО «Александер Электрик источники электропитания» Российская Федерация, 129226, г. Москва, просп. Мира, 125 E-mail: [email protected] Рассматриваются возможные пути решения проблем импортозамещения и взаимозаменяемости модулей электропитания на примере конкретной разработки ООО «АЭИЭП». Ключевые слова: источник вторичного электропитания, электронная компонентная база, радиоэлектронная аппаратура, импортозамещение, взаимозаменяемость. IMPORT SUBSTITUTION OF POWER SUPPLIES IN ELECTRONIC DEVICES OF SPACECRAFTS A. A. Mironov OOO “Alexander Electric istochniki electropitaniya” 125, Mira Av., Moscow, 129226, Russian Federation E-mail: [email protected] The article considers possible solutions of import substitution problems and interchangeability of power supply modules on the example of a specific design of “АЭИЭП” company. Keywords: secondary power supply, electronic component, radio electronic equipment, import substitution, interchangeability. Несмотря на объявленную кампанию по импортозамещению доля ИВЭП на импортной ЭКБ продолжает увеличиваться, на импортной ЭКБ выпускаются отечественные ИВЭП с приёмкой 5, а некоторые из них фигурируют даже в «Перечне ЭКБ 18». Причина тому – отсутствие современной отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) для разработки эффективных источников вторичного электропитания (ИВЭП), приборов силовой электроники. Есть класс приборов, в которых по тем или иным причинам необходимо применять ИВЭП только отечественного производства, изготовленные к тому же на отечественной ЭКБ отечественным производителем. Применяя в РЭА ИВЭП одного предприятияразработчика проблему замены ИВЭП на импортных комплектующих можно решить. В результате проведённого конструирования в ОАО «АЭИЭП» появился ряд модулей питания (МП), которые имеют те же габариты и цоколёвку, характеристики параметров ЭМС и КПД, что и прототип. Это позволяет в случае необходимости просто провести замену «старого на новый» без переделки РЭА. В работе проведён анализ номенклатуры, технических характеристик и функциональных возможностей новой линейки МП. Удельные показатели превышают показатели прототипа более чем в 2 раза! Подробно описана схемотехника новой линейки МП, особенности работы: узлы подстройки выходного напряжения, удалённой обратной связи и узла,

обеспечивающего выравнивание выходных токов при параллельной работе модулей. Рассмотрена конструкция и технология изготовления приборов, которые позволяют гарантировать устойчивую работу МП при механических и климатических воздействиях, действующих на борту КА. Приведены основные статические и динамические характеристики: время включения, суммарная нестабильность выходного напряжения, переходные отклонения выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока и входного напряжения. Исследован главный показатель энергетической эффективности модулей новой линейки – КПД. На рис. 1 показана зависимость КПД типичного представителя обратноходовой схемы преобразования модуля МДМ15-П для выходных напряжений Uвых = 5 В, 12 В и 27 В при значениях входного напряжения 17 В, 27 В и 36 В. Подробно исследована работа мощных модулей при параллельном соединении на выходе, применяемом как с целью увеличения выходной мощности, так и для резервирования с целью повышения надёжности всей системы электропитания. Описана работа узла выравнивания выходных токов при параллельной работе модулей. На рис. 2, 3 показана зависимость токов двух модулей МДМ120-П с выходным напряжением 27 В при изменении тока нагрузки от 10 до 100 % от суммарного тока нагрузки IНОМΣ = IНОМ1 + IНОМ2.

320

Электронная компонентная база космических систем КПД, % 90

85

UВЫХ = 27 В UВЫХ = 12 В

80 UВЫХ = 5 В UВХ = 17 В UВХ = 27 В UВХ = 36 В

75

40

20

80

60

100 PН/PНОМ, %

Рис. 1. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модулей МДМ15-П IВИП , %

75

50

25

ВИП1 ВИП2 0

2

6

4

8

10 Iн, А

Рис. 2. Параллельная работа модулей МДМ120-П в режиме выравнивания токов

Рис. 3. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модуля МДМ10-1П с выходными напряжениями 3,3 В и 5 В с диодным и синхронным выпрямителями

321

Решетневские чтения. 2017

Описаны дополнительные возможности МП: – схема запуска модулей, позволяющая во время включения модуля увеличивать его максимальный выходной ток в 1,5…2 раза в течение 2…20 мс. Такой режим возникает, например, при запуске от модуля питания электродвигателя, зарядки большой ёмкости или включении нагрузки типа нити накаливания; – работа модулей при температуре окружающей среды ТОКР = –67 °С; – с целью повышения КПД при работе модулей с выходными напряжениями 3…5 В диодный выпрямитель был заменён на синхронный выпрямитель. Испытания проводились на модуле МДМ10-П с выходными напряжениями и 3,3 В и 5 В (рис. 3). Рассмотрены возможности модулей питания по работе в условия действия специальных факторов. Сравнивая параметры МП серий МДМ и МДМ-П, приведённые в [1], с параметрами модулей новой линейки, можно сделать вывод, что последние имеют аналогичные статические, динамические и энергетические характеристики, но при этом практически

вдвое меньший объём и вес по сравнению МП серии МДМ. Библиографические ссылки 1. Технические характеристики модулей питания постоянного тока серии МДМ и МДМ-П на сайте ООО «АЭИЭП». URL: www.aeip.ru. 2. Руководящие технические материалы по применению модулей электропитания МДМ, МДМ-П, МДМ-ЕП, МДМ-М на сайте ООО «АЭИЭП». URL: www.aeip.ru. References 1. Technical specifications of DC power modules MDM and MDM-P series МДМ at OOO «AEIEP» site. Available at: www.aeip.ru. 2. Guidance material on the use of power modules MDM, MDM-P, MDM-EP, MDM-M at OOO «AEIEP» site. Available at: www.aeip.ru.

322

© Миронов А. А., 2017

Электронная компонентная база космических систем

УДК 519.7 ПРОБЛЕМА ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ А. Д. Попов Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] При изготовлении любой электронной схемы нужно использовать электрорадиоизделия со схожими характеристиками. Одним из видов повышения качества элементной базы является проверка отечественных партий на однородность и выделение групп элементов с идентичными характеристиками из сборных партий импортного производства. Представлена проблема разработки программ дополнительных отбраковочных испытаний изделий микроэлектроники. Ключевые слова: космическая отрасль, точность данных, классификация, отбраковка, электрорадиоизделия, алгоритм, кластер, набор параметров. PROBLEM OF ELECTRONIC COMPONENTS BASE TEST FOR SPACE APPLICATION A. D. Popov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] While manufacturing any electronic circuit, it is needed to use electrical radio products with similar characteristics. One kind of improving quality of the element base is checking the local parties on the uniformity and isolation of groups of elements with identical characteristics from consolidated shipments imported. In this paper we consider the problem of developing additional culled test programs of microelectronics products. Keywords: space industry, the accuracy of data, classification, rejection, electrical, algorithm, cluster, a set of parameters. В России отсутствуют специализированные производства электрорадиоизделий (ЭРИ) для космической отрасли, а требования к качеству ЭРИ выше, чем к высшей из выпускаемой категории качества «ОС». Главное отличие в требованиях к ЭРИ состоит в необходимости обеспечения длительной непрерывной работоспособности в течение 10–15 лет активного существования космического аппарата (КА). Поэтому до установки ЭРИ в аппаратуру необходимо организовать процедуру классификации конкретных партий ЭРИ на соответствие повышенным требованиям. А учитывая, что в партиях, поступающих к изготовителю аппаратуры, всегда содержатся ЭРИ с дефектами (потенциально ненадежные), на стадии входного контроля необходимо выявить эти ЭРИ и не допустить к установке в аппаратуру. Стоимость выявления дефектного ЭРИ на различных стадиях изготовления космического аппарата (КА) и эксплуатации возрастает на порядок от стадии к стадии. Известно, что наиболее эффективным методом предотвращения отказов аппаратуры являются дополнительные отбраковочные испытания (ДОИ) и разрушающий физический анализ (РФА) [1]. Суть метода состоит в том, что потенциально ненадежные ЭРИ выявляются до их отказа. В настоящее время общепринятыми считаются два направления повышения надёжности выпускае-

мых ЭРИ [2]: устранение причин отказов за счёт совершенствования конструкции и технологии изготовления, то есть воздействия на процесс производства посредством обратной связи (передачи информации), и создание бездефектной технологии; – выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии до поставки потребителю. Оба варианта обычно не реализуются, так как слаба обратная связь потребитель – изготовитель, а также то, что поставки осуществляются строго в соответствии с техническими условиями. Поэтому используется третий вариант: выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии на входном контроле у потребителя ЭРИ. Очевидно, что при прогнозировании работоспособности ЭРИ практически невозможно учесть реальный разброс времени наработки до отказа, связанный с разбросом электрофизических параметров ЭРИ и наличием в их структуре различных дефектов и неоднородностей. Поэтому даже при оптимистических результатах прогноза необходимым условием является научно-обоснованный выбор и введение дополнительных методов отбраковочных испытаний. И, в первую очередь, эффективных методов диагностирования до установки ЭРИ в бортовую аппаратуру (БА).

323

Решетневские чтения. 2017

Физические и методологические основы применения методов диагностирования известны [3; 4]. Применительно к КА и другой высоконадежной аппаратуре важно быть уверенным в отсутствии дефектных (потенциально ненадежных) ЭРИ в выборке, предназначенной для установки в аппаратуру. В технологическом процессе изготовления ЭРИ предусмотрен производственный контроль качества, предназначенный для выявления явных дефектов, характеризующих процент выхода годных изделий, и скрытых дефектов, характеризующих надежность выпускаемых ЭРИ. Основными предпосылками разработки программ дополнительных отбраковочных испытаний изделий микроэлектроники являются: – обеспечение требуемого уровня качества и надежности; – выявление номенклатуры потенциальных дефектов, генерируемых технологическим процессом; – установление эксплуатационных факторов, стимулирующих развитие дефектов и приводящие к отказам. А необходимый уровень качества и надежности ЭРИ определяется на этапе оценки вероятности безотказной работы аппаратуры и может быть использован для разработки программы дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ). Принципиально задача отбраковки потенциально ненадежных ЭРИ может решаться несколькими путями: – испытанием в форсированных режимах до развития отказа потенциально ненадежных ЭРИ; – диагностическим неразрушающем контролем (ДНК); – факторный анализ отбраковочных испытаний. Библиографические ссылки 1. Федосов В. В., Патраев В. Е. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при применении электрорадиоизделий, прошедших дополнительные отбраковочные испытания в специализированных испытательных технических центрах // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 10. С. 50–55.

2. Горлов М., Ануфриев Л., Строгонов А. Отбраковочные технологические испытания как средство повышения надежности партий ИС. ChipNews. 2001. № 5. 3. РД 11 0682–89. Микросхемы интегральные. Методы неразрушающего контроля диагностических параметров. Введ. с 01.01.1990. 77 с. 4. РД В 22.32.119–89. Руководящий документ: метод. пособие по выбору и использованию методов и средств электрофизического диагностирования электрорадиоизделий. В/ч 67947. 1989. 210 с. References 1. Fedosov V. V., Patraev V. E. Povyishenie nadezhnosti radioelektronnoy apparaturyi kosmicheskih apparatov pri primenenii elektroradioizdeliy, proshedshih dopolnitelnyie otbrakovochnyie ispyitaniya v spetsializirovannyih ispyitatelnyih tehnicheskih tsentrah // Aviakosmicheskoe priborostroenie [Improving the reliability of radio-electronic equipment of spacecrafts in the application of electronic components that have passed the additional screening tests in specialised test centres of excellence // Aerospace instrumentation.]. 2006. № 10. P. 50–55. 2. Gorlov M., Anufriev L., Strogonov A. Otbrakovochnyie tehnologicheskie ispyitaniya kak sredstvo povyisheniya nadezhnosti partiy IS [Discarding technological tests as a means of increasing the reliability of shipments of IP]. ChipNews. 2001. № 5. 3. RD 11 0682–89. Mikroshemyi integralnyie. Metodyi nerazrushayuschego kontrolya diagnosticheskih parametrov. Vved. s 01.01.1990 [RD 11 0682-89. Microcircuits integrated. Methods of nondestructive testing of diagnostic parameters. Introduction 01.01.1990]. 77 p. 4. RD V 22.32.119–89. Rukovodyaschiy dokument: metod. posobie po vyiboru i ispolzovaniyu metodov i sredstv elektrofizicheskogo diagnostirovaniya elektroradioizdeliy [RD B 22.32.119-89. Guidance document: method. manual for the selection and use of methods and means of electrophysical diagnosis of electronic products]. M/u 67947. 1989. 210 p.

324

© Попов А. Д., 2017

Электронная компонентная база космических систем

УДК 621.311.6 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В. В. Савенков, А. К. Тищенко, В. Н. Волокитин ЗАО «Орбита» Российская Федерация, 394038, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, 88 E-mail: [email protected] Рассматривается структура современных систем электропитания малоразмерных космических аппаратов (МКА) с использованием аппаратуры регулирования и контроля (АРК), эксплуатируемой в жестких условиях ВВФ и проблемные вопросы их построения. Ключевые слова: система электропитания малоразмерных космических аппаратов, аппаратура регулирования и контроля, силовая элементная база. DESIGN PRINCIPLES OF REGULATION AND CONTROL EQUIPMENT OF THE MODERN POWER SUPPLY SYSTEMS OF SMALL-SIZED SPACECRAFTS V. V. Savenkov, A. K. Tishchenko, V. N. Volokitin Orbita, CJSC 88, Peshe-Streletskaya Str., Voronezh, 394038, Russian Federation E-mail: [email protected] The paper considers design problems and structure of modern small-sized spacecrafts power supply systems with the usage of regulation and control equipment operated in harsh conditions. Keywords: power supply system of small-sized spacecrafts, control and regulation equipment, power electronic components. ЗАО «Орбита» специализируется на разработке, освоении и выпуске аппаратуры регулирования и контроля систем электроснабжения космических аппаратов. В настоящее время предприятие приступило к разработке моноблочной системы АРК электроснабжения МКА. Космические аппараты такого типа предназначены, в частности, для изучения взаимодействия волн и частиц на внешних границах магнитосферы Земли, а также взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой. Система электропитания МКА содержит: две батареи фотоэлектрические суммарной мощностью 1600 Вт; аккумуляторную никель-водородную батарею; АРК. Назначение АРК в системе электропитания МКА – обеспечить электропотребление бортовой аппаратуры (БА) МКА стабилизированным напряжением постоянного тока (32 ± 0,32) В, мощностью – не менее 700 Вт при работе от фотоэлектрических батарей на свету с параллельным зарядом аккумуляторной батареи избыточным током и в режиме разряда аккумуляторной батареи в нагрузку при нахождении МКА в тени [1]. Критически-важными функциями АРК, необходимыми для поддержания работоспособности МКА являются: стабилизация напряжения на шине, управления зарядом-разрядом батареи, регулирование тока – реализованы на аппаратной логике, а вспомогатель-

ные, функции (прием команд-уставок, телеметрия) – на программно-аппаратном уровне с использованием микроконтроллера. Конструкция АРК представляет собой ряд модулей, которые крепятся к основанию через теплопроводящую смазку. Основание вместе с модулями крепится к термостатированной плате МКА [4; 5]. Все модули выполнены с применением коробчатых несущих элементов конструкции, одновременно выполняющих функцию радиатора, и позволяющих обеспечить тепловой режим электрорадиоэлементов, виброустойчивость и виброударопрочность с уменьшением массы прибора [2]. Выбранный вариант конструкции позволил получить высокие показатели для аппаратуры данного класса: габариты – 295×275×209 мм, масса – не более 13,7 кг. Проблемы реализации схемотехнических решений для АРК логически вытекают из высоких требований по радиационной стойкости, предъявляемых в техническом задании к АРК. Высокие эллиптические орбиты эксплуатации МКА диктуют жесткие требования к элементной базе АРК, и требует применения в нем ЭКБ со стойкостью по накопленной дозе 50–100 Крад с учетом защитных свойств оболочки МКА и корпуса АРК [3]. Применение микроконтроллеров для управления заряд-разрядом аккумулятора потенциально проблемно и требует применения более радиационностойких ИС – со степенью интеграции не выше сред-

325

Решетневские чтения. 2017

ней, что приводит к необходимости изменения управляющих алгоритмов микроконтроллера и дополнительному синтезу, макетированию и отладке значительного объема схемотехнических решений. Высокая радиационная стойкость АРК потребовала выбора соответствующего по стойкости микроконтроллера для блока приема и обработки команд и телеметрии. В первоначальном варианте АРК для функциональной отработки использовался микроконтроллер 1986ВЕ1Т (АО ПКК «Миландр»), имеющий достаточные ресурсы для реализации все функций АРК, но недостаточный запас по накопленной дозе (4 Крад). Данный микроконтроллер успешно используется в других разработках ЗАО «Орбита», где требования по стойкости более низкие, однако заданные в ТЗ требования по АРК и МКА (эксплуатируемых на высоких эллиптических орбитах не менее 7 лет) не позволили применять его в дальнейшем в АРК. В результате, выбор в списке доступных отечественных микроконтроллеров был ограничен единственным радстойким (>100 кРад) микроконтроллером 1874ВЕ7Т производства АО НИИЭТ, г. Воронеж, который имел относительно небольшое количество выводов – 88. Однако, использование уникального программно-аппаратного решения – мультиплексирования сигналов, позволило сократить количество используемых выводов микросхемы 1874ВЕ7Т и решить вопрос с компоновкой в заданных габаритах. Другой проблемой при построении АРК для малоразмерных МКА является недостаточный ресурс отечественной ЭКБ – не более 50000 часов в условиях космического вакуума. В частности, это касается металлокерамических конденсаторов и пленочных резисторов для поверхностного монтажа. «Слабым» местом по ресурсу также является силовая элементная база, преимущественно транзисторы КМОП-технологии, которые создают трудности при их компоновке для обеспечения требуемого теплового режима. Для обеспечения ресурса АРК при летной эксплуатации требуется применение современной элементной базы на основе новой технологии, например, использование высокотемпературных силовых транзисторов на карбид-кремниевой (SiC), или нитритгаллиевой основе (GaN), с малым зарядом затвора и временем обратного восстановления (менее 100 нс), а также применение вместо электромеханических реле высоконадежных интеллектуальных силовых модулей (IPM). Третьей проблемой при разработке современной АРК является качество используемой элементной базы. В настоящее время, в соответствии с требованиями ТЗ, в АРК обязательно должна быть применена ЭКБ повышенного уровня качества и надежности категорий ОС, ОСМ. В исключительных, технически обоснованных случаях, разрешается применение отечественной ЭКБ категории качества «ВП», но с проведением дополнительных испытаний, подтверждающих качество данной ЭКБ. Однако, в последнее время головной заказчик требует проведение дополнительных испытаний для всей ЭКБ, применяемой в МКА, включая категории ОС, ОСМ. Это связано, с одной стороны, с высокими требованиями к качест-

ву ЭКБ и аппарата в целом, а с другой - с участившимся случаями получения отрицательных результатов дополнительных испытаний ЭКБ категорий качества ОС, ОСМ. При этом самым распространенным дефектом является наличие повышенного уровня содержания паров воды внутри корпусов интегральных микросхем, что не приемлемо для АРК и МКА. Наиболее важной проблемой при разработке АРК является длительные сроки комплектования ЭКБ макетов, опытных и летных образцов аппаратуры – от 3 до 9 месяцев. Головными заказчиками разработчикам аппаратуры выдаются ТЗ на разработку аппаратуры со сроком выполнения от года до двух лет. За этот срок главным конструкторам необходимо провести разработку электрической схемы и конструкции, провести макетирование и конструкторские испытания, изготовить опытные образцы, провести предварительные испытания, присвоить литеру «О» документации, изготовить штатные образцы и поставить их заказчику. Разработчики заведомо поставлены в невыполнимые условия, когда скорость разработки и изготовления образцов зависит не от них, а от длительной поставки комплектующих. Решение указанных проблем позволит создавать отечественную аппаратуру для космических аппаратов быстро, качественно и надежно. Библиографические ссылки 1. Техническое задание на разработку аппаратуры регулирования и контроля для МКА. 2. ЗАО «Орбита». Научно-технический отчёт о составной части ОКР «Разработка предложений по конструкции и реализации технических требований для аппаратуры регулирования и контроля (АРК) СЭС ППТС». 3. База данных по радиационной стойкости электронных компонентов зарубежного производства (РСЭК). РНИИ «Электростандарт». 4. Патент № 2305310. Регулятор постоянного напряжения / А. К. Тищенко, Г. Д. Лившин, Ф. С. Власов. 5. Патент № 2306652. Зарядно-разрядное устройство / А. К. Тищенко, Г. Д. Лившин, Ф. С. Власов. References 1. Technical task for the development of regulation and control equipment for small-sized spacecrafts. 2. Orbita, CJSC. Scientific and technical report on the part of R & D “Development of proposals for the design and implementation of technical requirements for control and regulation equipment of the power supply system of PPTS”. 3. Database on radiation resistance of electronic components of foreign production. RNII “Electrostandart”. 4. А. K. Tishchenko, G. D. Livshin, F. S. Vlasov. DC voltage regulator. Patent № 2305310. 5. А. K. Tishchenko, G. D. Livshin, F. S. Vlasov. Charging-discharge device. Patent № 2306652.

326

© Савенков В. В., Тищенко А. К., Волокитин В. Н., 2017

Электронная компонентная база космических систем

УДК 519.6 АЛГОРИТМ ДЛЯ СЕРИИ ЗАДАЧ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ Д. В. Сташков*, М. Н. Гудыма, Л. А. Казаковцев, И. П. Рожнов, В. И. Орлов Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Представлен генетический алгоритм метода жадных эвристик для задач разделения смеси распределений. Новый алгоритм на основе EM-алгоритма позволяет одновременно решать серию таких задач, различающихся только числом распределений. Статистически показано преимущество нового алгоритма по точности результата для таких задач, как выявление однородных партий электрорадиоизделий. Ключевые слова: алгоритмы кластеризации, электрорадиоизделия, разделение смеси распределений ALGORITHM FOR SERIES OF MIXTURE DISTRIBUTION SEPARATION PROBLEMS D. V. Stashkov*, M. N. Gudyma, L. A. Kazakovtsev, I. P. Rozhnov, V. I. Orlov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] We propose new genetic algorithm mixture distribution separation based on ideas of the Greedy Heuristic Method. Based on the EM algorithm, this algorithm allows to solve simultaneously series of such problems with only one various parameter (number of distributions in the mixture). We prove statistically the advantage of our new algorithm by accuracy and stability of its result for such problems as separation homogeneous production batches of microelectronic devices. Keywords: clustering algorithms, electronic components, separation of mixture distribution. Данные весьма высокой размерности (несколько сотен измерений) встречаются в задаче выделения однородных партий электронных изделий, например, интегральных схем из сборной партии [1]. В такого рода задачах требуется получение не просто приемлемого результата, но очень точного и стабильного при многократных запусках. Например, такие задачи возникают при проверке качества состава (однородности/неоднородности) смеси однотипных микроэлектронных изделий [2] в космической промышленности. Разделение смеси на предполагаемые однородные партии производится на основе анализа данных тестовых испытаний, представленных векторами данных очень большой размерности (сотни измерений) [1; 3]. Простой EM-алгоритм с двумя чередующимися шагами для разделения смеси распределений [4] в случае многомерных данных сильно зависит от начального решения. Одной из хорошо зарекомендовавших себя стратегий глобального поиска является применение эволюционных (генетических) алгоритмов. Сложности кодирования решений, традиционно представляемых в классических генетических алгоритмах L-битными строками, в алгоритмах метода жадных эвристик [5] решены применением так называемого генетического алгоритма с вещественным алфавитом, в котором «особи» – промежуточные решения задач k-медиан или k-средних – представлены непосредственно множествами точек в пространстве Rd (т. е. непосредственно множествами медиан или центроидов).

Алгоритм с гетерогенной популяцией для задачи разделения смеси распределений. 1. Сгенерировать случайным образом NPOPнач начальных решений, представленных парой множеств распределений и их весовых коэффициентов 0 0 2 0 i = 1, km , D m , W m = N ( μ m ,i , σ m ,i ) , α m ,i = 1 / k ,

{

}{

}

m = 1, N РОРнач . Начальные значения среднеквадра-

тичных отклонений устанавливаются равными для всех кластеров и вычисляются для всей выборки: 2 1 0 0 2 σ i = ∑ x − x . Значения μ m,i устанавливаются d x∈S равными координатам случайно выбранных векторов данных. Для каждого из начальных решений запускается EM-алгоритм, полученные значения целевой функции сохраняются в переменных f1 ,...,f N . ПриPOP своить Niter = 0. 2. Niter = Niter + 1; N POP = max{ N РОРнач ; ⎡ 1 + N iter ⎤ + 2} . ⎢ ⎥ Если NPOP изменилось, то инициализировать особь XNpop аналогично шагу 1. Выбрать случайным образом k1,k2∈ [1, NPOP], k1≠k2. 3. Dnew , Wnew = Dk1 ∪ Dk2 , Wk1 ∪ Wk2 . 4. Пока |Dnew| > pmax выполнять: выбрать j = arg max Li′ Dnew \ { N (μi′ , σi′ )} ,Wnew \ {αi′ } ; i′∈1, Dnew

(

{

)

}

{ }

Dnew = Dnew \ N (μ j , σ j ) , Wnew = Wnew \ α j .

дующая итерация 4.

327

Сле-

Решетневские чтения. 2017 Сравнительные результаты серийного алгоритма Набор данных, число вектор., размерн. Europe (UCI), N = 169308, d=2

Число класт. k, тип распр., время 40, сфер, 1.5 часа

Тесты ИС 1526ТЛ1, N = 1234, d = 120

Алгоритм Новый EM CEM SEM Новый EM

5, сфер., 5 сек.

Ср. рез-т (лог. ф-ция пр-подобия) –3625694,1* –3625957,3 –3625779,0 –3625740,2 3673,671* 3598,160

Ср.кв. откл. результатов 20,148 49,561 25,064 29,064 44,043 32,160

Примечание:* – лучший результат;

5. Выбрать случайным образом pchild ∈ {2, pmax}. Если pchild > |Dnew|, то pchild = |Dnew|; 6. f child , Dnew = L ( Dnew , Wnew ) ; 7. Пока |Dnew| > pchild выполнять: выбрать j = arg max L Dnew \ { N (μ j , σ j )} , Wnew \ {α j } ; j∈1, Dnew

{

(

)

}

{ }

Dnew = Dnew \ N (μ j , σ j ) , Wnew = Wnew \ α j

Следую-

щая итерация 7. 8. Пока |Dnew| > 2: Присвоить fchild , Dnew = L(Dnew ,Wnew ); k = Dnew ; f k , Dnew = L( Dnew ,Wnew ); если f k , Dnew < Fk* , то

присвоить Fk* = f k , Dnew ; Выполнить шаги 4.1 и 4.2 для Dnew. Следующая итерация 8. 9. Выбрать j3∈{1, NPOP} с использованием турнирного замещения. Присвоить D j3 = Dnew ; W j3 = Wnew ; f j3 , k = f child . 10. Проверить условия останова, перейти к шагу 2. Было выполнено по 30 попыток запуска каждого из алгоритмов. Фиксировались лучшие результаты, достигнутые в каждой попытке, затем эти результаты были усреднены. Результаты работы EM-алгоритма в режиме мультистарта и его модификаций обозначены EM, CEM, SEM. Таким образом, с одной стороны, метод жадных эвристик [5] может быть успешно применен для построения эффективных алгоритмов решения задач разделения смеси распределений. При этом сохраняется важное свойство алгоритмов, полученных с применением данного подхода: высокая точность получаемых результатов. Для некоторых практических задач, к примеру, задачи автоматической группировки электрорадиоизделий [1; 3], сформулированные в виде задач разделения смеси гауссовых распределений результатов тестовых испытаний, новый алгоритм в ходе нескольких (не более 10) попыток запуска позволяет найти, вероятно, точный результат задачи или, по крайней мере, результат, который не получается превзойти с применением известных алгоритмов. Получен новый алгоритм, стабильно превосходящий по точности получаемых результатов известные алгоритмы для некоторых классов задач, позволяющий получить решение сразу для серии задач разделения смеси распределений. В частности, таким классом задач являются задачи разделения смесей сферических и некоррелированных гауссовых распределений в пространствах большой размерности (десяткисотни измерений) с числом векторов данных от сотен до десятков тысяч.

Библиографические ссылки 1. Федосов В. В., Казаковцев Л. А., Масич И. С. Метод нормировки исходных данных испытаний электрорадиоизделий космического применения для алгоритма автоматической группировки // Системы управления и информационные технологии. 2016. Т. 65 (3). С. 92–96. 2. Федосов В. В. Вопросы обеспечения работоспособности электронной компонентной базы в аппаратуре космических аппаратов : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 68 с. 3. Kazakovtsev L. A., Antamoshkin A. N., Masich I. S. Fast Deterministic Algorithm for EEE Components Classification // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 94. article ID 012015, 10 p. DOI: 10.1088/1757-899X/04/1012015. 4. Королев В. Ю. ЕМ-алгоритм, его модификации и их применение к задаче разделения смесей вероятностных распределений. Теоретический обзор. М. : ИПИ РАН. 2007. 94 c. 5. Казаковцев Л. А., Антамошкин А. Н. Метод жадных эвристик для задач размещения // Вестник СибГАУ. 2015. № 2. С. 317–325. References 1. Fedosov V. V., Kazakovtsev L. A., Masich I. S. [Method of normalization of raw data of spaceship electronic components testings for automatic grouping algorithm]. Sistemy upravleniya i informatsionnye tekhnologii. 2016. Vol. 65, iss. 3. P. 92–96. (In Russ.) 2. Fedosov V. V. Voprosy obespecheniya rabotosposobnosti elektronnoy komponentnoy bazy v apparature kosmicheskikh apparatov: ucheb.posobie. [Ensuring the operability of the electronic component base in spacecraft equipment: textbook], Krasnoyarsk, 2015. 68 p. 3. Kazakovtsev L. A., Antamoshkin A. N., Masich I. S. Fast Deterministic Algorithm for EEE Components Classification. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 94. Article ID 012015, 10 P. DOI: 10.1088/1757-899X/04/1012015. 4. Korolev V. Yu. EM-algoritm, ego modifikatsii i ikh primenenie k zadache razdeleniya smesey veroyatnostnykh raspredeleniy. Teoreticheskiy obzor. [EM algorithm, its modifications and their application to the problem of mixture probability distribution separation. Theoretical overview]. Moscow, Institute of Informatics Problems of RAS, 2007. 94 p. 5. Kazakovtsev L. A., Antamoshkin A. N. [Greedy Heuristic Method for Location Problems] // Vestnik SibGAU. 2015. Issue 2. P. 317–325. (In Russ.)

328

© Сташков Д. В., Гудыма М. Н., Казаковцев Л. А., Рожнов И. П., Орлов В. И., 2017

Секция

«КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»

Решетневские чтения. 2017

УДК 620.192

МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ* А. В. Азин1*, С. А. Пономарев1, С. В. Пономарев1, В. Н. Лейцин2, С. Б. Сунцов3 1

Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 2 Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта Российская Федерация, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского, 14 3 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 * E-mail: [email protected] Разработан метод неразрушающего контроля электронных плат. Метод ориентирован на мелкосерийное производство радиоэлектронной аппаратуры для космических аппаратов. Ключевые слова: неразрушающий контроль, контактные соединения, печатная плата, надежность, долговечность. NON-DESTRUCTIVE CONTROL METHOD А. V. Azin1*, S. А. Ponomarev1, S. V. Ponomarev1, V. N. Leitsin2, S. B. Suntsov3 1

Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2 Immanuel Kant Baltic Federal University 14, A. Nevskogo Str., Kaliningrad, 236016, Russian Federation 3 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation * E-mail: [email protected] A method for nondestructive testing of electronic boards has been developed. This method focuses on small-scale production of electronic equipment for satellites. Keywords: non-destructive testing, contact connections, printed circuit board, reliability, durability. При применении стандартных методов контроля качества выпускаемой электронной продукции сложно выявить скрытые дефекты, которые будут расти при эксплуатации электронной платы (ЭП) в составе аппаратуры космического аппарата (КА), а, следовательно, нельзя точно спрогнозировать срок эксплуатации аппаратуры в целом. Экспериментальные исследования на образцах ЭП показали, что метод акустической эмиссии (АЭ) позволяет обнаружить скрытый дефект в конструкции ЭП [1]. На рис. 1, а, б представлен образец электронной платы с микросхемой на BGA контактах и результаты испытаний образца методом АЭ (● – датчик АЭ; ■ – обнаруженный дефект). Для определения геометрических размеров обнаруженных дефектов использовался метод рентгеновской томографии (РТ). На рис. 1в представлен снимок с выявленными скрытыми дефектами. Для прогнозирования ресурса работы электронной платы с обнаруженными дефектами проводится численный анализ. В задаче напряженнодеформированное состояние ЭП определялось при температурном цикле: от –55 до +125 °C, скорость охлаждения и нагрева составляет 10 °C/мин [2]. _________________________ *

Рассмотрены два типа численных моделей: общая и локальная [3; 4]. Общая модель отображает всю электронную плату (рис. 2, а). Результатом решения является поле перемещений для всех узлов модели. Далее это поле перемещений прикладывается к паяным соединениям с дефектами в локальной модели для определения максимума интенсивности напряжений (рис. 2, б–г). Рассмотрены три случая дефектных контактов (рис. 1, в). Для определения количества циклов до момента разрушения контактного паяного соединения используется функция повреждаемости материала В. В. Москвитина [5]. По результатам решения определено, что при данной скорости нагружения быстрее всего разрушится дефектное паяное соединение второго случая, ЭП отработает при этом 3750 ч. Заключение. При совместном использовании методов АЭ и РТ получены данные о местоположении и о геометрических размерах скрытых дефектов. С помощью методик определения остаточного ресурса определены сроки функционирования ЭП при заданных эксплуатационных нагрузках.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16–38–00743 мол_а.

330

Контроль и испытания ракетно-космической техники

а

б

в

Рис. 1. Экспериментальные исследования: а – образец ЭП; б – диаграмма АЭ результатов поиска дефектов; в – рентгеновский снимок

а

б

в

г

Рис. 2. Численный анализ: а – общая модель; б, в, г – локальная модель, первый, второй, третий случай соответственно

Библиографические ссылки

References

1. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements / S. V. Ponomarev [et al.] // Conference Series : Materials Science and Engineering, 2015. Т. 71. С. 012056. 2. Finite element analysis of the effect of silver content for Sn–Ag–Cu alloy compositions on thermal cycling reliability of solder die attach / K. C. Otiaba [et al.] // Engineering Failure Analysis, 2013. Т. 28. С. 192–207. 3. Экспериментально-теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния и оценка долговечности BGA- и CGA-контактов электронных модулей / А. В. Азин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика, 2011. № 10/2. С. 146–153. 4. Ladani L. J. Damage initiation and evolution in voided and unvoided lead free solder joints under ciclic thermo-mechanical loading : diss. … Doctor of philosophy. University of Maryland. 2006. 204 с. 5. Москвитин В. В. Циклические нагружения элементов конструкций. М. : Наука, 1981. 344 с.

1. The applicability of acoustic emission method to modeling the endurance of metallic construction elements / S. V. Ponomarev [et al.] // Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015, Vol. 71. P. 012056. 2. Otiaba K. C., Bhatti R. S., Ekere N. N., Mallik S., Ekpu M. Finite element analysis of the effect of silver content for Sn–Ag–Cu alloy compositions on thermal cycling reliability of solder die attach. Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 28. P. 192–207. 3. [Experimental-theoretical study of stress-strain state and evaluation of the durability of BGA- and CGAcontacts of electronic modules] / A. V. Azin [et al.]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika. 2011, no. 10/2. P. 146–153. (In Russ.) 4. Ladani L. J. Damage initiation and evolution in voided and unvoided lead free solder joints under ciclic thermo-mechanical loading : diss. … Doctor of philosophy. University of Maryland Publ. 2006. 204 p. 5. Moskvitin V. V. Tsiklicheskie nagruzheniya elementov konstruktsiy [Cyclic loading of structural elements]. Moscow, Nauka Publ. 1981. 344 p. © Азин А. В., Пономарев С. А., Пономарев С. В., Лейцин В. Н., Сунцов С. Б., 2017

331

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.822.6 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МОМЕНТА ТРОГАНИЯ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ-МАХОВИКОВ П. А. Алексанов1, А. А. Липовцев1, Ю. Г. Гладышев1, П. Н. Никулин1, 2 1

АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: [email protected] Рассмотрены существующие технические средства измерения момента трогания шарикоподшипника и их недостатки. Приведена принципиальная схема разработанного стенда измерения момента трогания шарикоподшипника индуктивным методом. Ключевые слова: управляющий электродвигатель-маховик, подшипниковый узел, шарикоподшипник, стенд измерения моментов трогания. RESEARCH OF TECHNICAL FACILITIES OF START TORQUE MEASUREMENT FOR BALL BEARINGS USED IN REACTION WHEELS P. А. Aleksanov1, А. А. Lipovtsev1, Y. G. Gladishev1, P. N. Nikulin1, 2 1

JSC “Scientific & Industrial Centre “Polyus” 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2 National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected] The article considers the existing technical means to measure the ball bearing start torque and their shortcomings. It presents schematic diagram of developed stand for start torque measurement, based on inductive method. Keywords: reaction wheel, bearing unit, ball bearing, start torque measurement stand. Введение. Основной режим работы управляющих электродвигателей-маховиков (УДМ) – знакопеременный вблизи нулевых угловых скоростей маховика с изменением направления вращения через нулевое значение скорости. Для ограничения зоны нечувствительности в данном режиме необходим минимальный момент трогания (Мт) шарикоподшипника (ШП). В связи с этим Мт является одной из важнейших характеристик ШП, применяемых в УДМ систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, поскольку от его значения в значительной мере зависит точность управления их положением в космическом пространстве. Для обеспечения минимального Мт в подшипниковом узле УДМ необходимо: − проведение исследований на стадии разработки конструкторской документации для обеспечения минимального Мт конкретного ШП (теоретический метод); − подбор ШП для комплектования подшипникового узла на стадии изготовления УДМ по значению Мт (экспериментальный метод). Из-за невысокой достоверности расчетов, зависящей от количества принятых допущений и множества технологических факторов, не поддающихся учету при вычислениях, теоретический метод определения Мт подходит только для предварительной оценки [1]. На отечественных предприятиях, изготавливающих подшипники специального назначения, Мт ШП

либо не контролируется, либо для его контроля применяется устаревшее оборудование, имеющее большую погрешность. В связи с вышеизложенным проведение исследований в области создания технических средств измерения Мт ШП является актуальным. Исследование технических средств измерения Мт. Измерение фактического Мт ШП проводится на специальных стендах, имитирующих реальные нагрузки на ШП, действующие в подшипниковых узлах УДМ [2–5]. Анализ существующих стендов для измерения Мт выявил следующие их недостатки: − условия нагружения не полностью соответствуют условиям нагружения ШП в составе УДМ, поскольку отсутствует совместное осевое и радиальное нагружение; − погрешность измерения велика вследствие визуального контроля начала вращения кольца ШП; − отсутствие возможности измерения Мт одного ШП (только двух одновременно) не позволяет выполнять подбор ШП для подшипникового узла УДМ по минимальному Мт. Таким образом, необходимо создание стенда для измерения момента трогания Мт ШП, не имеющего перечисленных выше недостатков. Предложенный стенд (рисунок) по сравнению с известными аналогами позволяет исключить вышеприведенные недостатки и обеспечить высокую точность измерения Мт.

332

Контроль и испытания ракетно-космической техники

Стенд для измерения момента трогания шарикоподшипника индуктивным методом: 1 – грузы; 2, 14 – кольцевые индукторы; 3 – вал; 4 – стойка; 5 – узел установки шарикоподшипника; 6 – шарикоподшипник; 7, 17 – стойки; 8, 9, 16, 19 – кронштейны; 10 – электромагнитная индукционная система; 11 – алюминиевый диск; 12 – оптикоэлектронный блок; 13 – оптический диск; 15, 20 – электромагниты; 18 – корпус

Заключение. Исследование технических средств измерения Мт ШП показало, что на заводах, изготавливающих подшипники в условиях массового производства, контроль по такому параметру, как Мт, либо не проводится вовсе, либо проводится выборочно. Связано это, в первую очередь, с отсутствием оборудования, обеспечивающего контроль данного параметра с минимальной погрешностью. Результатом исследований является разработка принципиальной схемы стенда для измерения момента трогания шарикоподшипника, в которой исключены недостатки существующих стендов, с целью достижения условий реальной работы ШП в УДМ. На предложенный стенд получен патент РФ на полезную модель «Устройство для измерения момента трогания шарикоподшипника» № RU 172 555 U1 от 12.07.2017. Библиографические ссылки 1. Михайлов Е. М. Момент трения в шарикоподшипниках изделий для космических аппаратов // Вопросы электромеханики. 2014. Т. 140. С. 3–6. 2. Явленский К. Н. Приборные шариковые подшипники. М. : Машиностроение, 1981. 351 с. 3. Спришевский А. И. Подшипники качения. М. : Машиностроение, 1968. 631 с.

4. Колотий Э. Ф. Индукционный метод измерения момента трогания // Изв. Том. политех. ин-та. 1966. Т. 141. С. 91–93. 5. Справочник конструктора точного приборостроения / под ред. Ф. Л. Литвина. М. ; Л. : Машиностроение, 1964. 944 с. Reference 1. Мihailov Е. М. [Friction moment in bearings used in products for spacecraft]. Voprosy elektromekhaniki. 2014. Vol. 140. P. 3–6. (In Russ.) 2. Iavlenski K. N. Pribornye shrikovye podshipniki. [Instrumental Ball bearings]. М. : Mechanical engineering, 1981. 351 p. 3. Sprishevskiy А. I. Podshipniki kacheniya. [Ball bearings]. М. : Mechanical engineering, 1968, 631 p. 4. Kolotiy E. F. [Induction method of measurement start torque]. News of Tomsk Polytechnic institute. 1966. Vol. 141. P. 91–93. (In Russ.) 5. Handbook for the designer of precision instrumentation / F. L. Litvin. М. ; L. : Mechanical engineering, 1964, 944 p.

333

© Алексанов П. А., Липовцев А. А., Гладышев Ю. Г., Никулин П. Н., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.78 СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИМИТАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Р. О. Асланян1, 2*, Д. И. Анисимов1, 2, И. А. Марченко1, В. И. Пантелеев2 1

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * E-mail: [email protected] Представлено сравнительное описание трех образцов имитаторов солнечного излучения отечественного производства по четырем ключевым параметрам. Рассмотрен вопрос о возможности создания и применения компактных трансформируемых источников теплового излучения солнечного спектра, с целью повышения качества термовакуумных испытаний для космических аппаратов различных классов. Ключевые слова: имитатор солнечного излучения, космический аппарат, тепловакуумные испытания, наземные испытания, световое пятно. CURRENT AND FUTURE SOLAR SIMULATORS FOR THERMAL VACUUM TESTS OF SPACECRAFTS R. O. Aslanyan1, 2, D. I. Anisimov1, 2, I. A. Marchenko1, V. I. Panteleev2 1

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected] We made comparative description of the three solar simulators home production by four key parameters. In this work the possibility of creation and application of the compact solar simulator is considered. The research objective is to develop a compact solar spectrum simulator for increasing the quality of spacecraft thermal vacuum tests. Keywords: solar simulators, spacecrafts, thermal vacuum tests, ground tests, light spot. Введение. Одной из актуальных проблем в области освоения космического пространства является адекватное моделирование условий космического полета для испытаний космических аппаратов (КА) на Земле [1]. Важным фактором термовакуумных испытаний является имитация солнечного излучения [2]. Рассмотрены несколько имитаторов промышленного производства с целью выявления наиболее оптимальных конструкций и схем, а также рассмотрена возможность создания и последующего применения компактных трансформируемых источников теплового излучения солнечного спектра. Испытания. Термовакуумная отработка КА и его систем терморегулирования проводится в термобарокамерах, имитирующих условия реальной эксплуатации КА с применением специального испытательного оборудования, стендов и систем. Имитатор солнечного излучения (ИСИ) предназначен для имитации прямого солнечного излучения, действующего при орбитальном функционировании на КА [3].

Требования к ИСИ для околоземной орбиты: удельная тепловая мощность падающего теплового потока 1340–1440 Вт/м2; равномерность облучения до ±15 %; непараллельность лучей до 4 угловых градусов; спектральный диапазон имитируемого солнечного потока близкий к диапазону солнечного излучения (200 нм ≤ λ ≤ 2000 нм) [4]. Для анализа выбраны ИСИ применяемые в термобарокамерах АО «ИСС имени академика М. Ф. Решетнева» (ТБК-120, ГВУ-600) и ИС-500 (ВК 600/300) – в испытательном центре Роскосмоса НИЦ. Проведем анализ ИСИ по следующим параметрам: источник излучения – определяет спектральный диапазон ИСИ и его близость к спектру излучения Солнца; площадь облучаемой поверхности – определяет возможность применения имитатора излучения для испытаний КА различного размера; неоднородность уровней плотностей падающего потока излучения – не должна превышать ±15 %; максимальная интенсивность солнечного излучения – удельная тепловая мощность на уровне 1340–1440 Вт/м2 [5].

334

Контроль и испытания ракетно-космической техники Сравнительная характеристика ИСИ Имитатор

1. ИСИ ТБК-120 2. ИСИ ГВУ-600 3. ИС-500

Источник излучения

Газоразрядные ксеноновые лампы Газоразрядные ксеноновые лампы Газоразрядные ксеноновые лампы

Площадь облучаемой поверхности, м

Неоднородность уровней плотностей падающего потока излучения, %

Максимальная интенсивность солнечного излучения

2×2

1000 МПа используются при изготовлении твердотопливных и жидкостных корпусов и элементов ракетных двигателей. Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы, прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Из титановых сплавов ВТ23, ВТ23М, ВТ43, обладающих высокой трещиностойкостью, изготавливают монолитные и сварные шаробаллоны в качестве емкостей для хранения топлива импульсных плазменных двигателей спутников [3]. Не смотря на хорошие пластические свойства и свариваемость, при механической обработке титановых сплавов возникают проблемы, которые резко снижают эффективность процесса резания. Основная проблема заключается в высоких прочностных характеристиках этого металла. До недавнего времени считалось, что невозможно выполнить эффективный процесс резания титана на обычном токарном станке. В большинстве случаев инструмент быстро изнашивается, а качество обработки оставляет желать лучшего [3].

494

Технология и мехатроника в машиностроении Физико-механические свойства титана Свойства

Значение

Плотность при 20 °С, кг/м3

4510

Температура плавления, К

1941 (1668 °С) –6

–1

Коэффициент линейного расширения α×10 , град

8,9

Теплопроводность λ, Вт/(м × град)

16,76

Предел прочности при растяжении σв, МПа

300–450

Условный предел текучести σ0,2, МПа

25 380

Модуль нормальной упругости Е, ×10–3 МПа

110,25

–3

41

Модуль сдвига G, ×10 МПа Твердость, НВ

130…150

Это напрямую связано со следующими факторами [4]: – высокий показатель вязкости сплавов способствует значительному повышению температуры в зоне резания и вызывает наростообразование частиц металла на поверхности режущих инструментов, снижая ресурс его работы; – мелкая дисперсная пыль, образующаяся во время обработки, может детонировать, что требует особой осторожности и соблюдения мер безопасности; – для резания титана требуется специальное оборудование, обеспечивающее необходимый режим резания; – титан обладает низкой теплопроводностью, что требует применения для процесса резания специально подобранных режущих инструментов. Для достижения заданной точности и качества поверхности процесс обработки разделяется на операции предварительной, промежуточной и основной обработки. Практика показывает, что на параметры точности могут оказывать также возникновение вибрации при обработке заготовок и высокий уровень температуры в зоне резания, который может достигать порядка 850–1100 ºС. Это вызывает необходимость поиска путей для решения данных проблем [5]. Исследованиями установлено, что эффективность процесса обработки титановых сплавов в значительной степени зависит от жесткости применяемого оборудования и конструкций режущего инструмента. В этой связи для проведения экспериментов использовали монолитный и сборный твердосплавный осевой инструмент и вертикальный фрезерно-сверлильно-расточной станок VMC635 ecoline с системой ЧПУ TNC620 Heidenhain производства фирмы DMG-MORI, установленный в НОЦ РКТ. В качестве образцов использовали заготовки из титанового сплава ВТ14 и ВТ23. Реализуемые скорости резания при черновом фрезеровании назначали от 40 до 80 м/мин. и чистовом от 90 до 120 м/мин. Подачу на зуб задавали от 0,05 до 0,3 мм, при этом учитывали рекомендации [6]. Установлено влияние формы режущей части твердосплавных сменных пластин и вида покрытия, давления и расхода охлаждающей жидкости, а также влияние схемы обработки. Рекомендуется исключить или минимизировать схему встречного фрезерования

В работе также проводилась оценка стойкости спиральных сверл из твердого сплава при сверлении отверстий диаметром от 3 до 3,5 мм. При формообразовании отверстий назначали цикл глубокого сверления G83, режимы резания S1000 (мин.-1) и подачу F40 мм/мин. Стойкость инструмента предварительно оценивали по суммарной длине обработки. По мере затупления проводили замеры геометрии инструмента. Характер разрушения и износа инструмента оценивали на приборе для настройки инструмента VIO 210 Microvizion III. Исследованиями установлено, что основной причиной выхода инструмента из строя является выкрашивание твердого сплава по режущей кромке. Вместе с тем, степень влияния тепловых явлений и уровня вибраций на точность и качество обработки на предварительном этапе исследований выявить пока не удалось по техническим причинам. Однако эксперименты по поиску путей для повышения эффективности процесса обработки титановых сплавов будут продолжены. Таким образом, в ходе предварительных исследований выявлены основные проблемы, возникающие при обработке титановых сплавов и определены основные направления возможного их решения. Библиографические ссылки 1. Метотехника [Электронный ресурс]. URL: http://www.metotech.ru/art_titan_2.htm (дата обращения: 08.09.2017). 2. ГОСТ 19807–91. Титан и титановые сплавы деформируемые. Марки. М. : Госстандарт, 1991. 3. Метотехника [Электронный ресурс]. URL: http://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm (дата обращения: 09.09.2017). 4. Электронная библиотека. Наука и техника [Электронный ресурс]. URL: http://n-t.ru/ri/ps/ pb022.htm (дата обращения: 09.09.2017). 5. SIGMA-TEST.RU [Электронный ресурс]. URL: http://www.sigma-test.ru/publitsistic/titan/40/index.shtml (дата обращения: 11.09.2017). 6. Каталог фирмы Hoffmann Group. GARANT. Справочник по обработке резанием. 2016. 857 с. Режим доступа: www. garant-tools.com.

495

Решетневские чтения. 2017

References 1. Metotechnika. Available at: http://www. metotech.ru/art_titan_2.htm (accessed: 08.09.2017). 2. GOST 19807–91. Titan i titanovyye splavy deformiruyemyye. Marki. M. : Gosstandart, 1991. 3. Metotechnika. Available at: http://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm (accessed: 09.09.2017). 4. Electronic library. Science and Technology. Available at: http://n-t.ru/ri/ps/pb022.htm (accessed: 09.09.2017).

5. SIGMA-TEST.RU. Available at: http://www. sigma-test.ru/publitsistic/titan/40/index.shtml (accessed: 11.09.2017). 6. Каталог фирмы Hoffmann Group. GARANT. Справочник по обработке резанием. 2016. 857 с. Available at: www. garant-tools.com.

496

© Дорофеева Е. С., Литвиненко Д. С., Янковская Н. Ф., Амельченко Н. А., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.923.9 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ С. С. Дядюхина, Л. П. Сысоева, А. С. Сысоев Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected]

Проанализированы основные технологические факторы, влияющие на эффективность абразивноэкструзионной обработки деталей летательных аппаратов. Ключевые слова: детали летательных аппаратов, сложнопрофильные поверхности, абразивно-экструзионная обработка, рабочая среда, технологические факторы. THE TECHNOLOGICAL FACTOR IMPACT ON THE SURFACE QUALITY PARAMETERS AFTER ABRASIVE FLOW MACHINING S. S. Dyadyukhina, L. P. Sysoeva, A. S. Sysoev Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The article analyses main technological factors affecting the efficiency of Abrasive Flow Machining of aircraft details. Keywords: aircraft details, complex-profile surface, Abrasive Flow Machining, work medium, technological factors. При эксплуатации летательных аппаратов (ЛА) преждевременное разрушение деталей (потеря работоспособности) носит усталостный характер, вызванный высокими циклическими напряжениями изгиба и кручения вследствие воздействия газового и гидравлического потоков в условиях высоких температур и агрессивных сред. Подобному воздействию подвергаются фасонные поверхности большинства объемных сложнопрофильных деталей (лопатки турбин, компрессоров и вентиляторов, роторы винтовых компрессоров, крыльчатки насосов) [1]. Критерии прочности и надежности связаны с качеством деталей (величиной шероховатости, ее направлением и формой микронеровностей, полученных при механической обработке поверхности) и обеспечивается технологией их изготовления [2]. Существенное влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости связано с тем, что оставшиеся после обработки микронеровности поверхности являются концентраторами напряжений в поверхностном слое и под действием циклических нагрузок приводят к возникновению и развитию усталостных трещин. Анализ конструкций деталей ЛА показал, что требования по шероховатости поверхности варьируются в диапазоне Ra = 1,25…2,5 мкм для деталей сопловых аппаратов до Ra = 0,32…0,63 мкм для поверхностей проточной части турбин [3]. Высокие требования к шероховатости поверхности приводят к необходимости операций финишной обработки. Конструктивные особенности некоторых деталей летательных аппаратов (ЛА) характеризуются наличием сложнопрофильных и труднодоступных для ин-

струмента поверхностей. Формообразование и последующая финишная обработка подобных поверхностей требуют сложных движений инструмента или использования фасонных инструментов. Зачастую формообразование может быть обеспечено только специальными методами литья и последующей электроэрозионной обработкой. Для таких заготовок характерно наличие дефектного слоя с высокими остаточными напряжениями, наклепом и микронеровностями. Например, величина дефектного слоя у деталей после литья по выплавляемым моделям составляет 0,1…0,8 мм, а шероховатость Ra = 20…40 мкм [4]. Абразивно-экструзионная обработка (АЭО) [5; 6] позволяет достигать шероховатости Ra = 0,08 мкм при условии правильно подобранных инструменте и режимах. В ряде работ представлены результаты исследований по изучению влияния технологических параметров на выходные отклики (параметры), а именно, отделка поверхности и удаление материала при АЭО [7; 8]. Основные технологические параметры, влияющие на эффективность АЭО, можно разделить на три основные группы (рис. 1). К первой группе относятся характеристики исходной детали (конструктивные особенности, физикомеханические свойства материала, исходная шероховатость). Параметры второй группы характеризуют состав и физико-механические свойства используемого инструмента – рабочей среды (РС) [9] (вид полимерной основы, вид и зернистость абразива, его концентрация, вид и концентрация пластификатора и модификатора, вязкость РС, ее адгезионные и релаксационные свойства при определенной температуре).

497

Решетневские чтения. 2017 Технологические параметры АЭО

Заготовка

Инструмент

Геометрия поверхности Тип материала Твердость материала Исходная шероховатость

Обработка

Вид абразива, зернистость, концентрация

Установка

Режимы

Вид полимерной основы, концентрация

Приспособление

Давление в системе

Вид пластификатора, концентрация

Направляющие аппараты

Количество циклов

Вид модификатора, концентрация

Противодавление

Входные параметры АЭО

Наконец, третья группа технологических параметров определяет особенности и режимы обработки, к которым можно отнести конструктивные особенности приспособления и направляющих аппаратов, давление в системе и количество циклов. В функциональном виде зависимость выходных параметров АЭО от технологических факторов, существенно влияющих на оптимизацию обработки, можно записать в виде [3]: ПАЭО = F [Кос, Хп, СРС, Тр, Коу], где Кос – конструктивно-технологические особенности; Хп – характеристика поверхности исходной заготовки; СРС – свойства рабочей среды; Тр – технологические режимы обработки; Коу – конструктивные особенности устройств, реализующих процесс. Процесс резания при АЭО является сложным комплексом физико-химических явлений (механических, тепловых, электрических, адгезионных, диффузионных и др.), сопровождающих процесс взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью. Попытка учесть независимые переменные, которые существенно влияют на результат обработки, вызывает необходимость дальнейшей детализации модели: Кос = f(Raт, αк, rк вх, rк вых, Σfк, lк); Хп = f(σв, σт, σп, НВ, hдс, Ra, НRa); СРС = f(Во, νд, Ва, Ка, Ва, Вмод, Кмод); Тр = f(Рвх, Рвых, nц, ТРС); Коу = f(VРС, LНА), где Raт – требуемая шероховатость; αк – расположение канала; rк вх – радиус закругления входной кромки; rк вых – радиус закругления выходной кромки; Σfк – суммарная площадь каналов; lк – длина канала; σв – предел прочности; σт – предел текучести; σп – напряжения в поверхностном слое; НВ – твердость;

hдс – глубина дефектного слоя; Ra – исходная шероховатость; НRa – направление шероховатости; Во – вид основы; νд – коэффициент вязкости; Ва – зернистость абразива; Ка – концентрация абразива; Ва – вид абразива; Вмод – вид модификатора; Кмод – концентрация модификатора; Рвх – давление РС на входе в систему; Рвых – давление РС на выходе из системы; nц – количество циклов; ТРС – температура РС; VРС –объем РС в камере; LНА – длина канала направляющего аппарата. Конечным результатом АЭО деталей являются параметры качества поверхности: шероховатость, размерная точность и отсутствие дефектного слоя. Достижение заданных свойств поверхности за минимальное время обработки достигается подбором комбинаций оптимальных значений входных параметров. Библиографические ссылки 1. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с. 2. Основы расчета и конструирования деталей и механизмов летательных аппаратов : учеб. пособие для втузов / Н. А. Алексеева, Л. А. Бонч-Осмоловский, В. В. Волгин и др. ; под ред. В. Н. Кестельмана, Г. И. Рощина. М. : Машиностроение, 1989. 456 с. 3. Сысоев С. К. Экструзионное хонингование деталей летательных аппаратов: теория, исследования, практика : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 220 с. 4. Analysis of Casting Defect Through Defect Diagnostic Study Approach / B. Chokkalingam, S. S. Mohamed Nazirudeen // Journal of Engineering Annals of Faculty of Engineering Hunedoara. 2009. Vol. 2. P. 209–212. 5. Pat. 3521412 US, ISC B24B 1/00, 19/00. Method of honing by extruding / McCarty R. W. ; 05.11.1965; 21.07.1970.

498

Технология и мехатроника в машиностроении

6. Pat. 105043 SG ISC B24C 3/00, 3/02, 3/04,7/00, 9/00. Abrasive flow machining apparatus, method and system / Wan Y. M. St. ; 20.02.2009 ; 27.08.2009. 7. Sunil Kumar Yadav, Manoj Kumar Singh, Bharat Raj Singh. Effect of Unconventional Machining on Surface Roughness of Metal: Aluminum and Brass- A Case Study of Abrasive Flow // SAMRIDDHI-A Journal of Physical Sciences, Engineering and Technology. 2011. Vol. 2. Iss. 1. 8. Сысоева Л. П. Абразивно-экструзионная обработка алюминиевых сплавов // Вестник ЮУрГУ Серия «Машиностроение». 2015. Т. 15, № 2. С. 40–50. 9. Рабочая среда как инструмент для абразивноэкструзионной обработки / Л. П. Сысоева, С. К. Сысоев, В. А. Левко, А. С. Сысоев // Машиностроение – основа технологического развития России ТМ-2013 : сб. науч. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. / редкол.: Е. И. Яцун [и др.] ; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2013. С. 345–349. References 1. Levko V. A. Abrazivno-ekstruzionnaya obrabotka: sovremennyy uroven' i teoreticheskie osnovy protsessa: monogr. [Abrasive Flow Machining: State of the Art and Theoretical Basis of the Process] : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnojarsk, Publ., 2007. 228 р. 2. Alekseeva N. A., Bonch-Osmolovskiy L. A., Volgin V. V., Kestel’man V. N. (Ed.), Roshchin G. I. (Ed.) and other. Osnovy rascheta i konstruirovaniya detaley i mekhanizmov letatel’nykh apparatov [Fundamentals of Calculation and Design of the Details and Mechanisms of Aircraft]. M. : Mashinostroenie Publ., 1989. 456 р.

3. Sysoev S. K. Ekstruzionnoe khoningovanie detaley letatel'nykh apparatov: teoriya, issledovaniya, praktika : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t [Extrusion Honing of the Aircraft Details: theory, research, practice monograph]. Krasnoyarsk, Publ., 2005. 220 р. 4. Analysis of Casting Defect Through Defect Diagnostic Study Approach / B. Chokkalingam, S. S. Mohamed Nazirudeen // Journal of Engineering Annals of Faculty of Engineering Hunedoara. 2009. Vol. 2. P. 209–212. 5. McCarty R. W. Method of Honing by Extruding. Patent US, № 3521412. 1970. 6. Wan Y. M. St. Abrasive Flow Machining Apparatus, Method and System. Patent SG № 105043. 2009. 7. Sunil Kumar Yadav, Manoj Kumar Singh, Bharat Raj Singh. Effect of Unconventional Machining on Surface Roughness of Metal: Aluminum and Brass- A Case Study of Abrasive Flow // SAMRIDDHI-A Journal of Physical Sciences, Engineering and Technology. 2011. Vol. 2, Iss. 1. 8. Sysoeva L. P. Аbrazivno-ehkstruzionnaya obrabotka alyuminievykh splavov [Abrasive Flow Machining of the aluminium alloys] // Vestnik YUUrGU Seriya ”Mashinostroenie“. 2015. Vol. 15, № 2. P. 40–50. 9. Rabochaya sreda kak instrument dlya abrazivnoehkstruzionnoj obrabotki [Work medium is the tool for Abrasive Flow Machining] / L. P. Sysoeva, S. K. Sysoev, V. А. Levko, А. S. Sysoev // Mashinostroenie – osnova tekhnologicheskogo razvitiya Rossii ; Yugo-Zap. gos. un-t. Kursk, 2013. P. 345–349.

499

© Дядюхина С. С., Сысоева Л. П., Сысоев А. С., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 531.383 ИССЛЕДОВАНИЕ КОРПУСА ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ПО АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Д. В. Ермаков, И. А. Карпов, Ю. А. Таранина, Г. М. Хрулев, В. П. Лянзбург АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в Е-mail: [email protected]

Применение трехмерной печати способно значительно сократить использование инструментальной обработки или полностью отказаться от нее. Одним из главных преимуществ при этом является возможность изготовления изделий сложной геометрической формы, в том числе с внутренними полостями. Исследованы характеристики корпуса, изготовленного по аддитивной технологии. Ключевые слова: аддитивная технология, электродвигатель-маховик, эксплуатационные характеристики. RESEARCH OF A FLYWHEEL-MOTOR HOUSING MADE BY ADDITIVE TECHNOLOGY USED AT SPACECRAFT D. V. Ermakov, I. A. Karpov, J. A. Taranina, G. M. Khrulev, V. P. Ljanzburg JSC “Scientific & Industrial Сentre “Polyus” 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The applying of additive technology can significantly reduce the use of instrumental treatment or completely abandon it. One of the main advantages of the additive technology is the possibility of manufacturing products of complex geometric shape; it can also include internal cavities. Keywords: additive technology, electrical drive-flywheel, resistance to external factors. Для изучения возможностей, предлагаемых аддитивной технологией, спроектирован корпус двигателя-маховика. По разработанной модели производилась его печать (рис. 1). Для оценки эксплуатационных характеристик корпуса составлена следующая программа испытаний: – механическая обработка на соответствие чертежу (снятие технологической поддержки); – контроль размеров и шероховатости поверхностей согласно чертежу; – проверка на газовыделение в соответствии с требованиями к материалам, применяемым в двигателяхмаховиках по ГОСТ Р 50109–92; – воздействие термоударов при температуре +60 и минус 60 °С; – контроль размеров на соответствие чертежу. На первом этапе работы проводилась постобработка напечатанного корпуса – освобождение от поддержки, которая необходима в процессе печати для формирования поверхностей корпуса, находящихся в подвешенном состоянии (рис. 2). Для этого использовалось универсальное оборудование, что позволило объединить процессы снятия поддержки и обработки рабочих поверхностей. После снятия поддержки проведен контроль геометрических размеров корпуса на соответствие требованиям чертежа. 500

а

б

Рис. 1. 3D-модель (а) и внешний вид (б) напечатанного из порошка сплава АК9Ч корпус с технологической поддержкой

Рис. 2. Напечатанный корпус после снятия технологической поддержки

Технология и мехатроника в машиностроении

Контролю подверглись как прошедшие обработку поверхности, так и не подвергшиеся постобработке, полученные непосредственно после 3D-печати. Все измеренные размеры имели минимальное отклонение от номинальных значений, требуемых по чертежу, и находились в общем допуске. При изготовлении изделий точной механики методом 3D-печати финишная постобработка должна быть минимальной. Таким образом, при подготовке 3Dмодели в САПР необходимо задать соответствующие припуски, учитывая последующее доведение рабочих размеров до требуемых значений. Следующий этап комплексной программы испытаний – определение показателей материала корпуса по методике ГОСТ Р 50109–92 при температуре (125±1) °С и остаточном давлении 5⋅10–5 мм рт. ст. Время выдержки 24 ч. Для снижения влияния повышенного газовыделения в условиях вакуума материалов, чувствительных к воздействию собственной внешней атмосферы, необходимо применять в конструкции двигателей-маховиков материалы в соответствии с ГОСТ Р 50109–92. Результаты измерений показывают, что потеря массы материала АК9Ч составила 0,0 % при норме более 1 %, а содержание летучих конденсирующих веществ 0,0 % при норме более 0,01 %. На следующем этапе корпус подвергался трем циклам термоударов, время выдержки при каждой температуре 2 ч. Повторный контроль размеров корпуса после температурного воздействия согласно программе испы-

таний не зафиксировал отклонений относительно первоначальных показателей. В заключение стоит отметить основные достоинства исследуемого корпуса двигателя-маховика, изготовленного по аддитивной технологии. Во-первых, снижение времени изготовления, которое при аддитивной технологии с соблюдением технологических режимов постобработки составляет неделю, тогда как с применением традиционного метода механической обработки занимает три месяца. Во-вторых, низкий уровень остаточного газоотделения, соответствующий требованиям, предъявляемым к материалам, применяемым в конструкции двигателей-маховиков, чувствительных к воздействию собственной внешней атмосферы в условиях вакуума, что позволяет рекомендовать данный корпус к применению в составе двигателей-маховиков, работающих в замкнутом пространстве гермокамеры с пониженным давлением. В-третьих, устойчивость к температурным воздействиям после термоударов (отклонений размеров от конструкторской документации не было зафиксировано). Наконец, однородность порошкообразного металлического материала, не имеющего пористой структуры и не содержащего полимерных включений, что показала проверка параметров конденсирующихся веществ материала корпуса по методике ГОСТ Р 50109–92.

501

© Ермаков Д. В., Карпов И. А., Таранина Ю. А., Хрулев Г. М., Лянзбург В. П., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.372.83.001.24 ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ КАЧЕСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПАЙКИ ВОЛНОВОДНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СВЯЗИ Р. В. Зайцев1, В. Д. Лаптенок2, М. М. Михнев1, В. Ю. Гусев1, С. К. Злобин1 1

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected]

Рассмотрены проблемы получения качественного паяного соединения на установке автоматизированной пайки волноводно-распределительных трактов космических аппаратов связи. Ключевые слова: пайка, волноводно-распределительные тракты, индукционный нагрев. IMPROVING QUALITY STABILITY OF AUTOMATED SOLDERING OF WAVEGUIDE DISTRIBUTED TRACTS OF SPACE COMMUNICATION EQUIPMENT R. V. Zaitsev1, V. D. Laptenok2, M. M. Mikhnev1, V. U. Gusev1, S. K. Zlobin1 1

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The article discusses problems of obtaining a high-quality soldered joint at the automated waveguide distributing unit. Keywords: soldering, waveguide – distributive tracts, induction heating. В настоящее время на АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева внедрен комплекс автоматизированной пайки алюминиевых волноводно-распределительных трактов космических аппаратов связи. Структурная схема приведена на рис. 1. Комплекс автоматизированного оборудования включает в себя силовую часть и стенд управления,

позволяющие в соответствии с высокой точностью воспроизводить требуемые технологические параметры нагрева. В состав силовой части установки входит среднечастотный генератор, модернизированное согласующие устройство, комплект индукторов для пайки волноводов с различными сечениями рабочего канала.

Рис. 1. Структурная схема комплекса автоматизированного оборудования

502

Технология и мехатроника в машиностроении

Рис. 2. Общий вид рабочей зоны установки индукционного нагрева: 1 – манипулятор; 2 – индуктор; 3 – волновод; 4 – видеокамера; 5 – пирометрический датчик; 6 – электромеханический привод

Рис. 3. Схематический вид муфты (фланца) с «выступами» под пайку

Основу стенда управления составляет промышленный компьютер «IPPC-9171G-07BTO», имеющий компактную помехозащищенную конструкцию, позволяющий использовать для соединения с внешними устройствами ввода/вывода информации интерфейсную плату. Общий вид рабочей зоны комплекса автоматизированного оборудования изображен на рис. 2. Контроль процесса пайки ведется за счет отслеживания температуры нагрева паяемых деталей. Измерение температуры выполняется с помощью пирометрических датчиков AST A250/A450 FO-PL. В работе данного комплекса используются два пирометра из которых один контролирует температуру нагрева трубы в зоне пайки, а второй температуру нагрева фланца (муфты). Волноводный тракт представляет собой трубу прямоугольного сечения из сплава на основе алюминия АД31Т1 с температурой плавления 630–670 ºС. Материал, применяемый при пайке проволока Св. АК – 12 с температурой пайки 580–600 ºС. Так как контроль температуры осуществляется только по одной стороне волновода, на процесс пайки очень сильное влияние оказывают геометрические размеры паяемых деталей, разнотолщинность стенок волноводной трубы и равномерность паяемого зазора по

всему периметру стыка. Для пайки волноводов применяется зазор 0,1 мм на сторону. Соответственно при сборке волновода может произойти смешение деталей, и паяемый зазор может варьироваться от 0 до 0,2 мм. Что приведет к неравномерному нагреву деталей и неравномерному заполнению паяемого стыка припоем по периметру. Для уменьшения дефектов пайки при изготовлении волноводов специалистами АО «ИСС» внедрены в конструкцию волноводов, на фланцах и муфтах, специальные выступы рис. 3. Данные выступы позволяют обеспечить равномерный зазор в 0,1 мм по всему периметру паяемого стыка. Также данная конструкция позволяет отцентрировать оси волноводной трубы с осью фланца (муфты). Что привело к уменьшению дефектов при сборке и пайки волновода, и соответственно к более стабильным режимам автоматизированной пайки. Внедрение данной конструкции позволило уменьшить количество дефектов конечного изделия на 30 % по качеству пайки и вывести показатели коэффициента стоячей волны на значения менее 1,11.

503

© Зайцев Р. В., Лаптенок В. Д., Михнев М. М., Гусев В. Ю., Злобин С. К. 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК621.91.01 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОГО ТОЧЕНИЯ МНОГОГРАННЫМИ РЕЗЦАМИ НА СОСТАВЛЯЮЩУЮ РZ СИЛЫ РЕЗАНИЯ Н. С. Индаков1, А. С. Бинчуров1, 2*, Ю. И. Гордеев1, Д. И. Киселев1 1

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2 Аэрокосмический колледж Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected]

Представлены результаты экспериментального исследования силовых зависимостей при ротационном точении многогранными резцами. Проведение соответствующих исследований позволяет выявить оптимальные режимы обработки и дать практические рекомендации по их выбору для различных условий и материалов. В целом проведенные исследования подтвердили перспективность предложенного метода. Ключевые слова: ротационное точение, многогранный ротационный резец, лезвие, конструктивная подача, круговая подача, сила резания. TECHNOLOGICAL PARAMETER IMPACT OF ROTARY TURNING BY MULTIFACETED CUTTERS ON PZ CUTTING FORCE COMPONENTS N. S. Indakov1, A. S. Binchurov1, 2*, Y. I. Gordeev1, D. I. Kiselev1 1

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 Aerokosmichesky College of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected]

The article presents the results of an experimental study of the force dependencies in rotational turning by multifaceted cutters. Carrying out the corresponding researches allows revealing optimum modes of processing and to make practical recommendations about their choice for various conditions and materials. In general, studies have confirmed the promise of the proposed method. Keywords: rotational turning, versatile rotary cutter, blade, constructive feed, circular feed, cutting force. Введение. В области обработки материалов резанием широкое распространение имеют методы точения: вершинными резцами, безвершинными резцами, ротационными с самовращением или принудительным вращением. Однако при механической обработки вязких, легированных, жаропрочных, труднодеформируемых сталей и сплавов, в том числе на основе титана, широко используемых в аэрокосмическом и транспортном машиностроении существующие методы имеют ограничения по скорости резания, поскольку длинная сливная стружка приводит к повышению температуры, снижению стойкости режущего инструмента и требуют поиска альтернативных методов точения. Исследуемый метод ротационного точения многогранными резцами (РТМР) имеет ряд преимущественных отличий в сравнении с известными методами точения [1; 2]. В его основу заложен принцип срезания слоя материала, при котором стружка сходит вдоль режущей кромки (рис. 1). Ее рабочие участки постоянно обновляются за счет вращения многогранного резца, что обеспечивает гарантированное дроб-

ление стружки, более благоприятные условия для теплоотвода из зоны резания [3; 4]. В этом случае исключается необходимость применения СОТС, вследствие чего повышается качество обработки. Кроме того, в процессе РТМР реализуется повышение результирующей скорости резания за счет совмещения продольной и круговой подач (вращение заготовки), скорости главного движения (вращение инструмента), что гарантирует повышение производительности обработки в сравнении с известными способами. На основе обработки экспериментальных данных получено расчетное выражение для определения главной составляющей силы резания при РТМР: Pz = 662,12 ⋅

0,1523 Sпр ⋅ Sкр0,4043 ⋅ t 0,2241

V р0,2402

.

(1)

Необходимым условием для эффективной реализации предложенного метода РТМР является всестороннее изучение влияния режимов резания на силы резания и крутящие моменты, действующие на резец при РТМР.

504

Технология и мехатроника в машиностроении

Рис. 1. Конструкция и схема установки инструментального узла для ротационного точения многогранными резцами: 1 − твердосплавная пластина; 2 − оправка; 3 − электрошпиндель Э-18/0,63; 4 – кронштейн

800

1000

Pz (Н)

Pz, (Н)

600

0,3; 583,8

400

0,2; 505,3

600 0,9; 852,8 0,7; 729,5

0,1; 505,3

1; 639,9 0,6; 572,6

0,5; 684,7

800

0,2241

0,1523

200

y = 813,92x

200

0,8; 617,4 0,4; 527,8

400

y = 629,83x

2

R = 0,9292

2

0

R = 0,9316

0 0

0,25

0,5

0,75

1

0

t, (мм)

0,4

а

Sпр (мм/об)

800

94,2; 693,2

250

310,86; 466,29; 707,1 673,9

400

-0,2402

200

0,4043

y = 102,53x

y = 2863,3x 2

R = 0,9497

2

R = 0,9256

0 0

50

100

Sкр, (м/мин)

150

932,58; 540,7

777,15; 590,7

Pz, (Н)

Pz, (Н)

59,346; 517,4

621,72; 607,1

600

188,4; 869,2 118,692; 150,72; 733,4 707,1

500

1,2

б

1000 750

0,8

0 0

200

в

250

500

Vp, (м/мин)

750

1000

г

Рис. 2. Изменение главной составляющей силы резания Pz в зависимости от режимов резания: а – глубины резания t; б – продольной подачи Sпр; в – круговой подачи Sкр; г – скорости резания Vр

При определении силовых зависимостей Pz = f (t, Sпр, Sкр, Vр) как правило, используют методы однофакторных экспериментов, когда варьируется только один параметр процесса резания, а все остальные остаются постоянными. Конечной целью проведения исследований является установление функциональных связей между независимыми и зависимой переменными и описание этой связи математической формулой. Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке 16К20 с применением специально спроектированного и изготовленного инструментального узла. В качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45. Материал режущей части инструментов – Т15К6. Для того чтобы установить связь между одним из параметров режи-

мов резания и изменением зависимой переменной в виде составляющих сил резания, проводились однофакторные эксперименты. Такие зависимости хорошо изображаются кривыми параболического или гиперболического типа. Данные кривые наиболее удобно аппроксимировать степенной функцией вида у = Схκ. Результаты измерений представлены в графической форме на рис. 1. Характер получившихся зависимостей свидетельствует о том, что с увеличением глубины резания, продольной и круговой подачи и уменьшении количества оборотов резца, составляющая силы резания Pz увеличивается. Это связано с увеличением толщины срезаемого слоя и незначительным увеличением рабочей длины режущей кромки.

505

Решетневские чтения. 2017

Результаты экспериментальных исследований позволили установить характер влияния режимов резания при РТМР на главную составляющую силы резания Pz . Полученная эмпирическая зависимость позволяет устанавливать рациональные режимы резания для обеспечения максимальной производительности процесса при сохранении требуемого качества обработанной поверхности. Библиографические ссылки 1. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Исследование метода ротационного точения многогранными резцами // Станки инструмент (СТИН). 2013. № 6. С. 21–24. 2. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Особенности ротационного точения многогранными резцами // Вестник машиностроения. 2013. № 10. С. 56–58. 3. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Особенности геометрии многогранных резцов для ротационного точения // Вестник машиностроения. 2013. № 11. С. 38–41. 4. Влияние кинематических и технологических параметров ротационного точения многогранными резцами на формирование стружки и шероховатость по-

верхности / Н. С. Индаков, Ю. И. Гордеев, А. С. Бинчуров, Д. И. Киселев, В. Б. Ясинский // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. № 2 (18). С. 379–387. References 1. Indakov N. S. Binchurov A. S. [Research by rotational turning indexable cutters] // Machine tools (STIN). 2013. № 6. P. 21–24. (In Russ.) 2. Indakov N. S., Binchurov A. S. [Features turning rotary cutters multifaceted] // Vestnik engineering. 2013. № 10. P. 56–58. (In Russ.) 3. Indakov N. S., Binchurov A. S. [Features polyhedral geometry of the rotary cutters for turning] // Vestnik Engineering. 2013. № 11. P. 38–41. (In Russ.) 4. Indakov N. S., Gordeev Y. I., Binchurov A. S., Kiselev D. I., Jasinski V. B. [Influence of cinematic and technological parameters of rotary turning by multifaceted cutters on chip formation and surface roughness] // Siberian Journal of Science and Technology. 2017. № 2 (18). P. 379–387.

506

© Индаков Н. С., Гордеев Ю. И., Бинчуров А. С., Киселев Д. И., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.7 ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРУППОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ Н. И. Козлова1, Ю. И. Гордеев1, Н. Е. Анистратенко2, В. Н. Вадимов3 1

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2 АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29 3 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]

Предложены и обоснованы конструкторско-технологические приемы повышения эффективности механической обработки деталей универсально-сборных приспособлений за счет применения групповых технологических процессов. Ключевые слова: групповой технологический процесс, универсально-сборные приспособления, комплексная деталь, механическая обработка. POSSIBILITIES OF USING GROUP TECHNOLOGIES FOR MANUFACTURING THE PARTS OF UNIVERSAL-ASSEMBLED DEVICES N. I. Kozlova1, Y. I. Gordeev1, N. E. Anistratenko2, V. N. Vadimov3 1

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 JSC “Krasnoyarsk Machine Building Plant” 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article proposes and justifies design and technological methods for increasing the efficiency of machining parts of universal-assembled devices by using group technological processes. Keywords: group process technology, universal – assembly device, comlex detail, machining. В условиях мелко- и среднесерийного производства при изготовлении деталей небольшими партиями (что характерно для предприятий аэрокосмической отрасли), с большой сменяемостью формы и типоразмеров возникают значительные потери времени, связанные с переналадкой станков при переходе от изготовления одной детали к другой. В этих условиях целесообразно использовать групповой метод обработки [1]. Известно, что этот метод учитывает не только общность конструктивных признаков деталей, но и точностные, технологические, инструментальные, организационноплановые характеристики [2]. В условиях мелкосерийного производства для формирования групп целесообразно использовать набор операций, выполняемых на конкретном оборудовании в условиях предприятия. В качестве исходных данных для проведения исследований использовались чертежи основных деталей универсально сборных приспособлений (УСП) используемых на АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева» (Железногорск. Для разработки групповых технологических процессов выбраны наиболее представительные (по конструктивно-технологическим признакам и применяемости) детали корпусной группы типа призм рис. 1.

а

г д

б в

е

Рис. 1. Модель комплексной детали и детали группы

При объединении деталей УСП в группы исходили из условия общности обрабатываемых поверхностей или их сочетаний, при этом в состав группы часто входят детали различной конфигурации. Проведенный анализ конструктивно-технологических признаков и поверхностей, особенностей существующих на предприятии технологических процессов механической обработки, позволил сформировать из ряда подобных деталей, конструкцию комплексной детали. На рис. 1 представлена модель комплексной детали, состоящая из ряда элементарных поверхностей (1–27). Служебное назначение деталей группы, их конструктивное исполнение и проведенная классификация

507

Решетневские чтения. 2017

поверхностей и требований по точности учитывались при выборе и обосновании маршрутных технологических процессов групповой обработки. Кроме того, было установлено, что принятая на предприятии маршрутная технология предполагает большое количество переустановок, межоперационных переходов даже на одном процессе формообразования (фрезерование плоскостей). Это приводит к увеличению трудоемкости, нарушению принципов постоянства баз, а значит к снижению точности обработки – это требует включения в маршрутный технологический процесс дополнительных чистовых операций. В разработанном новом групповом технологическом процессе предлагается совместить в одну операцию практически все черновые операции фрезерования, сверления, нарезания резьбы на многоцелевом станке с ЧПУ с установкой детали на технологическую плиту. Это позволит произвести обработку всех свободных поверхностей без переустановок на одной операции с базированием по поверхности 1, при этом предварительно расточенная поверхность отверстия 19 используется для крепления заготовки на технологической плите. Кроме того, разработанные в СФУ (совместно с АО «ИСС») конструкции высокоскоростных токарно-фрезерных инструментов, оснащенных сменными сложнопрофильными головками на основе наноструктурированных твердосплавных композитов позволяют заменить операции шлифования на тонкое фрезерование без ущерба для качества обработки [3–5].

технологии предприятия и новый – по групповой технологии рис. 2. Предварительный укрупненный технико-экономический анализ показывает, что разработанный новый групповой технологический процесс механической обработки типовых деталей УСП применяемых на АО «ИСС» обеспечивает возможность снижения трудоемкости, сокращения количества используемого станочного оборудования (с 7 до 4 станков) и межоперационных переходов. Библиографические ссылки 1. Митрофанов С. П. Групповая технология машиностроительного производства. Т. 2. Организация группового производства. Ленинград, 1993. 407 с. 2. Алгоритм проектирования группового технологического процесса механической обработки деталей / А. М. Марков, М. И. Маркова, Е. М. Плетнева. 2012. № 4 (57). С. 5–9. 3. Исследование процесса ротационного точения многогранными резцами / Н. С. Индаков, А. С. Бинчуров, Ю. И. Гордеев и др. // Решетневские чтения : материалы конф. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. Т. 1, №. 19. С. 464–466. 4. Вадимов В. Н., Гордеев Ю. И., Абкарян А. К. Конструирование и исследование наноструктурированных твердосплавных композитов с повышенным уровнем прочностных и эксплуатационных характеристик за счет модифицирования наночастицами и термомеханической обработки // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 209–218. 5. Influence of Additives of Nanoparticles on Structure Formation of Fine-Grained Hardmetals / Y. I. Gordeev, A. K. Abkaryan, A. S. Binchurov, A. A. Lepeshev, V. B. Yasinski // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 743. P. 3–8. References

а

б

Рис. 2. Маршрутные технологические процессы: а – базовый; б – новый

В качестве иллюстрации эффективности принятых конструктивно-технологических решений приведены маршрутные технологические процессы обработки детали (7033–4734 призма опорная): базовый – по

1. Mitrofanov S. P. Group technology of machinebuilding production. T. 2. Organization of group production: Leningrad 1993. 407 с. 2. Algorithm for designing a group process for machining parts / A. M. Markov, M. I. Markova, E. M. Pletneva. 2012. № 4 (57). Р. 5–9. 3. Study of the process of rotational turning by polyhedral incisors / Indakov, N. S., Binchurov A. S., Gordeev, Yu. I. et al. // Reshetnevskie chteniya : materialy konf. ; Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2015. Т. 1, №. 19. Р. 464–466. 4. Vadimov V. N., Gordeev Yu. I., Abkaryan A. K. Design and investigation of nanostructured hard alloyed composites with an increased level of strength and performance characteristics due to nanoparticle modification and thermomechanical processing // Vestnik SibGАU. 2014. №4 (56). С. 209–218. 5. Influence of Additives of Nanoparticles on Structure Formation of Fine-Grained Hardmetals / Y. I. Gordeev, A. K. Abkaryan, A. S. Binchurov et al. // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 743. P. 3–8.

508

© Козлова Н. И., Гордеев Ю. И., Анистратенко Н. Е., Вадимов В. Н., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 693.22 ФИЛЬТРАЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ Г. Г. Крушенко1, 2*, С. Н. Решетникова2, М. А. Воеводина3, О. А. Платонов2 1

Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 * E-mail: [email protected] 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3 Хакасский технический институт – филиал Сибирского федерального университета Республика Хакасия, 655017, г. Абакан, ул. Щетинкина, 27

В аэрокосмическом машиностроении широко применяются литейные и деформируемые алюминиевые сплавы, которые в процессе приготовлении подвергаются рафинированию (удаление водорода) и модифицированию (измельчение структуры). Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифицирующих средств с жидким металлом, что ухудшает качество литых изделий. Приведены результаты исследований по очистке алюминиевых расплавов от этих продуктов путем фильтрования, как при литье слитков полунепрерывным способом, так и при литье деталей. Ключевые слова: аэрокосмическое машиностроение, алюминиевые сплавы, фильтрование, качество литых изделий. FILTRATION OF ALUMINUM ALLOYS USED IN THE AEROSPACE INDUSTRY G. G. Krushenko1, 2*, S. N. Reshetnikova2, M. A. Voevodina3, O. A. Platonov2 1 Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation * E-mail: [email protected] 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3 Khakasski Technical Institute – branch of Siberia Federal University 27, Chetinkin Str., Abakan, 655017, Khakass Republic

The aerospace engineering is widely used casting and wrought aluminum alloys, which are in the process of the preparation subjected to refining (removal of hydrogen) and modification (refinement of the structure). However, the reaction refining and modifying products often remain in the melt with the liquid metal, which degrades the quality of castings. The paper presents the results of studies on the purification of aluminium melts from these products by filtration, as in the casting of ingots semi-continuous method and casting parts. Keywords: aerospacemachine-building, aluminium alloys, filtration, quality molded articles Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении, в том числе и при изготовлении конструкций аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА) [1–3], главным образом, в связи с тем, что они обладают высокой удельной прочностью (отношение временного сопротивления разрушению к плотности металла – σв/ρ), которая показывает, насколько прочной в эксплуатации будет конструкция [4]. Применяемые в аэрокосмическом машиностроении алюминиевые сплавы делятся на литейные, из которых отливают детали типа корпусов топливонасосных агрегатов летательных аппаратов (ЛА), и деформируемые, из отлитых слитков которых прокаткой изготовляют листы, которые применяется для изготовления корпусов и топливных баков, а также

прессованием и штамповкой шпангоутов, стрингеров, лонжеронов и силовых каркасов ЛА. При этом в основе технологий приготовления сплавов обеих групп лежат практически одинаковые литейные технологии [5], сводящиеся к двум основным – рафинирование [6], при котором из расплава удаляется водород и неметаллические включения, и модифицирование (измельчение структуры) [7] различными средствами. Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифицирующих средств с жидким металлом, что ухудшает физико-механические характеристики литых изделий. И среди различных средств очистки расплавов одним из ведущих способов является фильтрование [8].

509

Решетневские чтения. 2017

В настоящей работе рассматривается фильтрование на примере литейных алюминиевых сплавов. Фильтрующим материалом служила смесь предварительно сплавленных при 1300 оС фторидов (50 % MgF2 + 50 % СaF2), которую после разливки в изложницы и затвердевания дробили на кусочки размером 4…6 мм и подогревали до 800 оС перед засыпкой в установленную на кокиль нагретую емкость. Назначение фильтрующего материала заключается в адсорбции остатков расплава модифицирующих солей и различных инородных примесей (частицы окисной плены, неметаллические включения, а также в удалении водорода, адсорбированного на этих частицах и др.). В качестве отливки была выбрана серийная фасонная деталь с черновой массой 5 кг, из вертикальной стенки которой вырезали образцы для испытания механических свой Фильтрование расплава было использовано при литье из специального сплава системы Al-Si-Mg (6,0–6,5 % Si; 1,0–1,2 % Mg; ост. – Al) детали типа «заглушка», входящей в сборочную единицу силового агрегата, работающего в сложнонагруженных условиях. Рабочий сплав готовили путем введения в расплавленную основу сплава (силумин СИЛ0) – в разной очередности: магния, образующего в сплаве упрочняющее соединение Mg2Si; лигатур Al-4,34 % Ti и Al-3,40 % Zr, содержащих интерметалличские соединения соответственно TiAl3 и ZrAl3, частицы которых выполняют роль центров кристаллизации; лигатуры Al-3,0 % Be, с помощью которой на поверхности расплава образуется прочная защитная пленка ВеО и лигатуры Al-50 % Cu, содержащей упрочняющее соединение CuAl2. При приготовлении сплава варьировали очередность загрузки шихтовых материалов и их агрегатного состояния, используя технологию, при реализации которой объем расплава, содержащий 50 % навески силумина и лигатуру Al-Mn доводили до 950С с целью улучшения растворимости марганца, а объем расплава, содержащий остальной силумин, доводили до 700 ºС после чего в него вводили лигатуру Al-Mg с целью уменьшении окисления магния, и вливали первый объем во второй открытой струей. Затем при 750 ºС производили модифицирование сплава тройным модификатором и производили заливку в кокиль. Результаты испытания механических свойств отливок, залитых в кокиль, показали их увеличение по сравнению с требуемыми по ГОСТ 1583–93 (σв ≥ 235 МПа; δ ≥ 3,0 %;) при заливке открытой струей – σв до 253 МПа (на 7,7 %), δ – до 6,0 % (в два раза), твердость НВ практически не изменялась и оставалась на уровне 700 МПа. В случае приготовления сплава по описанной выше технологии, но с заливкой металла в форму закрытой струей – σв повысилось до 260 МПа (на 10,63 %), δ − до 8,2 % (в 2,73 раза), а при дополнительной фильтрации расплава через стеклоткань ССФ-06 σв повысилось до 275 МПа (на 17,02 %), δ осталось на том же уровне − 8,2 %, тогда как НВ увеличилось до 897 МПа (на 28,14 %)

Библиографические ссылки 1. Recent development in aluminium alloys for aerospace applications / A Heinz, A Haszler, C. Keidel, S Moldenhauer, R Benedictus, W. S Miller // Materials Science and Engineering: A. 15 March 2000. Vol. 280. Iss. 1. P. 102−107. 2. Starke E. A., Jr., Staley J. T. Application of modern aluminium alloys to aircraft. Fundamentals of Aluminium Metallurgy. 2011. P. 747−783. 3. Клочков Г. Г., Плотников А. Д. Применение новых сплавов в конструкциях ракет // Цветные металлы. 2013. № 9. С. 51−57. 4. Постников Н. С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок. М. : Металлургия, 1983. 119 с. 5. Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справочное руководство. М. : Металлургия, 1970. 416 с. 6. Irfan M. A., Schwam D., Karve A., Ryder R. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering. 15 February 2012. Vol. A 535. P. 108−114. 7. Kashyap K. T., Chandrashekar T. Effects and mechanisms of grain refinement in aluminium alloys // Bull. Mater. Sci. August 2001. Vol. 24. № 4. P. 345−353. 8. Heuzeroth F., Fritzsche J., Peuker U. A. Wetting and its influence on the filtration ability of ceramic foam filters // Particuology, February 2015. Vol. 18. P. 50–57. References 1. A Heinz, A Haszler, C Keidel, S Moldenhauer, R Benedictus, W.S Miller Recent development in aluminium alloys for aerospace applications // Materials Science and Engineering: A. 15, March 2000. Vol. 280. Iss. 1. P. 102−107. 2. Starke E. A., Jr., Staley J. T. Application of modern aluminium alloys to aircraft. Fundamentals of Aluminium Metallurgy. 2011. P. 747−783. 3. Klochkov G. G., Plotnikov A. D. [The use of new alloys in the construction of rockets] // Tsvetnye metally. 2013. № 9. P. 51−57. (In Russ.) 4. Postnikov N. S. Uprochnenie alyuminievykh splavov i otlivok. [Hardening of aluminum alloys and castings]. M. : Metallurgiya. 1983. 119 p. 5. Alyuminievye splavy. Plavka i lit'e alyuminievykh splavov. Spravochnoe rukovodstvo. Alyuminievye splavy. [Aluminum alloys. Melting and casting of aluminum alloys. Reference guide]. M. : Metallurgiya. 1970. 416 p. 6. Irfan M. A., Schwam D., Karve A., Ryder R. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering. 15 February 2012. Vol. A 535. P. 108−114. 7. Kashyap K. T., Chandrashekar T. Effects and mechanisms of grain refinement in aluminium alloys // Bull. Mater. Sci. August 2001. Vol. 24. № 4. P. 345−353. 8. Heuzeroth F., Fritzsche J., Peuker U. A. Wetting and its influence on the filtration ability of ceramic foam filters // Particuology, February 2015. Vol. 18. P. 50–57.

510

© Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Воеводина М. А., Платонов О. А, 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 669-1 ВАКУУМНАЯ ГАЗОВАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ 16Х3НВФМБ-Ш А. В. Лекарев1, В. О. Касаткин2 1

АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Рассмотрена перспективная технология вакуумной газовой цементации. Представлены результаты металлографических исследований стали 16ХЗНВФМБ-Ш после вакуумной газовой цементации. Ключевые слова: вакуумная газовая цементация, сталь 16ХЗНВФМБ-Ш. VACUUM GAS CEMENT OF STEEL 16Х3НВФМБ-Ш A. V. Lekarev1, V. O. Kasatkin2. 1

JSC “Krasnoyarsk Engineering Plant” 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

The perspective technology of vacuum gas carburizing is considered. The results of metallographic studies of 16ХЗНВФМБ-Ш steel after vacuum gas carburizing are presented. Keywords: vacuum gas carburizing, steel 16ХЗНВФМБ-Ш. В настоящее время в высоконагруженных зубчатых передачах газотурбинных двигателях применяется теплостойкая сталь 16Х3НВФМБ-Ш, подвергаемая газовой цементации. В работе представлены металлографические исследования вакуумной цементации стали. Разработан технологический режим вакуумной газовой цементации в печи Seco/Warwick 10VPT-4022/24HV, обеспечивающий повышение износостойкости стали 16Х3НВФМБ-Ш. Для повышения износостойкости диффузионного слоя требуется увеличение твердости и теплостойкости матрицы, а так же количества карбидной фазы, которые при обычной газовой цементации в электрической печи Ц60 по общепринятой технологии с использованием в качестве карбюризатора жидкий газ синтин или киросин исчерпаны. В связи с этим дополнительно улучшить свойства стали зубчатого колеса не предоставляется возможным, а активная карбидная зона имеет толщину не более 0,20 мм, основная часть которой (до 0,15 мм) удаляется при шлифовании зубьев [1]. В печи Seco/Warwick 10VPT-4022/24HVиз – за возможности быстрого и точного регулирования температуры, а также давления и состава насыщающей газовой среды позволило: – увеличить активную карбидную фазу до 0,25 мм, тем самым увеличился запас при шлифовании зубьев шестерни; – вдвое сократить время на подготовку оборудования и деталей под цементацию, а так же сократить сам процесс цементации.

Вакуумная печь Seco/Warwick 10VPT-4022/24HV оснащена управляющим компьютером и системой автоматического регулирования технологических параметров. Насыщение проводили в газовой среде ацетилена (90 %) и водорода (10 %) при давлении 6 мм рт. ст. Смесь газов в печь подавали по циклическому режиму, который включает в себя чередование стадий активного насыщения и пассивных стадий диффузионного выравнивания. Температуру процесса поддерживали равной 940±5 оС в течение всего времени [2]. Количество активной и пассивной стадии подбирались путем анализа металлографических исследований и твердости. Время циклов активного насыщения (цементации) в течение режима изменяли от 50 до 5 минут с уменьшением на каждом цикле на 5 минут, а время диффузионного выравнивания изменяли от 15 до 60 минут с увеличением на 5 минут на каждом цикле. После проведения циклического режима в течении 4,5 часов был получен цементационный слой 0,7–0,8 мм с твердостью 61…64HRC твердость сердцевины составила 40…41HRC. Микроструктура поверхности зубчатого колеса изготовленного из стали 16Х3НВФМБ-Ш представляет собой мартенсит с выпадениями карбидов, цементационной сетки в структуре не обнаружено, а микроструктура сердцевины представляет собой малоуглеродистый мартенсит [3]. Вакуумная газовая цементация в потоке газовой смеси ацетилена и водорода позволяет вдвое сократить режим цементации по сравнению с цементацией в электропечи, где карбюризатором является жидкий

511

Решетневские чтения. 2017

газ синтин ли керосин, при этом сохранив твердость цементационного слоя и сердцевины зубчатого колеса [4]. Библиографический список 1. Семенов М. Ю., Фомина Л. П. Математическое моделирование процесса вакуумной цементации комплексно-легированных теплостойких сталей // Авиационная промышленность.2011. № 2. С. 37–41. 2. Рыжов Н. М. Износостойкость цементованного слоя легированной стали с избыточной карбидной фазой // Трение и износ. 1998. Т. 19, № 2. С. 235–240. 3. Модернизация оборудования для химикотермической и термической обработки // Мир станкостроения и технологий. 2013. № 7–8. 4. Пожидаева С. П. Технология конструкционных материалов. Бирск : Гос. пед. ин-т, 2002.

References 1. Semenov M. Yu., Fomina L. P. Matema-ticheskoye modelirovaniye protsessa vakuumnoy tsementatsii kompleksno-legirovannykh teplostoykikh staley // Aviatsionnaya promyshlennost’.2011. № 2. Р. 37–41. 2. Ryzhov N. M. Iznosostoykost’ tsementovannogo sloya legirovannoy stali s izbytochnoy karbidnoy fazoy // Treniye i iznos. 1998. T. 19, № 2. Р. 235–240. 3. Modernizatsiya oborudovaniya dlya khimiko-termicheskoy i termicheskoy obrabotki // Mir stankostroyeniya i tekhnologiy. 2013. № 7–8. 4. Pozhidayeva S. P. Tekhnologiya konstruktsionnykh materialov. Birsk : Gosud. Ped. In-t, 2002.

512

© Лекарев А. В., Касаткин В. О., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.924.079 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛНОВОДОВ Д. С. Литвиненко, Е. С. Дорофеева, Л. В. Зверинцева Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected]

Проведен анализ существующих способов производства и получения волноводов. Рассмотрены недостатки каждого из методов. Сформулированы технические требования, предъявляемые к волноводам, работающих в экстремальных условиях космоса. Ключевые слова: ракетно-космическая техника, волноводы, методы производства. ANALYSIS OF WAVE PRODUCTION METHODS D. S. Litvinenko, E. S. Dorofeeva, L. V. Zverintseva Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The analysis of existing methods of production and production of waveguides is performed. The shortcomings of each method are considered. The technical requirements for waveguides operating in extreme space conditions are formulated. Keywords: space craft, waveguides, methods of production. Как в космической технике, так и в повседневной жизни, так или иначе, возникает необходимость передачи информации на большие расстояния или передачи больших объемов данных за короткий промежуток времени, что требует большой пропускной способности и эффективности (с наиболее меньшими потерями) проводника. На данный момент информация от передатчика к антенне (получателю) передается посредством волн с различными параметрами. Одним из проводников таких волн служат волноводы. Волновод – искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области. Основное свойство волновода – существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормальных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями [1]. Почти все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей. При передаче волн высокой частоты неровности поверхности волновода оказывают существенное влияние на передаваемый сигнал, поэтому основное требование для данных поверхностей это обеспечение низкой шероховатости, которая не должна превышать значение длины волны [4]. Существует множество методов получения профиля волновода, каждый из которых имеет недостатки в силу особенностей представленных методов: 1) при гибке трубы: – требуется высокоточное дорогостоящее оборудование;

– требуются специальные навыки и высококвалифицированные специалисты; – ограничение угла изгиба; – использование специальной калибрующей внутренней оснастки; 2) при сборке волновой трубы посредством пайки (сварки): – наличие мест стыковок, нарушающих геометрию внутреннего канала, что приводит к потере сигнала; – высокие требования к специалистам, выполняющих данные операции; 3) при сборке конструкции из двух частей, выполняемых путем фрезерования обеих заготовок с последующей пайкой (соединением) с помощью винтов: – появление микродефектов рабочей поверхности от фрезы; – изменение геометрии канала в местах стыковки [5]; 4) при изготовлении волноводов методом гальванопластики: – изготовление дополнительной арматуры из легкоплавкого металла с высокой точностью. – целесообразно только при наличии большой программы выпуска и сложной конструкции волновода; – большой расход электроэнергии при электролитическом наращивании слоя металла на модели [2]; 5) при гибке и обработке внутренних поверхностей алмазным порошком [3]: – изготовление специального эластичного инструмента с алмазным покрытием для каждого типа волновода; – требуется специальное оборудование.

513

Решетневские чтения. 2017

Несмотря на представленные недостатки, данные методы существуют и используются. В ракетнокосмической технике к волноводам предъявляются повышенные требования: – низкая масса; – отсутствие искажений и потерь на передачу сигнала; – уменьшение стоимости изготовления; – стойкость к нагреву при передаче сигнала СВЧ больших энергий без искажения геометрии рабочей поверхности. Возникает вопрос в поиске оптимального и более простого метода получения и обработки волновода, в числе которых рассматривается и порошковая металлургия, поиск новых методов получения и применяемых материалов. Особое внимание следует обратить на требования, предъявляемые к качеству и контролю рабочей поверхности волновода, оценить влияние направления, высоты неровностей внутренних его стенок. Библиографические ссылки 1. Технологическое обеспечение качества при изготовлении труб волноводов КВЧ-диапазона / А. И. Оборина, И. В. Трифанов, Б. Н. Исмаилов и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 6 (46). С. 197–200. 2. Кудрявцева О. В. Техническая гальванопластика. СПб. : Политехника, 2011. 148 с. 3. Зверинцева Л. В. Уменьшение шероховатости токонесущей поверхности волноводов способом абразивного полирования эластичным инструментом : дис. канд. техн. наук. Красноярск, 2008. 227 с. 4. Бушминский И. П. Изготовление элементов кострукции СВЧ. Волноводы и волноводные устрой-

ства : учеб. пособие для вузов. М. : Высш. шк., 1974. 304 с. 5. ПромЭФ изготовление волноводов сложной конфигурации [Электронный ресурс]. URL: http://xn-80aaaahe3bqecvmn4ap5m.xn--p1ai/galvanoplastika/40tekhnicheskaya-galvanoplastika-27 (дата обращения: 14.09.2014). References 1. Technological quality assurance in the manufacture of tubes of waveguides of the KVCH-Range / A. I. Oborina, I. V. Trifanov, B. N. Ismailov, I. V. Sterehov // Vestnik SibSAU. 2012. № 6 (46). P. 197–200. (In Russ.) 2. Kudryavtseva O. V. Technical electrotype [Technical electrotype]. SPb. : Polytechnic, 2011. 148 p. 3. Zverintseva L. V. Reduction of the roughness of the current-carrying surface of waveguides by the method of abrasive polishing by elastic tools : dis. kand. tehn. nauk. [Reduction of the roughness of the current-carrying surface of waveguides by the method of abrasive polishing by elastic tools]. Krasnoyarsk, 2008. 227 p. 4. Bushminskij I. P. Manufacturing of elements of microwave obstruction. Waveguides and waveguide devices [Manufacturing of elements of microwave obstruction. Waveguides and waveguide devices]. tut. М. : Vyssh. Shkola, 1974. 304 p. 5. PromJeF, Fabrication of waveguides of complex configuration with embedded elements. Available at: http://xn--80aaaahe3bqecvmn4ap5m.xn--p1ai/galvanoplastika/40-tekhnicheskaya-galvanoplastika-27 (accessed: 14.09.2014).

514

© Литвиненко Д. С., Дорофеева Е. С., Зверинцева Л. В., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.914 ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И. Н. Мак, Д. Н. Попов, Д. И. Савин, А. В. Вайлов, Н. А. Амельченко Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected]

Проведены испытания монолитного твердосплавного режущего инструмента при изготовлении изделий РКТ из труднообрабатываемых и жаропрочных материалов. Выявлено влияние инструментальной оснастки на период стойкости и характер разрушения лезвия режущего инструмента. Ключевые слова: фрезерование, обработка, сталь, труднообрабатываемые материалы, твердый сплав, цанговый зажим, оправка с гидравлическим зажимом. ESTIMATING THE RESISTANCE OF THE CUTTING TOOL FOR MILLING HARD-TO PROCESS MATERIALS I. N. Mack, D. N. Popov, D. I. Savin, A. V. Vailov, N. A. Amelchenko Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article describes tests of monolithic carbide cutting tools in the manufacture of aerospace products from hardto-process and heat-resistant materials. The research demonstrates influence of tooling on the period of durability and the nature of the destruction of the blade of the cutting tool. Keywords: milling, processing, steel, hard-to-work materials, hard alloy, collet clamp, mandrel with hydraulic clamp. В производстве изделий ракетно-космической техники (РКТ) весомую долю трудоемкости занимает механическая обработка. При этом большинство особо ответственных деталей изготавливаются из труднообрабатываемых сталей и титановых сплавов. Высокая сложность, точность и качество выпускаемых изделий требует применения объемной фрезерной и токарной обработки с использованием высокопроизводительного современного оборудования и прогрессивных конструкций режущего инструмента [1]. Основным инструментальными материалами для обработки таких сталей и сплавов являются одно-, двух- и трехкарбидные твердые сплавы. По своей сути это композиционный материал на основе карбидов вольфрама, титана и тантала или их сочетаний, полученный методом спекания. Твердый сплав, как инструментальный материал, обладает рядом ценных свойств, главным из которых можно назвать высокую твердость HRA 82-92, которая сохраняется при возрастании температуры в зоне обработки до 1100 °С [2]. В настоящее время технология изготовления твердосплавного режущего инструмента отлажена и поставлена на поток. Наличие в большом ассортименте твердосплавных спеченных прутков позволяет потребителю самостоятельно изготавливать монолитный инструмент любых диаметров и геометрии с учетом рекомендуемых параметров [3]. В табл. 1 приведены основные физико-механические свойства твердосплавных прутков Ø10 мм.

Для оценки работоспособности концевых фрез Ø10 мм, изготовленных из твердосплавных прутков разных производителей, в НОЦ РКТ проведены испытания в производственных условиях. Эксперименты проводились на фрезерном обрабатывающем центре DMU 50 Ecoline с использованием образцов из стали 03Х14К13Н4М3ТВ. С целью выявления влияния схемы установки инструмента на точность радиального биения и стойкость в качестве инструментальной оснастки для его закрепления были использованы патрон цанговый ER ADB-SK40 [4] и гидрозажимная оправка TENDO-EC SET компании SCHUNK [5]. На рис. 1 приведено устройство инструментальной оправки с гидрозажимом. Жесткое закрепление инструмента в цанговых патронах осуществляется механическим путем. В этой связи все нагрузки и вибрации, возникающие в процессе обработки, передаются на инструмент и шпиндельный узел, что способствует снижению их ресурса. Как известно [5], цанговые зажимы при закреплении обеспечивают точность радиального биения в пределах не более 0,008 мм на 2,5×D и качество балансировки G2,5 при частоте вращения шпинделя до S25000 мин–1. При использовании гидравлических оправок закрепление инструмента осуществляется при помощи мембраны 4 (рис. 1), которая сжимается за счет давления гидропласта 3, создаваемого поршнем 2, перемещаемого винтом 1 при закручивании его до упора.

515

Решетневские чтения. 2017 Физико-механические свойства образцов № 1 2 3 4

Образцы твердосплавных прутков YL10.2 XF30 SM30 UF10

Отечественный аналог

Содержание Co, %

Плотность, г/см3

Твердость, HRA

ВК8 ВК10 ВК6 ВК15

8 10 6 15

14,5–14,8 14,2–14,6 14,5–15,0 13,9–14,4

91,5 92,3 92,3 92

Предел прочности при изгибе, МПА 170 180 155 190

Рис. 1. Устройство гидрозажимной оправки 1 – зажимной винт; 2 – поршень; 3 – гидропласт; 4 – мембрана

а

б

в

г

Рис. 2. Характер разрушения лезвия инструмента при обработке а, в – цанговый патрон; б, г – гидрозажимная оправка

Точность радиального биения и повторяемость зажима при использовании таких оправок составляет менее 0,003 мм, качество балансировки G2,5 при частоте вращения шпинделя S25000 мин–1. Кроме того, такие зажимы способствуют поглощению вибраций и изменяют характер нагрузок, действующих на инструмент и шпиндельный узел. По данным производителя [5], гидравлические зажимы, используемые для закрепления инструмента, обеспечивают увеличение его стойкости до 50 %. Условия резания для изготовленных фрез были одинаковы: скорость резания v = 80 м/мин, частота вращения шпинделя S = 2600 мин–1, значения подачи F = 300 мм/мин, глубина и ширина фрезерования составляли 5 и 2 мм соответственно. Вылет инструмента – 40 мм. Фрезерование производилось по схеме попутного фрезерования до появления первых посторонних, не свойственных нормальной обработке звуков. После этого наладки вынимали из инструментального накопителя, осматривали состояние режущих кромок и проводили измерения износа на приборе для настройки инструмента VIO 210 Microvizion III. Анализ результатов исследований показывает, что на режущих кромках фрез, закрепленных в цанговом

патроне, наблюдаются повреждения в виде сколов, значительный износ и затупление кромок происходит по задней грани. При установке фрезы в оправке с гидрозажимом сколы значительно меньше, что действительно связано с демпфированием гидропласта и поглощением вибраций инструмента при обработке. На рис. 2 приведены фрагменты поверхности лезвия фрезы, изготовленной из материала образца под № 1 (а, б) и № 4 (в, г). Время обработки для образца под № 1 при закреплении в цанговом зажиме (а) составило 60 мин, при закреплении в оправке гидропластом (б) – 85 мин; для образца под № 4 при закреплении в цанговом зажиме (в) – 72 мин, при закреплении в оправке с гидропластом (г) – 95 мин. Таким образом, на основе проведенных исследований следует заключить, что при закреплении инструмента в оправке с гидрозажимом обеспечивается минимальное радиальное биение и увеличивается стойкость инструмента. На основании результатов проведенных исследований разработаны рекомендации по использованию оправок с гидрозажимом в условиях производства.

516

Технология и мехатроника в машиностроении

Библиографические ссылки

References

1. Перминов А. Н., Давыдов В. А. Состояние и перспективы космической деятельности Российской Федерации // Полет. 2006. № 12. С. 3–6. 2. ГОСТ 3882–74. Сплавы твердые спеченные. Марки. М. : Сандартинформ, 2008. 10 с. 3. Беляев С. К., Григорьев С. Н., Маслов А. Р. Инструмент для современных технологий : справочник / под общ. ред. А. Р. Маслова. М. : Изд-во ИТО, 2005. 248 с. 4. Каталог фирмы Hoffmann Group. GARANT. Справочник по обработке резанием [Электронный ресурс]. 2016. 857 с. URL: www.garant-tools.com. 5. Каталог компании SCHUNK. Инструментальные оправки [Электронный ресурс]. 2016. 294 с. URL: www. schunk. com.

1. Perminov A. N., Davydov V. A. Sostoyaniye i perspektivy kosmicheskoy deyatel'nosti Rossiyskoy Federatsii // Polet, 2006. № 12. Р. 3–6. 2. GOST 3882–74. Splavy tverdyye spechennyye. Marki. M. : Sandartinform, 2008. 10 р. 3. Belyayev S. K., Grigor'yev S. N., Maslov A. R. Instrument dlya sovremennykh tekhnologiy: Spravochnik/ Pod obshch. red. A. R. Maslova. M. : Izd-vo ITO, 2005. 248 р. 4. Katalog firmy Hoffmann Group. GARANT. Spravochnik po obrabotke rezaniyem. 2016. 857 р. Available at: www. garant-tools.com. 5. Katalog kompanii SCHUNK. Instrumental'nyye opravki. 2016. 294 s. Available at: www. schunk. com. © Мак И. Н., Попов Д. Н., Савин Д. И., Вайлов А. В., Амельченко Н. А., 2017

517

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.812 СВАРКА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ А. А. Луканов, Е. П. Олейников Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Освещается вид сварки баков ракетных двигателей. Ключевые слова: сварка, топливный бак, герметичность. WELDING OF ROCKET FUEL TANKS A. A. Lukanov, E. P. Oleynikov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] The authors study welding of rocket engine tanks. Keywords: welding, fuel tank, tightness. Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений за счет установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого [1]. Более широкое применение в изделиях ракетнокосмической техники получили сплавы на основе алюминия (например, сплавы АМг3, АМг6, Д16Т, В95-Т). Для изготовления сварных изделий в основном используют деформируемые сплавы, которые подразделяют на термически упрочняемые и термически не упрочняемые, существенно различающиеся по своим механическим и технологическим характеристикам. Одним из важных силовых агрегатов летательных аппаратов являются баки, предназначенные для хранения жидких компонентов топлива в течение определённого времени: от нескольких часов с момента предполётной заправки до нескольких лет, при эксплуатации изделий в заправленном состоянии. Топливные баки должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) иметь достаточную прочность и жесткость при малой массе конструкции; 2) обладать устойчивостью против коррозии при работе жидкостных ракетных двигателей на агрессивных (вызывающих коррозию) компонентах и при длительном хранении компонентов баков; 3) простота конструкции, технологичность при изготовлении и удобство при эксплуатации; 4) конструкция заборных устройств баков должна обеспечивать минимальное количество остатков компонентов топлива в баках; 5) недефицитность материалов, применяемых при изготовлении баков;

6) топливные баки должны быть полностью герметичны. Герметичность – именно это требование можно получить благодаря хорошей и качественно выполненной сварке. По сравнению с клёпанными и болтовыми соединениями сварные конструкции обеспечивают экономию металла, уменьшение массы соединительных элементов, снижение трудоёмкости изготовления за счёт вспомогательных операций, снижение стоимости технологического оборудования. Недостатки сварных соединений: повышенная чувствительность к хрупкому разрушению, изменение свойств материала в зоне сварного шва, наличие остаточных напряжений и деформаций. Однако влияние всех этих факторов можно заметно снизить, а в ряде случаев и исключить выбором рациональной конструкции соединения, подбором материала детали и электрода, проектированием технологического процесса [2]. Одним из видов сварки баков является аргонодуговая сварка (АДС). При АДС металл сварочной ванны защищён от атмосферного воздуха оболочкой из защитного газа-аргона. Это способствует разрушению окисных плёнок на поверхности, повышает коррозионную стойкость, прочность и пластичность сварного шва и соединения. Различают следующие схемы АДС: дугой косвенного действия наплавляющимся электродом, дугой прямого действия наплавляющимся и плавящимся электродами. Сварку дугой прямого действия неплавящимся электродом применяют для сварки алюминиевых сплавов толщиной менее 6-и мм. Сварка плавящимся электродом ограничена минимальной толщиной металла 0,8…1,0 мм. Электродную проволоку применяют, как правило, того же химического состава, что и контактное соединение.

518

Технология и мехатроника в машиностроении

При АДС производится местная подготовка поверхностей к сварке: торцов и участков поверхности шириной 10…40 мм (в зависимости от формы, размера и материала детали). Основной особенностью этой сварки является наличие на поверхности высокотемпературной плёнки окиси алюминия, не расплавляющейся в процессе сварки и затрудняющей образование сварочной ванны. Удаление окисной плёнки вследствие катодного распыления, возможно при сварке в инертных газах. В нашем случае это аргонодуговой сварке. Высокая тепло- и электропроводность алюминиевых сплавов обуславливает необходимость больших токов и мощностей. Важнейшими требованиями при производстве корпуса бака является обеспечение прочности, обеспечение чистоты его внутренних поверхностей и как уже было сказано выше герметичности бака. Многократный контроль позволит обеспечить максимальную надежность изделию. Все баки, как ёмкостные конструкции, работающие под ёмкостным давлением в процессе серийного производства проходят испытания на прочность и герметичность, которые носят автономный и комплексный характер. Для этого в технологическом процессе необходимо предусмотреть соответствующие этапы, которые позволят оценить качество всех ранее произведённых работ в их совокупности на специальных стендах по определённому регламенту, с соответствующим документированием результатов. По результатам этих испытаний принимают решение

о возможности продолжения дальнейшего исполнения изделия [3]. Библиографические ссылки 1. Андрюшкин А. Ю., Галинская О. О., Сигаев А. Б. Производство сварных конструкций в ракетнокосмической технике : учеб. пособие / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2015. 104 с. 2. Технология сборки и испытаний космических аппаратов : учебник / И. Т. Беляков [и др.]. М. : Машиностроение, 1990. 352 с. 3. Калинчев В. А., Комков М. А., Бакланов А. Г. Контроль и испытание в производстве баков : учеб. пособие / под ред. В. А. Калинчева. М. : Изд-во МГТУ, 1992. 58с. References 1. Andryushkin A. Yu., Galinskaya O. O., Shigaev A. B. Production of welded structures in rocket and space technology : textbook / Balt. state. tech. un-t. SPb, 2015. 104 p. 2. Technology of assembly and testing of space vehicles: a textbook for higher technical educational institutions / I. T. Belyakov [et al.]. M. : Mechanical Engineering, 1990. 352 p. 3. Kalinchev V. A., Komkov M. A., Cormorants A. G. Control and testing in the production of tanks: A manual on course and diploma design ; Ed. V. A. Kalincheva. М. : MSTU Publishing House, 1992. 58 с. © Луканов А. А., Олейников Е. П., 2017

519

Решетневские чтения. 2017

УДК 621 МОДЕРНИЗАЦИЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА Н. С. Миронов АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 [email protected] Рассмотрены возможные пути повышения производительности мелкосерийного и единичного производства. Ключевые слова: средства автоматизации, комплексная автоматизация, производительность, мелкосерийное производство. MODERNIZING SMALL-SERIES AND SINGLE PRODUCTION N. S. Mironov JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] These materials consider possible ways to increase the productivity of small-series and single production. Keywords: means of automation, complex automation, productivity, small-scale production. Вся деятельность любого коммерческого предприятия направлена на получение прибыли. Сокращение доли человеческого труда, повышение качества, рост объемов выпуска – вот ключевые моменты, позволяющие снизить себестоимость продукции и сделать ее более конкурентоспособной. В настоящее время, модернизация в сфере производства базируется на широком внедрении средств механизации и автоматизации [1]. В случае внедрения средств автоматизации в мелкосерийном производстве (не говоря уже о единичном) имеющем большой перечень номенклатуры, основной упор делается на гибкость производства, на возможность автоматизированной и оперативной перестройки при смене выпускаемой продукции. Если учесть, что массовое производство промышленной продукции занимает менее 20 % в общем объеме производства, то становится очевидной актуальность гибкой автоматизации [2]. Наибольшая результативность достигается при комплексной автоматизации производства, в таком случае затрагивается как физическая, так и интеллектуальная деятельность. То есть средства автоматизации интегрированы на всех этапах производства, от разработки до окончательного контроля и транспортировки. Целесообразность такого подхода при большой номенклатуре остается под вопросом. Если при больших партиях можно компенсировать затраты на модернизацию производства несущественно увеличив стоимость продукции, то при малых партиях соответствующее (в размере достаточном для окупаемости затрат на модернизацию) увеличение цены сделает продукцию неконкурентоспособной. Таким образом, необходимо выделить ряд мероприятий модернизация

которых позволит повысить производительность при мелкосерийном производстве. В пределах предприятия существует три главных вида мероприятий, направленных на повышение производительности: конструкторские, технологические, организационные. Конструкторские и организационные мероприятия связанны с внедрением ЭВМ, и являются одинаковыми как для массового производства, так и для единичного. Технологические мероприятия требуют индивидуального подхода, рассмотрения ТП осуществляемых при производстве, расчета затрат на внедрение средств автоматизации и механизации. Средством автоматизации инженерного труда являются программно-технические комплексы на базе ЭВМ: системы автоматизации проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП). Первые две системы используются преимущественно конструкторами и исследователями для разработки новой или модернизации существующей продукции. Результатом их работы являются технические и рабочие проекты новой продукции Для реализации этих проектов необходимо выполнить подготовку производства спроектированной продукции. Эта задача возлагается на специалистовтехнологов, осуществляющих проектирование новых технологических процессов или модернизацию существующих. Основными элементами технологической подготовки производства, подлежащими автоматизации, являются: – проработка конструкторской документации на технологичность;

520

Технология и мехатроника в машиностроении

– формирование межцехового маршрута обработки деталей: – подбор заготовки и расчет расхода материала; – разработка технологического маршрута, подбор оборудования, технологической оснастки; – разработка заказов, согласование графиков ТПП и проектирование средств технологического оснащения; – подготовка заказов, согласование, разработка и внедрение управляющих программ для оборудования с ЧПУ; – разработка комплекта технологических документов на изготовление, сборку, испытание изделий в соответствии с требованиями ЕСТД; – согласование обработки деталей с ведущими подразделениями по видам обработки; – внедрение технологических процессов, оформление актов о внедрении; – разработка и утверждение производственноконтрольной документации; – централизованное управление данными технологической подготовки производства и подготовка информации для АСУП. Для автоматизации труда технологов (тех работ, которые поддаются алгоритмизации) предназначены АСТПП. Использование АСТПП позволяет повысить эффективность подготовки производства, сократить материальные и временные затраты на этот процесс, повысить качество результатов и сократить затраты человеческого труда [2–3]. Возможности мероприятий затрагивающих технологическую составляющую производства обычно упираются в материальную базу предприятия. При многономенклатурном производстве технологическое оборудование должно быть в значительной степени универсальным и обеспечивать переналадку и перестройку на изготовление разнообразных изделий (в пределах технологических возможностей оборудования). В случае автоматизированного производства такая переналадка и перестройка должны осуществляться в автоматизированном режиме с минимальным объемом ручных операций или с полным их исключением. Станки с ЧПУ позволяют автоматизировать процесс обработки деталей и обладают гибкостью, поскольку способны перестраиваться на обработку деталей иной формы путем замены управляющей программы. Это обстоятельство позволяет, например, автоматизировать процесс переналадки станка и, следовательно, повышает уровень автоматизации производства [2]. Организационные мероприятия направлены на снижение нагрузки на управляющий персонал. Управление в любом производстве требует решения большого объема задач по сбору и обработке информации, принятию решений и контролю их исполнения. Для решения задач управления привлекаются значительные людские ресурсы. Качество решения управленческих задач в существенной мере определяет результат производства.

Широкий шаг вперед удалось сделать в этом направлении с появлением ЭВМ. Время, отведенное на решение некоторых задач, теперь определяется только скоростью отработки программы на ЭВМ. С появлением автоматизированных систем управления (АСУ) повысилась оперативность управления и его качество, а также сократилась численность управляющего персонала [2]. Таким образом, как говорилось ранее, самым продуктивным способом повышения производительности является комплексная автоматизация: использование программно-технических комплексов на всех этапах (в особенности, на этапах разработки и организации) производства, широкое применение оборудования с ЧПУ, автоматизация транспортно-складских систем и т. д. Но при этом стоит отметить, что затраты на модернизацию мелкосерийного производства будут выше, оборудование используемое в таком производстве должно быть высоко универсальным. Библиографические ссылки 1. Владзиевский А. П., Белоусов А. П. Основы автоматизации и механизации технологических процессов в машиностроении. М. : Высш. шк., 1966 2. Хомченко В. Г., Федотов А. В. Автоматизация технологических процессов и производств : учеб. пособие. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005. 488 с. 3. Автоматизация технологической подготовки производства ОАО «Мотор Сич» в среде АСТПП на базе комплекса TechCard/Search [Электронный ресурс]. URL: http://sapr.ru/article/20539 (дата обращения: 15.09.2017). 4. Инфопедия [Электронный ресурс]. URL: https:// infopedia.su/12x38b3.html (дата обращения: 15.09.2017). 5. StudFiles [Электронный ресурс]. URL: https:// studfiles.net/preview/5850415/page:3/ (дата обращения: 15.09.2017). References 1. Vladziyevskiy A. P., Belousov A. P. Osnovy avtomatizatsii i mekhanizatsii tekhnologicheskikh protsessov v mashinostroyenii [Fundamentals of automation and mechanization of technological processes in mechanical engineering]. М. : Vysshaya shkola, 1966. 2. Khomchenko V. G., Fedotov A. V. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i proizvodstv: Ucheb. Posobiye [Automation of technological processes and productions: tutorial]. Omsk : Izd-vo OmGTU, 2005. 488 p. 3. Avtomatizatsiya tekhnologicheskoy podgotovki proizvodstva OAO «Motor Sich» v srede ASTPP na baze kompleksa TechCard/Search. Available at: http://sapr.ru/ article/20539 (accessed: 15.09.2017). 4. Infopediya. Available at: https://infopedia.su/ 12x38b3.html (accessed: 15.09.2017). 5. StudFiles. Available at: https://studfiles.net/ preview/5850415/page:3/ (accessed: 15.09.2017).

521

© Миронов Н. С., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.396.67 ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПРАВКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕФЛЕКТОРОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ М. М. Михнёв, О. А. Рамазанова АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Описана технология изготовления высокоточных оправок для формирования рефлекторов из полимерных композиционных материалов. Ключевые слова: рефлектор, оправка, параболоид, формообразующая поверхность. DEVELOPING THE TECHNOLOGY TO MANUFACTURE MANDREL FOR THE FORMATION OF REFLECTORS FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS M. M. Mikhnev, O. A. Ramazanova JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail:[email protected] The article presents the technology to produce high-precision mandrels for the formation of reflectors made of composite materials. Keywords: reflector, mandrel, paraboloid, forming surface. Повышение качества и надежности цифрового телерадиовещания и навигации требует внедрения технологии изготовления высокоточных размеростабильных рефлекторов, в том числе трехслойных на основе полимерных композиционных материалов (ПКМ). Для достижения наилучшего приема и передачи полезного сигнала требуется высокая точность соответствия отражающей поверхности реального рефлектора форме отражающей поверхности идеального параболоида. Точность изготовления формы рефлектора напрямую зависит от точности изготовления формообразующей оправки. В качестве заготовки для оправки может быть использована отливка из сплава 33НКУЛ. Основным достоинством данного материала является его низкий коэффициент линейного расширения, который обеспечивает максимальное уменьшение тепловой деформации оправки и терморазмерную совместимость с композиционным материалом, так как полимеризация композиционного материала происходит при tº до 180 ºС. Обеспечение точности формообразующей поверхности оправки для формования рефлекторов влечет за собой решения ряда задач. Прежде всего, это влияние стойкости режущего инструмента на точность обработки, так как машинное время на стадиях чистовой механической обработки формообразующих поверхностей может составлять 30–60 часов. Процесс обработки оправки представлен на рис. 1.

При этом увеличение скорости подачи для сокращения времени обработки практически невозможно, так как не обеспечится требуемая шероховатость обрабатываемой поверхности. Замена изношенного режущего инструмента (в том числе пластин), ведет к образованию на обработанной поверхности небольших уступов (границ) между сменами инструмента, что усложняет последующую шлифовку и полировку обработанной поверхности приспособления, увеличивает производственный цикл изготовления приспособления. Последовательность изготовления оправки: После предварительной черновой механической обработки оправки проводится термическая операция, для снятия остаточных напряжений. Следующим этапом является получистовая и чистовая обработка. Заключительный этап – это контроль точности полученной поверхности от теоретической. Последовательность этапов обработки оправки изображена на рис. 2. Контроль точности поверхности оправки осуществляется на контрольно-измерительной машине LK G CS45.20.12 с использованием контактного щупа ТР200, контактного сканирующего щупа SP25 и оптического сканера LC60. Процесс обмера приведен на рис. 3. Графическое представление результатов отклонений механически обработанной поверхности от теоретической поверхности представлен на рис. 4.

522

Технология и мехатроника в машиностроении

. Рис. 1. Процесс обработки оправки

Рис. 2. Последовательность этапов обработки оправки

Рис. 3. Процесс обмера поверхности оправки

Рис. 4. Анализ отклонений

523

Решетневские чтения. 2017

В результате отработки технологии изготовления формообразующей оправки можно сделать следующие выводы: 1) точность поверхности оправки зависит от размерного износа режущих кромок пластин; 2) наибольшее влияние на износ пластин оказывает скорость резания и качество обрабатываемой поверхности (наличие литьевых дефектов); 3) скорость резания следует рассчитывать исходя из эффективного диаметра инструмента. Библиографические ссылки 1. Фельдштейн Е. Э., Корниевич М. А. Обработка деталей на станках с ЧПУ : учеб. пособие. Минск : Новое знание, 2005. 287 с. 2. Эстерзон М. А. Технология обработки корпусных деталей на многоинструментных расточно-

фрезерно-сверлильных станках с программным управлением. М. : НИИМаш,1981. 61 с. References 1. Feldshtein E. J., Kornievich M. A. Obrabotka detalei na stankah c CHPY (processing of parts on CNC machines). Minsk : Novoe znanie, 2005. 287 p. 2. Jsterzon M. A. Tehnologia obrabotki korpusnih detalei na mnogoinstrumentalnih rastochno-frezernosverlilnih stankah s programmnim upravleniem (Technology of body parts on mnogoinstrumentnyh boring-milling-boring machines with program control). M. : NIIMash, 1981 61 p.

524

© Михнёв М. М., Рамазанова О. А., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК: 621.791.011 НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛИ 09Г2С С. В. Назаров Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Рассматриваются наиболее эффективные технологические методы уменьшения деформации до сварки, во время сварки и после сварки крупногабаритных конструкций. Ключевые слова: крупногабаритные сварочные конструкции, деформации, технологические методы. SOME METHODS TO REDUCE DEFORMATION WHEN WELDING LARGE-SIZED CONSTRUCTIONS FROM STEEL 09G2S S. V. Nazarov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] The article considers the most effective technological methods to reduce deformation before welding, during welding and after welding of large-sized structures. Keywords: large-size welding structures, deformations, technological methods. Крупногабаритные пространственные сварочные единицы составляют основу конструкции стартовых установок для запуска космических, ракет-носителей, стендов огневых испытаний ракетных двигателей, а также различного оборудования теплоэнергетических комплексов. Современные тенденции развития аэрокосмической и теплоэнергетической отраслей промышленности формируют спрос на производство крупногабаритных деталей и сборочных единиц с точными геометрическими параметрами. Одним из используемых материалов, отвечающим предъявляемым требованиям является конструкционная, низколегированная сталь 09Г2С. Ее основными свойствами являются: хорошая свариваемость, высокие механические свойства, позволяющие изделиям выдерживать широкий диапазон рабочих температур. Химический состав стали 09Г2С подразумевает наличие элементов в пропорциях: углерода – 0,09 %, марганца – 2 % и кремния менее 1 % [1]. Однако физико-химические и механические свойства стали не позволяют избежать сварочных деформаций и напряжений при производстве крупногабаритных конструкций. Поэтому возникает необходимость применения некоторых технологических методов, направленных на уменьшение и устранение сварочных деформаций. Явления образования остаточных напряжений и деформаций при сварке находятся во взаимной связи между собой, но проявляются во многих случаях в противоположных направлениях [2]. Все методы по уменьшению деформации при сварке крупногабаритных конструкций из стали

09Г2С можно разделить на 3 группы: мероприятия, выполняемые до сварки, выполняемые в процессе сварки и выполняемые после сварки конструкций. К мероприятиям, выполняемым до сварки, относятся рациональное конструирование сварной конструкции и разработка технологии сварки. В докладе рассматриваются некоторые технологические методы уменьшения деформации, выполняемые в процессе сварки: 1. Одноступенчатый способ сварки – сущность этого метода заключается в том, что весь шов разбивается на короткие участки длиной от 100 до 300 мм. Затем сварка этих участков выполняется в обратных направлениях с таким расчетом, чтобы окончание каждого данного участка совпадало с началом предыдущего. 2. Жесткое закрепление свариваемых заготовок. Заготовки закрепляются в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых производят сварку. Сварное соединение извлекается из кондуктора только после полного охлаждения. 3. Метод уравновешивания деформаций – это метод, при котором имеет значение очередность наложения швов. Очередность наложения выбирают такой, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные деформациям, полученным при наложении предыдущего шва. 4. Метод уменьшения угловых деформаций применим для многопроходной сварки изделий большой толщины. Угловая деформация может быть снижена за счет последовательного перехода при сварке отдельных валиков с одной стороны на другую.

525

Решетневские чтения. 2017

5. Метод уменьшения деформаций изгиба при сварке крупногабаритных пространственных конструкций. При этом необходима рациональная последовательность укладки швов относительно центра тяжести свариваемой конструкции, что снижает деформации изгиба [3; 4]. При статистическом анализе применения методов уменьшения сварочных деформаций была выявлена их эффективность и доступность практического использования в производстве крупногабаритных конструкций. Вместе с тем установлено, что геометрическая точность сварных конструкций повышается при комбинированном использовании вышеизложенных методов и обязательном выполнении заданных режимов сварки [5]. Библиографические ссылки 1. Анурьев В. И. Справочник конструкторамашиностроителя. М. : Машиностроение, 2001. 927 с. 2. Болдырев А. М., Орлов А. С. Сварочные работы в строительстве и основы технологии металлов. М. : АСВ, 1994. 462 с.

3. Фоминых В. П., Яковлев А. П. Ручная дуговая сварка. М. : Высш. шк., 1981. 256 с. 4. Васильев К. В. Газоэлектрическая резка металлов. М. : МашГиз, 1963. 174 с. 5. Рыбаков В. М. Сварка и резка металлов. М. : Высш. шк., 1979. 214 с. References 1. Anuryev V. I. Reference book by the designermechanician. M. : Mechanical engineering, 2001. 927 p. 2. Boldyrev A. M., Orlov A. S. Eagles of Amperesecond. Welding works in construction and bases of technology of metals. M. : DIA, 1994. 462 p. 3. Fominykh V. P., Yakovlev A. P. Manual arc welding. M. : The higher school, 1981. 256 p. 4. Vasilyev K. V. Gas-electric cutting of metals. M.: MashGiz, 1963. 174 pages. 5. Rybakov V. M. Welding and cutting of metals. M. : The higher school, 1979. 214 p.

526

© Назаров С. В., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 55.30.03; 621.865.8 СИЛОВОЙ РАСЧЕТ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО МАНИПУЛЯТОРА В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ LABVIEW Л. В. Ручкин*, Н. Л. Ручкина Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected] Представлены результаты силового расчета плоского параллельного манипулятора, выполненные в программном пакете LabVIEW, для любой его возможной конфигурации и действующих технологических нагрузках. Манипулятор может быть использован при создании испытательных или технологических установок. Ключевые слова: параллельный манипулятор, плоский манипулятор, силовой расчет, LabVIEW. POWER CALCULATION OF THE PARALLEL MANIPULATOR IN SOFTWARE SUITE LABVIEW L. V. Ruchkin*, N. L. Ruchkina Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The article presents results of power calculation of the parallel manipulator in software suite LabVIEW; they are used for any available geometric patterns and manufacturing loads. Manipulator can be used to simulate or manufacture machines. Keywords: parallel manipulator, planar manipulator, power calculation, software suite LabVIEW. В последнее время в аэрокосмической промышленности находят широкое применение параллельные манипуляторы. Манипуляторы, содержащие в своей структуре замкнутые кинематические цепи, используются при создании как испытательной техники, так и технологического оборудования, например фрезерных обрабатывающих центров. Вызвано это их высокой жесткостью и точностью перемещения выходного звена машины [1-4], но наличие в структуре замкнутых кинематических цепей усложняет конструкторские расчеты подобных систем, в частности выполнение силового расчета. Рассмотрим параллельный манипулятор (рис. 1), выполненный в виде плоского шарнирного четырехзвенника. Шарниры A, B и C являются пассивными, шарнир O – активный и развивает момент M. В звенья OA и BC встроены управляемые поступательные пары, так, что возможно изменение длин звеньев a1 и a3, приводы шарниров обеспечивают необходимые усилия PA и PB. На выходное звено действуют технологические силы PDx и PDy. Подобная структура имеет три степени подвижности и обеспечивает перемещение выходного звена (точка D) в плоскости рисунка по любой программно заданной траектории. В качестве обобщенных координат выбраны переменные q1, a1 и a3. Зависимость переменных q2, q3 и q4 от обобщенных координат определяется характером движения и устанавливается при решении прямой и обратной задач кинематики манипулятора. На расчетной схеме приведен пример перемещения выходного звена вверх.

Рис. 1. Расчетная схема плоского параллельного манипулятора

При выполнении силового расчета считаем, что заданы технологические силы PDx и PDy. Для определения реакций в шарнирах и необходимых момента M и сил PA и PB, создаваемых приводами манипулятора, выделяем двухповодковую группу ABC и заменяем нарушенные связи реакциями [5]. Записываем уравнения равенства нулю проекций сил на координатные оси и уравнения равенства нулю моментов сил относительно точки B для звеньев AB и BC. Составляем уравнение F . X = G, где F – входная матрица или матрица коэффициентов; X – матрица решений; G – известный вектор сил и моментов сил.

527

Решетневские чтения. 2017

Рис. 2. Лицевая панель созданного виртуального прибора

При помощи встроенных виртуальных приборов LabVIEW создаем необходимые матрицы и решаем систему уравнений. Лицевая панель созданного виртуального прибора приведена на рис. 2. Момент, развиваемый в шарнире O, определяется аналогично. Разработанный виртуальный прибор позволяет выполнять силовой расчет для плоского параллельного манипулятора при любой его возможной конфигурации и действующих технологических нагрузках при создании как испытательных, так и технологических машин. Библиографические ссылки 1. Merlet J.-P. Parallel Robots. Springer, 2006. 418 p. 2. Кобринский А. А., Кобринский А. Е. Манипуляционные системы роботов: основы устройства, элементы теории. М. : Наука, 1985. 344 с. 3. Теоретические основы робототехники : в 2 кн. / А. И. Корендясев, Б. Л. Саламандра, Л. И. Тывес ; отв. ред. С. М. Каплунов ; Ин-т машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. М. : Наука, 2006. Кн. 1. 383 с. 4. Лукинов А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств : учеб. пособие. СПб. : Лань, 2012. 628 с.

5. Сумский С. Н. Расчет кинематических и динамических характеристик плоских рычажных механизмов : справочник. М. : Машиностроение. 1980. 312 с. References 1. Merlet J.-P. Parallel Robots. Springer, 2006. 418 p. 2. Kobrinskiy A. A., Kobrinskiy A. E. Manipulyatsionnye sistemy robotov: osnovy ustroystva, elementy teorii. M. : Nauka, 1985. 344 p. 3. Teoreticheskie osnovy robototekhniki : v 2-kh kn. / A. I. Korendyasev, B. L. Salamandra, L. I. Tyves ; otv. red. S. M. Kaplunov ; In-t mashinovedeniya im. A. A. Blagonravova RAN. M. : Nauka, 2006. Kn. 1. 383 p. 4. Lukinov A. P. Proektirovanie mekhatronnykh i robototekhnicheskikh ustroystv : Uchebnoe posobie. SPb. : Lan’, 2012. 628 p. 5. Sumskiy S. N. Raschet kinematicheskikh i dinamicheskikh kharakteristik ploskikh rychazhnykh mekhanizmov : Spravochnik. M. : Mashinostroenie. 1980. 312 p.

528

© Ручкин Л. В., Ручкина Н. Л., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.923.01 ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Д. И. Савин, В. А. Левко Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Рассмотрены проблемы и особенности, возникающие при обработке титановых и алюминиевых сплавов, особенности процесса финишной обработки титановых и алюминиевых сплавов. Предложено в качестве метода обработки титановых и алюминиевых сплавов применять нетрадиционные методы финишной обработки. Предложено дальнейшее направление исследований. Ключевые слова: финишная обработка, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, абразивный поток. FINISHING TITANIUM AND ALUMINUM ALLOYS D. I. Savin, V. A. Levko Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] The article studies features and problems arising in the machining titanium and aluminum alloys. It overviews the process of finish machining titanium and aluminum alloys. It proposes a method of processing titanium and aluminum alloys using nontraditional finishing methods. The future direction of research is defined. Keywords: finishing, titanium alloys, aluminum alloys, abrasive flow. Для совершенствования процесса развития ракетно-космической техники (РКТ) появилась необходимость в применении легких и высокопрочных материалов. Такими материалами являются титановые и алюминиевые сплавы. Вместе с тем в производстве ракетной техники существует постоянная тенденция к созданию и использованию более легких деталей более сложной формы. Но применение таких материалов сопровождается рядом физико-химическими особенностей. Так, после различных видов механической и термической обработки появляется измененный поверхностный слой и оксидная пленка. Возникает необходимость удаления измененного слоя и улучшения качества поверхностного слоя. Титановые и алюминиевые сплавы на сегодняшний день в производстве РКТ занимают очень весомую долю. Это вызвано отличительными физическими, химическими и другими особенностями материалов. Титан – наиболее распространенный конструкционный материал, составляющий основную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева [1]. Титан имеет ряд отличительных признаков по сравнению с железом, алюминием и магнием. Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения – выше. Он обладает и более высокой, чем железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа. Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше

чем у железа. Титан – химически активный металл, легко вступает в реакции с газами атмосферы – кислородом, водородом и азотом. С повышением температуры его реакционная способность повышается. Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, как в прочем и алюминий, так как на их поверхностях образуется стойкая оксидная пленка, которая прочно связана с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Механическая обработка деталей из титановых сплавов существенно затруднена из-за высокого отношения предела текучести к пределу прочности, относительно низкой теплопроводности, налипания титана на инструмент, высокой химической активности по отношению к газам при повышенных температурах резания, неоднородности свойств срезаемого слоя вследствие ликвидации легирующих элементов. Существенными недостатками традиционной механической обработки резанием является: – нарушение целостности волокон металла; – разрыхление поверхностного слоя; – образование растягивающих напряжений; – взаимодействие поверхностного слоя сплава с газами атмосферы, в результате чего происходят химические превращения, снижающие характеристики сплава; – снижение твердости и создание микрогеометрии. Особо опасным недостатком можно считать воздействие водорода из атмосферы в виде проникнове-

529

Решетневские чтения. 2017

ния газа в структуру поверхностного слоя и химических взаимодействий с титаном (образованием образование гидридов) которые в значительной мере снижают прочность поверхностного слоя и приводят к образованию трещин. В этой связи электроэрозионная обработка является отличным вариантом обработки в виду того, что обработка ведется в жидком диэлектрике, а значит, доступ газов атмосферы к зоне обработки в значительной мере затруднен. Образование гидридов происходит только в результате химического разрушения рабочей жидкости, однако больная часть обработанного материала с водородом удаляется с поверхности материала после разрушения канала разряда. Наличие в жидком диэлектрике растворенного кислорода способствует образованию защитной оксидной пленки из TiO2. А как показано в [1] при повышенных температурах в зоне обработки скорость поглощения водорода титана значительно падает при наличии оксидной пленки на поверхности титана. Локальный характер обработки, а также низкая теплопроводность титана и наличие рабочей жидкости в качестве охлаждающего средства исключает возможные температурные изменения в металле, поэтому расслоения металла не происходит, как не происходит и возникновение разного рода побочных напряжений в виду отсутствия контакта инструмента и заготовки при обработке. Алюминий – легкий, пластичный металл, один из наиболее распространённых химических элементов, содержащихся в земной коре. Алюминий очень удобен в использовании, поскольку имеет высокую устойчивость к коррозии, обладает электропроводимостью и устойчив к резким перепадам температур. Алюминиевые сплавы имеют значительную коррозийную стойкость, обладают высокой теплопроводностью, не токсичны в соединениях, поэтому стали популярным конструкционным материалом. Области применения алюминиевых сплавов чрезвычайно обширны. В частности, это первый материал для изготовления конструкций в авиастроении и ракетостроении. Также стоит отметить, что изделия и конструкции получаются легче из алюминиевых сплавов, чем из стали на 50 % [2]. При взаимодействии с воздухом на поверхности алюминиевых сплавов образуется оксидная пленка, замедляющая естественное старение и изменяющая свойства поверхности материала. Удаление оксидной пленки с поверхности алюминия механическим путем практически невозможно, так как мгновенно после удаления пленки чистый металл вновь покрывается новой оксидной пленкой. Оксидная пленка, значительно более хрупкая, чем основной металл, растрескивается и вытесняется с частью металла [2]. Предлагается метод нетрадиционной финишной обработки титановых и алюминиевых сплавов, для удаления оксидной пленки и изучения свойств поверхностного слоя после данной обработки. В качест-

ве нетрадиционного метода предлагается применять абразивно-экструзионную обработка, это процесс, заключающийся в экструзии вдоль обрабатываемых поверхностей вязкоупругих рабочих сред, наполненных абразивными зернами, который позволил существенно расширить технологические возможности обработки труднодоступных поверхностей сложно профильных деталей [3]. Известно, что при этом виде обработки могут быть реализованы все виды контактных процессов, от упругой и пластической деформации до микрорезания [4]. Возможна обработка различных материалов, начиная от разного вида пластмасс и заканчивая труднообрабатываемыми поверхностями, например литьевой коркой нержавеющих сталей. Обзор Российских и зарубежных публикаций не выявил статей, описывающих практическое применение финишной обработки титановых сплавов и определения свойств поверхностного слоя после обработки титановых и алюминиевых сплавов. Задачей дальнейших исследований является планирование и разработка экспериментов по финишной обработке титановых и алюминиевых сплавов и изучение свойств поверхностного слоя. Библиографические ссылки 1. Обеспечение надежности конструкций из титановых сплавов / В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, Б. И. Долотов и др. М., 2009. 752 с. 2. Алиева С. Г., Альтман М. Б., Амбарцумян С. М. Промышленные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия, 1984. 266 с. 3. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с. 4. Левко В. А. Контактные процессы при абразивно-экструзионной обработке // Металлообработка. 2008. № 2. С. 7–10. References 1. Obespechenie nadezhnosti konstrukcii iz titanovikh splavov / V. I. Muraviev, P. V. Bakhmatov, B. I. Dolotov i dr. M. : Econ, 2009. 752 с. 2. Alieva S. G., Altman M. B., Ambarcymyan S. M. Promyshlennye alyuminievye splavy. M. : Metallurgia, 1984. 266 c. 3. Levko V. A. Abrazivno-extruzionnaya obrabotka: sovremennyi yroven i teoreticheskye osnovy processa : monogr. [Abrasive flow machining: modern level and theoretical bases of the process]. Sib. gos. aerocosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2007 228 p. 4. Levko V. A. Kontaktnye processy pri abrazivnoextruzionnoi obrabotke. Metalloobrabotka. [The Contact processes under abrasive flow machining // Metalworking]. 2008. № 2. P. 7–10.

530

© Савин Д. И., Левко В. А., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.923 ОПОРНЫЕ КРИВЫЕ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ АБРАЗИВНЫМ ПОТОКОМ А. Е. Симакова*, В. А. Левко Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Проведен анализ опорных кривых профиля поверхностей, полученных обработкой абразивным потоком. Приведены результаты исследований контактных взаимодействий в процессе обработки. Установлено, что в процессе обработки абразивным потоком реализуются все виды контактных взаимодействий. Ключевые слова: опорная кривая профиля поверхности, обработка абразивным потоком. SURFACE PROFILE REFERENCE CURVES AFTER ABRASIVE FLOW MACHINING A. E. Simakova*, V. A. Levko Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article analyses the reference curves of the surface profile obtained by the abrasive flow machining. The results of studies of contact interactions in the processing are presented. It is established that in the process of abrasive flow machining all types of contact interactions are realized. Keywords: reference curves of the surface profile, abrasive flow machining. Основной задачей Российской Федерации в области авиастроения по-прежнему остается создание конкурентоспособной и структурно сбалансированной промышленности, разработка и применения передовых технологий, эффективно решающей задачи обеспечения экономического развития и обороноспособности страны [1]. Решение данной задачи включает в себя совершенствование технологического процесса обработки РКТ, для изготовления которых требуются сложные движения исполнительных органов обрабатывающего оборудования, а также применение различных фасонных инструментов [2; 3]. Очень важно обеспечить необходимые геометрические параметры для поверхностей деталей летательных аппаратов. Кроме этого целесообразно также нормировать направление поверхности. Одним из нестандартных методов финишной обработки, обладающим высокими технологическими возможностями является обработка абразивным потоком (Abrasive flow machining (AFM)) [4]). Для определения наилучших условий обработки данным методом проведен сравнительный эксперимент на промышленной установке УЭШ-100 в лаборатории отделочных методов обработки ФГБОУ ВО «Сибирский государственнй университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева». Эксперимент основывался на получении зависимости параметров шероховатости поверхностного слоя экспериментального образца из стали марки 38ХГС ЧМТУ 5780–57 [5] от количества циклов обработки (n = 10, 20, 30). Для проведения эксперимента спроектировано и изготовлено опытное устройство. При сборке экспе-

риментальный образец помещается в П-образный паз, таким образом, чтобы полной при сборке приспособления имитировался профильный канал. Результаты эксперимента приведены на рис. 1. Для получения графического изображения действительного профиля поверхности экспериментального образца получены профилограммы и опорные кривые профиля поверхности с помощью измерителя шероховатости модели TR 220 (рис. 2). Замечено, что профилограмма исходной поверхности имеет пилообразную форму, поверхность образована множеством микровыступов и микровпадин, имеющих существенный разброс величин на исследуемом участке поверхности. Профилограмма поверхности после 10 циклов обработки свидетельствует о том, что величины микронеровностей не только уменьшаются, но и начинают стремиться к некоторому диапазону значений. После 20 и 30 циклов обработки явно выражено изменение профильной кривой поверхности, характеризующаяся меньшим количеством микровыступов и микровпадин, которые изменили и свою форму, перейдя от острых углов к тупым. Островершинные микронеровности поддаются износу быстрее, чем плосковершинные, в связи с меньшей площадью контакта. Анализ опорных кривых на рис. 3 показывают, что после 30 циклов обработки наблюдается большая наполненность материалом зон нормального сечения. Это тоже свидетельствует о том, что в процессе обработки абразивным потоком микронеровности поверхности контактируют с абразивным зерном в целом, и на локальных участках.

531

Решетневские чтения. 2017

а

б

в

г

Рис. 1. Состояние поверхности образца после АЭО: а – исходное состояние поверхности; б – после 10 циклов; в – после 20 циклов; г – после 30 циклов

а

б

в

г

Рис. 2. Фрагменты профилограмм контактных поверхностей экспериментального образца из стали 18ХГС после АЭО: а – исходная; б – после 10 циклов; в – после 20 циклов; г – после 30 циклов

а

б

в

г

Рис. 3. Опорная кривая поверхности экспериментального образца из стали 18ХГС после АЭО: а – исходная; б – после 10 циклов; в – после 20 циклов; г – после 30 циклов

При контакте микронеровностей поверхности с отдельными выступами абразивного зерна реализуется процесс микрорезания. При контакте микронеровностей поверхности с абразивным зерном в целом происходят контактные процессы упругой и пластической деформации. Исследование опорных кривых профиля поверхности после обработки абразивным потоком показало, что этот вид обработки при определенных условиях сочетает в себе механизмы операций резания и пластического деформирования, что приводит не только к уменьшению величины шероховатости, но и увеличению микротвердости обработанной поверхности за счет дополнительных сжимающих напряжений в поверхностном слое.

Библиографические ссылки 1. Об утверждении государственной программы РФ «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» : Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. №328. 2. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с. 3. Воробей В. В., Логинов В. Б. Технология производства жидкостных ракетных двигателей : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 1989. 424 с. 4. Галеева В. А., Саклакова А. Е., Селина Ю. Н. Обзор современного уровня струйно-абразивной об-

532

Технология и мехатроника в машиностроении

работки (Abrasive flow machining) // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Дню космонавтики. Красноярск, 2016. С. 12–14. 5. ОМТРМ 0056-002–86. Марочник стали для машиностроения / Общемашиностроительные типовые и руководящие материалы. Научно-исследовательские информации по машиностроению. М., 1986. References 1. Postanovlenie Pravitelstva RF ot 15.04.2014. № 328 “Ob utverzhdenii gosudarstvennoy programmyi RF “Razvitie promyishlennosti i povyishenie ee konkurentosposobnosti”. 2. Levko V. A. Abrazivno-ekstruzionnaya obrabotka: sovremennyiy uroven i teoreticheskie osnovyi protsessa :

monogr / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2007. 228 р. 3. Vorobey V. V. Tehnologiya proizvodstva zhidkostnyih raketnyih dvigateley : ucheb. dlya vuzovю M. : Mashinostroenie, 1989. 424 р. 4. Galeeva V. A., Saklakova A. E., Selina Yu. N. [The modern level of abrasive flow machining rewiew] // Materialyi XII Mezhdunar. nauch.-prakt. Conf., posvyaschennoy Dnyu kosmonavtiki. “Aktualnyie problemyi aviatsii i kosmonavtiki”. Krasnoyarsk, 2016. P. 12–14. (In Russ.) 5. OMTRM 0056-002–86. Marochnik stali dlya mashinostroeniya / Obschemashinostroitelnyie tipovyie i rukovodyaschie materialyi. Nauchno-issledovatelskie informatsii po mashinostroeniyu. M., 1986.

533

© Симакова А. Е., Левко В. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.9.06:534.1 ЖЕСТКОСТЬ КАРТРИДЖ-ШПИНДЕЛЯ ЗАТОЧНОГО СТАНКА К. Ю. Филиппов, Е. В. Раменская Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Повышение точности и эффективности оборудования заготовительного производства непосредственно влияет на качество изготовления изделий ракетно-космической техники. Рассмотрена технология разработки картридж-шпинделя для заточки пил с внутренней режущей кромкой. Ключевые слова: шпиндель, станок, технология, картридж, балансировка. THE RIGIDITY OF THE GRINDING MACHINE CARTRIDGE SPINDLE K. Y. Filippov, E. V. Ramenskay Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] Increasing the accuracy and efficiency of procurement equipment affects the quality of aerospace products manufacturing. The technology of developing a cartridge-spindle for sharpening saws with an internal cutting edge is considered. Keywords: spindle, machine tool, technology, cartridge, balancing. Развитие современного производства изделий РКТ продолжается по направлению роста прецизионности, обеспечивая повышение конкурентоспособности изделий по параметрам точности. Точность работы и производительность станка для мерной резки проката зависит от его жесткости. По этой причине проводят испытания, позволяющие выявить дефекты на стадии изготовления и сборки станков [1]. В соответствии с действующим регламентом жесткость рабочих машин и шпинделей определяют при статической нагрузке, прилагаемой к элементам, несущим инструмент и заготовку, вызывающей упругие отжатия. Жесткость шпинделей зависит от конструктивных элементов и их размеров, а также от качества сборки подвижных и неподвижных стыков. Проверка точности шпинделя проводится на специальном стенде, обеспечивающим базирование, крепление, наладочные перемещения. Проверку радиального биения шпинделя выполняют с установкой измерительной стойки с индикатором часового типа, при этом измерительный наконечник касается середины образующей конуса шпинделя и перпендикулярен поверхности конуса. Шпиндель поворачивают вручную, биение определяют как алгебраическую разность показаний индикатора. Аналогично проверяют осевое и торцевое биения. Проверка жесткости картридж-шпинделя выполняют в соответствии сдействующими нормативами. Статистическую жесткость шпинделя определяем по уравнению [2] j = P/y, (1) где Р – сила нагружения, Н; у – величина относительных перемещений.

Учитывая методику экспериментального измерения и определения радиальной жесткости заточного станка [2], при силе нагружения 98 Н среднее значение перемещения при трех измерениях составило 0,26 мм; при 195 Н соответственно 0,59 мм; при 294 Н – 0,89 мм. В результате получено среднее значение жесткости шпинделя j = 337,4 H/мм. Значения жесткости позволяет анализировать собственные частоты жестких роторов и моды гибких. Многочисленные исследования во ВНИИ и ВНИИДМАШе жесткости станков и шпинделей для заточки дисковых пил при разработке проекта стандарта позволили получить значения допустимого радиального отжатия шпинделя при нагрузке 80 Н для нормального класса точности станка Н – 3 мкм; для повышенного П – 2 мкм; для высокого В – 1 мкм; а осевое отжатие для класса точности станка Н – 4 мкм, П – 3 мкм, В – 2 мкм. Одна из функций, определения радиальной жесткости шпинделя, имеет вид [2] jr= C·µ / [a3(3,53k+2,94)/d4 + (k2+2k+2) / k2], (2) где а – длина консоли у режущего инструмента, мм; С = 1,038·104 – коэффициент трибо энергетических связей в материалах; µ – коэффициент динамичности; d – диаметр цапфы шпинделя; L – расстояние между опорами; k = L/a – параметр линейного отношения шпинделя, Расчетом по функции (2) для проектной конструкции картридж-шпинделя (см. рисунок) при значениях: а = 6,5 мм; L = 32 мм; d = 15 мм получена радиальная жесткость шпинделя jr = 6528,4 Н/мм. Такое значение жесткости косвенно подтверждает правильность вы-

534

Технология и мехатроника в машиностроении

бора конструкции для экспериментального изготовления лабораторного образца шпинделя заточного станка.

Эскиз картридж-шпинделя По действующему стандарту [3] радиальное биение шпинделя шлифовальной головки для классов точности: Н – 11 мкм, П – 7 мкм, В – 5 мкм; осевое биение Н – 8 мкм; П – 5 мкм; В –4 мкм; радиальная жесткость станка определена при нагрузке 245 Н и нормированным отжатиям для классов точности станков: Н – 1,1 мм; П – 0,52 мм; В – 0,33 мм., которые являются сдаточными величинами при аттестации. Оценка качества заточки производится при контрольных испытаниях после 5 проходов в чистовом режиме как для стальных, так и твердосплавных пил. Ряд фирм в анализе конструкции шпинделей для сертификации используют кинетостатический параметр dN в пределах от 20·103 до 200·103 мм/мин. Интерес к работам заготовительного передела вызван ещё и тем, что в технологии резки стального проката существенно изменилась методика определения сил и мощности резания, что подтверждается работами зарубежных исследователей [4] и кафедры «Технология машиностроения». Отдельные рекомендации по управлению жесткостью шпинделей и заточных станков, а также станков общего назначения, частично рассмотрены в работах [5] и [6] при обработке анизотропных не металлических и металлических материалов. По результату работы можно утверждать: 1. Разработана конструкция картридж-шпинделя для заточки пил с внутренней режущей кромкой с диаметром более 160 мм, а также для пил с внешними режущими зубьями с диаметром более 200 мм. 2. Радиальная жесткость шпинделя аналитическая не менее 4 Н/мкм, что позволяет точить пилы с твердосплавными зубьями. 3. Кинетостатический параметр конструкции шпинделя dN от 25·103до 110·103 мм/мин для опор 2, 4 и 5 класса точности. 4. Качество остаточного дисбаланса картриджшпинделя должно находиться в пределах от G1,4 до G1,9 г·мм/кг. 5. Конструкция шпинделя имеет повышенный до 20 % коэффициент демпфирования по эффекту сухого трения и управляемой вязкости в материале контактных пар.

Библиографические ссылки 1. Филиппов К. Ю., Янковская Н. Ф., Раменская Е. В. Ортогональная устойчивость дисковых пил // Решетневские чтения : материалы XX Юбилейной междунар. науч. конф. (9–12 ноября 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 581–583. 2. Конструкции, настройка и эксплуатация оборудования для подготовки и заточки дереворежущего инструмента / Д. С. Рожков, Э. Ф. Харитонович, А. Ф. Алютин и др. М. : Лесн. пром-сть, 1978. 248 с. 3. ГОСТ 20404–88. Станки для заточки круглых пил. Нормы точности и жесткости. Введ. 1989-07-01. М. : Стандарты, 1989. 10 с. 4. Лэ Д. Механика формообразования стружки при ортогональном резании // Теоретические основы инженерных расчетов. Труды американского общества инженеров-механиков, ASME. 1984. Т. 106, № 1. С. 10–17. 5. Раменская Е. В., Филиппов Ю. А. Механизм генерирования и распространения вибрации в технологических машинах // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 1(41). С. 132–138. 6. Анализ технического регламента на дисковые пилы для раскроя анизотропных материалов / И. Н. Спицын, К. Ю. Филиппов, А. А. Воробьев и др. // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12–14 ноября 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 296–297. References 1. Filippov K. Ju., Jankovskaja N. F., Ramenskaja E. V. Ortogonal’najaustojchivost’ diskovyhpil // Reshetnevskie chtenija : materialy XX Jubilejnoj mezhdunar. nauch. konf. : v 2 ch. / Sib. state. aerocosmic. university. Krasnoyarsk, 2016. Р. 581–583. (In Russ.) 2. Konstrukcii, nastrojka i jekspluatacija oborudovanija dlja podgotovki i zatochki derevorezhushhego instrumenta / D. S. Rozhkov, Je. F. Haritonovich, A. F. Aljutinidr. M. : Lesn. prom-st’ Publ, 1978. 248 р. 3. GOST 20404–88. Stanki dlja zatochki kruglyh pil. Normy tochnosti i zhestkosti. Vved. 1989-07-01. M. : Standarty Publ., 10 р. 4. Lje D. Mehanika formoobrazovanija struzhki pri ortogonal’nom rezanii // Teoreticheskie osnovy inzhenernyh raschetov. Trudy amerikanskogo obshhestva inzhenerov-mehanikov, ASME. 1984. Vol. 106, № 1. Р. 10–17. 5. Ramenskaja E. V., Filippov Ju. A. Mehanizm generirovanija i rasprostranenija vibracii v tehnologicheskih mashinah // Vestnik SibSAU. 2012. № 1 (41). Р. 132–138. (In Russ.) 6. Analiz tehnicheskogo reglamenta na diskovye pily dlja raskroja anizotropnyh materialov / I. N. Spicyn, K. Ju. Filippov, A. A. Vorob’ev, A. N. Junosov // Reshetnevskie chtenija : materialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. : v 2 ch. Sib. state. aerocosmic. university, Krasnoyarsk, 2013. Р. 296–297. (In Russ.)

535

© Филиппов К. Ю., Раменская Е. В., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.7 ФРЕЗЫ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЕТАЛЕЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ М. Н. Цугленок АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660123, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29 E-mail: [email protected] Рассмотрена возможность применения и изготовления твердосплавного осевого режущего инструмента для обработки корпусных деталей РКТ. Ключевые слова: фреза, изготовление инструмента, балансировка, твердый сплав, корпусные детали. MILLERS FOR HSK-PROCESSING OF ALUMINIUM ALLOYS FOR COMPONENT PARTS OF SPACE-ROCKET MECHANICS M. N. Tsuglenok JSC “Krasnoyarsk machine-building plant” 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660123, Russian Federation E-mail: [email protected] The article views application and manufacturing possibility of cemented-carbide rotary cutting tools for machining space-rocket mechanics basic parts. Keywords: miller, tool making, balancing adjustment, solid carbide, basic parts. В изделиях ракетно-космической техники (РКТ) широко применяются вафельные оболочки разной геометрической формы – цилиндрические, конические сферические и др. Которые являются основными несущими конструкциями РКТ. По существующей технологии выполнение вафельного фона производится методом фрезерования, на специальном технологическом оборудовании, фрезерные станки с системой слежения за остаточной толщиной полотна. Основной инструмент фреза Ø16 3-х зубая с радиусом 3 мм при вершине, из стали Р9К5 (рис. 1).

Рис. 1. Чертёж фрезы

Фрезы из быстрорежущей стали имеют низкую стойкость, быстрый износ режущих кромок (замена фрезы происходит каждые 5 часов по регламенту), максимальную подачу 600 мм/мин, при 3000 об/мин, для данного типа обработки. В современных станка ЧПУ для нанесения вафельного фона использование

фрезы из быстрорежущей стали Р9К5 нецелесообразно, так как нельзя реализовать все возможности оборудования. Внедрённые на АО «Красмаш» станки оборудованы высокотехнологичными шпинделями имеющими частоту вращения до 24 000 об/мин. В связи с этим возникает необходимость в проработке инструмента для получения оптимальных режимов резания с учётом технологических возможностей оборудования [1]. Целесообразно заменить быстрорежущую сталь на твердый сплав, так как он имеет большую стойкость, при охлаждении СОЖ сохраняет температуру в зоне резания 40–50 °С и способен обрабатывать с большими скоростями [2]. Опытным путём установлены режимы обработки вафельного фона, подача 2000 мм/мин, обороты 10 000 об/мин на черновых проходах, съём материала t = 18–20 мм, и 6 мм, на сторону. Чистовые проходы, подача 1600 мм/мин, обороты 15 000 об/мин, съем 1 мм. Обрабатываемый материал: АМг6 НВП. Для изготовления фрезы использовался шлифовально-заточной станок с ЧПУ [3]. За прототип взята фреза (рис. 1) из быстрорежущей стали диаметром 16 мм, изменения получили задние углы, 1-й задний угол 10º, 2-й задний угол 20º, добавлено поднутрение на торце, что позволило фрезе выполнять осевое врезание в полотно заготовки. Угол винтовой канавки составляет 30º [4–5]. Данная фреза имеет цилиндрический хвостовик диаметром 16, может быть зажата в цанговый, гидропластовый, термозажимной патрон [6].

536

Технология и мехатроника в машиностроении

Рис. 2. Параметры углов фрезы

Рис. 3. Общий вид фрезы

Чистота поверхности находится в пределах Ra 2.5. Увеличение оборотов и подачи значительно сокращают время механической обработки вафельного фона примерно на 31,4 %, по сравнению с обработкой быстрорежущими фрезами.

рументу. 5-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1990. 448 с. 6. Рекомендации по режущему инструменту sandvik [Электронный ресурс]. URL: www.sandvik. com (дата обращения: 07.09.2017).

Библиографические ссылки

References 1. Taurine G., Puhovsky Е., Hryshchenko Е. [Machining of large parts]. К. : Equipment, 1981. 208 с. 2. Solid carbide. Available at: www.delta-grup (accessed 10.08.2017). 3. Grinding machine parameters. Available at: www.anca.com (accessed 10.08.2017). 4 Properties of high-speed steel. Available at: www.eurolnox.ru (accessed 05.07.2017). 5. Nefedov N. А., Osipov К. А. Collection of tasks and examples on cutting materials and cutting tools. 5 edition. М. : Mechanical engineering, 1990. 448 с. 6. Sandvik. Available at: www.sandvik.com com (accessed: 7.09.2017).

1. Таурит Г., Пуховский Е., Грищенко Е. Обработка крупногабаритных деталей. Киев : Технiка, 1981. 208 с. 2. Твердый сплав [Электронный ресурс]. URL: www.delta-grup (дата обращения: 22.07.2017). 3. Параметры заточных станков [Электронный ресурс]. URL: www.an.setings.com (дата обращения: 10.08.2017). 4. Свойства быстрорежущей стали [Электронный ресурс]. URL: www.eurolnox.ru (дата обращения: 05.07.2017). 5. Невёдов Н. А., Осипов К. А. Сборник задач и примеров по резанию материалов и режущему инст-

© Цугленок М. Н., 2017

537

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.923.9 ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ИНСТРУМЕНТА И РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Н. В. Шарова, Л. П. Сысоева, А. С. Сысоев Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Проанализированы конструктивно-технологические особенности деталей летательных аппаратов, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, и предложено использовать абразивно-экструзионную обработку сложнопрофильных и труднодоступных поверхностей таких деталей. Исследована зависимость глубины царапины от геометрических характеристик абразивного зерна и силы резания при абразивно-экструзионной обработке деталей из алюминиевых сплавов. Ключевые слова: алюминиевый сплав, абразивно-экструзионная обработка, рабочая среда, активное абразивное зерно, микрорезание. INFLUENCE OF TOOL GEOMETRY AND CUTTING MODES ON THE EFFICIENCY OF ABRASIVE FLOW MACHINING OF ALUMINIUM ALLOYS N. V. Sharova, L. P. Sysoeva, A. S. Sysoev Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] The constructive-technological features of aircraft details made of aluminum alloys are analyzed in this article. The article suggests using Abrasive Flow Machining for abrading of complex-profile and hard-to-get surface. The research investigates dependence of the scratch depth on the abrasive grain geometrical characteristics and the cutting force at Abrasive Flow Machining of aluminum alloy details. Keywords: aluminum alloy, Abrasive Flow Machining, work medium, active abrasive grains, microcutting. Конструктивные особенности некоторых деталей летательных аппаратов (ЛА) характеризуются наличием сложнопрофильных и труднодоступных для инструмента поверхностей, что затрудняет достижение требуемого качества поверхностного слоя. В ряде работ [1; 2] предложено использовать для обработки подобных деталей метод абразивно-экструзионной обработки (АЭО) [3; 4] и приведены результаты исследований по обработке деталей, изготавливаемых из жаропрочных, коррозионно-стойких легированных сталей. Но анализ конструкций ЛА показал, что велика доля деталей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов (крыльчатки и корпуса насосов ТНА, детали автоматики и рулевых машин и др.) [5; 6]. Распространенность алюминия в самолето- и ракетостроении объясняется его физико-механическими свойствами: низкой плотностью и хорошими прочностными характеристиками его сплавов, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и среде многих органических кислот, высокой тепло- и электропроводностью. Исследование проведено с целью рассмотрения возможности использования метода АЭО для обработки деталей из алюминиевых сплавов. Данный метод характеризуется тем, что резание производится микро- и субмикровыступами абразивных зерен (АЗ), помещенных в вязкоупругую среду

и экструдируемых под давлением вдоль обрабатываемой поверхности. Для расчета режимов резания необходимо определение нормальной и касательной составляющих силы микрорезания, достаточной для удаления заданного слоя материала или снижения шероховатости (снятия гребешков микронеровностей) [7]. Исследование особенностей контактных взаимодействий при АЭО [8; 9] показало, что глубина царапины и вид взаимодействия (микрорезание, упругое или пластического деформирование) зависит от материала обрабатываемой детали, характеристик его поверхностного слоя, геометрических характеристик АЗ (зернистости, углов при вершине микро- и субмикровыступов, радиусов скруглений) и силы прижатия зерна к обрабатываемой поверхности. Для проведения исследования имитировался процесс микрорезания единичным АЗ с целью выявления зависимости эффективности резания от геометрических характеристик АЗ и режимов обработки, что позволило определить необходимый вид абразива. Имитация контакта при микрорезании единичным АЗ выполнялась на установке МР–2 (рис. 1) со ступенчатым нагружением индентора. Геометрические параметры АЗ моделировались с помощью сменных конических инденторов, изготовленных из сплава

538

Технология и мехатроника в машиностроении

Т15К6 с углами заточки, которые при анализе статистических данных [10] были выявлены в качестве наиболее характерных для углов микровыступов АЗ. Расчет глубины царапины hц проведен по ширине bц (рис. 2, а) с учетом геометрических характеристик индентора, в том числе его радиуса скругления.

При резании образцов наблюдалось незначительное отделение стружки, зоны врезания в начале и пластического деформирования – в конце, а также навалы по длине царапины (рис. 2, б, в) из-за перераспределения материала вследствие пластического деформирования.

Рис. 1. Установка МР-2: 1 – приспособление; 2 – образец; 3 – индентор; 4 – сменный груз; 5 – шток; 6 –привод

а

б

в

Рис. 2. Царапины на образце (х150) при резании индентором с углом 90о, нагружение 5,0 Н: а – определение ширины царапины; б – зона пластического деформировании; в – зона врезания индентора 1 h, мм 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 P, H 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 1 2 3

Рис. 3. Зависимость глубины царапины hц от силы прижатия Р и угла заточки индентора γ: 1 – 60о; 2 – 90о; 3 – 120о

539

Решетневские чтения. 2017

После математической обработки результатов эксперимента получена зависимость эффективности резания алюминиевого сплава от исследуемых параметров: hц = 0,535 − 0,84 ⋅10−2 ⋅ γ + 0, 0172 ⋅ Р + 0, 4 ⋅10−4 ⋅ γ 2 + + 0, 64 ⋅10−2 ⋅ Р 2 − 3, 6 ⋅10−4 ⋅ γ ⋅ Р,

которая позволяет определить зернистость абразива и силу прижатия единичного абразивного зерна Р (нормальную составляющую силы резания). Эксперимент показал (рис. 3), что глубина царапины при микрорезании возрастает с уменьшением угла заточки индентора и увеличением силы прижатия единичного АЗ к обрабатываемой поверхности. Замечено также, что при резании индентором с острым углом образование царапины происходит за счет микрорезания, а с увеличением угла заточки наблюдается увеличение доли пластического деформирования в объеме контактных взаимодействий. Библиографические ссылки 1. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с. 2. Сысоев С. К. Экструзионное хонингование деталей летательных аппаратов: теория, исследования, практика : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 220 с. 3. Pat. 3521412 US, ISC B24B 1/00, 19/00. Method of honing by extruding / McCarty R. W. ; 05.11.1965 ; 21.07.1970. 4. Pat. 105043 SG ISC B24C 3/00, 3/02, 3/04,7/00, 9/00. Abrasive flow machining apparatus, method and system / Wan Y. M. St.; 20.02.2009 ; 27.08.2009. 5. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. ; под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с. 6. Исследование, разработка и внедрение технологии и оборудования для экструзионного шлифования и полирования сложных каналов в крупногабаритных деталях от 200 до 600 мм (детали типа направляющий аппарат, крыльчатка и др.) : отчет о НИР: 0–629–84 / рук. С. К. Сысоев ; испол. : В. А. Левко, М. А. Лубнин, Д. Б. Скороделов и др. ; Завод–ВТУЗ. Красноярск, 1986. 392 с. Рег. № 01850028567. 7. Gorana V. K., Jain V. K., Lal G. K. Forces prediction during material deformation in abrasive flow machining // Wear. 2006. Vol. 260. P. 128–139. 8. Levko V. A. Kontaktnye protsessy pri abrazivno– ekstruzionnoy obrabotke [Contact Process under Abrasive Flow Machining Processes] // Metalloobrabotka. 2008. № 3 (45). P. 19–23. 9. Anderson D., Warkentin A., Bauer R. Experimental and numerical investigations of single abrasive-grain cutting // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51. № 12. P. 898–910. 10. Ефимова Т. С., Федотов В. В. Экспериментальное определение геометрических параметров единичной абразивной режущей кромки // Научно– техническое творчество: проблемы и перспективы :

труды IV Всероссийск. конф.-семинара (22 мая 2009, г. Сызрань). Самара : Изд-во Сам. гос. техн. ун-та, 2009. References 1. Levko V. A. Abrazivno-ekstruzionnaya obrabotka: sovremennyy uroven’ i teoreticheskie osnovy protsessa : monogr. [Abrasive Flow Machining: State of the Art and Theoretical Basis of the Process] : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2007. 228 р. 2. Sysoev S. K., Sysoev A. S. Ekstruzionnoe khoningovanie detaley letatel'nykh apparatov: teoriya, issledovaniya, praktika: monogr [Extrusion Honing of the Aircraft Details: theory, research, practice] : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2005. 220 р. 3. McCarty R. W. Method of Honing by Extruding. Patent US, no. 3521412, 1970. 4. Wan Y. M. St. Abrasive Flow Machining Apparatus, Method and System. Patent SG no. 105043, 2009. 5. Gakhun G. G. (Ed.), Baulin V. I., Volodin V. A. and other. Konstruktsiya i proektirovanie zhidkostnykh raketnykh dvigateley [Construction and Design of Liquid Propellant Rocket Engines]. M. : Mashinostroenie Publ., 1989. 424 р. 6. Sysoev S. K., Levko V. A., Lubnin M. A., Skorodelov D. B. and other. Issledovanie, razrabotka i vnedrenie tekhnologii i oborudovaniya dlya ekstruzionnogo shlifovaniya i polirovaniya slozhnykh kanalov v krupnogabaritnykh detalyakh ot 200 do 600 mm (detali tipa napravlyayushchiy apparat, kryl'chatka i dr.): otchet o NIR: 0–629–84 [Research, Development and Implementation of Technologies and Equipment for Extrusion Grinding and Polishing of Complex Channels in Large Parts from 200 to 600 mm (de-hoist type guide apparatus, the impeller and others): research report: 0629-84. Krasnoyarsk, Zavod–VTUZ Publ., 1986. 392 p. Reg. no 01850028567. 7. Gorana V. K., Jain V. K., Lal G. K. Forces prediction during material deformation in abrasive flow machining. Wear, 2006. Vol. 260. P. 128–139. 8. Levko V. A. Kontaktnye protsessy pri abrazivno– ekstruzionnoy obrabotke [Contact Process under Abrasive Flow Machining Processes] // Metalloobrabotka. 2008. № 3 (45). P. 19–23. 9. Anderson D., Warkentin A., Bauer R. Experimental and numerical investigations of single abrasive-grain cutting // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51, № 12. P. 898–910. 10. Efimova T. S., Fedotov V. V. Eksperimental'noe opredelenie geometricheskikh parametrov edinichnoy abrazivnoy rezhushchey kromki [Experimental Determination of Geometrical Parameters of a Single Abrasive Cutting Edge] // Trudy IV Vserossiysk. konf.seminara «Nauchno-tekhnicheskoe tvorchestvo: problemy i perspektivy». Samara, Samara State Techn. University Publ., 2009.

540

© Сысоева Л. П., Сысоев А. С., Шарова Н. В., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.914.4 ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ВАФЕЛЬНЫМ ФОНОМ В ПРОИЗВОДСТВЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ С. Ю. Шашков АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29 Е-mail: [email protected] Рассмотрена методика верификации, применяемая в технологическом комплексе механической обработки крупногабаритных корпусных деталей с вафельным фоном различной геометрии (цилиндр, конус, усеченная полусфера). Ключевые слова: технология, производство, вафельный фон, верификация, CAM-система. VERIFICATION OF THE PROCESS OF MECHANICAL PROCESSING OF CASING DETAILS WITH WAFER JACKETS IN THE PRODUCTION OF RST S. Yu. Shashkov JSC “Krasnoyarsk Machine-Building Plant” 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected] The research considers verification technique used in the technological complex of machining large-sized casing parts with a wafer jackets, various geometries (cylinder, cone, truncated hemisphere). Keywords: manufacturing techniques, manufacture, wafer jackets, verification, CAM-system. Технология производства крупногабаритных корпусных деталей с вафельным фоном включает в себя множество этапов, и механическая обработка вафельного фона, это один из завершающих, следовательно, требует свести к минимуму риски, связанные с возможными ошибками при разработке и выводе управляющей программы (УП). Машинное время механической обработки, весьма значительное, и фактически, при изготовлении первой детали удваивает затраченное на её обработку время. Верификация процесса механической обработки вафельного фона на ПК позволяет выявлять возможные проблемы, возникшие при разработке и постпроцессировании УП, без необходимости проводить «тестовый прогон» УП непосредственно на станке. На рынке существует множество разнообразного программного обеспечения, такого как NCmanager [1],

CIMCOEdit [2], Vericut [3] и т. п. В технологическом комплексе, вводимом в эксплуатацию в АО «Красмаш» для этих целей применяется программное обеспечение (ПО) Vericut от CGTech. Данное ПО позволяет произвести верификацию обработки с применением 3D-модели станка и технологической оснастки, а также сравнить результат с исходной 3D-моделью детали [4]. Для этого в Vericut создается проект, в который включаются модели станка, Оснастки, заготовки и детали, задаются их свойства, создается описание системы ЧПУ, в котором описывается, как и на какие команды в УП будет реагировать виртуальный станок (приводится в соответствие с реальным оборудованием), в завершение создается инструмент и загружаются УП. На рис. 1 представлено окно Vericut с открытым проектом верификации ДСЕ цилиндр.

Рис. 1. Окно Vericut с ДСЕ и 3D моделью станка.

541

Решетневские чтения. 2017

Рис. 2. Процесс верификации.

Рис. 3. Измерение получившейся модели.

ПО позволяет загружать в проект несколько файлов УП, в таком случае при верификации, обработка, выполненная по разным УП будет выделена разными цветами. На рис. 2 представлен процесс верификации. После того как Vericut прорисует весь процесс обработки, существует возможность произвести контроль размеров, получившихся в результате обработки. Это позволяет удостовериться, что при корректной привязке к заготовке и замере инструмента, УП обеспечит заданные размеры [5]. На рис. 3 показан процесс измерения. Таким образом, возможно замерить все интересующие нас размеры, и удостовериться в том, что при правильной привязке инструмента они будут выполнены в соответствии с КД. Подобным образом производится верификация ДСЕ «конус» и «усеченная полусфера». Библиографические ссылки 1. NCManager. [Электронный ресурс]. URL: http://ncmanager.com/russian/function.html (дата обращения: 09.09.2017). 2. CIMCO | CNC, DND and CAD/CAM software. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cimco.com/ ru/software (дата обращения: 09.09.2017).

3. CGTech – CNC verification, simulation and optimization software [Электронный ресурс]. URL: http://www.cgtech.com (дата обращения: 09.09.2017). 4. Vericut [Электронный ресурс]. URL: http://vericut. ru/index.php/products/products (дата обращения: 09.09.2017). 5. Планета CAM [Электронный ресурс]. URL: http://planetacam.ru/college/learn/3-5/ (дата обращения: 09.09.2017). References 1. NCManager. Available at: http://ncmanager.com/ russian/function.html (accessed: 09.09.2017). 2. CIMCO | CNC, DND and CAD/CAM software. Available at: http://www.cimco.com/ru/software (accessed: 09.09.2017). 3. CGTech – CNC verification, simulation and optimization software. Available at: http://www.cgtech. com (accessed: 09.09.2017). 4. Vericut. Available at: http://vericut.ru/index.php/ products/products (accessed: 09.09.2017). 5. Planet CAM. Available at: http://planetacam.ru/ college/learn/3-5/ (accessed: 09.09.2017).

542

© Шашков С. Ю., 2017

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.313.13.1 СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ И. Я. Шестаков, В. Н. Шахов* Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected] Рассмотрена структурная модель линейного электродинамического двигателя, позволяющая оптимизировать факторы эффективной работы двигателя. Ключевые слова: линейный электродинамический двигатель, структурная модель, электромагнитная сила. STRUCTURAL MODEL OF LINEAR ELECTRОDYNAMIC ENGINE I. Y. Shestakov, V. N. Shakhov* Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The research demonstrates a structural model of a linear electrodynamic engine, which allows to optimize the factors of efficient engine operation. Keywords: linear electrodynamic engine, structural model, electromagnetic force. К настоящему времени накоплен определенный опыт использования линейных двигателей в различных технических системах [1–3]. Для усовершенствования какого-либо устройства необходимо изучить его строение, понять принцип работы всей конструкции и каждого элемента в отдельности. Руководствуясь методиками, изложенными в [4], был проведен функционально-физический анализ линейного электродинамического двигателя (ЛЭДД), построена потоковая функциональная структура ЛЭДД, описан физический принцип действия такого устройства и построена структурную модель, согласно [5]. Потоковая функциональная структура ЛЭДД (рис. 1) представляет собой ориентированный граф,

вершинами которого являются наименование элементов двигателя, а ребрами – потоки энергии. В обмотку индуктора подает постоянное напряжение U. На выходе обмотки имеемся магнитодвижущая сила МДС, определяемая произведением силы тока в обмотке на число витков. За счет активного сопротивления обмотки в ней выделяется тепловая энергия, которая передается магнитопроводу Q1 и окружающей среде Q2. На выходе из магнитопровода имеется магнитный поток Ф и поток тепловой энергии Q3, который может иметь прямо противоположные направления ± Q3. На обмотку подвижной катушки подается переменное напряжение ~ U, при этом витки обмотки находятся в магнитном потоке Ф. ~U

МДС –U

Обмотка индуктора

Q1

Ф Магнитопровод

± Q3

Обмотка подвижной катушки

Q4

Q2 F

Q8

Q5

F Рк

Рабочий орган

Q7

Каркас якоря

Q6

Рис. 1. Потоковая функциональная структура ЛЭДД U – постоянное напряжение; МДС – магнитодвижущая сила; ~ U – переменное напряжение; F – электромагнитная сила; Q1–Q8 – потоки тепловой энергии; Рк – кинетическая энергия

543

Решетневские чтения. 2017

Рис. 2. Описание физического принципа действия ЛЭДД: U – постоянное напряжение; МДС – магнитодвижущая сила; Ф – магнитный поток; ~ U – переменное напряжение; F – электромагнитная сила; ~ Uc – напряжение самоиндукции; Q1–Q8 – потоки тепловой энергии; Рк – кинетическая энергия

На выходе подвижной катушки имеется электромагнитная сила F, которая передается рабочему органу через каркас якоря. Тепловая энергия, выделяясь в катушке, передается каркасу якоря Q5, далее рабочему органу Q7 и окружающей среде Q4, Q6, Q8. За счет рабочего органа происходит преобразование электромагнитной силы в кинетическую энергию движущегося тела Рк. Физический принцип действия ЛЭДД представлен на рис. 2. В твердом проводнике (обмотке индуктора) за счет явления электромагнетизма возникает магнитное поле. Потоки энергии такие же, как и описанные при рассмотрении потоковой функциональной структуры. В магнитопроводе, выполненном из ферромагнитного вещества, происходит значительное увеличение магнитного потока. В обмотке подвижной катушки в соответствии с законом Ампера возникает электромагнитная сила F. Здесь же возникает явление самоиндукции, из-за переменного напряжения ~ U, подаваемого на подвижную катушку. Направление ЭДС индукции противоположно направлению переменного тока. Напряжение самоиндукции U определяется скоростью переменного тока в подвижной катушке и ее индуктивностью. При частотах напряжения менее 100 Гц этим явлением можно пренебречь. Электромагнитная сила F передается твердому телу (рабочему органу) и преобразуется в кинетическую энергию движущегося тела Рк. Передача тепловой энергии происходит согласно закону теплопроводности Фурье. Структурная модель ЛЭДД приведена на рис. 3. Электрическое поле Пэ, создаваемое источником переменного напряжения, действует на электроны Ne проводника В1 (обмотка подвижной катушки). Возникает электрический ток в проводнике В1. На проводник В1 с током действует магнитное поле Пэ, созданное обмоткой индуктора и магнитопроводом. В ре-

зультате взаимодействия двух полей возникает механическое поле Пмех от электромагнитной силы. Механическое поле передается веществу В2 (корпус якоря) и далее рабочему органу. Пмаг

[Ne] В1 → Пмех → В2

Пэ Рис. 3. Структурная модель ЛЭДД: В1 – проводник; Ne – электроны проводника В1; Пмаг – магнитное поле индуктора; Пэ – электрическое поле; В2 – корпус якоря; Пмех – механическое поле электромагнитной силы

Проведенный анализ показывает, что ЛЭДД является наиболее простым механизмом для получения возвратно-поступательного движения, так как здесь происходит прямое преобразование электрической энергии в механическую энергию движущихся тел. Из структурных схем видно направление совершенствования двигателей: уменьшение массы движущихся тел для повышения быстродействия за счет применения композита для каркаса якоря, а также уменьшение тепловых потерь, применение материалов с высоким значением магнитной проницаемости для магнитопровода. Библиографические ссылки 1. Линейные электродвигатели общепромышленного применения. Проспект / Минвуз РСФСР. НЭТИ, 1976.

544

Технология и мехатроника в машиностроении

2. Машиностроение. Энциклопедия. Т IV. Машины и оборудование кузнечно-штамповочного и литейного производства / Ю. А. Бочаров, И. В. Матвиенко и др. ; под общ. ред. Ю. А. Бочарова, И. В. Матвиенко. М. : Машиностроение, 2005. 926 с. 3. Ряшенцев Н. П., Угаров Г. Г., Львицкий А. В. Электромагнитные прессы. Новосибирск : Наука, 1989. 216 с. 4. Курбатов П. А., Ариншин С. А. Численный расчет электромагнитных полей. М. : Энергия, 1984. 168 с. 5. Ряшенцев Н. П., Ковалев Ю. З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Новосибирск : Наука, 1974. 188 с.

2. Mashinostroenie. Jenciklopedija. T IV. Mashiny i oborudovanie kuznechno-shtampovochnogo i litejnogo proizvodstva / Ju. A. Bocharov, I. V. Matvienko i dr. ; pod obshh. red. Ju. A. Bocharova, I. V. Matvienko. M. : Mashinostroenie, 2005. 926 s. 3. Rjashencev N. P., Ugarov G. G., L'vickij A. V. Jelektromagnitnye pressy. Novosibirsk : Nauka, 1989. 216 s. 4. Kurbatov P. A., Arinshin S. A. Chislennyj raschet jelektromagnitnyh polej. M. : Jenergija, 1984. 168 s. 5. Rjashencev N. P., Kovalev Ju. 3. Dinamika jelektromagnitnyh impul’snyh sistem. Novosibirsk : Nauka, 1974. 188 s.

References 1. Linejnye jelektrodvigateli obshhepromyshlennogo primenenija. Prospekt / Minvuz RSFSR. NJeTI, 1976.

© Шестаков И. Я., Шахов В. Н., 2017

545

Секция

«МЕХАНИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ»

Механика специальных систем

УДК 62-97/98 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ А. И. Адамович1*, Е. В. Кукушкин1, С. В. Кукушкин2, В. А. Меновщиков1 1

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2 Красноярский государственный аграрный университет Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90 * E-mail: [email protected]

Для исследования рабочих поверхностей подшипников качения и карданных шарниров топографическим методом была разработана полезная модель, конструкция которой позволяет проводить замеры профиля поверхности образца, установленного на мерной плите, с помощью механического индикатора. Ключевые слова: усталостное разрушение, выкрашивание металла, топография поверхности, пластическая деформация. DEVICE FOR TOPOGRAPHIC STUDIES OF THE WORKING SURFACES OF ROLLING BEARINGS A. I. Adamovich1, E. V. Kukushkin1*, S. V. Kukushkin2, V. A. Menovshchikov1 1

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Krasnoyarsk State Agrarian University 90, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation * E-mail: [email protected] To study the working surfaces of rolling bearings and universal joints the topographic method is developed by the utility model, its design allows measurements of the surface profile of the sample set on the measuring plate, by means of mechanical indicator. Keywords: fatigue failure, pitting metal, the topography of the surface, plastic deformation. Введение. При движении тел качения по поверхности кольца подшипника происходит пластическое оттеснение металла, в результате чего протекает изменение структуры и плотности металла. При анализе сопротивляемости тел качения поверхности полуплоскости, Пинегин С. В. выявил, что наличие структурной неоднородности оказывает существенное влияние на сопротивление качению [1]. При этом степень уплотняемости металла контактной пары также будет изменяться в зависимости от наличия его структурной неоднородности. Согласно проведённым исследованиям [2–4] изменение плотности металла при механическом взаимодействии тел качения приводит к изменению его физико-механических свойств: прочности, теплопроводности, упругости и пластичности. Кроме того, происходит изменение состояния металла в зоне восприятия нагрузки. Для исследований плотности металла при механическом взаимодействии тел качения возникает необходимость создания устройства для топографических исследований рабочих поверхностей подшипников качения. Основная часть. Известно устройство как профилограф [5], основанное на увеличении трёхмерной интерференционной картины микроскопом, копировании предварительного голографического изображения микрорельефа поверхности, при этом при изме-

рениях используется сканирующий индикатор электромагнитного поля. В качестве прототипа выбрано устройство копирования голограммы методом восстановления с предварительным увеличением, использующее восстановленное действительное изображение, содержащее светоделитель луча лазера, оптические преобразователи и регистрирующую среду – толстослойную эмульсию [6]. Недостатком данного устройства является недостаточная степень увеличения восстанавливаемого изображения, что не позволяет получить контурные карты микрорельефа исследуемой поверхности для последующей обработки данных. Также известны профилографы, основанные на контактных способах измерения параметров микрорельефа поверхности. Чувствительный элемент этих устройств представляет собой механический зонд (алмазную иглу), скользящий по поверхности, который через рычажный механизм передаёт информацию о микрорельефе в преобразующий элемент (индуктивный, пьезоэлектрический, электродинамический), где вырабатываются электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещениям зонда [7]. Недостатками таких профилографов являются ограниченная способность регистрации, повышенные конструктивно-технологические требования к алмазной игле и рычажному механизму (прочность, юстировка

547

Решетневские чтения. 2017

мест сопряжения деталей), что удораживает производство таких устройств. Кроме того, на этапах передачи информации от чувствительного элемента через преобразующий элемент в измерительную схему возникают различного рода искажения. Известно устройство для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали [8]. Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали. Также известны другие устройства для измерения шероховатости поверхности [9]. Их недостаток заключается в том, что можно проводить исследования только на шероховатость, что не конкретизируется с топографическими исследованиями, и, исследовать можно только наружные сферические поверхности от 19 мм. Основной недостаток выше указанных устройств в том, что они предназначены в основном для определения шероховатости, и, предположительно, что для исследования на усталостное отшелушивание металла и его деформации эти устройства окажутся не столь эффективными. Рассмотрим устройство для топографических исследований рабочих поверхностей подшипников качения и карданных шарниров (рисунок), имеющий достаточно простую, но надёжную конструкцию [10]. Включает в себя мерную плиту 1, на которую установлены две стойки 2. В стойках закреплён винт 6 повышенной точности, на котором установлен маховик 9, на винт устанавливается следящее устройство 8 с индикатором часового типа 7 с ценой деления 1 мкм. Для точности измерения поверхности в ножке индикатора 7 предусмотрен наконечник с техническим алмазом. Во избежание проворота устройства применена следящая опора 10. Индикатор закреплён в следящем устройстве винтом 11. Исследуемый образец 4 с плоской поверхностью с помощью зажимов 3 фиксируется на мерной плите. Для контроля длины пути исследуемой поверхности применена мерная линейка 5 повышенной точности, с ценой деления 0,5 мм. Для исследования цилиндрических поверхностей (крестовина кардана или внутреннее кольцо подшип-

ника) на мерную плиту устанавливаются стойки с зажимами в подшипниковых опорах. Для фиксации подшипников в опоре используются стопорные кольца и гайка-фиксатор. Сама стойка крепится на мерной плите с помощью винтов, с возможностью перемещения стоек в пазах мерной плиты. Устройство для топографических исследований рабочих поверхностей подшипников качения и карданных шарниров работает следующим образом: исследуемый образец с плоской поверхностью крепится с помощью планок и винтов к мерной плите. Ножка индикатора устанавливается на исследуемый образец и фиксируется винтом в следящем устройстве. После фиксации индикатора регулируется следящая опора, для уравнивания системы. Вращением маховика устанавливается начало отсчёта по мерной линейке. Далее вращением маховика с заданным шагом перемещают ножку индикатора по исследуемому образцу и снимают показания индикатора. Для исследования поверхности цилиндрических образцов, в виде крестовины или внутреннего кольца подшипника на мерной плите устанавливают стойки и между ними устанавливают исследуемые образцы или с помощью зажимного устройства. Ножка индикатора устанавливается на исследуемый образец или и фиксируется винтом в следящем устройстве. После фиксации индикатора регулируется следящая опора, для уравнивания системы. Вращением маховика устанавливается начало отсчёта по мерной линейке. Далее вращением маховика с заданным шагом перемещают ножку индикатора по исследуемому образцу или и снимают показания индикатора. Заключение. Предлагаемое техническое решение позволяет исследовать как плоские, так и цилиндрические поверхности, большой протяжённости за один проход ножки индикатора. Устройство имеет ряд преимуществ. Первое – малые габариты; второе – простота обслуживания и установки измерительных систем; третье – исследование как плоских так и цилиндрических образцов; четвёртое – исследование поверхностей большой протяжённости.

Устройство для топографических исследований рабочих поверхностей подшипников качения и карданных шарниров

548

Механика специальных систем

Библиографические ссылки

References

1. Пинегин С. В. Контактная прочность и сопротивление качению. М. : Машиностроение, 1969. 376 с. 2. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006, 283 с. 3. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. Structure influence and materials properties of mated surfaces on their density chanqe and compactibility degree // Engineering & Automation problems. 2006. Vol. 5, No. 1. 4. Adamovich A. I., Kukushkin E. V., Novoselova V. O. The relationship of time of fatigue failure with parameters of rotating bodies in terms of rotating under the rolling load / Materials 16-th International Scientific Conference «Youth. Society. Modern science, technologies & innovations». Krasnoyarsk : SibSAU Publ.. 2017. Рp. 16–18. 5. Пат. 2215317 Российская Федерация, МПК8 G03H1/00, G01B21/20. Профилограф / Степанов Ю. С., Белкин Е. А., Барсуков Г. В.; заявл. 08.01.2002 ; опубл. 27.10.2003. 6. ГОСТ 19300–73. Аппаратура для измерения шероховатости поверхности профильным методом. Профилометры. Контактные системы. Типы, Основные параметры. М. : Изд-во стандартов. 7. Оптическая голография / Ж. Априль [и др.] / пер. с англ. под ред. Г. Колфилда. М. : Мир, 1982. Т. 2. C. 622. 8. Пат. 2392583 Российская Федерация, МПК G01B7/34. Устройство для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали // Сейнов С. В., Сейнов Ю. С., Ротенберг И. Г.; заявл. № 2009115099/28, 20.04.2009 ; опубл. 20.06.2010. 9. Дунин-Барковский И. В. Пьезопрофилометры и измерения шероховатости поверхности, М. : Машгиз, 1961. С. 261–262 10. Пат. 58637 Российская Федерация, МПК F16D3/24, F16C11/06 Устройство для исследования топографии рабочих поверхностей подшипников качения и карданных шарниров / Меновщиков В. А., Ереско С. П., Полюшкин Н. Г.; заявл. 20.06.2006 ; опубл. 27.11.2007.

1. Pinegin S. V. Kontaktnaya prochnost’ i soprotivlenie kacheniyu. [Contact strength and rolling resistance]. М. : Mechanical engineering, 1969. P. 376. 2. Menovschikov V. A., Eresko S. P. [Research and development of needle bearings cardan gear transporttechnological machines]. Krasnoyarsk : KrasGAU Publ., 2006. P. 283. 3. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. [Structure influence and materials properties of mated surfaces on their density chanqe and compactibility degree]; Engineering & Automation problems. 2006. Vol. 5, no. 1. 4. Adamovich A. I., Kukushkin E. V., Novoselova V. O. [The relationship of time of fatigue failure with parameters of rotating bodies in terms of rotating under the rolling load] Materials 16-th International Scientific Conference «Youth. Society. Modern science, technologies & innovations»; Krasnoyarsk : SibSAU Publ., 2017. Рp. 16–18. 5. Stepanov Ju. S., Belkin E. A., Barsukov G. V. Profilograf [Profiler]. Patent RF, no. 2215317, 2003. 6. GOST R 19300–73. Apparatura dlya izmereniya sherokhovatosti poverkhnosti profil’nym metodom. Profilometry. Kontaktnye sistemy. M., Tipy, Osnovnye parametry. [Apparatus for measuring surface roughness by the profile method. Profilometers. The contact system. Types, Basic parameters]. 7. April’ Zh., Arseno A., Balasubraman’yan N. i dr. Opticheskaya golografiya [Optical holography]; Per. s angl. / Pod red. G. Kolfilda. M. : Mir, 1982. Vol. 2. P. 622. 8. Seynov S. V., Seynov Yu. S., Rotenberg I. G. Ustroystvo dlya izmereniya sherokhovatosti naruzhnoy sfericheskoy poverkhnosti detali [A device for measuring the roughness of the outer spherical surface of the part] Patent RF, No. 2392583, 2010. 9. Dunin-Barkovskiy I. V. P’ezoprofilometry i izmereniya sherokhovatosti poverkhnosti [Piezopolimer and surface roughness measurements]; M. : Mashgiz, 1961, Pp. 261–262. 10. Menovshchikov V. A., Eresko S. P., Poljushkin N. G. Ustrojstvo dlja issledovanija topografii rabochih poverhnostej podshipnikov kachenija i kardannyh sharnirov [Device for the study of the topography of working surfaces of rolling bearings and universal joints]. Patent RF, No. 58637, 2007.

 

© Адамович А. И., Кукушкин Е. В., Кукушкин С. В., Меновщиков В. А., 2017

549

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.755 УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШПИНДЕЛЬНЫХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ А. В. Анисимов, Д. А. Маегов, С. А. Валюков, Д. А. Юрьев, А. А. Воробьев Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Разработана экспериментальная установка для исследования динамики работы шпиндельных сборочных единиц, позволяющая проводить моделирование в широком диапазоне варьируемых факторов, виброакустической диагностики и динамической балансировки. Ключевые слова: шпиндель, вибрация, диагностика, балансировка, датчик, виброметр. INSTALLATION FOR RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF SPINDLE ASSEMBLY UNITS A. V. Anisimov, D. A. Maegov, S. A. Valukov, D. A. Yurev, A. A. Vorobjev Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] The research develops experiment installation for research dynamics of operation spindle the assembly units, allowing to spend simulation in a wide range of varied factors, vibrocoustics diagnostics and dynamic balancing. Keywords: spindle, vibration, diagnostics, balancing, sensor, vibrometer. Одной из особенностей современного развития техники является увеличение рабочих скоростей вращения роторов машин и механизмов. Вполне естественно, что с увеличением скоростей вращения возникают и повышенные вибрации. Вибрации, возникающие при работе машин и механизмов, создают дополнительные нагрузки на детали, увеличивают их износ, снижают срок службы изделий, оказывают неблагоприятное физиологическое воздействие на организм человека. Разрушение опор и фундаментов машин, повышенный износ – все это и многое другое в большинстве случаев связано с высоким уровнем вибрации. Поэтому борьба с вредными вибрациями – актуальная проблема современной техники [1]. На стадии проектирования нового технологического оборудования, при разработке проектно-конструкторской документации, необходим анализ виброактивности создаваемой конструкции по имеющимся сборочным чертежам и 3D-моделям. Для повышения эффективности эксплуатации технологического оборудования следует выполнять его виброакустическую диагностику. Известно, что наибольшей виброактивностью обладает механизм резания, работающий при высоких частотах вращения, поэтому основной задачей было исследование шпиндельных сборочных единиц технологического оборудования. Для решения данной задачи была создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать, проводить виброакустическую диагностику и балан-

сировку шпинделей оборудования. Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке.

Общий вид экспериментальной установки: 1 – персональный компьютер; 2 – частотный преобразователь; 3 – электродвигатель; 4 – клиноременная передача; 5 – шпиндель; 6 – датчик вибрации; 7 – фланцы; 8 – прибор ИБР-02

Установка включает частотный преобразователь 2, регулирующий частоту вращения электродвигателя 3, передающего крутящий момент посредством клиноременной передачи 4 на шпиндель 5. На шпинделе во фланцах 7 может быть установлен режущий инструмент или тело вращения, балансировка которого может выполняться прибором ИБР-02 8 с датчиком вибрации 6. Измерение вибрационных и акустических

550

Механика специальных систем

параметров синхронизировано использованием разработанной прикладной программы и средств диагностики – виброметра АТТ-9002 и шумомера Center 322. Подключение данных приборов к персональному компьютеру 1 обеспечивается мультипортовой платой VScom uPCI-400, имеющей 4 выхода RS-232. Таким образом, созданная экспериментальная установка для исследования динамических характеристик шпиндельных сборочных единиц, позволяет выполнять моделирование путем варьирования значений факторов, диагностику и динамическую балансировку.

Библиографическая ссылка 1. Левит М. Е., Рыженков В. М. Балансировка деталей и узлов. М. : Машиностроение, 1986. 248 с. Reference 1. Levit M. E., Ryzhenkov V. M. Balansirovka detaley i uzlov. M. : Mashinostroenie, 1986. 248 p.

551

© Анисимов А. В., Маегов Д. А., Валюков С. А., Юрьев Д. А., Воробьев А. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.865.8 КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ С АНТРОПОМОРФНЫМ РОБОТОМ А. А. Богданов1, 2, И. М. Кутлубаев1, 2, А. Ф. Пермяков1 1

АО «НПО Андроидная техника» Российская Федерация, 455001, г. Магнитогорск, ул. Герцена, 6 2 Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова Российская Федерация, 455000, г. Магнитогорск, просп. Ленина, 38 Е-mail: [email protected] Изложены основные аспекты планируемого космического эксперимента по исследованию функционирования антропоморфного робота на этапах выполнения космического полета. Ключевые слова: антропоморфный робот «ФЕДОР», космический эксперимент, полетные операции. SPACE EXPERIMENT USING AN ANTHROPOMORPHIC ROBOT А. А. Bogdanov1, 2, I. М. Kutlubaev1, 2, A. F. Permyakov1 1

JSC “SPA “Android Technics” 6, Herzen Str., Magnitogorsk, 455001, Russian Federation 2 Nosov Magnitogorsk State Technical University 38, Lenin Av., Magnitogorsk, 455000, Russian Federation E-mail: [email protected] The article describes key aspects of a planning space experiment in research of an anthropomorphic robot functioning at the stages of a space flight. Keywords: anthropomorphic robot FEDOR, space experiment, flight operations. Разработка и создание роботов, ориентированных на выполнение полетных операций космонавта, переходит в плоскость практической реализации. Функциональные возможности созданных антропоморфных роботов позволяет выполнять: инспекцию, установку и обслуживание оборудования, помощь космонавтам при внекорабельной деятельности [1–6]. Планируется, что робот будет функционировать на космическом аппарате, как в составе экипажа, так и в безэкипажном варианте. В последнем случае робот должен иметь возможность приступить к работе без дополнительных: сборочных, настроечных операций. В 2015–2017 гг. АО «НПО «Андроидная техника» в рамках проекта «Спасатель», при финансировании фонда перспективных исследований, создан антропоморфный робот «ФЕДОР». Одним из приоритетных направлений внедрения результатов проекта является развитие разработанных технологий, обеспечивающих выполнение с его помощью ряда задач пилотируемой и не пилотируемой космонавтики. Конструкция робота разрабатывалась для работы в условиях действия силы тяжести на поверхности Земли и инерционных нагрузок, обусловленных движениями с ускорением. В этой ситуации использование робота для внутри космической деятельности не вызывает особых затруднений. Наиболее проблемным является сохранность и функциональность робота на этапе доставки на орбиту. Доставка робота на космический аппарат долж-

на осуществляться в его штатной (рабочей) конфигурации (рисунок, а). Робот имеет 48 степеней подвижности: по 6 в каждом опорном модуле, по 7 в каждом манипуляторе, 7 в корпусном модуле, по 6 в каждом захвате, 7 в корпусном, 3 в модуле головном. Грузоподъемность каждого манипулятора 10 кг. Антропоморфный робот имеет геометрические параметры аналогичные параметрам взрослого человека и в рабочей конфигурации его можно размещать в кресле типа «Чегет» (рисунок, б). Робот фиксируется в кресле привязной системой (при необходимости доработанной) или специализированной технологической системой фиксации. Исследования функционирования антропоморфного робота, в условиях космоса, будут выполняться в несколько этапов. Целью первого этапа (2017–2021 гг.) беспилотных исследований является оценка способности модернизированного варианта робота сохранять функциональные возможности в условиях, возникающих на основных этапах полета. Для первого этапа закладывается: трехчасовая продолжительность функционирования робота в процессе предстартовой подготовки, до пяти часов в процессе полета, не менее 30 мин. после посадки. Основные решаемые задачи первого этапа: – анализ сохранности систем робота в условиях выведения на орбиту; – выполнение регламентных действий с оборудованием при выведении на орбиту;

552

Механика специальных систем

а

б Геометрические параметры робота «ФЕДОР»: положение «смирно» (а); в транспортном положении (б)

– работоспособность робота в условиях орбитального полета; – сохранности систем робота, при нагрузках, возникающих при посадке спускаемой части; – функционирование систем робота после посадки. Отделение андроида от кресла в ходе первого полета и перемещение по отсеку не предусматривается. Перед посадкой робот должен принять «сгруппированное» положение и обеспечить захват физиологической ручки кресла. Включение робота производится в процессе предстартовой подготовки после подачи питания от стартового комплекса на борт корабля. Выключение штатно производится в ходе после посадочного обслуживания на месте посадки, не штатно – в полете, в случае отклонения функционирования андроида от расчетного. Демонтаж робота выполняется после доставки на комплекс послеполетного обслуживания. Робот оснащается системой, позволяющей регистрировать информацию о нагрузках на звенья и модули робота. Параллельно, будет отрабатываться канал связи через аппаратуру бортовой радиотехнической системы и системы пеленга. Пройдет отработка имитации тепловыделения экипажа. Робот должен сохранить работоспособность при осуществлении до 5 запусков на орбиту в условиях действия: перегрузки (5g штатно, до 16g на атмосферном участке спуска), ударных нагрузках, возникающих при посадке, действии космической радиации, акустических нагрузок, электромагнитных воздействий от оборудования ПТК, атмосферных факторов в гермоотсеке.

Предусматривается реализация следующих интерфейсов робота с кораблем: – механический (обеспечивается системой фиксации в кресле); – силовой электрический (в среднем до 250 Вт, максимально кратковременно до 400 Вт); – командно-информационный; – телеметрический, голосовой, в т. ч. выдача андроиду голосовых команд; – телевизионный; – тепловой. В процессе полета робот будет выполнять операции с замками, задвижками, вентилями, моделировать, отрабатывать действия с пульта космонавтов (в имитационном или макетном режиме без выдачи реальных управляющих воздействий). В результате проведенного эксперимента предполагается: – уточнить требований к характеристикам приводов манипуляторов и захватов для обеспечения выполнения силовых операций с замками, задвижками, вентилями и т. д., функционирующих как в условиях невесомости, так и нормального значения силы тяжести; – выполнить моделирование нагрузок на пилота на активном участке полёта (получение информации о нагрузках на экипаж); – провести исследование режимов тепловыделения робототехнической системы на различных стадиях полёта с учётом решаемых функциональных задач. В настоящее время выполняются работы направленные на снижение массы робота и доработки ряда узлов, обеспечивающих соответствие параметров робота и штатного кресла «Чегет».

553

Решетневские чтения. 2017

Результаты космического эксперимента позволят получить информацию, необходимую для создания робототехнических систем космического назначения. Библиографические ссылки 1. Богданов А. А., Пермяков А. Ф., Канаева Е. И., Кутлубаев И. М. Захват манипулятора для работы в экстремальных условиях // Решетневские чтения : материалы XV Междунар. науч. конф. (10–12 нояб. 2011, г. Красноярск), Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. Ч. 1. С. 218–219. 2. Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Сычков В. Б. Перспективы создания антропоморфных робототехнических систем для работы в космосе // Пилотируемые полеты в космос. 2012. № 1 (3). С. 78–84 3. Жиденко И. Г., Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Сычков В. Б. Обоснование выбора структурной схемы роботов космического исполнения // Решетневские чтения: материалы XVII Междунар. науч. конф. (12–14 нояб. 2013, г. Красноярск): в 2 ч. Ч. 1. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2013. С. 278– 280. 4. Использование виртуальных 3D-моделей для экспериментальной отработки бортовых полетных операций, выполняемых с помощью антропоморфных роботов / М. В. Михайлюк [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 1. С. 42. 5. Сорокин В. Г., Сохин И. Г. Возможные области применения антропоморфных роботов-помощников экипажей в отсеках перспективных космических комплексов // Пилотируемые полеты в космос. 2015. № 4 (17). С. 71–79. 6. Основы построения специальных роботов для работы на космических аппаратах // Робототехника и искусственный интеллект : материалы VII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Железногорск, 11 декабря 2015 г.) / А. А. Богданов [и др.] ; под науч. ред. В. А. Углева ; Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2016. 194 с.

References 1. Bogdanov А. А., Permyakov А. F., Kanaeva E. I., Kutlubaev I. M. [Capturing the manipulator for work in extreme conditions] Мaterialy XV Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVII Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2011. Pat. 1. Pр. 218–219. (In Russ.) 2. Bogdanov A. A., Kutlubaev I. M., Sychkov V. B. Perspektivy sozdanija antropomorfnyh robototehnicheskih sistem dlja raboty v kosmose. [Perspectives of creating anthropomorphic robotic systems for work in space]. Pilotiruemye polety v kosmos [Piloted flights into space]. 2012, no. 1 (3). Рp. 78–84. 3. Bogdanov A. A., Sychkov V. B., Zhidenko I. G., Kutlubaev I. M [Justification of choice of space robot structural scheme] Мaterialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVII Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. P. 1. Krasnoyarsk, 2013. Рp. 278–280 (In Russ.). 4. [Use of virtual 3d-models for experimental development of airborne flight operations performed with the help of anthropomorphic robots]. Robototehnika i tehnicheskaja kibernetika / M. V. Mihajljuk [et al.] [Robotics and technical cybernetics]. 2014, no. 1. P. 42. 5. Sorokin V. G., Sohin I. G. [Possible applications of anthropomorphic robot assistants to crews in the compartments of prospective space complexes]. Pilotiruemye polety v kosmos [Piloted flights into space]. 2015, no. 4 (17). Pр. 71–79. 6. Osnovy postroyeniya spetsial’nykh robotov dlya raboty na kosmicheskikh apparatakh // Robototekhnika i iskusstvennyy intellekt: materialy VII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem (11 dekabrya 2015, g. Zheleznogorsk) / A. A. Bogdanov [et al.] ; pod nauch. red. V. A. Ugleva ; Sib. feder. un-t. Krasnoyarsk, 2016. 194 p.

554

© Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Пермяков А. Ф., 2017

Механика специальных систем

УДК 621.8-1/-9 АНАЛИЗ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ ПРЕЦИЗИОННОГО ПЛАНЕТАРНОГО РЕДУКТОРА С ПОДАТЛИВЫМ КОРОНЧАТЫМ КОЛЕСОМ В. А. Гнатышин, Р. С. Лукин Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected] Рассматривается анализ прецизионного планетарного редуктора специального назначения. Поставлена задача на правильную оценку крутильной жесткости системы. Ключевые слова: планетарная передача, крутильная жесткость, прецизионный привод, беззазорное зацепление. THE ANALYSIS OF TORQUE HARDNESS OF A PRECISION PLANETARY GEARBOX WITH A REAREST RING GEAR V. A. Gnatyshin, R. S. Lukin Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected] The article analyses the precision planetary gearbox for special purposes. The task is a correct evaluation of the torsional stiffness of the system. Keywords: planetary gear, torsional stiffness, precision drive, non-slip gear. В современном мире наибольшее внимание уделяют именно точности, соответственно, принимаются сопутствующие негативные последствия в виде увеличения стоимости изделия, уменьшения его долговечности, увеличение массы и габаритов. Высокоточные привода требуются в механизмах ориентации оптических систем, аэрокосмической отрасли, а также в военной промышленности. Актуальность данной темы обусловлена появившимся новым спектром применения зубчатых колес, развитие вычислительных технологий, разработки новых методов расчетов. Основным требуемым параметром при изготовлении приводов, как правило, является его долговечность, но в ряде случаев требуется обеспечение характеристик, отвечающих техническому заданию: уровень шума, вибраций, максимально допустимое значение люфта, температурный диапазон, угловая точность, угловая жесткость и т. д. Существует много способов достижения данной цели. В данной работе поставлена задача правильной оценки жесткости для последующей оптимизации системы. В реверсивных передачах необходимо обеспечить безударное зацепление. Это гарантирует плавность и бесшумность работы зубчатых передач, следовательно, и динамическую точность всей системы. Но так как ГОСТ 9178–59 устанавливает нормы кинематической точности зубчатой пары при работе ее только в одном направлении, то величина бокового зазора для реверсивной передачи оказывает непосредственное влияние на эксплуатационные качества передачи. В связи с этим были рассмотрены несколько

вариантов достижения беззазорного зацепления в передаче, а именно: регулирование межцентрового расстояния, взаимный разворот ветвей, применение колес специальной конструкции, использование гибкого корончатого колеса, прецессирующих колес [1]. Оптимальным решением в данном случае является использование гибкого корончатого колеса, впервые описанного в работе В. Н. Кудрявцева [2]. Недостатком данного метода является сложность в изготовлении и проектировании, а именно выбор правильной толщины податливой части колеса, а так же уменьшение суммарной крутильной жесткости редуктора. В связи с этим проводились исследования с использованием результатов анализа в программе ANSYS [3]. Для определения жесткости и люфтов была построена расчетная схема (рис. 1), по которой можно определить узлы, в которых возникают деформации и люфты [4; 5]. Люфт имеет три составляющих: люфт двигателя, радиальный зазор в подшипниках сателлита, зазор в зацеплении между солнечной шестерней и сателлитом. Считается, что люфт в зацеплении между солнечной шестерней и корончатым колесом отсутствует за счет обеспечения беззазорности зацепления в натяг, которое было реализовано за счет изменения исходного контура впадины зуба корончатого колеса, а также конструктивно внесена возможность деформации колеса, о чем было сказано выше. Для анализа полной крутильной жесткости следует посчитать каждую жесткость по компонентам, найти слабое звено и предложить вариант улучшения конструкции редуктора.

555

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. Расчетная схема для нахождения полной крутильной жесткости

а

б

Рис. 2. Результаты вычислений: распределение приведенного люфта (а); баланс крутильной податливости системы (б)

Расчет начнется с определения крутильной жесткости входного вала (Сφ1). Был произведен аналитический расчет, а также проверочный расчет в среде ANSYS. Расчет подшипников, устанавливаемых в сателлитах, на жесткость (Сподш) рекомендуется выполнять в программе «CPOD». Расчет жесткости оси сателлита (Сизгиб) также производился двумя методами: аналитическим и в среде «ANSYS». Жесткость в зацеплении между солнечной шестерней и сателлитом (Сзац12) и жесткость зацепления между сателлитом и корончатым колесом (Сзац23) производились в «ANSYS» в три этапа. Крутильная жесткость податливого корончатого колеса (Сφ3) также была получена из вычислений в «ANSYS». Крутильная жесткость двигателя взята из каталога Harmonic Drive (Сφдв). Результатом проделанной работы можно считать анализ крутильной жесткости проектируемого механизма (рис. 2), из которого видно, что в дальнейшем доработки требует входной вал и корончатое колесо, а именно увеличение их крутильной жесткости при сохранении приемлемого значения радиальной податливости, обеспечивающей выборку зазоров. Также следует устанавливать в сателлиты подшипники другого типа, например роликовые или игольчатые.

Библиографические ссылки 1. Пахомов С. Н. Зубчатые передачи для авиации // Авиакосмическое приборостроение. 2014, № 5. С. 47–53. 2. Кудрявцев В. Н. Планетарные передачи : справочник. Л. : Машиностроение, 1977. 3. Насонов Д. А., Леонтьев М. Ю. Альтернативное решение контактной задачи при моделировании напряженно-деформированного состояния сателлитного узла планетарного редуктора, наукоемкие технологии. 2007. Т. 8, № 4. С. 17–21. 4. Yi Guo, Robert G. Dynamic modeling and analysis of a spur planetary gear involving tooth wedging and bearing clearance nonlinearity. Parker. European Journal of Mechanics A/Solids. 2010. Vol. 29. P. 1022–1033. 5. Influences of carrier assembly errors on the dynamic characteristics for wind turbine gearbox. Mechanism and Machine Theory / H. Zhai [et al.]. 2016. Vol. 103. P. 138–147. References 1. Pahomov C. Zybchatie peredachi dlya aviacii [Aviakosmicheskoe priborostroenie]. Moscow, 2014, Vol. 5. P. 47–53. 2. Kydryavcev V. [Planetarnye peredachi] 1997. P. 203–216.

556

Механика специальных систем

3. Nasonov D., Leontev M. [Alternatyvnye reshenya contaktnoy zadachi pri modelirovanii napryazhonnodeformirovannogo sostoyanya satellitnogo yzla planetarnogo redooktora], 2007. Vol. 8. P. 17–21. 4. Yi Guo, Robert G. Dynamic modeling and analysis of a spur planetary gear involving tooth wedging and

bearing clearance nonlinearity. Parker. European Journal of Mechanics A/Solids. 2010. Vol. 29. P. 1022–1033. 5. Influences of carrier assembly errors on the dynamic characteristics for wind turbine gearbox. Mechanism and Machine Theory / H. Zhai [et al.]. 2016. Vol. 103. P. 138–147. © Гнатышин В. А., Лукин Р. С., 2017

557

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.22 РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин*, А. А. Орлов Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Была разработана измерительная система стенда для испытаний карданных передач, которая позволит проводить исследования карданных передач и позволит усовершенствовать методику расчета угла закручивания карданных передач. Ключевые слова: испытательный стенд, карданная передача, погрешность измерений. DEVELOPING THE MEASURING SYSTEM OF THE STAND FOR TESTING THE UNIVERSAL JOINT TRANSMISSIONS T. T. Eresko, E. V. Kukushkin*, A. A. Orlov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The measuring system of the stand for the testing of universal joint is developed, which will allow to carry out the studies of universal joint and will allow to improve the methodology to calculate the angle of twisting of the universal joint. Keywords: test bench, universal joint, measurement error. Использовался стенд [1–3] для испытаний карданных передач на игольчатых подшипниках, для которого была разработана система измерения контролируемых параметров, которая включает в себя настройку угла излома карданного вала и длину карданной передачи, настройку и тарирование манометра гидравлического устройства нагружения и измерительную систему цифрового типа с передачей данных измерений на ПК. Настройка угла излома карданных валов выполнялась с помощью линеек 1 и 2, установленных на раме 3 испытательного стенда методом расчета (рис. 1), где по линейки 1 устанавливалась величина перемещения продольной рамы 4, а по линейки 2 устанавливалась величина перемещения поперечной рамы 5 испытательного стенда. Настройка длины карданной передачи осуществлялась аналогично настройке угла излома карданных валов методом расчета, но дополнительно контролировалась линейкой по точкам т. 1 и т. 2. Измерительную система цифрового типа с передачей данных измерений на персональный компьютер (рис. 2) и включает в себя устройство измерения деформаций карданного вала авторской разработки [4], взамен виртуальному осциллографу авторской разработке [5] и регистратор сигналов. Устройство измерения деформаций карданного вала состоит из: аналого-цифрового преобразователя, к которому подключены два полумоста тензорезисторов, расположенных на карданном валу; микроконтроллера, который передает полученные данные с аналогоцифрового преобразователя на передатчик данных; ис-

точника питания; зарядного устройства источника питания. К персональному компьютеру подключен микроконтроллер, к которому присоединены: приемник данных от передатчика данных деформаций карданного вала; датчик давления гидравлической системы; датчик мощности электродвигателя; датчики холла. В качестве датчика мощности использовался ваттметр ROBITON PM-1. В качестве измерителей крутящего и тормозного моментов использовались тензорезисторы марки 2ФКРВ-5-100ГБ ГОСТ 21616–91 [6]. Система измерения работает следующим образом (см. рис. 2): электрический сигнал подается на тензорезисторы, при деформации карданного вала, измененный электрический аналоговый сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер, после чего на передатчик данных. Приемник данных получает цифровой сигнал деформации карданного вала и передается на микроконтроллер, подключенный к персональному компьютеру. Сигналы с трех датчиков холла, датчика мощности электродвигателя и датчика давления рабочей жидкости гидравлической системы передаются через микроконтроллер, подключенный к персональному компьютеру. Все полученные сигналы передаются на персональный компьютер. Была разработана измерительная система стенда для испытаний карданных передач, которая позволит проводить исследования карданных передач и позволит усовершенствовать методику расчета угла закручивания карданных передач.

558

Механика специальных систем

  Рис. 1. Стенд для испытаний карданных передач (не показаны: подвод воды для охлаждения, рукава высокого давления)

 

Рис. 2. Схема измерительной системы

Библиографические ссылки 1. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2015. С. 337–339. 2. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках в широком диапазоне размеров с изменением угла излома карданной передачи / Е. В. Кукушкин [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 2. С. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. 3. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транспортно-технологических машин / А. С. Ереско [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016, № 4. С. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06.

4. Разработка модуля измерения деформаций с помощью тензорезисторов с использованием arduino / А. С. Ереско [и др.] // Механики XXI веку, Братск : БрГУ, 2017. С. 82–85. 5. Виртуальный осциллограф для испытательного стенда / С. П. Ереско [и др.] // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2016. С. 407–409. 6. Шушкевич В. А. Основы электротензометрии / Минск : Вышейш. школа, 1975. 352 с. References 1. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko T. T. [Booth design for testing universal joints with needle bearings]. Materialy XIX mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XV Intern.

559

Решетневские чтения. 2017

Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2015. P. 337–339. (In Russ.) 2. Kukushkin E. V., Eresko S. P., Eresko T. T., Menovshchikov V. A., Orlov A. A. [Stand construction for testing the universal joint on needle bearings in wide range of sizes with the angle changing driveline]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016, № 2. С. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. (In Russ.) 3. [Calculation of the hydraulic system of brake device of stand for the test of transmissions of transporttechnological machines] / A. S. Eresko [et al.]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016, no. 4. P. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06. (In Russ.)

4. [Development of strain measurement module using strain gages using arduino] / A. S. Eresko [et al.]. Мaterialy XV Mezhdunar. nauch. konf. “Mechaniki XXI veku” [Materials Intern. Scientific. Conf “Mechanics of XXI century”]. Bratsk : Bratsk State University, 2017. Рp. 82–85 (In Russ.). 5. [Virtual oscillograph for a tent-bed test] / S. P. Eresko [et al.]. Materialy XX mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials X Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2016, P. 407–409. (In Russ.) 6. Shushkevich V. A. Osnovi elektrotenzometrii [Bases electro-tensometry measuring]. Minsk : Vishaa skola Publ., 1975. 352 p. © Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А., 2017

560

Механика специальных систем

УДК 621.22 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин*, А. А. Орлов Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Была разработана методика тензометрических измерений деформаций карданных передач на испытательном стенде, получен график зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от длины карданной передачи, график зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от значений крутящего момента, график зависимости момента торможения от давления рабочей жидкости гидравлической системы. Ключевые слова: испытательный стенд, карданная передача, погрешность измерений. TENSOMETRIC MEASUREMENTS OF THE DEFORMATIONS OF UNIVERSAL JOINT TRANSMISSIONS AT THE TEST STAND T. T. Eresko, E. V. Kukushkin*, A. A. Orlov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The method of tensometric measurements of deformations of universal joint gears on the test bench is developed. The article demonstrates a graph of the dependence of the values of the strain gage readings on the length of the universal joint gear, a graph of the values of the strain gage readings from the torque values, a plot of the deceleration time versus the hydraulic fluid pressure. Keywords: test bench, universal joint, measurement error. Использовался стенд [1–3] для испытаний карданных передач на игольчатых подшипниках. В качестве измерителей крутящего и тормозного моментов использовались тензорезисторы марки 2ФКРВ-5-100ГБ ГОСТ 21616–91 [4]. Закрепление тензорезисторов осуществлялось с помощью «суперклея», позволяющего приклеивать тензорезисторы без дополнительной температурной обработки. Тензорезисторы наклеивались на участки вала трубчатого и круглого сечения, так как при изменении длины карданной передачи, шлицевое соединение влияет на деформацию тензорезистора [5]. Правильно наклеенный тензорезистор обладает практически линейной характеристикой и обеспечивает достаточно высокую точность измерений, если деформация не превышает уровня ±0,3 %. Тем не менее, имеют место небольшие отклонения от линейности при циклическом деформировании, причем кривая разгрузки располагается ниже кривой нагружения, образуя петлю гистерезиса. Поэтому замер моментов выполнялся с учетом циклического деформирования тензорезисторов. При чистом сдвиге касательные напряжения численно равны главным напряжениям τ = σ1 = –σ2. Наибольшее значение относительной деформации используемых тензорезисторов ±3000 мкм/м, в отношении которой завод-изготовитель гарантирует надежную работу тензорезисторов и строгую линейность их характеристики преобразования.

Для тарирования тензорезисторов использовался динамометрический ключ, который для создания нагрузки был установлен на выходной вал раздаточной коробки. График зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от длины карданной передачи показан на рис. 1. Величины деформаций карданного вала на длине от 490 мм до 530 мм изменяются по линейной зависимости, поэтому испытания карданных шарниров следует проводить в диапазоне длин карданной передачи от 490 мм до 530 мм. Для построения графика зависимости средних величин показаний датчика измерения деформаций от значений крутящего момента (рис. 2), были использованы средние значения показаний деформаций. Для настройка и тарирования манометра гидравлического устройства нагружения использовался график зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от значений крутящего момента, таким образом, для измерения момента торможения гидравлической системы использовался манометр, который градуировался следующим образом: известная величина крутящего момента фиксировалась датчиком измерения деформации карданного вала при измерении величины в единицах давления на манометре, в результате чего был получен график зависимости момента торможения от единиц давления рабочей жидкости гидравлической системы (рис. 3).

561

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. График зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от длины карданной передачи

Рис. 2. График зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от значений крутящего момента

Рис. 3. График зависимости момента торможения от давления рабочей жидкости гидравлической системы

562

Механика специальных систем

На графике зависимости момента торможения от давления рабочей жидкости гидравлической системы видно, что изменение нагрузки зависимости осуществляется по вычисленному уравнению: Y = 0, 0074 P + 1,8897.

В системе возникает небольшая погрешность, за счет погрешности измерений, зазоров соединений, люфтов и со временем за счет нагрева рабочей жидкости гидравлической системы торможения. В результате проведенных исследований была разработана методика тензометрических измерений деформаций карданных передач на испытательном стенде, получен график зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от длины карданной передачи, график зависимости величин показаний датчика измерения деформаций от значений крутящего момента, график зависимости момента торможения от давления рабочей жидкости гидравлической системы. Достоверность и адекватность полученных результатов измерительной системы стенда для испытаний карданных передач подтверждается выполненным расчетом. Библиографические ссылки 1. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках // Решетневские чтения: материалы XIX Междунар. науч. конф.: в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2015. С. 337–339. 2. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках в широком диапазоне размеров с изменением угла излома карданной передачи / Е. В. Кукушкин [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 2. С. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. 3. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транспортно-технологических машин / А. С. Ереско [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 4. С. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06.

4. Шушкевич В. А. Основы электротензометрии. Минск : Вышейш. школа, 1975. 352 с. 5. Адамович А. И., Кукушкин Е. В., Кукушкин C. В. Влияния шлицевого соединения карданной передачи на изгиб карданного вала // Интеграция науки, общества, производства и промышленности : материалы Междунар. науч.-практ. конф.; Уфа : Омега сайнс, 2017. C. 4–9. References 1. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko T. T. [Booth design for testing universal joints with needle bearings]. Materialy XIX mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XV Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2015. Pp. 337–339. (In Russ.) 2. [Stand construction for testing the universal joint on needle bearings in wide range of sizes with the angle changing driveline] / E. V. Kukushkin [et al.]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016. no. 2. Pp. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. (In Russ.) 3. [Calculation of the hydraulic system of brake device of stand for the test of transmissions of transporttechnological machines] / A. S. Eresko [et al.]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016, no. 4. Pp. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06. (In Russ.) 4. Shushkevich V. A. Osnovi elektrotenzometrii [Bases electro-tensometry measuring]. Minsk : Vishaa skola Publ., 1975, 352 p. 5. Adamovich A. I., Kukushkin E. V., Kukushkin C. V. [Influence of splined joint of cardan transmission on the bending of cardan shaft]. Materialy mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Integratsiya nauki, obshchestva, proizvodstva i promyshlennosti” [Materials of the International Scientific and Practical Conference “Integration of science, society, production and industry”]. Krasnoyarsk, 2017, P. 4–9. (In Russ.)    

563

© Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.22 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА УГЛА ЗАКРУЧИВАНИЯ КАРДАННОЙ ПЕРЕДАЧИ С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин* Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Проводились испытания карданных передач на четырех режимах работы при разных значениях крутящего и тормозного моментов с изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте, что позволит наиболее качественно оценить работу карданной передачи. Для обработки результатов испытаний применена методика статистической обработки результатов испытаний с применением правила трёх сигм. Было получено уравнение линейной математической модели. Найдены границы верхнего и нижнего интервалов углов закручивания карданной передачи. Ключевые слова: испытательный стенд, карданная передача, погрешность измерений, погрешность эксперимента. IMPROVING METHOD TO CALCULATE UNIVERSAL JOINT TRANSFER TURNING S. P. Eresko, T. T. Eresko, E. V. Kukushkin* Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The universal joint is tested in four modes of operation for different values of the torsion and braking moments, with changes in the design parameters of the universal joint in each experiment, which allows the most qualitative assessment of the work of the universal joint. To process the test results, a statistical processing of the test results is applied using the three sigma rules. The equation of the linear mathematical model is obtained. The boundaries of the upper and lower intervals of the angular angles of universal joint transmission are found. Keywords: test bench, universal joint, measurement error, experimental error. При изменении крутящего момента меняется угол закручивания карданного вала, причём величина закручивания на каждом из участков карданного вала различна, это связано с характером нагрузок и значениями конструктивных параметров карданной передачи, а так же с наличием диссипации энергии в процессе упругих крутильных деформаций и нагревом передачи [1; 2]. Использовался стенд [3–5] для испытаний карданных передач на игольчатых подшипниках. Проводились испытания карданных передач на четырех режимах работы при разных значениях крутящего и тормозного моментов с изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте, что позволит наиболее качественно оценить работу карданной передачи. При постановке эксперимента использовался план факторного эксперимента N = 45–2. Факторами, которого являются: длина карданной передачи (L, мм), угол излома карданной передачи (γ, град.); мощность электродвигателя (N, Вт); частота вращения двигателя (n, мин–1); усилие торможения от давления гидравлической жидкости (Р, Нм). В качестве параметра оптимизации Y выбираем величину закручивания карданного вала (Y, Нм). [6]

Под действием тормозного момента в карданной передаче возникает упругая деформация кручения, способствующая возникновению и росту деформации кручения, выраженной суммарным углом закручивания карданной передачи Y. На вычисления и измерение данного угла влияют погрешности изготовления отдельных деталей конструкции карданной передачи, температура, различная жесткость отдельных элементов конструкции карданной передачи, а также люфты и зазоры в соединениях. Определив с помощью матрицы численные значения коэффициентов, получим уравнение линейной математической модели в виде квадратичного полинома y = a1 + a2 x1 + a3 x2 + a4 x3 + a5 x4 + a6 x5 . (1) Обработку полученных экспериментальных данных производили с помощью программного продукта для ЭВМ «EREGRE» [7]. Для обработки результатов испытаний применена методика статистической обработки результатов испытаний с применением правила трёх сигм. Правило «трёх сигм», или эмпирическое правило, утверждает, что для нормального распределения вероятность того, что σ принимает значения, отличающиеся от математического ожидания не более, чем на три среднеквадратических отклонения.

564

Механика специальных систем

В результате проведения эксперимента получим уравнение линейной математической модели

стенда для испытаний карданных передач подтверждается выполненным расчетом.

y = −4,1548 − 0,1151x1 + 0, 0018 x2 +

Библиографические ссылки

+ 0,9862 x3 − 0, 0003x4 + 2,3444 x5 .

(2)

Для обработки полученных значений необходимо выполнить расчет нагрузок, определяем крутящий момент электродвигателя по формуле [8]:

М дв =

9550 ⋅ N , [Н · м]. n

(3)

Угловую скорость карданной передачи определим по формуле, сек-1: 2πn , ⎡сек −1 ⎤⎦ 60 ⎣

ω=

(4)

Определим крутящий момент, передаваемый карданной передаче, Нм: М кр = М дв i, [ Н ⋅ м ] .

(5)

Угол закручивания карданного вала определяем для каждого участка карданного вала по формуле: θ=

М кр Li ⋅180 J pGπ

, [ рад ] .

(6)

При всех значениях величины закручивания карданного вала, для которых проводилось измерение параметров проводят статистическую обработку по оценке средних значений параметров mq(Dj) и их среднеквадратических отклонений σq(Dj) по формулам (7) и (8)

( )

mq D j

∑ qi ( D j ) , = i =1 n

(7)

n

где qi – параметр испытанных изделий; Dj – величины закручивания карданного вала, при которой производились замеры параметров, Нм; n – количество замеров для которых проводились измерения. σ2q

( Dj )

∑ i =1 ( qi ( D j ) − mq ( D j ) ) = n

n −1

2

.

( )

( )

( )

(9)

( )

( )

( )

(10)

qв D j = mq D j + 3σ2q D j .

References

(8)

Далее вычисляются границы нижнего и верхнего доверительных интервалов по формулам (9) и (10) qн D j = mq D j + 3σ2q D j ;

1. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с. 2. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Основные направления развития, улучшения и совершенствования рабочих характеристик карданных передач на игольчатых подшипниках // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2012. С. 254–256. 3. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2015. С. 337–339. 4. Конструкция стенда для проведения испытаний карданных шарниров на игольчатых подшипниках в широком диапазоне размеров с изменением угла излома карданной передачи / Е. В. Кукушкин [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016, № 2. С. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. 5. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транспортно-технологических машин / А. С. Ереско [и др.] // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016, № 4. С. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06. 6. Планирование эксперимента по исследованию карданных передач на игольчатых подшипниках / С. П. Ереско [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 1062–1071. 7. Ереско С. П. Регрессионный анализ многофакторных экспериментальных исследований (EREGRE). Свидет. об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2004610534 (РФ); заявл. 24.12.2003, № 2003612713; зарегистр. Роспатент 24.02.2004. 8. Чудаков Е. А. Конструкция и расчет автомобиля. М. : МашГиз, 1951. 433 с.

Формулы (9) и (10) приведены для убывающей и возрастающей зависимостей соответственно. В результате выполненных расчетов и проведенных исследований средняя погрешность аппроксимации составила 6,76267 %, что говорит о хорошо подобранной модели уравнения. Найдены границы верхнего и нижнего интервалов углов закручивания карданной передачи. Достоверность и адекватность полученных результатов измерительной системы

1. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. Issledovanie i sovershenstvovanie igolchatikh podshipnikov kardanikh peredach transportno-tekhnologicheskikh mashin [Study and improvement of needle bearing universal joint transmission of transport and technological machines]. Krasnoyarsk : KrasGAU Publ., 2006, 283 p. 2. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. [Main directions of development, improve and perfect the performance driveline on needle bearings]. Materialy XVI mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVI Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2012, P. 254–256 (In Russ.). 3. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko T. T. [Booth design for testing universal joints with needle bearings]. Materialy XIX mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XV Intern.

565

Решетневские чтения. 2017

Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2015, P. 337–339 (In Russ.). 4. Kukushkin E. V., Eresko S. P., Eresko T. T., Menovshchikov V. A., Orlov A. A. [Stand construction for testing the universal joint on needle bearings in wide range of sizes with the angle changing driveline]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016, No. 2. Pp. 58–73. DOI: 10.15593/24111678/2016.02.05. (In Russ.) 5. [Calculation of the hydraulic system of brake device of stand for the test of transmissions of transporttechnological machines] / A. S. Eresko [et al.]. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2016, No. 4.

Pp. 60–79. DOI: 10.15593/24111678/2016.04.06. (In Russ.) 6. [Planning of experiment on research of cardan transmissions on the needle-shaped bearing] / S. P. Eresko [et al.]. Vestnik SibGAU. 2016, No. 17. P. 1062–1071. (In Russ.) 7. Eresko S. P. Regressivnii analiz mnogoaktornikh eksperimentalnikh issledovanii (EREGRE) [Multivariate regression analysis of experimental studies (EREGRE)]. Patent RF, No. 2004610534, 2004. 8. Chudakov E. A. konstrukciya i raschet avtomobilya. [Design and calculation of the car]. M. : MashGiz Publ. 1951. 433 p.   © Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., 2017

566

Механика специальных систем

УДК 621.22 СПОСОБ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ

С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин*, В. А. Меновщиков Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Был разработан способ технического обслуживания карданных шарниров, позволяющий обслуживать карданные шарниры без съема карданного вала и разборки полумуфт его крепления к трансмиссии, что приводит к снижению трудоемкости технического обслуживания, повышению ремонтопригодности и долговечности карданных шарниров. Ключевые слова: карданная передача, способ обслуживания, техническое обслуживание. COMPARATIVE ANALYSIS OF STRUCTURE TEST APPARATUS FOR UNIVERSAL JOINT

S. P. Eresko, T. T. Eresko, E. V. Kukushkin*, V. A. Menovshchikov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The research develops A method for maintenance of universal joints, which allows to service universal joints without removing the universal joint shaft and dismantling the coupling halves of the cardan shaft to the transmission, which leads to a reduction in maintenance labor, increased maintainability and durability of the universal joints. Keywords: universal joint gear, service method, maintenance. Введение. Исследования по работе карданных передач разделяются на два направления: динамика и кинематика карданных передач. Основополагающими работами по кинематике и динамике карданных передач являются работы Чудакова Е. А., Лысова М. И., Малаховского Я. Э., Цитовича И. С., Лапшина С. А., Иванова С. Н. и др. авторов. Исследования кинематики карданных передач позволили установить, что в одношарнирной передаче при вращении ведущего вала с постоянной угловой скоростью, ведомый вал будет вращаться неравномерно с переменной угловой скоростью, при этом коэффициент неравномерности вращения является функцией угла наклона трубы кардана. Трудами Чудакова Е. А., Цитовича И. С. и другими было показано, что карданные передачи требуют как кинематические, так и динамические расчеты. Динамические расчеты сводились к определению собственной частоты изгибных колебаний трубы карданной передачи как равномерно распределенной балки на упругих опорах. Анализ работ показывает, что карданная передача является сложным динамическим механизмом, даже при отсутствии внешних сил, в виду особенности кинематики вращения она имеет внутреннюю динамику, связанную с углом наклона трубы карданного вала. Наличие больших вращающихся масс агрегатов, расположенных за карданной передачей приводит к созданию значительного сопротивления и принуждает карданный вал воспринимать значительные динамические нагрузки, вызывающие усиленный износ деталей карданных шарниров.

Согласно ГОСТ 27.002–89 [8]. Надежность это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Безотказность это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Основная часть. Рассмотрим карданный шарнир и способ его технического обслуживания [1]. Карданный шарнир содержит вилки, игольчатые подшипники, крестовину с втулками, радиальные и осевые уплотнения. Втулка шипа крестовины выполнена в виде стакана, при этом в основании корпуса игольчатого подшипника и упомянутой втулки расположены центральные соосные отверстия, каждое из которых выполнено в виде правильного выпуклого многоугольника, а между основанием корпуса игольчатого подшипника и крышкой установлен уплотнительный элемент. При проведении технического обслуживания выполняют частичную разборку карданного шарнира, заменяют изношенные поверхности на неизношенные

567

Решетневские чтения. 2017

дифференцированно для каждого подшипникового узла путем проворота игольчатого подшипника и втулки посредством соосных отверстий в основаниях подшипника и втулки. Недостаток данного аналога заключается в том, что для разборки карданных шарниров необходимо снять карданный вал. Также известен карданный шарнир и способ его технического обслуживания, описанные в патенте [2]. Карданный шарнир содержит вилки, подшипники и разборную крестовину, состоящую из разборного корпуса и шипов. Причем шипы установлены на центрирующем элементе, выполненном в виде крестовины, а их торцы, расположенные в полости корпуса, выполнены с возможностью передачи вращения для поворота шипов. В полости корпуса крестовины установлен приводной элемент с возможностью обеспечения указанного поворота. Способ технического обслуживания таких карданных шарниров включает разборку, восстановление технического ресурса путем разворота поверхности шипа крестовины и сборку. Причем разборку карданного шарнира выполняют частично, а поворот поверхностей шипов производят на любой угол с помощью приводного элемента. Недостаток данного аналога заключается в том, что для разборки карданных шарниров необходимо снять карданный вал, что увеличивает трудоемкость процесса технического обслуживания, кроме того, в конструкцию шарниров введены дополнительные приводные элементы, что снижает надежность трансмиссии в целом. В качестве прототипа выбран способ технического обслуживания карданных шарниров автомобиля УАЗ-31512, описанный в техническом руководстве по обслуживанию [3]. Карданные шарниры состоят из вилок, крестовины и четырех игольчатых подшипников, установленных на шипах крестовины и закрепленных в вилках. Игольчатые подшипники смазывают через пресс-масленку по внутренним каналам крестовины. Техническое обслуживание по способу – прототипу проводят в следующей последовательности: делают разметку положения карданного вала в трансмиссии и взаимного положения вилок шарнира, снимают карданный вал, разбирают подшипники карданного вала, путем съема стопорных колец подшипников и их выпрессовки, съема обоймы уплотнений с шипов крестовины, оценивают состояние рабочей поверхности (зону износа) и негодные выбраковывают, заменяя новыми, годные – промывают, собирают карданные подшипники в обратной последовательности и устанавливают карданный вал в соответствии с разметкой. Недостатком данного способа является большая трудоемкость процесса технического обслуживания ввиду того, что необходимо снимать карданный вал и разбирать полумуфты его крепления к трансмиссии. Известен способ технического обслуживания карданных шарниров [4], который заключается в их разборке, восстановлению технического ресурса и последующей сборкой, а с целью снижения трудоемкости, восстановление технического ресурса производят разворотом крестовины карданного шарнира вокруг ее центральной оси на угол, соответствующий

углу между соседними шипами, и поворотом карданных подшипников на 90 или на 180 градусов вокруг их центральной оси. Недостатком данного способа является трудоемкость процесса технического обслуживания ввиду того, что необходимо также снимать карданный вал и разбирать полумуфты его крепления к трансмиссии. Известен способ технического обслуживания карданного шарнира [5], заключающийся в замене рабочих поверхностей подшипниковых узлов путем поворота крестовины карданного шарнира вокруг ее центральной оси на угол 90° и поворота каждого карданного подшипника на 180° относительно шипа крестовины, при этом замену осуществляют при наработке 0,8…0,9 предполагаемой, а поворот карданных подшипников на 180° осуществляют относительно оси пары противоположных шипов вместе с крестовиной, т. е. без разборки соединения «шин крестовины– подшипниковый узел». Недостатком данного способа является трудоемкость процесса технического обслуживания ввиду того, что необходимо также снимать карданный вал и разбирать полумуфты его крепления к трансмиссии. Постановка задачи исследования. Задачей исследований является создание способа технического обслуживания карданных передач, позволяющий снизить трудоемкость технического обслуживания карданных передач, повысить ремонтопригодность и долговечность карданных шарниров, а также удобство обслуживания карданных передач. Способ технического обслуживания карданных передач. Исследования игольчатых подшипников карданных передач [6], показали, что износ рабочей поверхности крестовины подшипника приходится на зону качания, которая соответствует 30°. Способ осуществляется следующим образом [7]: – производят разметку положения вилок карданного шарнира, снимают стопорное кольцо с подшипника шарнира, к которому есть доступ без проворачивания карданного вала; – создают при помощи нагнетателя смазочного материала, ввинчиваемого в резьбовое отверстие для подачи смазочного материала, избыточное давление смазочного материала, приводящее к выпрессовыванию подшипника с оси шарнира; – промывают подшипник; – устанавливают подшипник обратно с помощью, например, струбцины, производя угловое смещение подшипника, равное 120° по отношению к первоначальной разметке и фиксируют стопорным кольцом; – обслуживание остальных подшипников подшипникового узла осуществляется аналогично после необходимого проворачивания карданного вала для доступа к очередному подшипнику. Заключение. Заявляемый способ технического обслуживания карданных шарниров позволяет обслуживать карданные шарниры без съема карданного вала и разборки полумуфт его крепления к трансмиссии, что приводит к снижению трудоемкости техни-

568

Механика специальных систем

ческого обслуживания, повышению ремонтопригодности и долговечности карданных шарниров. Библиографические ссылки

1. Пат. 2232309 Российская Федерация, МПК7 F16C 11/06. Карданный шарнир и способ его технического обслуживания / Тимашов Е. П., Пастухов А. Г., Скурятин Н. Ф. № 2003100986; заяв. 13.01.2003 ; опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19. 2. Пат. 2238446 Российская Федерация, МПК7 F16C 11/06. Карданный шарнир и способ его технического обслуживания / Скурятин Н. Ф., Пастухов А. Г., Тимашов Е. П. № 2003106909/11; заяв. 12.03.2003 ; опубл. 20.10.2004. Бюл. № 29. 3. УАЗ-31512, …-31514, …-31519 с двигателями 2,5; 2,9 Устройство, обслуживание, диагностика, ремонт. М. : За рулeм, 2012. 224 с. 4. А. с. 829464 СССР, МКИ3 B 60 S 5/00. Способ технического обслуживания карданных шарниров / П. А. Удовидчик, Л. Я. Пешес, Н. Т. Минченя, В. М. Щебров (СССР). № 2800847/27-11; заявл. 16.07.79 ; опубл. 15.05.81, Бюл. № 18. 2 с. 5. Пат. 2453451 Российская Федерация, МПК7 F16C 11/06. Способ технического обслуживания карданного шарнира / Пастухов А. Г., Ефимцев А. В., Зданович Б. С., Тимашов Е. П. № 2011107086/11; заяв. 24.02.2011 ; опубл. 20.06.2012. Бюл. № 17. 6. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников кардан-ных передач транспортно-технологических машин. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с. 7. Заявка на изобретение. Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Способ технического обслуживания карданных шарниров / Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А.; № 2016117442; заявл. 04.05.2016.

References

1. Timashov E. P., Pastukhov A. G., Skuryatin N. F. Kardannyy sharnir i sposob ego tekhnicheskogo obsluzhivaniya. [Universal joint and method of its maintenance]. Patent RF. No. 2232309, 2004. 2. Skuryatin N. F., Pastukhov A. G., Timashov E. P. Kardannyy sharnir i sposob ego tekhnicheskogo obsluzhivaniya. [Universal joint and method of its maintenance]. Pat. RF. No. 2238446, 2004. 3. UAZ-31512, …-31514, …-31519 s dvigatelyami 2,5; 2,9 Ustroystvo, obsluzhivanie, diagnostika, remont. [UAZ-31512, ... -31514, ... -31519 with engines of 2.5; 2.9 The device, maintenance, diagnostics, repair.]. Moscow, Za rulem Publ., 2012. 224 p. 4. Udovidchik P. A., Peshes L. Ya., Minchenya N. T., Shchebrov V. M. Sposob tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardannykh sharnirov. [Method for maintenance of universal joints]. Pat. RF. no. 829464, 1981. 5. Pastukhov A. G., Efimtsev A. V., Zdanovich B. S., Timashov E. P. Sposob tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardannykh sharnirov. [Method for maintenance of universal joints]. Pat. RF. No. 2453451, 2012. 6. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. Issledovanie i sovershenstvovanie igolchatikh podshipnikov kardanikh peredach transportno-tekhnologicheskikh mashin [Study and improvement of needle bearing universal joint transmission of transport and technological machines]. Krasnoyarsk : KrasGAU, 2006, 283 p. 7. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. Sposob tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardannykh sharnirov. [Method for maintenance of universal joints]. Pat. RF. No. 2016117442, 2016.

569

© Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 681.5 МАТРИЦА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ МЕХАНИЗМА ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

Д. А. Климовский, Н. А. Смирнов Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected] Определяется матрица преобразования механизма параллельной структуры с гибкими звеньями и шестью степенями свободы для случая поворота вокруг двух осей абсолютной системы координат и вокруг одной оси связанной системы координат и перемещения по трем осям абсолютной системы координат. Ключевые слова: механизм параллельной структуры, матрица преобразования. TRANSFORMATION MATRIX FOR PARALLEL KINEMATIC MACHINE WITH SIX DEGREES OF FREEDOM

D. A. Klimovskiy, N. A. Smirnov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] In this paper we define the transformation matrix for a cable-driven parallel kinematic machine with six degrees of freedom for the case when there is a rotation around two axes of the absolute coordinate system and around one axis of the associated coordinate system and moving along the three axes of the absolute coordinate system. Keywords: parallel kinematic machine, transformation matrix. Растущие потребности производства в выпуске качественной продукции обуславливают все более широкое применение в промышленности средств автоматизации, в основе которых лежит вычислительная техника. В настоящее время большинство автоматизированных работ на производстве осуществляется машинами, специально сконструированными для выполнение определенных функции в производственном процессе. Такие машины, как правило, дороги и не обладают гибкостью, т. е. не могут использоваться для различных задач [1]. В связи с этим все больший интерес вызывает использование манипуляторов, способных выполнять различные производственные функции в обстановке гибкого производственного процесса при более низких материальных затратах. В области ракетостроения начинают находить интерес механизмы параллельной структуры с гибкими звеньями [2], которые имеют большое рабочее пространство, большой диапазон перемещаемых масс, быстрое развертывание, низкую металлоемкость конструкции. Рабочий орган приводится в действие набором гибких звеньев, роль которых выполняют тросы. Этот класс оборудования иногда называют тросоуправляемыми механизмами параллельной структуры (рисунок) [3–5]. Одной из основных задач анализа кинематики механизма является определение матрицы преобразования R, переводящую координаты из связанной (повернутой) системы отчета о'UVW в абсолютную систему координат OXYZ. Для механизма на рисунке наибольший практический интерес как для перенос-

ного манипулятора имеет перемещение по осям X–Xо', Y–Yо', Z–Zо', а так же поворот на углы φ вокруг оси X, ψ вокруг оси Y и θ вокруг оси W. Эти преобразования описываются соответствующими матрицами:

TW ,θ

TX ,ϕ

0 0 ⎡1 ⎢0 cos ϕ − sin ϕ =⎢ ⎢0 sin ϕ cos ϕ ⎢ 0 0 ⎣0

TY ,ψ

⎡ cos ψ ⎢ 0 =⎢ ⎢ − sin ψ ⎢ ⎣ 0

⎡cos θ − sin θ ⎢ sin θ cos θ =⎢ ⎢ 0 0 ⎢ 0 ⎣ 0

0⎤ 0 ⎥⎥ ; 0⎥ ⎥ 1⎦

0 sin ψ 1 0

0⎤ 0 ⎥⎥ ; 0 cos ψ 0 ⎥ ⎥ 0 0 1⎦

0 0⎤ ⎡1 ⎢0 ⎥ 0 0⎥ ; Tсдв = ⎢ ⎢0 1 0⎥ ⎢ ⎥ 0 1⎦ ⎣0

0 0 Xo '⎤ 1 0 Yo ' ⎥⎥ . 0 1 Zo ' ⎥ ⎥ 0 0 1 ⎦

Матрица преобразования R получается путем перемножения однородных матриц элементарных поворотов и сдвигов. Поскольку операция умножения матриц некоммутативна, особое внимание следует обратить на порядок перемножения этих матриц. Эти правила хорошо описаны в работе [1]. Для механизма на рисунке сначала происходит поворот вокруг осей W, Y, X, затем перенос на Xo', Yo', Zo'. Тогда матрица преобразования примет вид:

570

Механика специальных систем

R = TсдвTX ,ϕTY ,ψTW ,θ

cos ψ cos θ − cos ψ sin θ sin ψ ⎡ ⎢ sin ϕ sin ψ cos θ + cos ϕ sin θ − sin ϕ sin ψ sin θ + cos ϕ cos θ − sin ϕ cos ψ =⎢ ⎢ − cos ϕ sin ψ cos θ + sin ϕ sin θ cos ϕ sin ψ sin θ + sin ϕ cos θ cos ϕ cos ψ ⎢ 0 0 0 ⎣

Xo '⎤ Yo ' ⎥⎥ . Zo ' ⎥ ⎥ 1 ⎦

Механизм параллельной структуры с гибкими звеньями

Полученная матрица R используется в дальнейших расчетах для определения координат точек выходной платформы в абсолютной системе координат. Так, если точка А имеет координаты (AU, AV, AW, 1) в связанной системе координат, то в абсолютной системе координат они примут значение:

4. Albus J., Bostelman R., Dagalakis N. The NIST Robocrane / J. of Robotic Systems. 1993. № 10(5). C. 709–724. 5. Tang X. An Overview of the Development for Cable-Driven Parallel Manipulator / Advances in Mechanical Engineering Volume. 2014. References

⎡ AX ⎤ ⎡ AU ⎤ ⎢A ⎥ ⎢A ⎥ Aa = ⎢ Y ⎥ = R ⎢ V ⎥ . ⎢ AZ ⎥ ⎢ AW ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ 1 ⎦ ⎣ 1 ⎦

Библиографические ссылки

1. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / пер. с англ. М. : Мир, 1989. 624 с. 2. Климовский Д. А., Смирнов Н. А. Применение тросо-управляемых механизмов параллельной структуры в производстве ракетной техники // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. (9–12 нояб. 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2016. С. 35–36. 3. Gosselin C. Cable-driven parallel mechanisms: state of the art and perspectives / Mechanical Engineering Reviews. 2014. Vol. 1, № 1.

1. Fu K., Gonsales R., Li K. Robototekhnika / Per. s angl. M. : Mir, 1989. 624 p. 2. Klimovskiy D. A., Smirnov N. A. Primeneniye troso-upravlyayemykh mekhanizmov parallel’noy struktury v proizvodstve raketnoy tekhniki // Reshetnevskiye chteniya : materialy XX Mezhdunar. nauch. konf. (9–12 noyab. 2016, g. Krasnoyarsk) : v 2 ch. / pod obshch. red. Yu. Yu. Loginova. Krasnoyarsk, 2016. Рp. 35–36. 3. Gosselin C. Cable-driven parallel mechanisms: state of the art and perspectives / Mechanical Engineering Reviews. 2014. Vol. 1, № 1. 4. Albus J., Bostelman R., Dagalakis N. The NIST Robocrane / J. of Robotic Systems. 1993. No. 10(5). Р. 709–724. 5. Tang X. An Overview of the Development for Cable-Driven Parallel Manipulator / Advances in Mechanical Engineering Volume. 2014.

571

© Климовский Д. А., Смирнов Н. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 62-83 УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОТКРЫВАНИЯ/ЗАКРЫВАНИЯ ОКНА

М. Е. Корчагин1*, Д. Л. Платонов1, А. А. Фадеев2 1

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение Школа № 143 Российская Федерация, 660125, г. Красноярск, ул. Урванцева, 26А 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected] Представлена модель устройства автоматического открывания и закрывания окна, которая превосходит существующие аналоги. Данное устройство может быть использовано для проветривания помещений в автоматическом режиме на предприятиях, в которых установлены стандартные пластиковые окна. Ключевые слова: автоматическая ручка, механизм доводки, пластиковое окно. MECHANISM FOR AUTOMATICAL OPENING/CLOSING A WINDOW

M. E. Korchagin1*, D. L. Platonov1, A. A. Fadeev2 1

Municipal Self-sustaining General Education Institution School № 143 26A, Urvantseva Str., Krasnoyarsk, 660125, Russian Federation 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected] This article presents a model of the automatic window opening and closing device, which exceeds the existing analogues. This device intends to ventilate rooms with plastic window in enterprises. Keywords: automatic handle, open-close mechanism, plastic window. Введение. В данный момент на рынке представлен широкий ассортимент устройств для автоматизации процесса открывания закрывания окна [1–4]. Но несмотря на данный факт, текущие устройства обладают рядом недостатков, препятствующих их дальнейшему распространению, а именно: − невозможность управления окном вручную без демонтажа устройства; − необходимость внесения изменений в тепловой контур окна для установки устройства. Для решения данных проблем, была разработана 3D-модель [5] и частично изготовлена нового устройства, конструкция которого помимо выполнения основных функций позволяет решить выше поставленные проблемы текущих устройств. Общее строение устройства. Устройство представляет собой два механизма: автоматическую ручку и механизма доводки рамы, приводящиеся в действие по средством электроприводов, которые в свою очередь подключены к блоку управления. Автоматическая ручка. Данный механизм представляет собой корпус, на которой закреплён передаточный механизм, состоящий из одной конической, двух цилиндрических передач и механизма расцепки, который позволяет вращать главный вал механизма, без повреждения шестерёнок и электропривода (рис. 1). Строение автоматической ручки предусматривает её установку на раму окна, вместо стандартной пластиковой ручки с помощью двух винтов.

Рис. 1. Автоматическая ручка в разнесённом виде

Механизм доводки. Механизм доводки рамы состоит из линейного привода, приводимого в действие электроприводом, каретки, движущийся по штоку и системы из двух рычагов, которая связывает основной механизм с оконной рамой (рис. 2). Предполагается установка данного механизма на неподвижную часть окна с помощью двухкомпонентного клея. Данная конструкция предусматривает автоматическое откидывание рамы окна в режиме проветривания и открывание окна нараспашку вручную.

572

Механика специальных систем

Рис. 2. Строение механизма доводки и его положение на оконной раме

Применение устройства. Данное устройство может применяться в различных сферах деятельности, в том числе для проветривания помещений в автоматическом режиме на промышленных объектах, в жилых и офисно-торговых комплексах, а также в сельском хозяйстве (фермы, тепличные комплексы). Исследование выполнено при поддержке краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научнотехнической деятельности» в рамках реализации проекта «Универсальное устройство автоматического открывания/ закрывания пластикового окна». Библиографические ссылки

1. Пат. 98775 Российская Федерация, МПК7, Е05F 1/00. Автоматическое устройство для открывания окон / Горбунов А. А. № 2010119373/12; заявл. 14.05.2010 ; опубл. 27.10.2010. Бюл. № 30. 2. Пат. 102955 Российская Федерация, МПК7, Е05F 15/00. Устройство автоматического проветривания / Макеев М. М. № 2010132244/03; заявл. 30.07.2010 ; опубл. 20.03.2011. Бюл. № 8. 3. Пат. 135486 Российская Федерация, МПК7, А01G 9/24. Система автоматического проветривания теплицы / Артемьев А. В. № 2013116775/13; заявл. 08.04.2013 ; опубл. 20.12.2013. Бюл. № 35.

4. Пат. 160873 Российская Федерация, МПК7, Е05F 1/00. Автоматическое устройство для открывания и закрывания окон / Васильев В. Г. № 2015144956/12; заявл. 19.10.2015 ; опубл. 10.04.2016. Бюл. № 4. 5. Учебные материалы по использованию САПР Компас-3D [Электронный ресурс]. URL: http://edu. ascon.ru/main/library/study_materials/ (дата обращения: 07.09.2017). References

1. Gorbunov A. A. Avtomaticheskoe ustrojstvo dlya otkryvaniya okon [Automatic device for opening windows]. Patent RF, no. 98775, 2010. 2. Makeev M. M. Ustrojstvo avtomaticheskogo provetrivaniya [The device of automatic ventilation]. Patent RF, no. 102955, 2011. 3. Artem’ev A. V. Sistema avtomaticheskogo provetrivaniya teplicy [Automatic ventilation of greenhouses]. Patent RF, no. 135486, 2013. 4. Vasil’ev V. G. Avtomaticheskoe ustrojstvo dlya otkryvaniya i zakryvaniya okon [Automatic device for opening and closing windows]. Patent RF, no. 160873, 2016. 5. Study materials on the use of Kompas-3D CAD Available at: http://edu.ascon.ru/main/library/study_ materials/ (accessed: 07.09.2017). © Корчагин М. Е., Платонов Д. Л., Фадеев А. А., 2017

573

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.22 КОНСТРУКЦИЯ КАРДАННОГО ШАРНИРА С ВТУЛКАМИ ИЗ ВЯЗКО-ДЕМПФИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

Е. В. Кукушкин1*, С. В. Кукушкин2, В. А. Меновщиков1 1

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2 Красноярский государственный аграрный университет Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90 * E-mail: [email protected]

Разработана новая конструкция карданного шарнира с втулками из вязко-демпфирующего материала. За счет того, что в проушинах установлены втулки из вязко-демпфирующего материала, обеспечивается равномерность распределения нагрузки в зоне контакта игольчатого подшипника с шипом крестовины, т. е. по длине иглы в игольчатом подшипнике. Ключевые слова: карданный шарнир, игольчатый подшипник, втулки демпфирующие. CONSTRUCTION OF UNIVERSAL JOINT WITH VEHICLE-DAMPING MATERIALS

E. V. Kukushkin1*, S. V. Kukushkin2, V. A. Menovshchikov1 1

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Krasnoyarsk State Agrarian University 90, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article presents a new design of a universal joint with bushings of viscous damping material. Due to the fact that the bushings from the viscous damping material are installed in the eyes, the load distribution is evenly distributed in the contact area of the needle bearing with the spike pin, that is the length of the needle in the needle bearing. Keywords: universal joint, needle bearing, bushings, damping. Проведя анализ конструкций карданных шарниров [1–6], была поставлена задача исследований: повышение долговечности карданного шарнира за счет снижения динамики нагружения узла и более равномерное распределение нагрузки по длине сопряжения игла – шип крестовины. Известен карданный шарнир, который включает щековину вилки шарнира, палец крестовины, установленный на радиальном подшипнике, а также глухую и проходную крышки, закрепленные на щековине болтами. Радиальный подшипник выполнен в виде подшипника скольжения. [4] Недостатком данного узла является низкая долговечность узла из-за нерешенной проблемы: неравномерности распределения нагрузки по длине шипа крестовины. Кроме того, используются дополнительные элементы в конструкции, что усложняют, как работу узла так и обслуживание в эксплуатации. Наиболее близким техническим решением является карданный шарнир, содержащий две сборные вилки, состоящие из фланцев и съемных проушин, и крестовину с шипами, установленные в проушинах посредством подшипника [5]. Недостатком данной конструкции является наличие винтового соединения, что снижает точность установки съемных проушин и фиксации установленного в нем игольчатого подшипника.

Технический результат достигается тем, что карданный шарнир имеет крестовину, игольчатые подшипники, а также проушины, в которых закреплены втулки, выполненные из вязко-демпфирующего материала с возможностью распределения нагрузки по длине сопряжения игла-шип крестовины. Новым является то, что втулка расположена между проушиной и игольчатым подшипником и выполнена из вязкодемпфирующего материала [6]. Карданный шарнир состоит из крестовины 1 с шипом 2 (рис. 1), игольчатого подшипника 3, проушины 4 вилки карданной передачи. Между проушиной 4 и игольчатым подшипником 3 установлена втулка 5, выполненной из вязко-демпфирующего материала. Фиксация втулки 5 осуществляется с помощью кольца 6, традиционно используемый для фиксации игольчатого подшипника 3 в проушинах 4 вала карданной передачи. Толщина втулки 5 выбирается в зависимости от величины радиального зазора игольчатого подшипника 3 и величины нагрузки, передаваемой карданной передачей. Наличие возможности поворота вилки карданной передачи, посредством втулки 5 из вязко-демпфирующего материала, позволяет обеспечить в эксплуатации прилегание шипа крестовины к иглам подшипника по всей длине иголки, что дает компенсацию неравномерности распределения нагрузки по длине сопряжения игла-шип крестовины.

574

Механика специальных систем

Рис. 1. Карданный шарнир с втулками из вязко-демпфирующего материала

Карданный шарнир работает следующим образом вращающий момент от вилки карданной передачи, через проушины 4, передается на втулку 5 из вязкодемпфирующего материала и далее через игольчатый подшипник 3 на шип крестовины 2. На рис. 2 показан график нагрузки при отсутствии втулки из вязко-демпфирующего материала и с применением втулки из вязко-демпфирующего материала, причем экспериментами установлено снижение динамики нагружения шарнирного узла в 3–4 раза.

2. Пат. 146989 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Орлов А. А., Ереско С. П., Ереско Т. Т. ; № 2014119234/11; заявл. 13.05.2001 ; опубл. 27.10.2014. Бюл. № 30. 2 с. 3. Пат. 170347 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. ; № 2016140043; заявл. 11.10.2016 ; опубл. 21.04.2017. Бюл. № 12. 5 с. 4. Пат. 2122145 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Подшипниковый узел шарнира Гука / Модеев В. Ф., Платхин В. Д. ; № 97100532/28; заявл. 16.01.1997 ; опубл. 20.11.1988. 5. Пат. 2106548 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/40. Карданный шарнир / Сигаев А. М., Пастухов А. Г.; № 93035707/28; заявл. 07.07.1993 ; опубл. 10.03.1998. 6. Пат. 61821 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Меновщиков В. А., Плюшкин Н. Г., Худолей А. В. ; № 2006135080/22; заявл. 03.10.2006 ; опубл. 10.03.2007. Бюл. № 7. 3 с

Рис. 2. График нагрузки при отсутствии втулки из вязкодемпфирующего материала (ВДМ) и с применением втулки из вязкодемпфирующего материала (ВДМ)

References  

За счет того, что в проушинах установлены втулки из вязко-демпфирующего материала обеспечивается равномерность распределения нагрузки в зоне контакта игольчатого подшипника с шипом крестовины, т. е. по длине иглы в игольчатом подшипнике. Решается также задача – повышение долговечности работы карданного подшипника за счет снижения динамики нагружения узла. Библиографические ссылки

1. Пат. 141878 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско С. П., Ереско Т. Т. ; № 2014102339/11; заявл. 24.01.2014 ; опубл. 20.06.2014. Бюл. № 17. 2 с.

1. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko S. P., Eresko T. T. Kardannyy sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 141878, 2014. 2. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Orlov A. A., Eresko S. P., Eresko T. T. Kardannyy sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 146989, 2014. 3. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. Kardani sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 170347, 2017. 4. Modeev V. F., Platkhin V. D. Podshipnikovyy uzel sharnira Guka [Hook Hinge Bearing Assembly]. Patent RF. No. 2122145, 1988. 5. Sigaev A. M., Pastukhov A. G. Kardani sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 2106548, 1998. 6. Menovshchikov V. A., Plyushkin N. G., Khudoley A. V. Kardani sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 61821, 2007.

575

© Кукушкин Е. В., Кукушкин С. В., Меновщиков В. А., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.22 КОНСТРУКЦИЯ КАРДАННОГО ШАРНИРА С СЕПАРАТОРОМ

Е. В. Кукушкин, С. В. Кукушкин, В. А. Меновщиков, О. В. Семенуха* Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Разработана новая конструкция карданного шарнира с сепаратором, который позволяет исключить перекос тел качения игольчатого подшипника и исключить взаимное трение тел качения, что увеличивает его долговечность. Ключевые слова: карданный шарнир, игольчатый подшипник, сепаратор. CONSTRUCTION OF JOINT WITH SEPARATOR

E. V. Kukushkin, S. V. Kukushkin, V. A. Menovshchikov, O. V. Semenukha* Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] New construction of a joint with separator has been developed. Separator avoids misalignment of the needles of bearing and excludes attrition of the needles. All these factors raise the endurance. Keywords: joint, needle bearing, separator. В современный период технического развития появление новых материалов, необходимость повышения эксплуатационных скоростей и температур, снижения веса, уменьшения объема, увеличения сроков эксплуатации, снижения стоимости и достижения экологической совместимости – все это вызывает необходимость совершенствования конструкций карданных передач. Особенность работы игольчатых подшипников карданных передач состоит в том, что иглы совершают колебательное, возвратно-вращательное движение, перекатываясь по цапфе крестовины на небольшом участке, причем дорожки качания двух соседних игл часто не перекрываются. Эта особенность работы игольчатого подшипника кардана и определяет, характер износа данного узла. К основным видам разрушения поверхностей шипов относится образование канавки и питтинг [1–3]. В основном причина выхода из строя подшипников заключается в повреждении дорожек канавки шипов, что вызывает необходимость разработки и проектирования новых конструкций карданных шарниров. Известен карданный шарнир [4], состоящий из вилок, крестовины и четырех игольчатых подшипников, установленных на шипах крестовины и закрепленных в вилках. Игольчатые подшипники смазывают через пресс-масленку по внутренним каналам крестовины. Известен карданный шарнир [5], который содержит две сборные вилки, состоящие из фланцев и съемных проушин, уплотнение, закрывающее внутренний торец корпуса, выполненного в виде цилиндрического стакана, и крестовину с шипами, установленными в проушинах посредством подшипников, причем съемные проушины установлены в соответст-

вующем фланце с возможностью поворота относительного него в плоскости крестовины, при этом подшипники выполнены игольчатыми. Технической проблемой данных карданных шарниров является низкая долговечность карданных шарниров из-за быстрого износа игольчатых подшипников, вызванного перекосом и взаимным трением тел качения [6], которая решена тем, что в известном карданном шарнире, содержащем вилки, крестовину с четырьмя шипами с отверстиями для смазки, четыре игольчатых подшипника, каждый из которых содержит корпус в виде цилиндрического стакана, тела качения (иголки), установленные между внутренней поверхностью цилиндрических стаканов и внешней поверхностью шипов крестовины и уплотнение, закрывающее внутренний торец корпуса, согласно нашему техническому решению, каждый подшипник дополнительно содержит сепаратор, выполненный в виде разрезного стопорного кольца, установленного между уплотнением и корпусом, и имеющего на стороне обращенной внутрь корпуса глухие конические углубления по числу иголок, причем на внутренней торцевой поверхности корпуса выполнены аналогичные глухие углубления, а иголки с двух торцев заострены под углом конуса равным углу конических углублений и расположены торцами в конических углублениях корпуса и сепаратора [7]. Техническим результатом карданного шарнира является отсутствие перекоса тел качения игольчатого подшипника и исключение взаимного трения тел качения, обеспечиваемое за счет установки тел качения (иголок), выполненных с конусными торцевыми поверхностями между сепаратором и корпусом в выполненные на их поверхностях глухие конические углубления.

576

Механика специальных систем

Карданный шарнир с сепаратором

Карданный шарнир (рисунок) содержит две вилки 1, крестовину 2 с четырьмя шипами с отверстиями для смазки, четыре игольчатых подшипника, каждый из которых содержит корпус 3 в виде цилиндрического стакана, тела качения (иголки) 4, установленные между внутренней поверхностью цилиндрического стакана и внешней поверхностью шипа крестовины, уплотнение 5, закрывающее внутренний открытый торец корпуса. Каждый игольчатый подшипник дополнительно снабжен сепаратором 6, выполненным в виде разрезного стопорного кольца, установленного между уплотнением 5 и корпусом 3. Сепаратор имеет на стороне, обращенной внутрь корпуса, глухие конические углубления 7 по числу тел качения (иголок) 4. На внутренней торцевой поверхности корпуса 3 также выполнены идентичные глухие конические углубления. Иголки с обоих торцев заострены под углом, равным углу конуса конических углублений, и упираются одним торцем в углубление корпуса 3, а другим – в противоположное углубление сепаратора 6. Карданный шарнир работает следующим образом: при передаче крутящего момента вилка 1 воздействует на крестовину 2 через игольчатые подшипники. При каждом обороте шарнира поочередно работают два игольчатых подшипника, расположенных в противоположных подшипниковых узлах каждых вилок 1, радиальная нагрузка воспринимается второй вилкой шарнира. Уплотнение 5 защищает рабочую полость карданного шарнира от попадания в нее инородных частиц. При работе карданного шарнира две пары игольчатых подшипников воспринимают нагрузку, которую передают на две другие пары игольчатых подшипников, при этом тела качения (иголки) 4, выполненные с конусными торцевыми поверхностями, установлены в конические углубления сепаратора 6 и внутренней торцевой поверхности корпуса 3 и вращаются без перекоса, в силу чего исключается взаимное трение тел качения 4. Техническим результатом карданного шарнира является отсутствие перекоса тел качения игольчатого подшипника и исключение взаимного трения тел качения, что увеличивает долговечность карданного шарнира.

Библиографические ссылки

1. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Основные направления развития, улучшения и совершенствования рабочих характеристик карданных передач на игольчатых подшипниках // Решетневские чтения: материалы XVI Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2012. С. 254–256. 2. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Анализ современных представлений и подходов при исследовании усталостных разрушений игольчатых подшипников // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф.: в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2013. С. 287–288. 3. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. Вопросы формирования усталостных трещин в материалах игольчатых подшипников карданных шарниров // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: материалы X Всерос. науч.-практ. конф. : в 2 т. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2014. С. 148–150. 4. Учебник тракториста-машиниста третьего класса / А. К. Болотов [и др.] ; под ред. A. M. Гуревича. М : Колос. 1982. С. 100. 5. Пат. RU 2106548, F16D 3/40 / Сигаев А. М., Пастухов А. Г. опубл. 10.03.1998. 6. Меновщиков В. А. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин : монография / А. В. Меновщиков, С. П. Ереско. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с. 7. Пат. 170347 Российская Федерация, МПК7 F16 D 3/26. Карданный шарнир / Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. ; № 2016140043; заявл. 11.10.2016; опубл. 21.04.2017. Бюл. № 12. 5 с. References

1. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. [Main directions of development, improve and perfect the performance driveline on needle bearings]. Materialy XVI mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVI Intern. Scientific. Conf

577

Решетневские чтения. 2017

“Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2012. Р. 254–256. (In Russ.) 2. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko T. T. [The analysis of modern concepts and approaches in the study of fatigue failures of needle bearings]. Materialy XVII mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVII Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2013. Р. 287–288. (In Russ.) 3. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A., Eresko T. T. [Questions of formation of fatigue cracks in materials needle bearing universal joints]. Materialy X Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Aktual’nye problemy aviatsii i kosmonavtiki” [Materials X Intern. Scientific. Conf “Current issues of aviation and cosmonautics”]. Krasnoyarsk, 2014. Р. 148–150. (In Russ.)

4. Bolotov A. K., Gurevich L. A., Likhanov V. A., Sychugov N. P. Uchebnik traktorista-mashinista tret’ego klassa. [The textbook of tractor driver]. Kolos, 1982. 100 p. 5. Sigaev A. M., Pastukhov A. G., Kardani sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 2106548, 1998. 6. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. Issledovanie i sovershenstvovanie igolchatikh podshipnikov kardanikh peredach transportno-tekhnologicheskikh mashin [Study and improvement of needle bearing universal joint transmission of transport and technological machines]. Krasnoyarsk : KrasGAU, 2006, 283 p. 7. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. Kardani sharnir. [Joint]. Patent RF. No. 170347, 2017. © Кукушкин Е. В., Кукушкин С. В., Меновщиков В. А., Семенуха О. В., 2017

578

Механика специальных систем

УДК 66.015.23 РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ СТУПЕНИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НУЖД

А. В. Кустов*, В. Г. Межов, П. В. Цаплин, А. А. Карелина Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Анализ возможных путей интенсификации масоопередачи (то есть переноса газа в жидкость) в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. В связи с этим применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков пара на ступени и предотвращает капельный унос жидкости за счет действия силы инерции. Ключевые слова: ректификация, режимы работы, контактные ступени, эффективность работы, коэффициент массопередачи. RECTIFICATION STEPS TO SEPARATE MIXTURES FOR BIOTECHNOLOGICAL NEEDS

A. V. Kustov*, V. G. Mezhov, P. V. Tsaplin, A. A. Karelina Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article analyses intensification of mass transfer of possible paths (i.e., a gas transfer into the liquid) to a gasliquid system; it shows that the use of these processes for the structures of bubbling devices do not significantly improve performance and efficiency. In this regard, the use of centrifugal acceleration is the simplest method to intensify mass transfer. Rotating flow contributes to the fragmentation of vapor bubbles at the stage and it prevents droplet entrainment of liquid by the action of inertial forces. Keywords: distillation, modes of operation, the contact stage, efficiency, mass transfer coefficient. Массообменные процессы широко распространены в нашей жизни. К ним относятся, абсорбция – аквариумы, очистительные сооружения, микробиологическое производство (где кислород необходим для жизнедеятельности микроорганизмов); а также ректификация – разделение смесей, применяемых при микробиологических и биохимических процессах (гексан – хлороформ, дихлорметан – этанол). Компоненты применяемых смесей обладают высокой стоимостью и наносят вред экологии, поэтому их необходимо разделять, с целью возврата в технологический процесс и минимизации вреда экологии. Исследовались конструкции контактных ступеней со следующими завихрителями: тангенциальные с различным конструктивным выполнением (рис. 1) [1]. В зависимости от нагрузки по пару (газу), на контактных ступенях наблюдается определенный гидродинамический режим течения газа и жидкости (рис. 2): барбатажный, кольцевой и пленочный [2]. Как показают исследования адиабатной ректификации [1; 2] гидролизного этилового спирта, эффективность контактных ступеней в барботажном режи-

ме составила Ey = 0,3–0,4 (рис. 2), что не противоречит известным данным. В кольцевом режиме течения эффективность контактной ступени возрастает в 1,7–2,0 раза, что вызвано увеличением межфазной поверхности и турбулентностью. Дальнейшее увеличение скорости пара при пленочном режиме не приводит к резкому повышению эффективности ступени, что также отмечалось в работе. Величина эффективности, рассчитанная через число теоретических и действительных тарелок с использованием измеренной концентрации этанола в паре на верхней (21) ступени колонны (точки 2 на рис. 2), составила (1) Ey = 0,5–0,75. При λ > 1 для расчета эффективности контактной ступени наиболее приемлемо уравнение (2), предложенное в работе на основе модели идеального перемешивания (пунктирная линия на рис. 2, а)

579

Ey =

N oy 1 + N oy

.

(2)

Решетневские чтения. 2017

 

 

 

а

    

б

                            в

 

Рис. 1. Конструкции исследованных тангенциальных завихрителей Eу

0,7 0,6 - 1; - 2; - 3.

0,5 0,4 кольцевой режим

пленочный

0,3 0,2 5

10

15

20

u, м/c

Рис. 2. Зависимость эффективности контактной вихревой ступени с тангенциальным завихрителем от скорости паров в каналах: при Dс = 0,1 м, Rз = 0,44, n = 36 шт., δо = 1 мм, V = 150 мл, Rф = 0,8– 1,5. Экспериментальные точки: 1 – m = 1; 2 – 0,2; 3 – 0,75

Библиографические ссылки

References

1. Войнов Н. А., Николаев Н. А., Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне. Химическая промышленность. 2008. № 4. С. 730–735. 2. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья : автореф. дис. … канд. техн. наук; 05.21.03 ; Сиб. гос. техн. ун-т. Красноярск, 2010. 3. Исследование скорости вращения газожидкостной смеси на вихревой ступени при ректификации / А. В. Кустов [и др.] // Решетневские чтения. 2016, Т. 1, № 20. С. 421–424. 4. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание. 2005. 288 с. 5. Войнов Н. А, Жукова О. П., Николаев Н. А. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрителями. Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44, № 2. С. 1–8.

1. Voynov N. A., Nikolayev N. A., Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen v vikhrevoy rektifikatsionnoy kolonne. KHimicheskaya promyshlennost’. 2008, № 4. Pp. 730–735. 2. Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen na vikhrevykh rektifikatsionnykh stupenyakh pri pererabotki rastitel’nogo syr’ya : avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk; 05.21.03 / A. V. Kustov ; Sib. gos. tekhn. un-t. Krasnoyarsk, 2010. 3. Issledovaniye skorosti vrashcheniya gazozhidkostnoy smesi na vikhrevoy stupeni pri rektifikatsii / A. V. Kustov [et al.] // Reshetnevskiye chteniya. 2016. Vol. 1, No. 20. Pp. 421–424. 4. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvukhfaznykh zakruchennykh turbulentnykh techeniy v vikhrevykh separatorakh. Kazan’ : Novoye znaniye. 2005. 288 p. 5. Voynov N. A, Zhukova O. P., Nikolayev N. A. Gidrodinamika vikhrevoy stupeni s tangentsial’nymi zavikhritelyami. Teoreticheskiye osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2010. Vol. 44, No. 2. Pp. 1–8. © Кустов А. В., Межов В. Г., Цаплин П. В., Карелина А. А., 2017

580

Механика специальных систем

УДК 66.015.23 УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ГАЗО-ЖИДКОСТНОГО СЛОЯ НА ВИХРЕВОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ СТУПЕНИ

А. В. Кустов*, Н. А. Артищева, П. С. Шастовский, Е. В. Васильченко Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Анализ путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. В связи с этим применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Ключевые слова: угловая скорость, ректификация, контактная ступень, газо-жидкостный слой. CORNER SPEED OF GAS-LIQUID LAYER ON THE VORTEX RECTIFICATION STAGE

A. V. Kustov*, N. A. Artischeva, P. S. Shastovsky, E. V. Vasilchenko Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article analyses the ways to intensify mass transfer in a gas-liquid system; it shows that the use of bubbling apparatus to carry out these processes does not provide a significant increase in productivity and efficiency. In this connection, the application of centrifugal acceleration is the simplest method of intensifying mass transfer. Keywords: angular velocity, rectification, contact stage, gas-liquid layer. Схема стенда (рис. 1) для исследования гидродинамики включает в себя цилиндр, выполненный из оргстекла толщиной 1–2,5 мм, диаметр которого составляет до 250 мм, завихритель 4 и система воздухообеспечения 1.

H

Жидкость

d

4

3 Hд

2

Hc

Dз Dc

1

5

ходящих из каналов, показывает их некоторое различие в траектории движения. Для тангенциальных контактных ступеней происходит движение газа от центра к периферии аппарата. Для изученных контактных ступеней, при малых расходах газа наблюдается барботажный режим, характеризующийся перемещением одиночных пузырей в жидкости. При увеличении расхода наблюдается струйное течение газа. При достижении определенной скорости газа в каналах (uкр), наблюдается кольцевой режим, сопровождающийся вращением газо-жидкостного слоя. Для получения развитой межфазной поверхности при низкой скорости газа в каналах и невысоком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения [1–3]. Исходя из теоремы об изменении кинетического момента, определим связь между угловой скоростью газо-жидкостного слоя на ступени и ее конструктивными параметрами [4]: J

Рис. 1. Стенд для исследования гидродинамики: 1 – компрессор; 2 – вентиль; 3 – диафрагма; 4 – тангенциальный завихритель; 5 – гидрозатвор

В зависимости от нагрузки по газу наблюдается определенный режим течения газа и жидкости. Визуальное наблюдение за перемещением струй газа, вы-

dw = M вр − M тр , dt

(1)

где J – момент инерции, Н·м; w – угловая скорость, с–1; t – время, с; Мвр – момент, обеспечивающий вращение газо-жидкостного слоя, Н·м; Мтр – момент сил трения о стенки и дно ступени, Н·м. Момент, обеспечивающий вращение газо-жидкостного слоя на ступени с тангенциальным завихрителем

581

Решетневские чтения. 2017

Приняв, что скорость вращения газо-жидкостного слоя у стенки uг–ж = wRc, поверхность контакта струй газа, выходящих из каналов завихрителя, с жидкостью f = n·ld ·h, получим

λ г − ж ρг ⋅ u 2 ⋅ ⋅ f + f стр Rз ⋅ сosα, (2) 8 2

(

M вр = τг − ж ⋅ S ⋅ R =

)

где τг–ж – касательные напряжения между слоями вращающегося газо-жидкостного потока, Па; S – площадь контакта газа с жидкостью, м2; λ г − ж – коэффициент трения на межфазной поверхности; u – скорость газа в канале завихрителя, м/с; f – площадь каналов завихрителя, м2; fстр – площадь струй газа, м2; α – угол наклона каналов завихрителя, град. Момент сил трения о стенки и дно ступени M тр =

λ o ⋅ρг − ж ⋅ uг2− ж ⋅ π ⋅ Rc2 − R12 8

(

)(R

c

− R1 ) ,

2 ⎤ ⎡λ uкр ( f + f cn ) cos α г − ж ρг ⎢ ⎥ w= ⎢ λ 0 ρг − ж π Rc2 − R12 ( Rc − R1 ) Rc2 ⎥ ⎣ ⎦

(

dw λ г − ж ρг ⋅ u 2 = ⋅ f + f стр Rз сosα − dt 8 2 λ ⋅ ρ ⋅ u2 − o г − ж г − ж π ⋅ Rc2 − R12 ⋅ ( Rc − R1 ) . 8

(

)

(

)

(3)

(4)

а

б

в

Рис. 2. Режимы газо-жидкостной смеси на ступени: пенный режим (а); кольцевой режим (б); пленочный режим (в) Dс = 114 мм, Rз = 44 мм wоп c-1

wоп c-1

10

10

8

8

6

6 4

4

- 1; - 2.

2

- 1; - 2.

2 0

0 30

40

50

60

,

(6)

где n – количество каналов; ld – ширина канала на выходе, равная дуге окружности, м; h – высота канала, м. Согласно полученным данным, наблюдается равномерное движение газо-жидкостного слоя на стенке. Вместе с тем, величина угловой скорости газожидкостных слоев уменьшается с увеличением расстояния от завихрителя, что свидетельствует о наличии трения между газо-жидкостными слоями. Экспериментальные значения угловой скорости, представлены на рис. 3. Расчетные значения угловой скорости (пунктирная линия на рис. 3, а) не согласуются с опытными. Это вызвано тем, что при выводе уравнения (6) газожидкостный слой представляли как твердое тело, то есть не учитывались касательные напряжения между вращающимися слоями пены.

где uг–ж – скорость газо-жидкостной смеси, м/с; λо – коэффициент трения смеси о стенки аппарата; R1 – расстояние от завихрителя до стенки царги, м. Тогда, согласно (3) имеем J

)

0,5

R, мм

30

а

40

50

60

б

Рис. 3. Зависимость угловой скорости газо-жидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах при u = uк: а) Rc = 74 мм, δ0 = 1 мм, h = 5 мм, V = 400 мл. Экспериментальные точки (1; 2): 1 – Rз = 44 мм; 2 – Rз = = 65 мм. Пунктирная линия расчет по уравнению (6) Rc = 74 мм, Rз = 65 мм, δ0 = б) 1 мм, h = 5 мм, V = 400 мл. Экспериментальные точки (1; 2): 1 – n = 50 шт; 2 – n = 20

582

70

R, мм

Механика специальных систем

Библиографические ссылки

1. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание. 2005. 288 с. 2. Войнов Н. А, Жукова О. П., Николаев Н. А. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрителями. Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44, № 2. С. 1–8. 3. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья : автореф. дис. … канд. техн. наук; 05.21.03. Красноярск : Изд-во СибГТУ, 2010. 4. Яблонский А. А., Никифорова В. М. Курс теоретической механики. М. : Высш. шк., 1996. 440 с. References

separatorakh [Dynamics of two-phase swirling turbulent flows in vortex separators]. Kazan’ : Novoe znanie. 2005. 288 p. 2. Voynov N. A, Zhukova O. P., Nikolaev N. A. Gidrodinamika vikhrevoy stupeni s tangentsial’nymi zavikhritelyami [Hydrodynamics of a vortex stage with tangential swirls]. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2010. Vol. 44, № 2. Pp. 1–8. 3. Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen na vikhrevykh rektifikatsionnykh stupenyakh pri pererabotki rastitel’nogo syr’ya [Hydrodynamics and mass transfer on vortex rectification stages during processing of plant raw materials]. Avtoreferat dis. … kand. tekhn. nauk; 05.21.03. Krasnoyarsk : SibGTU, Publ.. 2010. 4. Yablonskiy A. A., Nikiforova V. M. Kurs teoreticheskoy mekhaniki [Course of Theoretical Mechanics]. M. : Vyssh. shk., 1996. 440 p.

1. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvukhfaznykh zakruchennykh turbulentnykh techeniy v vikhrevykh

583

© Кустов А. В., Артищева Н. А., Шастовский П. С., Васильченко Е. В., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.833.12 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗУБЬЕВ ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧИ

Р. С. Лукин*, Л. А. Силкина Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * E-mail: [email protected] Описано использование метода подмоделирования применительно к расчету взаимодействия пары зубьев волновой зубчатой передачи, выступающей выходным звеном привода космического аппарата. Ключевые слова: волновая зубчатая передача, контактная задача, подмоделирование, метод конечных элементов, кромочное взаимодействие. MODELING CONTACT INTERACTION OF HARMONIC DRIVE TEETH

R. S. Lukin*, L. A. Silkina Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article describes using the submodeling method with reference to the calculation of a teeth pair interaction of a harmonic drive, the output stage of a space vehicle. Keywords: harmonic drive, contact problem, submodeling, finite element method, edge interaction. Введение. Наиболее часто в состав электромеханических приводов космических аппаратов входит волновая зубчатая передача (ВЗП), которая выступает в качестве выходного звена привода [1]. И за счет своего большого передаточного отношения позволяет снизить кинематическую погрешность промежуточных ступеней, приведенную к выходному звену. Однако анализ контактного взаимодействия ВЗП связан с рядом сложностей: корректное определение зазоров с учетом растяжения гибкого колеса под действие рабочего момента [2; 3]. Одним из решений по анализу контактного взаимодействия является использование метода конечных элементов [4]. Он позволяет достаточно точно определить распределение усилий между зубьями, однако, ввиду ограничения по количеству степеней свободы и большого количества взаимодействующих зубьев не всегда удается получить точную картину распределения контактных давлений и эквивалентных напряжений вдоль высоты зуба. Основная часть. Одним из решения проблемы большого количества степеней свободы в конечноэлементной модели является применение технологии подмоделирования [5]. В случае решения контактной задачи она позволяет импортировать значения перемещения из основной модели с более грубой сеткой на подмодель зоны контакта пары зубьев с более мелкой сеткой. При этом в подмодели в качестве граничных условий будут выступать перемещения, что существенно повышает скорость сходимости контактной задачи. В качестве основных рекомендаций, применяемых к настройке контактных пар, применялись рекомендации из источника [5].

На рис. 1 показан результат подмоделирования двух зубьев ВЗП, нагруженных удельным моментом 20 Н·м (число зубьев гибкого и жесткого колеса: Z1 = 154 и Z2 = 156, модуль m = 0,4 мм). В случае кромочного контакта возможно появление сингулярности, для ее исключения возможен ввод фиктивного радиуса, равного малой доле размера конечного элемента в зоне контактна основной модели. Результаты расчета подмодели без радиуса (подмодель 1) и с радиусом (подмодель 2), показаны ниже (рис. 2). Как видно из графика, в случае ввода фиктивного радиуса контактные напряжения в зоне кромочного контакта ограничены значением 2200 МПа, дальнейшее сгущение сетки в данной области также не приводит к увеличению контактных напряжений. Критерием оценки адекватности настройки подмодели является оценка силы реакции при контакте исследуемых зубьев (см. рис. 1). В случае основной модели величина нормальной реакции составила 52,649 Н; подмодели без введения скруглений: 52,924 Н (погрешность 0,5 %); подмодели с введение скруглений: 53,422 (погрешность 1,5 %). Заключение. Из результатов анализа видно, что подмоделирование применимо при поиске уточненного решения контактной задачи при моделировании взаимодействия звеньев ВЗП. Более густая сетка позволяет получить более приближенные к реальности значения контактных давлений. При этом, как видно из рис. 2, контактные давления в среднем в два раза больше на участке 0,3–0,4 модуля. Внесение незначительных коректировкок геометрии позволяет добиться устранения эффекта сингулярности при сохранении приемлемой точности решения.

584

Механика специальных систем

Рис. 1. Результаты расчета эквивалентных напряжений основной модели и подмодели, МПа

Рис. 2. Распределение напряжений вдоль линейной координаты зуба, МПа

Библиографические ссылки

References

1. Тимофеев Г. А., Самойлова М. В. Сравнительный анализ схемных решений приводов с волновыми зубчатыми передачами для следящих систем // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2015. № 4 (103). С. 109–118. 2. Люминарский С. Е., Люминарский И. Е. Исследование интерференции зубьев в нагруженной волновой зубчатой передаче // Известия вузов. Машиностроение. 2015. № 4 (661). С. 12–19. 3. Тимофеев Г. А., Барбашов Н. Н. Исследование характера распределения боковых зазоров между рабочими профилями зубьев волновых передач с различными исходными параметрами // Известия вузов. Машиностроение. 2014. № 9 (654). С. 60–66. 4. Лукин Р. С., Усаков В. И., Вавилов Д. В. Моделирование взаимодействия звеньев волновых зубчатых передач // Вестник СибГАУ. 2013. № 1 (47). С. 118–122. 5. Лукин Р. С., Силкина Л. А. Об особенностях применения технологии подмоделирования для решения контактных задач // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке : сб. ст. по матер. I междунар. науч.-практ. конф. № 1(1). Новосибирск : СибАК, 2017. С. 54–62.

1. Timofeev G. A., Samoylova M. V. [Comparative analysis of the wave gear drive kinematic diagram for servo-type mechanisms] Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2015. No. 4(109). P. 109–118. (In Russ.) 2. Lyuminarskiy S. E., Lyuminarskiy I. E. [Analysis of meshing interference in a loaded harmonic drive]. Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building. 2015. no. 4 (661). P. 12–19. (In Russ.) 3. Timofeev G. A., Barbashov N. N. [Studying the backlash of wave gears with external wave generators] Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building. 2014. no. 9 (654). P. 60–66. 4. Lukin R. S., Usakov V. I., Vavilov D. V., Iptyshev A. A. [Modeling the interaction of the wave gear units] Vestnik SibGAU. 2013. No. 1 (47), P. 118–122. 5. Lukin R. S., Silkina L. A. [About the peculiarity of applying the submodeling technology for solving contact problems]. Eksperimental'nye i teoreticheskie issledovaniya v sovremennoy nauke: sb. st. po mater. I mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Materials I Intern. Scientific. Conf “Experimental and theoretical research in contemporary science”]. Novosibirsk, 2017, P. 54–62. © Лукин Р. С., Силкина Л. А., 2017

585

Решетневские чтения. 2017

УДК 62-233.2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОТОРА В МАГНИТНОМ ПОДВЕСЕ С МНОГОПОЛЮСНЫМ ОСЕВЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДШИПНИКОМ

М. В. Поляков АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: [email protected] Рассмотрена математическая модель системы «гибкий несимметричный ротор – активный магнитный подвес с многополюсным осевым электромагнитным подшипником» для электродвигателя-маховика системы ориентации космического аппарата. Ключевые слова: электромагнитный подшипник, критическая скорость, диаграмма Кэмпбелла, электродвигатель-маховик. MATHEMATICAL MODEL OF ROTOR IN MAGNETIC SUSPENSION WITH MULTIPOLAR AXIAL ELECTROMAGNETIC BEARING

M. V. Polyakov JSC “Scientific & Industrial Centre “Polyus” 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected] The paper presents the math model of flexible asymmetric rotor, rotating in active magnetic suspension with multipolar axial electromagnetic bearing for reaction wheel of spacecraft attitude control system. Keywords: active magnetic bearing, critical speed, Campbell diagram, reaction wheel. Введение. При разработке магнитного подвеса ротора электродвигателя-маховика системы ориентации космического аппарата важно исключить резонансы из рабочего диапазона частоты вращения ротора, в том числе вызванные его собственными формами колебаний. Это достигается повышением жесткости конструкции ротора, однако сопровождается увеличением как его массы, так и массы других узлов электродвигателя-маховика: магнитных подшипников, страховочных опор и т. д. Поэтому для увеличения критических скоростей системы «ротор– активный магнитный подвес» предлагается использовать многополюсный осевой электромагнитный подшипник (МОЭМП), представляющий собой совокупность отдельных осевых электромагнитов, расположенных по окружности вокруг оси ротора [1]. Модель ротора в активном магнитном подвесе. Для определения характера влияния МОЭМП на критические скорости рассматривается модель несимметричного гибкого ротора массой M (рис. 1), условно разделенного на вал 1 и обод-диафрагму 2. Модель имеет шесть обобщенных координат: линейные перемещения вала совместно с ободом-диафрагмой x, y, угловые перемещения вала φв, θв и обода-диафрагмы φд, θд. Радиальный магнитный подвес характеризуется главной жесткостью при поперечных перемещениях

С, главной жесткостью при угловых перемещениях Rв, побочной жесткостью N. Осевой подвес характеризуется главной жесткостью при угловых перемещениях Rо. Решения уравнения Лагранжа для каждой обобщенной координаты [2–5] представляют собой математическую модель ротора: ⎧ Mx + Сx + N ϕв = Fп cos ( ωt + ϕ ) ; ⎪ ⎪ My + Сy + N θв = Fп sin ( ωt + ϕ ) ; ⎪  в + J о.в ωθ в + Nx + ( Rв + Rд ) ϕв − Rд ϕд = ⎪ J э.в ϕ ⎪= M cos ωt + ϕ ; ( ) п ⎪ ⎪J ϕ  ⎪ э.д  д + J о.д ωθд + ( Rд + Rо ) ϕд − Rд ϕв = ⎨ ⎪= M п cos ( ωt + ϕ ) ; ⎪  ⎪ J э.в θв − J о.в ωϕ в + Ny + ( Rв + Rд ) θв − Rд θд = ⎪= M sin ( ωt + ϕ ) ; п ⎪ ⎪ J э.д  θд − J о.д ωϕ д + ( Rд + Rо ) θд − Rд θв = ⎪ ⎪⎩= M п sin ( ωt + ϕ ) ,

где Jэ.в, Jо.в, Jэ.д, Jо.д – экваториальный, осевой моменты инерции вала и обода-диафрагмы; ω – угловая скорость ротора; Fп, Mп – помеховая сила и момент сил.

586

Механика специальных систем

Рис. 1. Модель несимметричного гибкого ротора

a

б

Рис. 2. Диаграммы Кэмпбелла для ротора в активном магнитном подвесе: без МОЭМП (а); с МОЭМП (б) Критические скорости в рабочем диапазоне частот вращения ротора Критическая скорость ротора, рад/с

Форма колебаний

без МОЭМП

с МОЭМП

Угловые колебания, обратная прецессия

90,7

–

Угловые колебания, прямая прецессия

466,7

–

Радиальные колебания жесткого ротора

527,2

504,4

Результаты расчета. Решения системы уравнений в виде диаграмм Кэмпбелла для системы без МОЭМП (Rо = 0, рис. 2, а) и при использовании МОЭМП (Rо > 0, рис. 2, б) показывают, что с увеличением жесткости МОЭМП Rо возрастают критические скорости системы, связанные с угловыми колебаниями ротора, и можно добиться их отсутствия в рабочем диапазоне частот вращения (таблица).

Заключение. Применение многополюсного осевого электромагнитного подшипника позволяет управлять поворотами ротора вокруг поперечных осей и собственными угловыми колебаниями его обода относительно вала, что повышает точность регулирования углового положения ротора, жесткость и критические скорости системы активного магнитного подвеса.

587

Решетневские чтения. 2017

Библиографические ссылки

References

1. Поляков М. В. Исследование влияния коэффициента жесткости осевого электромагнитного подшипника на собственные частоты ротора электродвигателя-маховика // Решетневские чтения : материалы XX юбилейной междунар. науч.-практ. конф. (9–12 нояб. 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. Ч. 1 / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2016. С. 424–426. 2. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. СПб. : Политехника, 2003. 206 с. 3. Сарычев А. П., Руковицын И. Г. Математическая модель ротора для анализа управления магнитными подшипниками // Вопросы электромеханики. 2008. Т. 107. С. 11–15. 4. Абдурагимов А. С., Верещагин В. П., Рогоза А. В. Идентификация динамических свойств ротора в системе магнитного подвеса // Вопросы электромеханики. 2014. Т. 143. С. 7–10. 5. Леонтьев М. К., Давыдов А. Л., Дегтярев С. А. Динамика роторных систем, опирающихся на магнитные подшипники // Газотурбинные технологии. 2011. № 3. С. 16–22.

1. Polyakov M. V. [Impact of axial active magnetic bearing stiffness coefficient on resonance frequencies of reaction wheel rotor]. Materialy XX yubileynoy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XX Intern. Scientific and Practical Conf. «Reshetnev reading»]. Krasnoyarsk, 2016. Vol. 1. Р. 424– 426. (In Russ.) 2. Zhuravlev Yu. N. Aktivnye magnitnye podshipniki: Teoriya, raschet, primenenie. [Active magnetic bearings: Theory, design, application]. St. Petersburg, Politekhnika, 2003, 206 p. 3. Sarychev A. P., Rukovitsyn I. G. [Mathematical model of rotor for the analysis of the magnetic bearing control]. Voprosy elektromekhaniki. 2008. Vol. 107, Р. 11–15. (In Russ.) 4. Abduragimov A. S., Vereshchagin V. P., Rogoza A. V. [Identification of rotor dynamics in the magnetic suspension system]. Voprosy elektromekhaniki. 2014, Vol. 143, P. 7–10. (In Russ.) 5. Leont’ev M. K., Davydov A. L., Degtyarev S. A. [The dynamics of rotor systems supported by magnetic bearings]. Gazoturbinnye tehnologii. 2011, No. 3, Р. 16–22. (In Russ.) © Поляков М. В., 2017

588

Механика специальных систем

УДК 621.865.8 ПОСТРОЕНИЕ ПРИВОДА РОБОТА, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ

А. А. Пронин1*, Г. Х. Сальников1, 2 1

АО «НПО Андроидная техника» Российская Федерация, 455001, г. Магнитогорск, ул. Герцена, 6 2 Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова Российская Федерация, 455000, г. Магнитогорск, просп. Ленина, 38 * Е-mail: [email protected] Предложен способ подготовки робота космического исполнения к запуску в работу после длительных пауз. Для подогрева конструкции предлагается использовать штатные двигатели с введением в систему векторного управления дополнительного контура регулирования угла опережения. Ключевые слова: вентильный двигатель, манипулятор, векторное управление, низкоорбитальная станция, перепады температур. CONSTRUCTING AN ACTUATOR OF A ROBOT FUNCTIONING IN OPEN SPACE

A. A. Pronin1*, G. H. Salnikov1, 2 1

JSC “SPA “Android technics” 6, Herzen Str., Magnitogorsk, 455001, Russian Federation 2 Nosov Magnitogorsk State Technical University 38, Lenin Av., Magnitogorsk, 455000, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The research proposes a method of preparation of a space robot for actuation after long pauses. The article focuses on use of operational drivers in conjunction with including additional advance angle control loop into the multivariate control system for construction heating. Keywords: a converter-fed motor, manipulator, multivariate control, low orbit space station, temperature extremes. Космическая робототехника – одно из перспективных направлений развития современной космонавтики. Определилась тенденция использования роботов на МКС, для выполнения работ в открытом космосе из состава полетных заданий космонавтов. Успешно эксплуатируется Canadarm, как передвижная обслуживающая система для перемещения оборудования и поддержки космонавтов, работающих в открытом космосе [1]. В состав системы входит рука (Space Station Remote Manipulator), мобильная базовая система (Mobile Base System), гибкий манипулятор специального назначения (Dexter). Для выполнения работ, связанных с ремонтом и заменой оборудования, предполагается использовать антропоморфных роботов. Кинематика такого робота максимально приближена к двигательным возможностям человека, что позволяет выполнять сложные движения необходимые для исполнения полетных заданий. В 1997 г. НАСА запустила программу Robonaut. В 2011 г. антропоморфный робот доставлен на борт МКС [2]. Его используют для решения «медицинских задач» под управлением докторов, находящихся на Земле. Цель программы – исследование возможности передачи роботу повторяющиеся работы. ПАО «НПО «AT» создало робота SAR-401, в 2013 г. в ЦПК были успешно пройдены испытания по выполнению основных действий, требуемых на борту (работа с оборудо-

вание МКС в копирующем режиме). SAR-401 имеет 28 степенней подвижности и суммарную мощность электроприводов более 1,3 кВт. В настоящее время «НПО «AT» ведет активные разработки конструкции и системы управления антропоморфным роботом [3; 4]. Подобные системы строят на основе электромеханических узлов, к которым предъявляются особые требования с учетом специфики условий эксплуатации: возможность работать в вакууме; работоспособность от –40 до +80 °С [5]; большой срок службы и повышенная надёжность; высокий КПД. Так как робот эксплуатируется в вакууме, то обмен тепла осуществляется посредством излучения. Основные источники излучения на околоземной орбите – это солнце и Земля. Благодаря инфракрасному излучению земли, средняя температура на борту МКС составляет порядка –18 °С [6]. Однако в зависимости от многих факторов, таких как материал обшивки, площадь поверхности, направленная к и от солнца и т. д., температура манипулятора может сильно отличаться от средней. Робот должен обеспечивать работу в заданных условиях с требуемой точностью позиционирования и скоростью перемещения. Работоспособность робота при экстремальных температурах обеспечивает система тепловой защиты, активная и пассивная [6]. Пассивная строится на спе-

589

Решетневские чтения. 2017

циальном материале с нужным коэффициентом поглощения света. Активная, например, используемая на Canadarm – на электрических нагревательных элементах [1]. Периодичность работы робота определяет нестабильность его температуры, предшествующая запуску в работу. В наиболее неблагоприятной ситуации действия начинаются при температуре, не превышающей –20 ºC. Для выхода на нормативные параметры по скорости и крутящему моменту, необходимо выполнить «подогрев» всего робота до температуры не менее +20 ºC. Для этих целей возможно использование нагревательных элементов. Однако этот подход является затратным по массе, и усложняет конструкцию робота. Более перспективным является использование для «прогрева» конструкции приводных двигателей, работающих на начальном этапе с малым КПД. В качестве двигателей, обеспечивающих движение по степеням подвижности робота целесообразно использовать бесколлекторные вентильные двигатели [7]. Наиболее предпочтительным методом управления бесколлекторным двигателем является «векторное управление». Традиционная система векторного управления состоит из следующих блоков: координатных преобразований, управления инвертором в режиме ШИМ модуляции базовых векторов, компенсации ЭДС вращения, измерения скорости и электрического положения, вычисления потокосцеплений (Ψq, Ψd), а также 3-х цифровых регуляторов тока статора по осям d и q и возбуждения (см. рисунок). Для получения оптимального момента на валу двигателя в структуре управления дополнительно вводят коррекцию угла коммутации (Θ). Коррекция

осуществляется программной добавкой в зависимости от скорости вращения к углу коммутации. Такая коррекция может привести как к увеличению КПД двигателя, так и к его уменьшению, так как связана с вектором магнитного поля. Для «подогрева» двигателя используют корректировку угла коммутации. При этом возможно два сценария работы: предварительный прогрев и подогрев в процессе работы. В первом случае задается такое смещение (Θ), чтобы положение ротора совпадало с вектором тока и устанавливаем iq пропорционально требуемой температуре нагрева. В таком положении магнитный поток будет удерживать ротор вдоль ближайшего к нему полюсу, ротор останется неподвижным, а ток, протекающий через обмотки статора, будет его разогревать. Корректировать угол коммутации можно и во время работы двигателя, в зависимости от температуры окружающей среды, т. е. за счет уменьшения КПД двигателя нагревать его, так как корпус двигателя является корпусом конструкции робота, такая регулировка будет поддерживать рабочий диапазон температур. Такое решение позволяет значительно упростить конструкцию. В контур управления необходимо добавить пропорциональный регулятор, корректирующий угол коммутации обмоток. В качестве обратной связи используется температура окружающей среды. Смещение угла добавляется на выход блока измерения скорости и положения. Регулирование ограничивается в пределах, исключающих выход точности и скорости позиционирования. Так как используется каскадный регулятор положения, то необходимо подбирать различные наборы коэффициентов регулятора тока, соответствующим вариантам углам коммутации.

Структурная схема векторного управления вентильным индукционным двигателем

590

Механика специальных систем

Нагревательная способность одного привода небольшая, порядка 40–80 Вт, однако в роботе используется от 10 до 40 приводов, что суммарно дает от 0,5 кВт. Преимущества изложенного подхода к «подогреву» робота над нагревательными элементами очевидны: повышение надежности, за счет отсутствия дополнительного оборудования, сокращение расходов на производство и эксплуатацию. Библиографические ссылки

1. The Shuttle Remote Manipulator System – The Canadarm. IEEE Canada. URL: http://www.ieee.ca/ millennium/canadarm/canadarm_technical.html. 2. R2 – Mission to the International Space Station. NASA. URL: https://robonaut.jsc.nasa.gov/R2/pages/ iss-mission.html. 3. Жиденко И. Г., Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Сычков В. Б. Обоснование выбора структурной схемы роботов космического исполнения // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12–14 нояб. 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. Ч. 1. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Красноярск, 2013. С. 278–280. 4. Разработка антропоморфного робота с интерактивным управлением / А. А. Богданов [и др.] // Необратимые процессы в природе и технике : труды VIII Всерос. конф. / Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. С. 228–230. 5. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Spacecraft thermal control. 2012. 329 с. 6. Spacecraft thermal control handbook / edited by D. G. Gilmore. 2002. 24 с. 7. Чуев П. В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров : дис. … канд. техн. наук. Моск. энерг. ин.-т. М., 2002. 254 с.

References

1. The Shuttle Remote Manipulator System – The Canadarm. IEEE Canada. URL: http://www.ieee.ca/ millennium/canadarm/canadarm_technical.html. 2. R2 – Mission to the International Space Station. NASA. URL: https://robonaut.jsc.nasa.gov/R2/pages/issmission.html. 3. Bogdanov A. A., Sychkov V. B., Zhidenko I. G., Kutlubaev I. M. [Justification of choice of space robot structural scheme] Мaterialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVII Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2013. Pat. 1. Рp. 278–280. (In Russ.) 4. Razrabotka antropomorfnogo robota s interaktivnym upravleniem. [Development of an anthropomorphic robot with interactive control] / A. A. Bogdanov [et al.] // Neobratimye processy v prirode i tehnike: trudy VIII Vseros. konf. [Irreversible processes in nature and technology: the proceedings of the Eighth All-Russian Conference]. Min-vo obrazovanija i nauki Ros. Federacii, Mosk. gos. tehn. un-t im. N. Je. Baumana. M. : MGTU im. N. Je. Baumana. 2015. Pp. 228–230. 5. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Spacecraft thermal control. 2012. 329 p. 6. Spacecraft thermal control handbook / edited by D. G. Gilmore. 2002. 24 p. 7. Chuev P. V. Razrabotka sistem vektornogo upravlenija asinhronnymi privodami na baze specializirovannyh signal’nyh mikrokontrollerov: dis. kand. tehn. nauk. [Development of vector control systems for asynchronous drives on the basis of specialized signal microcontrollers. cand. tech. sci dis]. Mosk. jenerg. in.-t. M., 2002. 254 р.

591

© Пронин А. А., Сальников Г. Х., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.81 ПРИМЕНЕНИЕ ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС В РЕДУКТОРАХ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Ю. Р. Сайфетдинова АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected] Рассмотрены цилиндро-конические зубчатые передачи и приведены их преимущества над традиционными зубчатыми передачами. Ключевые слова: цилиндро-коническая передача, неэвольвентное зацепление, зубчатая передача, редуктор, космическая техника. APPLYING CYLINDRICAL-CONICAL WHEELS IN REDUCERS OF SPACE TECHNOLOGY

Y. R. Sayfetdinova JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected] The article considers cylinder -bevel gears and their advantages over traditional gear drives. Keywords: cylinder-bevel gear, non-evolute gearing, gearing, reducer, space technology. В машиностроении широко применяются зубчатые передачи. В основном это цилиндрические, планетарные, конические, червячные, волновые передачи, строящиеся на базе цилиндрических и конических прямозубых и косозубых зубчатых колес с эвольвентным профилем. Каждая из этих передач имеет свои достоинства и свои недостатки, и вместе они позволяют более или менее успешно решать задачи, стоящие перед редукторостроением. Однако есть класс зубчатых колес, недостаточно известный и незаслуженно забытый, который может придать новый импульс и создать новые возможности при проектировании зубчатых редукторов. В настоящее время исследование нетрадиционных передач, к которым можно отнести цилиндро-конические передачи (ЦКП), весьма актуально. Зубчатая передача, в которой одно из колес по форме заготовки является цилиндрическим, а другое – коническим, называется, по терминологии Я. С. Давыдова [1], цилиндро-конической зубчатой передачей. Известен ряд работ, посвященных ЦКП, Б. А. Лопатина [2; 3], Е. А. Полуэтова [3], О. Н. Цуканова [4] и др. Цилиндро-конические передачи (ЦКП) могут передавать вращение на пересекающихся и скрещивающихся осях, и как частные случаи – на параллельных осях и осях, пересекающихся под углом 90º. ЦКП внутреннего зацепления характеризуются малыми габаритами, высокой нагрузочной способностью, и поэтому используются в различных механизмах. Примером использования ЦКП на пересекающихся осях могут служить планетарные редукторы с наклонными сателлитами (РПНС) (см. рисунок). Такие

редукторы обладают рядом положительных характеристик, что и предопределило их применение в трансформируемых системах космических аппаратов нового поколения [3]. ЦКП имеют ряд преимуществ перед традиционными цилиндрическими или коническими передачами. Во-первых, одним из основных преимуществ таких передач является возможность получения таких компоновочных схем приводов, которые не могут быть реализованы с помощью традиционных передач [5]. Во-вторых, непостоянство модуля по ширине зуба позволяет регулировать боковой зазор в зацеплении осевым перемещением торцового колеса без нарушения правильности зацепления. В-третьих, в ЦКП имеется возможность изготовления колес передачи с более высокой точностью методом обкатки, чем у конической передачи методом зубострогания. ЦКП открывают перспективы новым компоновочным решениям и позволяют придать новые свойства известным компоновочным схемам. В таблице представлено сравнение некоторых видов ЦКП и традиционных передач. Однако широкое применение таких передач в редукторах конкретно на предприятии АО «ИСС» ограничено рядом проблем при получении рабочей поверхности зубьев неэвольвентной шестерни ЦКП по причине отсутствия специального оборудования. Итак, сравнение ЦКП и традиционных передач показывает, что имеются очевидные преимущества использования ЦКП в области редукторостроения космической техники. В соответствии с этим планируется ряд работ по рассмотрению вопросов данной тематики.

592

Механика специальных систем

Планетарный редуктор с прецессирующими сателлитами  Сравнение ЦКП и традиционных передач Аналог ЦКП Передача внешнего зацепления на параллельных осях

Традиционные передачи

Передача внутреннего зацепления на скрещивающихся осях

Такая компоновка невозможна в принципе

Передача внутреннего зацепления на пересекающихся осях

Такая компоновка невозможна в принципе

Передача внешнего зацепления на пересекающихся осях

Библиографические ссылки

References

1. Давыдов Я. С. Неэвольвентное зацепление. М. : МашГиз, 1950. 180 с. 2. Лопатин Б. А., Цуканов О. Н. Цилиндроконические зубчатые передачи : монография. Челябинск : ЮУрГУ, 2005. 200 с. 3. Лопатин С. Д., Полуэтов Е. А. Автоматизированный комплекс оценки характера контакта в цилиндро-конических передачах внутреннего зацепления. Южно-Урал. гос. ун-т. Златоуст. 4. Цуканов О. Н. Новые подходы к проектированию неэвольвентных зубчатых передач на базе эвольвентного исходного звена. Южно-Урал. гос. ун-т. Златоуст, 2003. 5. Калашникова Д. Б. Проектирование плоскоколесных зубчатых передач в обобщающих параметрах : дис. по ВАК 05.02.02. Челябинск, 2007. 149 с.

1. Davidov Ya. S. Neevolventnoe zaceplenie. M. : MashGiz, 1950. 180 p. 2. Lopatin B. A. Cilindro-konicheskie zubchatie peredachi : monogr. / B. A. Lopatin, O. N. Cukanov. Chelyabinsk : UUrGU Publ., 2005. 200 p. 3. Lopatin B. A., Poluetov E. A. Avtomatizirovanniy kompleks ocenki haraktera kontakta v cilindrokonicheskih peredachah vnutrennego zaceplenia “Uzhnoural. gos. un-t”, Zlatoust. 4. Cukanov O. N. Novie podhodi k proektirovaniu neevolventnih zubchatih peredach na base evolventnogo ishodnogo zvena “Uzhno-ural. gos. un-t”, Zlatoust, 2003. 5. Kalashnikova D. B. Proektirovanie ploskokolesnih zubchatih peredach v obobshaushih parametrah. Dis. po VAK 05.02.02. Chelyabinsk, 2007. 149 p.

593

© Сайфетдинова Ю. Р., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.313.13.1 УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКЕ

А. А. Фадеев1*, Н. А. Швалева1, М. Е. Иванов1, Д. С. Дудкевич2 1

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2 Муниципальное бюджетное образовательное учреждение Средняя школа № 64 Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, ул. Московская, 2 * Е-mail: [email protected]

Рассмотрен вариант использования линейного электродинамического привода для исследования контактного взаимодействия твердых тел во время статико-импульсной обработки детали. Показана схема и основные элементы установки на базе электродинамического привода. Ключевые слова: контактное взаимодействие, линейный электродинамический привод, статикоимпульсная обработка, удар. INSTALLATION ON THE BASIS OF THE LINEAR ACTUATOR FOR THE RESEARCH OF CONTACT INTERACTION OF SOLID BODIES UNDER STATIC AND PULSE TREATMENT

А. А. Fadeev1*, N. A. Shvaleva1, M. E. Ivanov1, D. S. Dudkevich2 1

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Municipal Self-sustaining General Education Institution School № 64 2, Moskovskaya Str., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The article demonstrates a variant of the linear electrodynamic actuator to study of contact interaction of solid bodies during the static-pulse processing of details. It shows a diagram and the basic elements of the facility based on an electrodynamic actuator. Keywords: contact interaction, the linear electro-dynamic actuator, static-pulse treatment of shock. Одним из наиболее прогрессивных методов обработки и упрочнения деталей является поверхностнопластическое деформирование (ППД). Одним из способов ППД является статико-импульсная обработка (СИО) [1–3], особенностью которой является комбинированное статическое и динамическое нагружение очага деформации. Данный способ выгодно отличается от известных динамических и статических способов обработки деталей как за счет более полного использования ударного импульса, так и возможностью регулировать равномерность упрочнения. Помимо этого изучение механизма контактного взаимодействия твердых тел имеет принципиальное значение для проектирования машин и оборудования, работающих в экстремальных условиях (технологические машины ударного и вибрационного действия, транспорт и т. д.). Анализ и учет при проектировании и эксплуатации всех динамических b статических факторов влияющих на технические характеристики машин и оборудования позволит повысить надежность машин и увеличить срок их службы. Сотрудниками СибГУ им. М. Ф. Решетнева была предложена усовершенствованная конструкция ударной установки (см. рисунок) на базе линейного элек-

тродинамического привода с типоразмером 60 мм (обозначение 2Л60L), со встроенным блоком питания и управления [4] для статико-импульсной обработки. При модернизации стенда были учтены факторы, влияющие на исследуемый объект: физико-механические свойства контактирующих тел, геометрические характеристики поверхностей, внешние условия (параметры статической нагрузи и удара). Стенд состоит из следующих основных элементов: блок питания 1, ударный линейный электропривод 2 на якоре которого закреплен боек 3, вспомогательный электропривод 4, создающий статическое давление, регистрирующая аппаратура 5 (осциллограф). Конструкция ударного линейного электропривода 2 хорошо описана в [4]. Конструкция вспомогательного электропривода 4, работающего в прессовом режиме, аналогична 2, но есть небольшие особенности: в качестве каркаса якоря используется волновод 6 с жестко закрепленным инструментом 7; для снятия статического нагружения используется пружина 8; для измерения параметров удара используется пьзодатчик 9, который установлен на нагружаемый образец 10. Сам образец расположен между плитой 11 и основанием 12 на стойках 13 установки.

594

Механика специальных систем

Ударная установка

Стенд работает следующим образом: при подаче напряжения с блока питания 2 на вспомогательный электропривод 4 происходит прижатие волновода 6 с инструментом 7 к образцу 10. Одновременно с блока питания 2 подается обратное напряжение на линейный электропривод 1 (реверсный режим), вследствие чего происходит вылет якоря с бойком 3 из зазора индуктора и удар по волноводу 6. В процессе удара записывают временной выходной сигнал датчика 9, (статические и ударные усилия) с помощью регистрирующих устройств 5. После удара и снятия напряжения со вспомогательного привода 4 пружина возвращает волновод 6 в исходное положение. Для удобства регулировки удара и статического усилия, а также плавной настройки стенда, разработана методика математическая модель [5; 6] расчета конструктивных и скоростных параметров работы линейного привода. Данная конструкция ударной установки позволит существенно улучшить процесс изучения контактного взаимодействия при статико-импульной обработки материала за счет более точной регулировки статического усилия и ударного импульса. Библиографические ссылки

1. Киричек А. В., Соловьев Д. Л., Лазуткин А. Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхности пластическим деформированием: Б-ка технолога. М. : Машиностроение, 2004. 228 с. 2. Чернявский Д. И., Чернявская Д. Д. Использование ударных механизмов в нанотехнологии // Вестник машиностроения. 2011. № 7. С. 58–60. 3. Соловьев Д. Л. Расширение технологических возможностей ППД статико-импульсным нагружением очага деформации : справочник // Инженерный журнал. 2003. № 11. С. 17–20. 4. Шестаков И. Я., Стрюк А. И., Фадеев А. А. Линейные электродинамические двигатели. Конструирование. Практическое использование : монография / СибГАУ. Красноярск, 2011. 148 с. 5. Фадеев А. А., Шестаков И. Я., Ереско Т. Т. Математическая модель работы ударного устройства

на основе линейного электродинамического привода // Решетневские чтения: материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (11–14 нояб. 2014, г. Красноярск) : в 3 ч. Ч. 1. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 315–316. 6. Фадеев А. А., Шестаков И. Я., Ереско Т. Т. Использование линейного электродинамического привода для исследования ударного взаимодействия материалов // Вестник СибГАУ. 2017. Т. 17, № 4. С. 1077–1087. References

1. Kirichek A. V., Solov’ev D. L., Lazutkin A. G. Tekhnologiya i oborudovanie statiko-impul’snoj obrabotki poverhnosti plasticheskim deformirovaniem: Biblioteka tekhnologa [Technology and equipment, staticpulse processing surface plastic deformation: a Library technologist]. M. : Mashinostroenie, 2004, 228 p. 2. Solov’ev D. L. [The expansion of technological capabilities of PPD static-pulse loading of the deformation]. Inzhenernyj zhurnal. 2003, No. 11, рp. 17–20. (In Russ.) 3. Chernyavskij D. I., Chernyavskaya D. D. [The use of percussion mechanisms in nanotechnology]. Vestnik mashinostroeniya. 2011, No. 7, рр. 58–60. (In Russ.) 4. Chestakov I. Y., Struk A. I., Fadeev А. А. Lineynye electrodinamicheskie dvigately. Konstruirovanie. Practicheskoe ispolzovanie (Linear electrodynamic motors. Design. Practical use). Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2011, 148 p. 5. Fadeev А. А., Chestakov I. Y., Eresko T. T. [A mathematical model of the percussion device on the basis of the linear electrodynamic actuator]. Мaterialy XVIII Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XVIII Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”]. Krasnoyarsk, 2014, рp. 315–316. (In Russ.) 6. Fadeev А. А., Chestakov I. Y., Eresko T. T. [Use of the linear electrodynamic actuator for the research of shock interaction of materials]. Vestnik SibSAU. 2017, No. 4, рp. 1077–1087. (In Russ.)

595

© Фадеев А. А., Швалева Н. А., Иванов М. Е., Дудкевич Д. С., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 62-233.3/.9 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЖЕСТКОСТЬ ЗАЦЕПЛЕНИЯ

В. Е. Щелоков*, Г. Ю. Кузьмина, Д. В. Вавилов Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * E-mail: [email protected] Рассмотрено влияние коэффициента смещения и угла профиля на жёсткость зубчатой передачи, входящей в состав высокоточного электромеханического привода космического аппарата. Ключевые слова: зубчатая передача, жёсткость зацепления, метод конечных элементов, коэффициент смещения. ANALYSIS OF GEOMETRIC PARAMETER INFLUENCE ON THE STIFFNESS OF GEAR

V. E. Shchelokov*, G. Y. Kuz’mina, D. V. Vavilov Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation * E-mail: [email protected] The research considers influence of the displacement coefficient and the profile angle on the stiffness of the gear transmission, which is part of the high-precision electromechanical drive of the spacecraft. Keywords: gear, gearing stiffnes, finite element method, profile coefficient factor. Введение. В состав космических аппаратов часто входит электромеханический привод [1]. Для оценки точности наведения элементов космического аппарата необходимо оценить динамические характеристики привода, путём оценки жёсткости и массовых характеристик каждого из его элементов. Одним из элементов привода, который наиболее сильно влияет на его жёсткость, является зубчатая передача [2–4], по причине того, что она обладает переменной жёсткостью в процессе вращения. Существуют аналитические зависимости [5, c. 156], позволяющие оценивать жёсткость по геометрическим параметрам. Данная зависимость представлена ниже. b(0,9εα + 0, 038εβ )(0,5d1 ) 2 (cos α) 2 j= , KZ

где KZ = 3,6 · 10–11 м2/Н – упругая деформация пары зубьев при действии единичного нормального давления, приложенного на единицу ширины зуба; α – угол профиля; εα – коэффициент торцевого перекрытия; εβ – коэффициент осевого перекрытия. Основная часть. Параметры рассматриваемой передачи: m = 0,4; z1 = 41; z2 = 85. Для проведения анализа были выбраны следующие критерии, оказывающие сильное влияние на жёсткость передачи: коэффициент смещения x, который варьировался от 0 до 2 с шагом 0,25, и угол профиля α, который варьировался от 15º до 30º с шагом 5º, также были проведены расчёты равносмещённой передачи, с варьированием коэффициентов смещения от –0,9 до 0,9 с шагом 0,3. Влияние данных параметров на форму зуба показано на рис. 1.

При помощи аналитической зависимости были рассчитаны значения приведённой жёсткости для диапазона значений параметров, описанных выше. Для данного диапазона варьирования параметров меняется только значение коэффициента перекрытия в пределах от 0,96 до 1,78 и значение жесткости соответственно от 1784 Н·м/рад до 2900 Н·м/рад (большее значение соответствуют меньшему значению коэффициента перекрытия). Однако данная зависимость не учитывает однопарность и двухпарность зацепления. В целях уточнённой оценки жёсткости зубчатой передачи была разработана расчётная модель в CAE– среде Ansys Workbench. На рис. 1 и 2 приведены результаты расчётов. Сплошной линией показаны результаты расчётов при однопарном зацеплении, штриховой – при двухпарном. Заключение. На приведённых выше графиках видно, что приведённая жёсткость при двухпарном зацеплении приблизительно в 1,5 выше, чем при однопарном (рис. 2), это негативно влияет на динамические характеристики привода, избежать этого можно путём применения волновой передачи. Также видно, что при увеличении коэффициента смещения от 0 до 2, наблюдается увеличение приведённой жёсткости на 40 %. При увеличении угла профиля от 15º до 30º, приведённая жёсткость растёт на 15 % при однопарном зацеплении и на 20 % при двухпарном. Применение равносмещённой передачи с положительным значением коэффициента смещения колеса (рис. 3, б) нецелесообразно из-за значительного снижения жесткости.

596

Механика специальных систем

Рис. 1. Форма зуба в зависимости от: коэффициента смещения (а) и угла профиля (б)

Рис. 2. Графики зависимости приведённой жёсткости: от коэффициента смещения шестерни (колеса) (а) и угла профиля зуба (б)

Рис. 3. Графики зависимости приведённой жёсткости от коэффициента смещения, равносмещённой передачи: положительный коэффициент смещения у колеса (а) и шестерни (б)

Библиографические ссылки

1. Электромеханические устройства космических аппаратов и ракет-носителей / В. Я. Авербух [и др.] // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2001. Т. 100. С. 89–96.

2. Применение критериев динамического качества для оценки работоспособности зубчатых передач / М. Г. Гришечкина [и др.] // Вестник СибГАУ. 2017. Т. 18, № 1. С. 33–39. 3. Influence of carrier Assembly errors on the dynamic characteristics for wind turbine gearbox / Zhai H.

597

Решетневские чтения. 2017

[et al.] // Mechanism and Machine Theory. 2016, № 103. С. 138–147. 4. Gu X., Velex P. On the dynamic simulation of eccentricity errors in planetary gears. Mechanism and Machine Theory. 2016, № 61. С. 14–29. 5. Методология проектирования реечных передач для машин с автоматизированным приводом : монография / Г. Н. Лимаренко ; Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2010. 363 с. References

1. Averbukh V. Ya., Veynberg D. M., Vereshchagin V. P. [et al.] [Electromechanical devices of space vehicles and launch vehicles]. Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM. 2001. Vol. 100. P. 89–96 (In Russ.). 2. Grishechkina M. G., Shchepin A. N., Iptyshev A. A. [et al.] [Criteria application for evaluation of quality of

dynamic performance gear]. Vestnik SibSAU. 2017. Vol. 18, No. 4. Pp. 33–39. (In Russ.) 3. Influence of carrier Assembly errors on the dynamic characteristics for wind turbine gearbox / Zhai H. [et al.] // Mechanism and Machine Theory. 2016, No. 103. Pp. 138–147. 4. Gu X., Velex P. On the dynamic simulation of eccentricity errors in planetary gears. Mechanism and Machine Theory. 2016, No. 61. Pp. 14–29. 5. Limarenko G. N. Metodologiya proektirovaniya reechnykh peredach dlya mashin s avtomatizirovannym privodom [Methodology of design of rack and pinion transmission for machines with automatic drive]. Krasnoyarsk : Sibirskiy federal’nyy universitet, 2010. 363 p.

598

© Щелоков В. Е., Кузьмина Г. Ю., Вавилов Д. В., 2017

Секция

«НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ»

Решетневские чтения. 2017

УДК 543.428 ТОНКАЯ СТРУКТУРА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СПЕКТРОВ СЕЧЕНИЯ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ FeSi2 Т. А. Андрющенко*, Т. Н. Хохлова, А. Ю. Игуменов, А. С. Паршин Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] В настоящее время в аэрокосмической отрасли широко используются фотоэлектрические преобразователи, основу которых составляет дисилицид железа. Электронная спектроскопия широко используется для исследования наноматериалов, где обработка экспериментально полученных результатов основывается на математических методах. Проведено разложение дифференциальных спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 и оптимизирован процесс расчета основных параметров пиков. Ключевые слова: структуры металл-полупроводник, полупроводники, металлы, силициды железа, спектроскопия сечения неупругого рассеяния электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов. FINE STRUCTURE OF DIFFERENTIAL INELASTIC ELECTRON SCATTERING CROSS SECTION SPECTRA OF FeSi2 T. A. Andryushchenko*, T. N. Khokhlova, A. Yu. Igumenov, A. S. Parshin Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] Currently photoelectric converters based on iron disilicide are widely used in aerospace industry. Electron spectroscopy is widely used for nanomaterials investigation. Mathematical methods are used for experimentally obtained results processing. We decompose the differential inelastic electron scattering cross section spectra of FeSi2 to elemental peaks for the first time. The optimization of peak main parameters calculation process is performed. Keywords: metal-semiconductor structures, semiconductors, metals, iron silicides, inelastic electron scattering cross-section, electron energy loss spectroscopy. В настоящее время достаточно сильно развиваются такие области науки, как наноэлектроника, нанофотоника и спинтроника, где для создания различных устройств требуются высокоточные методы анализа физико-химических свойств материалов. В отрасли исследования наноматериалов широко используются методы электронной спектроскопии, а именно Ожеэлектронная спектроскопия (ОЭС), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). Полученные данным методом результаты обрабатываются математическими методами. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 впервые разложены на отдельные пики в дифференциальном виде, что является развитием метода аппроксимации интегральных спектров [1–5]; оптимизирован процесс расчета основных характеристик подгоночных пиков. Экспериментальные спектры получены на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре SPECS (Германия) при энергиях первичных электронов 300, 600, 1200, 1900, 3000 эВ. Проведен детальный анализ спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2. Спектры сечения неупругого рас-

сеяния электронов (Kλ-спектры [6]) представляют собой произведения средней длины неупругого пробега электронов λ и дифференциального сечения неупругого рассеяния K(E0, E0 – E), где E0 и E – соответственно энергии первичных и отраженных электронов, T = E0 – E – потери энергии электронов. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов получены из экспериментальных спектров потерь энергии отраженных электронов с помощью программного пакета QUASESTM XS REELS [7], согласно алгоритму [6]. Проведено разложение спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 на элементарные составляющие в дифференциальном виде. Для этого использована производная от функции Тоугаарда. Обоснование дифференциального подхода состоит в том, что на дифференциальных спектрах наблюдается большее количество пиков с малой интенсивностью, чем на интегральных, следовательно, мы с большей достоверностью можем определить их природу. Предложен алгоритм расчета основных характеристик подгоночных пиков (положение, амплитуда, площадь) по параметрам функции Тоугаарда. Такой подход позволил ускорить анализ подгоночных пиков.

600

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Библиографические ссылки

References

1. Расчет вероятности генерации поверхностных возбуждений электронами, отраженными от поверхности Si / А. Ю. Игуменов [и др.] // Вестник CибГАУ, 2014. Т. 56 (4). С. 230–235. 2. Тонкая структура спектров сечения неупругого рассеяния электронов и поверхностный параметр Si / А. С. Паршин [и др.] // Физика и техника полупроводников, 2015. Т. 49 (4). С. 435–439. 3. Сравнительный анализ спектров характеристических потерь энергии электронов и спектров сечения неупругого рассеяния в Fe / А. С. Паршин [и др.] // Физика твердого тела, 2016. Т. 58 (5). С. 881–887. 4. Исследование дисилицида железа методами электронной спектроскопии / А. С. Паршин [и др.] // Журнал технической физики, 2016. Т. 86 (9). С. 136– 140. 5. Fine structure of inelastic electron scattering crosssection spectra for Mn / A. S. Parshin [et al.] // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, 2016. Vol. 122. С. 012025, 1–7. 6. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electronenergy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys. Rev. B, 1987. Vol. 35 (13). P. 6570–6577. 7. QUASES – Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.quases.com (дата обращения: 01.09.2016).

1. Raschet veroyatnosti generatsii poverkhnostnykh vozbuzhdeniy elektronami, otrazhennymi ot poverkhnosti Si / A. Yu. Igumenov [et al.] // Vestnik SibGAU, 2014. Vol. 56 (4). Pp. 230–235. 2. Tonkaya struktura spektrov secheniya neuprugogo rasseyaniya elektronov i poverkhnostnyy parametr Si / A. S. Parshin [et al.] // Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 2015. Vol. 49 (4). Pp. 435–439. 3. Sravnitel’nyy analiz spektrov kharakteristicheskikh poter’ energii elektronov i spektrov secheniya neuprugogo rasseyaniya v Fe / A. S. Parshin [et al.] // Fizika tverdogo tela, 2016. Vol. 58 (5). Pp. 881–887. 4. Issledovaniye disilitsida zheleza metodami elektronnoy spektroskopii / A. S. Parshin [et al.] // Journal tekhnicheskoy fiziki, 2016. Vol. 86 (9). Pp. 136–140. 5. Fine structure of inelastic electron scattering crosssection spectra for Mn / A. S. Parshin [et al.] // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, 2016. Vol. 122. Pp. 012025, 1–7. 6. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electronenergy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys. Rev. B, 1987. Vol. 35 (13). P. 6570–6577. 7. QUASES – Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra. Available at: URL: http:// www.quases.com (accessed: 01.09.2016). © Андрющенко Т. А., Хохлова Т. Н., Игуменов А. Ю., Паршин А. С. 2017

601

Решетневские чтения. 2017

УДК 52.1 АЛГОРИТМ ВЫЯВЛЕНИЯ МАЛОГО ОТКЛОНЕНИЯ БЛЕСКА ДЛЯ ПОИСКА ПЕРЕМЕННЫХ ЗВЕЗД И КАНДИДАТОВ В ЭКЗОПЛАНЕТЫ Е. А. Брылякова*, Е. Г. Лапухин Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Представлен алгоритм поиска малого отклонения блеска звезд по фотометрическим рядам. Суть алгоритма заключается в анализе аппроксимирующего полинома выборок фотометрического ряда. Данный алгоритм предлагается использовать для выявления как малоамплитудных переменных звезд, так и кандидатов в экзопланеты по ПЗС-наблюдениям. Ключевые слова: фотометрический ряд, малое отклонение, экзопланеты, переменные звезды. ALGORITHM TO DETECT SMALL DEVIATIONS OF STAR LIGHT FOR THE SEARCH FOR VARIABLE STARS AND EXOPLANET CANDIDATES E. A. Brylyakova*, E. G. Lapukhin Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] This article describes searching for algorithm of small deviation in photometrical series of star object. The essence of the algorithm lies in the analysis of the approximating polynomial of samples of the photometric series. This algorithm is proposed to be used to detect low-amplitude variable stars and candidates for exoplanets from CCD (chargecoupled device) observations. Keywords: photometrical series, small deviation, exoplanets, variable stars. В настоящее время основные алгоритмы автоматизированного поиска звезд с переменным блеском основаны на статистических методах. При визуализации результатов, полученных данными методами, маркеры звезд с отклонениями блеска лежат вне основного распределения [1]. Наиболее уверенно определяются звезды, у которых изменение блеска достаточно велико. Маркеры звезд с малым изменением блеска находятся, как правило, в общей массе маркеров звезд, у которых изменение блеска может быть вызвано каким-либо случайным фактором. Для выявления всех малоамплитудных объектов необходимо использовать одновременно несколько методов [2]. Нами был предложен метод выявления изменения блеска с помощью аппроксимации выборки фотометрического ряда линейной функцией [3]. Аппроксимация линейной функцией не в полной мере позволяет выявлять все разнообразие типов переменности, что делает этот метод достаточно упрощенным. Несмотря на то, что данный метод позволяет определить неслучайное отклонение блеска, он не дает возможности предварительного определения типа переменности. В связи с этим целью данной работы является разработка методики поиска неслучайного отклонения блеска в фотометрическом ряде, с возможностью предварительного определения типа переменности. Разработанная методика, включает в себя метод определения неслучайного отклонения блеска [3]

и анализ аппроксимирующих полиномов выборок фотометрического ряда звезды. Основными моментами методики является: 1) разбиение фотометрического ряда {mi; ti} (mi – звездная величина звезды в момент времени ti) на сеты (Si) по морфологическим признакам: «непрерывность» фотометрического ряда, монотонность убывания или возрастания, наличие перегибов, наличие экстремумов и т. д.; 2) для каждого Si, после исключения выбросов из измерений, определяется оптимальная степень аппроксимирующего полинома Pn; 3) анализ фотометрического ряда используя полиномы Pn всех Si. Анализ проводится на основе подсчитанных критериальных единиц: количество монотонно возрастающих или убывающих участков в фотометрическом ряде, количество точек перегиба, количество экстремумов блеска и их разброс, степень крутизны восходящих и нисходящих участков в кривой блеска и т. д. ПЗС-наблюдения, полученные в обсерватории СибГУ, дают ошибку при фотометрии звезд ~ 0,007m. Данная точность позволяет уверенно выявлять переменные звезды с амплитудой до 0,01m [4]. Аналогичное падение блеска (0,1m) вызывает транзит крупных экзопланет по дискам звезд [5]. В связи с этим, данная методика позволит осуществить поиск экзопланет по материалам, полученным в обсерватории СибГУ.

602

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Таким образом, предложенная методика позволяет определять неслучайные малые изменения блеска звезд в автоматическом режиме, что позволит выявлять не только малоамплитудные переменные звезды, но и кандидаты в экзопланеты. Библиографические ссылки 1. Sokolovsky K. V., Lebedev A. A. “VaST: a variability search toolkit” URL: https://arxiv.org/pdf/ 1702.07715.pdf. 2. Comparative performance of selected variability detection techniques in photometric time series data / K. V. Sokolovsky [et al.] // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2017. Vol. 464, no. 1. P. 274–292. 3. Брылякова Е. А. Разработка алгоритма поиска малого отклонения в фотометрическом ряде звездного объекта // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тез. III Междунар. науч.-практ. конф. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2017. Т. 1. С. 297. 4. Lapukhin E. G., Veselkov S. A., Zubareva A. M. 25 new small amplitude variable stars in Lacerta. “Peremennye Zvezdy”, Prilozhenie, 2016. Vol. 16, no. 4. 5. Perryman M. The Exoplanet Handbook. Cambridge : Cambridge University Press. 2011.

Reference 1. Sokolovsky K. V., Lebedev A. A. [VaST: a variability search toolkit]. Available at: https://arxiv.org/pdf/ 1702.07715.pdf. 2. Comparative performance of selected variability detection techniques in photometric time series data / K. V. Sokolovsky [et al.] // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017. Vol. 464, No. 1. P. 274–292. 3. Brylyakova E. A. [Development of the searching algorithm of small deviation in photometrical series of star object by CCD-photometrical dates]. III Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya. “Aktual’nye problemy aviatsii i kosmonavtiki”. [3th Int. Scientific and Practical Conference “Actual problems of aviation and cosmonautics”]. Krasnoyarsk, 2017. Р. 297. (In Russ.) 4. Lapukhin E. G., Veselkov S. A., Zubareva A. M. 25 new small amplitude variable stars in Lacerta. “Peremennye Zvezdy”, Prilozhenie, 2016, Vol. 16, No. 4. 5. Perryman M. The Exoplanet Handbook. Cambridge : Cambridge University Press, 2017

603

© Брылякова Е. А, Лапухин Е. Г., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 629.7.054.847 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ, НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА А. А. Васильцов, В. В. Соловьев АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в E-mail: [email protected] Предлагается способ улучшения физико-механических параметров конструктивных элементов двигателямаховика с помощью покрытия, нанесенного методом микродугового оксидирования. Ключевые слова: двигатель-маховик, покрытие, оксидирование, прочность, жесткость. RESEARCH OF MICROARC OXIDATION METHOD COVERING INFLUENCE ON THE ENGINE-FLYWHEEL DESIGN ELEMENTS OF PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES A. A. Vasiltsov, V. V. Solovjev JSС “Scientific & Industrial Сentre “Polyus” 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected] This article proposes a method of engine-flywheel constructive elements of physicomechanical parameter improvement by means of an oxidation microarc covering method. Keywords: the engine-flywheel, covering, oxidation, durability, harshness. При проектировании исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов встает вопрос о минимизации их массогабаритных параметров и улучшении эксплуатационных характеристик. Как правило, это достигается путем утончения элементов конструкции прибора, введением дополнительных облегчающих отверстий, пазов, выточек на поверхностях, применением новых материалов и покрытий [1]. Однако уменьшение массы и толщины неизбежно сказывается на жесткостных и прочностных характеристиках конструкции [2]. В данной работе исследован способ улучшения этих характеристик за счет нанесения на элементы конструкции двигателя-маховика нанокристаллического неметаллического неорганического покрытия методом микродугового оксидирования [3]. Такое оксидное покрытие состоит из кристаллов неметаллических неорганических соединений, размеры которых по одному или нескольким измерениям находятся в нанодиапазоне. Получают его из окисленных форм элементов металла и составляющих электролита в специально создаваемых условиях, в которых вследствие высокой напряженности электрического поля на границе раздела основного металла и электролита возникают микроплазменные разряды. Покрытия в зависимости от их функциональных свойств предназначены для обеспечения: – коррозионной стойкости изделий; – защитно-декоративных свойств их поверхностей; – стойкости к механическому износу;

– стойкости деталей и узлов, работающих в условиях высоких температур (до 400 ºС) и термоциклических нагрузок; – электроизоляционных свойств поверхностей; – светопоглощающих свойств изделий. Основные диапазоны значений показателей покрытий приведены в табл. 1. Для проведения исследований физико-механических свойств покрытия был выбран кожух двигателямаховика как наиболее нагруженный и подверженный внешним факторам (температура, влажность) элемент, так как при наземных автономных испытаниях отдельно и в составе космического аппарата, а также при штатной эксплуатации он подвергается внешнему давлению окружающей среды в широком диапазоне от 1100 гПа до 1,33·10–8 Па (см. рисунок). Были отобраны три кожуха, изготовленные из листа алюминиевого сплава АМцМ толщиной 1,5 мм и твердостью 80–85 НВ. На них методом микродугового оксидирования было нанесено покрытие толщиной 5, 10 и 15 мкм. После нанесения покрытия, внешним осмотром было отмечено улучшение состояния поверхности кожуха (отсутствие разводов, равномерность покрытия). Далее определялся уровень остаточного газоотделения. Суммарный уровень газоотделения трех двигателей-маховиков по конструкторской документации составляет 2,25 мм рт. ст., для трех кожухов он равен 0,235 мм рт. ст. Затем проведены испытания на прочность по технологии, принятой на предприятии. Допустимый предел устойчивости к внешнему давлению

604

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

составил 6,86·104 Па. Результаты исследования приведены в табл. 2. Из табл. 2 следует, что увеличение толщины покрытия до 15 мкм позволяет добиться увеличения критического давления почти в два раза при меньшей толщине кожуха, уменьшив тем самым массу двига-

P

теля-маховика. Помимо этого, качество и внешний вид поверхности кожуха после нанесения оксидного нанокристаллического покрытия дает возможность исключить из технологического процесса нанесение дополнительного защитного и декоративного лакокрасочного покрытия.

P

P

P 3

2

1

P

P

P

P P 5

4

Схема распределения внешнего давления на кожух двигателя-маховика: 1 – подшипниковая опора; 2 – электродвигатель, 3 – кожух, 4 – ротор-маховик; 5 – корпус; Р – направление действия внешнего давления воздуха на кожух Таблица 1 Диапазоны значений показателей нанокристаллических неметаллических неорганических покрытий, полученных методом микродугового оксидирования Тип (функциональные свойства) покрытия

Толщина, мкм

Подслой

3…20

Корозионностойкое Электроизоляционное Износостойкое Термостойкое Твердое Декоративное

10…100 20…200 20…200 30…200 20…200 15…100

Диапазон значений для показателей качества покрытий Шероховатость, ПорисАбраТермостой- Твердость Коэфмкм тость, зивный кость при по Викфициент число износ термоциккерсу, HV трения пор, % по методу лических Табера, испытаниях индекс (температура убыли 280 ºС), число массы, циклов мг/1000 циклов Ra = 0,3…2,5 1…60 От 60 30…100 0,01…0,9 Rz = 5,0…15,0 до 10 От 120 до 15 100…500 0,04…0,6 90…100 От 120 до 20 Ra = 0,5…6,0 500…2200 1…25 Rz = 6,0…40,0 От 120 500…800 до 7 1000…2200 0,04…0,7 От 120 4…100 500…2200 до 10

Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом⋅м

10…5000 10…109

10…5000

Таблица 2 Результаты исследования Параметры

Значения

№ кожуха

1

2

3

Толщина оксидного покрытия, мкм

5

10

15

Твердость до нанесения покрытия, HB

80–85

Твердость после нанесения покрытия, HB Критическое давление, Па Суммарный уровень газоотделения, мм рт. ст.

90

95

100

6,86·104

9,31·104

13,23·104

0,235

605

Решетневские чтения. 2017

Библиографические ссылки 1. Гладышев Г. Н., Дмитриев В. С., Копытов В. И. Системы управления космическими аппаратами (Исполнительные органы: назначение, принцип действия, схемы, конструкция) : учеб. пособие. Томск : Изд-во ТПУ, 2000. 207 с. 2. Влияние жесткости силовых элементов конструкции на величину критической скорости исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика / Ю. А. Бритова [и др.] // Контроль. Диагностика. 2012. № 11. С. 24–27. 3. ГОСТ Р 9.318–2013. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия нанокристаллические неметаллические неорганические, полученные методом микродугового оксидирования на алюминии и его сплавах. Общие требования и методы контроля. М. : Стандартинформ, 2014. 42 с. References 1. Gladyshev G. N., Dmitriev V. S., Kopytov V. I. Sistemy upravlenija kosmicheskimi apparatami (Ispolnitel’nye organy: naznachenie, princip dejstvija, shemy, konstrukcija) [Control systems of spacecrafts (Executive

powers: appointment, a principle of operation, the schemes, a construction)] : Uchebnoe posobie. Tomsk : Izd. TPU. 2000. 207 p. 2. Vlijanie zhestkosti silovyh elementov konstrukcii na velichinu kriticheskoj skorosti ispolnitel’nogo organa na baze upravljaemogo po skorosti dvigatelja-mahovika / Ju. A. Britova [et al.] [Influence rigidity of power elements of construction on size of critical speed of an executive powers on the base of the engine-flywheel operated on speed]. Kontrol’. Diagnostika. 2012. 3. GOST R 9.318–2013. Edinaja sistema zachity ot korrozii i starenija. Pokrytija nanocristallicheskije nemetallicheskije neorganicheskije, polychennuje methodom microdugovogo oksidirovanija na aluminii i ego splavach. Obschie trebovanija i metody kontrolja [State Standart R 9.318–2013. Uniform system of protection against corrosion and ageing. Coverings nanocrystallic nonmetallic inorganic, received by a method microarc oxodatin on aluminium and its alloys. The general requirements and quality monitoring]. M. : Standartinform Publ., 2014. 42 p.

606

© Васильцов А. А., Соловьев В. В., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 54.055 СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ НАНОГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЕНОК Co-Al2O3, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТВЕРДОФАЗНОГО СИНТЕЗА* М. Н. Волочаев1, 2*, В. Б. Рачек3, И. А. Тамбасов2, И. В. Немцев2, Ю. Ю. Логинов1 1

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2 Институт физики имени Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 3 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * E-mail: [email protected]

Синтезированы тонкие магнитные наногранулированные пленки Co-Al2O3 с помощью термической реакции в двухслойных пленках Co3O4/Al с толщинами слоев от 10 до 100 нм. Исследованы морфология, фазовый состав и зависимость среднего размера наногранул кобальта от толщины исходных слоев Co3O4. Ключевые слова: магнитные наногранулированные пленки, твердофазный синтез, термические реакции, Co-Al2O3. STRUCTURAL STUDIES OF Co-Al2O3 NANOGRANULAR THIN FILMS OBTAINED BY SOLID-STATE SYNTHESIS M. N. Volochaev1, 2*, V. B. Rachek3, I. A. Tambasov2, I. V. Nemtsev2 ,Yu. Yu. Loginov1 1

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Kirensky Institute of Physics FRS KSC SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 3 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation * E-mail: [email protected] We have synthesized magnetic nanogranular Co-Al2O3 thin films by thermal reaction in Co3O4/Al bilayer films with layer thicknesses from 10 to 100 nm and studied morphology, phase composition and dependence of the cobalt nanogranules average size on the initial layer thickness of Co3O4. Keywords: magnetic nanogranular films, solid-state synthesis, thermal reactions, Co-Al2O3. Тонкопленочные материалы, содержащие ферромагнетик (Со, Fe, Ni) и широкозонный полупроводник или диэлектрик на основе оксидов металлов (In2O3, TiO2, Al2O3, ZrO2, и пр.) и обладающие одновременно магнитными и полупроводниковыми (диэлектрическими) свойствами, широко исследуются для их потенциального использования в спинтронике, устройств высокоплотной магнитной памяти, сенсорах магнитного поля, катализе, медицине, космической промышленности и пр. Ранее [1–4] был предложен новый подход к получению магнитных наногранулированных пленок различного состава. Данный подход основан на проведении металлотермической реакции в тонких пленках между слоем оксида ферромагнитного металла (Fe2O3, Co3O4, NiO) и металлом-восстановителем (In, Zr, Al, Ti) посредством вакуумного отжига. Готовый продукт реакции представляет собой тонкую пленку, содержащую наногранулы ферромагнитного металла рав-

номерно распределенные в оксидной матрице. В настоящий момент нами получены и исследованы магнитные наногранулированные пленки следующих составов: Fe-In2O3, Fe-ZrO2, Co-ZrO2 и Co-Al2O3 [1–3]. Синтезированные пленки обладали одновременно магнитными, полупроводниковыми (диэлектрическими) свойствами, относительно высоким коэффициентом пропускания, высокой химической, термической и временной стабильностью. Основными параметрами, определяющими свойства таких материалов (при одном и том же химическом составе), являются размер, форма магнитных гранул, плотность их распределения в матрице, глубина залегания и пр. В данном исследовании рассматриваются усовершенствованная технология синтеза, а также структурные исследования пленок Co-Al2O3, полученных из двухслойных тонкопленочных систем Co3O4/Al с толщинами слоев от 10 до 100 нм.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-32-00302 мол_a), РФФИ и Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научных проектов № 16-42-243059 р_мол_a и 16-48-242092 р_офи_м.

607

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. Микрофотография синтезированной пленки Co-Al2O3 (а) и картина микродифракции электронов (б)

Рис. 2. График зависимости среднего размера гранул кобальта от толщины исходного слоя Co3O4

Новая методика синтеза наногранулированных Co-Al2O3 пленок заключается в получении слоя Co3O4 методом реактивного высокочастотного магнетронного распыления кобальтовой мишени в атмосфере, состоящей из смеси газов аргон (70 %)-кислород (30 %) с последующим напылением слоя алюминия в атмосфере чистого аргона и вакуумным отжигом двухслойной системы. Такое нововведение позволяет менять местами реагенты, а также получать многослойные пленочные системы, что может значительно расширить области применения получаемых наногранулированных пленок. Двухслойные пленки Co3O4/Al с толщинами слоя Co3O4 10-100 нм были получены по технологии, описанной выше на монокристаллические подложки NaCl(001). Соотношение толщин слоев оксида кобальта и алюминия составляло 1:0,75 и было рассчитано из уравнения: 3Co3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Co. Далее пленки отжигались в вакууме при температуре 700 °С в течение часа согласно данным, полученным в [3]. Морфологию и фазовый состав пленок изучали методами просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющем напряжении 110 кВ. На рис. 1 приведены электронно-микроскопическое изображение синтезированной Co-Al2O3 пленки при исходной толщине Co3O4 15 нм (а) и картина микродифракции электронов, полученная с участка пленки, диаметром 10 мкм (б).

Расшифровка дифракционной картины показала наличие высокотемпературных фаз оксида алюминия γ-Al2O3 и кобальта β-Co. Аналогичная картина наблюдалась для всех образцов. На рис. 2 приведен график зависимости среднего размера образовавшихся гранул кобальта от толщины исходного слоя Co3O4. Из графика можно заключить, что зависимость близка к линейной, причем при малых толщинах размер наногранул превышает толщину исходного слоя. Полученные результаты показывают хорошую перспективу использования усовершенствованного метода синтеза тонких нанокомпозитных Со-Al2O3 пленок. References 1. Solid State Synthesis and Characterization of ferromagnetic nanocomposite Fe-In2O3 thin films / V. G. Myagkov [et. al.] // Journal of Alloys and Compounds, 2014. Vol. 612. P. 189–194. 2. Thermite synthesis and characterization of Co-ZrO2 ferromagnetic nanocomposite thin films / V. G. Myagkov [et. al.] // J. of Alloys and Compounds, 2016. Vol. 665. P. 197–203. 3. Thermite synthesis, structural and magnetic properties of Co-Al2O3 nanocomposite films / V. G. Myagkov [et. al.] // J. of Alloys and Compounds, 2017. Vol. 724. P. 820–826.

608

© Волочаев М. Н., Рачек В. Б., Тамбасов И. А., Немцев И. В., Логинов Ю. Ю., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 535.8; 544.77.03 УЗКИЕ РЕЗОНАНСЫ В ПЕРИОДИЧЕСКИ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ТЕРМОСТОЙКОГО НИТРИДА ТИТАНА В. И. Закомирный1, 2*, В. С. Герасимов1, А. Е. Ершов1, 3, C. В. Карпов1, 4, 5 1

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2 Департамент теоретической химии и биологии, Школа биотехнологий, Королевский технологический институт Швеция, 10691, Стокгольм 3 Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 4 Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 5 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Исследованы возможности применения нитрида титана (TiN) для получения высокодобротного поверхностного резонанса на периодической структуре сферических наночастиц. Полученные данные открывают перспективы для использования 2D массивов из TiN наночастиц в качестве элементов оптических интегральных микросхем нового поколения. Ключевые слова: наночастица, нитрид титана, поверхностный резонанс, узкие резонансы. NARROW RESONANCES IN PERIODIC STRUCTURES BASED ON REFRACTORY TITANIUM NITRIDE V. I. Zakomirnyi1, 2*, V. S. Gerasimov1, A. E. Ershov1, 3, S. V. Karpov1, 4, 5 1

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 Division of Theoretical Chemistry and Biology, School of Biotechnology, KTH Royal Institute of Technology Stockholm, 10691, Sweden 3 Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 4 L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 5 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] The paper proposes the possibility of using titanium nitride (TiN) to obtain high-quality surface resonance on the periodic structure of spherical nanoparticles. The data obtained provide an opportunity of utilizing such structures in optical integral circuits of a new generation. Keywords: nanoparticles, titanium nitride, surface resonance, narrow resonance. Введение. В настоящее время весьма актуальным является исследование оптических свойств периодических структур из наночастиц, обладающих поверхностным плазмонным резонансом [1] в связи с возможностью использования этих объектов в качестве функциональных элементов оптических микросхем нового поколения, работающих в условия повышенных температур. Применение таких микросхем является перспективным во многих областях науки и техники, в том числе и в ракетно-космической области.

Наиболее распространенными плазмонными материалами являются благородные металлы, прежде всего серебро (Ag) и золото (Au). В литературе также приводятся результаты поисков альтернативных плазмонных материалов [2]. В настоящее время нитрид титана (TiN) находит всё больше и больше применений в области плазмоники [3]. Это связано с простотой синтеза TiN наночастиц, а также с его высокой термической и химической стабильностью [4]. Так, например, температура плавления нитрида титана

609

Решетневские чтения. 2017

в три раза превышает температуру плавления золота и серебра [4]. Таким образом, исследование оптических свойств различных периодических структур, состоящих из TiN наночастиц и имеющих рабочую частоту в ИК диапазоне, представляет повышенный интерес с точки зрения поиска новых областей применения плазмонных наночастиц, а также развития уже существующих приложений. Модель. Периодические структуры плазмонных наночастиц имеют выдающиеся особенности: в них может наблюдаться коллективное колебание, основанное на взаимодействии поверхностного плазмона (ПП) и аномалии Реллея. Такое взаимодействие принято называть поверхностным резонансом (ПР). Последние теоретические и экспериментальные работы показали, что в периодических структурах может иметь место высокодобротный (Q ~ 300) ПР [5]. Существенная часть теоретических работ, посвященных исследованию оптических свойств плазмонных структур, основана на использовании дипольного приближения [6]. Положение плазмонного пика для одиночных частиц из классических плазмонных метариалов, таких как Ag и Au, в большинстве случаев находится в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. Принимая во внимание факт строгой зависимости ПР от положения плазмонного пика одиночной частицы, становится невозможным создание эффективных структур из классических плазмонных материалов, работающих на длинах волн свыше 1200 нм (ближний ИК), в то время как плазмонный пик одиночной частицы нитрида титана TiN удовлетворяет этому требованию. С другой стороны, положением аномалии Реллея можно управлять за счет изменения геометрии структуры: размера частиц и шага решетки. Таким образом, мы имеем комплексный подход к изменению и управлению положением ПР, что является чрезвычайно важным в современных оптических микросхемах. Результаты. Перейдем к спектрам трансмиссии периодических структур из сферических частиц TiN, расположенных в кварце (n = 1,5). Частицы в составе периодической структуры имели сферическую форму. На рисунке, а изображены положения ПР в зависимости от размера частиц и шага решетки исследуемой структуры для комнатной температуры T = 23 ºC. Положения пиков ПР соответствуют спектральному диапазону оптических микросхем, использующихся в промышленности и технике сегодня (1260–1625 нм). Исследуемая структура позволяет получить высокодобротный резонанс (Q ~ 280–350) для любой длины волны в данном диапазоне за счет изменения геометрии решетки. Так увеличение радиуса R от 118 нм до 150 нм, а периода решетки D от 828 нм до 1022 нм позволяет без потерь изменить положение ПР на длине волны λ = 1200 нм до 1600 нм. Дальнейшее увеличение радиуса частиц и периода решетки приводит к деградации ПР. На рисунке, б изображены положения ПР для структур с такими же геометрическими параметрами, что и на рисунке, а, но для температуры T = 600 ºC. Очевидно, что изменение температуры не влияет

на положение ПР, однако незначительно снижается добротность (Q ~ 170–270).

а

б Спектры экстинкции периодической структуры из сферических наночастиц TiN с радиусами R и периодом решетки D при температуре T = 23 ºC (а) и T = 600 ºC (б)

Таким образом, массивы из TiN наночастиц с различными геометрическими параметрами обладают широкой перестраиваемой полосой отражения, что позволяет данным структурам функционировать в различных диапазонах телекоммуникационных длин волн (λ = 1260–1625 нм). Данная особенность в первую очередь открывает возможности использования периодических структур из TiN наночастиц в качестве перспективных совместимых компонентов гибридных КМОП (комплементарная структура металл-оксидполупроводник) – фотонных микросхем. Заключение. Массивы из сферических TiN частиц обладают уникальными оптическими свойствами, которые позволяют значительно увеличить эффективность работы современных оптических микросхем, работающих в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Представленные спектры экстинкции позволяют считать, что рассматриваемые структуры можно применять в качестве узкополосных и высокочувствительных отражателей, что, несомненно, несет важную роль в их практическом применении. Высокая тепловая устойчивость нитрида титана является большим преимуществом в данном направлении.

610

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

References 1. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into the future, Opt. Express 19. 2011. 22029. 2. Boltasseva A., Atwater H. A. Low-loss plasmonic metamaterials, Science, 2011, no. 331(6015), p. 290–291. 3. Fully cmos compatible titanium nitride nanoantennas / J. A. Briggs [et al.]. Appl. Phys. Lett., 2016, No. 108 (5). 051110. 4. Localheating with lithographically fabricated plasmonic titanium nitride nanoparticles / U. Guler [et al.] // Nano Letters, 2013, No. 13 (12), p. 6078–6083.

5. Nano Letters / B. D. Thackray [et al.]. 2015, No. 15, p. 3519. 6. Transmission spectrum of a system composed of one-dimension alchains of small metallic spheres / Y. Feng-Qi [et al.] // Phys. Rev. B, 1990, No. 42 (17), p. 11003–11007.

611

© Закомирный В. И., Герасимов В. С., Ершов А. Е., Карпов C. В., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 621.3.066 ЭРОЗИЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ* Г. М. Зеер*, Е. Г. Зеленкова, С. И. Почекутов Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * Е-mail: [email protected] Проведены исследования электрической эрозии нового электроконтактного материала на основе серебра с добавками нанопорошков оксидов цинка, титана, олова. С помощью энергодисперсионного микроанализа выявлено отсутствие сульфидных пленок на рабочей поверхности электроконтактов. Методом сканирующей электронной микроскопии определено, что слой наработки составляет в среднем 10 мкм. Ключевые слова: электроконтактный материал, электрическая дуга, эрозия, рабочая поверхность, слой наработки. THE EROSION OF SILVER BASED ELECTROCONTACT MATERIAL UNDER THE ACTION OF AN ELECTRIC ARC G. M. Zeer*, E. G. Zelenkova, S. I. Pochekutov Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The research presents investigation of electrical erosion of a new silver based on electrocontact material containing the additives of nanopowders (zinc oxide, titanium oxide, stannum oxide). By the energy of dispersive microanalysis it discovers that the sulfide film is absent on the working areas of the electric contacts. By scanning electron microscopy it determines that the arc affected layer is 10 μm on average. Keywords: electrocontact material, electric arc, erosion, working area, arc affected layer. Ведение. Высокая стойкость к окислению и хорошая электропроводность обусловила широкое применение серебра в авиационной и космической технике, в частности в качестве электроконтактов для обеспечения функционирования элементов оборудования. Основная масса электрических аппаратов работает по принципу периодического замыкания и размыкания электрической цепи разрывными контактами при кратковременной либо длительной коммутации тока. В процессе эксплуатации электроконтакты изнашиваются под действием электрической дуги, прохождения номинального тока, токов перегрузки и короткого замыкания, влияния динамических нагрузок различной природы, термических напряжений и коррозионного воздействия окружающей среды. Срок службы электрического аппарата и его надежность напрямую зависит от надежности работы электроконтактов, которая в свою очередь определяется стойкостью к электрической эрозии и стойкостью против образования сульфидных пленок на рабочей поверхности, снижающих проводимость электроконтактов [1; 2]. Целью исследования является определение эрозионного износа нового электроконтактного материала *

на основе серебра, с добавками нанопорошков оксидов олова, титана и цинка под воздействием электрической дуги. Для изготовления образцов нового электроконтактного материала использовали порошок Ag и нанопорошки SnO2, TiO2, ZnО. По данным электронномикроскопического анализа порошки серебра имеют средний размер частиц dср ≈ 5±3 нм, нанопорошки оксида олова dср ≈ 70 ± 10 нм, оксида титана dср ≈ 20 ± 5 нм и оксида цинка dср ≈ 8 ± 2 нм [3; 4]. Образцы электроконтактов получали методом порошковой металлургии. Давление прессования составляло 300 МПа, спекание проводили на воздухе при температуре 800 °С в течение 2 ч, допрессовывали при давлении 1000 МПа, после чего отжигали для снятия остаточных напряжений при температуре 500 °С в течение 1 ч. Образцы имели диаметр 8 мм, высоту – 2–3 мм. Испытания на электроэрозионный износ проводили на специальном лабораторном стенде, переменное напряжение на контактах – 380 В, частота – 50 Гц, ток переменный – 20 А, усилие прижима контактов ∼ 20 Н, общее число «включение–выключение» – 10000 циклов [5].

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант No 16-08-00789 а.

612

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

а б Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры электроконтактного материала: а – рабочая поверхность, ×1000; б – поперечный шлиф, ×12000

№ спектра *

Химический элемент

C. 1

C. 2

C. 3

C. 4

C. 5

C. 6

C. 7

C. 8

C. 9

C. 10

O

29,73

30,38

62,48

26,86

24,96

30,21

58,99

59,33

58,59

–

Ti

–

–

5,23

–

–

–

–

1,36

1,89

–

Zn

7,58

3,35

26,84

2,82

4,53

12,35

28,01

30,90

31,78

–

Ag

62,69

66,27

0,75

70,32

70,51

57,44

6,11

–

1,64

100,00

Sn

–

–

4,70

–

–

–

6,90

8,40

6,11

–

* Номер спектра соответствует номеру точки на рисунке.

Микроструктуру и элементный состав рабочей поверхности и поперечных шлифов образцов после испытаний на электроэрозионный износ исследовали методами сканирующей электронной микроскопии с помощью JEOL JSM-7001F с системой микроанализаторов Oxford Instruments. Характер электроэрозионного износа исследовался на образцах электроконтактов с составом: Ag – 96,9 % мас.; ZnO – 2 % мас.; TiO2 – 0,2 % мас.; SnO2 – 1 % мас. Электронно-микроскопическое изображение рабочей поверхности электроконтактов после лабораторных испытаний представлено на рисунке, а, на ней наблюдаются кратеры, поры, места налипания металла, что объясняется эрозионными явлениями, происходящими под воздействием электрической дуги, возникающей при размыкании электроконтактов. Под действием высокой температуры дуги часть металла контактного перешейка испаряется, часть выбрасывается из контактного промежутка в виде брызг, часть переносится с одного контакта на другой. Энергодисперсионный микроанализ рабочей поверхности контактов (см. таблицу, точечные спектры C. 1–C. 5) показал, что после 10000 циклов включение-отключение в элементном составе фаз присутствуют только химические элементы, содержащиеся в составе шихты, из которой были изготовлены образцы электроконтактов. Отсутствие серы во всех точечных спектрах свидетельствует о стойкости электроконтактного материала к образованию на рабочей поверхности сульфидных пленок. Исследование поперечного шлифа электроконтактов показало формирование слоя наработки вблизи рабочей поверхности с измененной микроструктурой (рисунок, б). В слое наработки наблюдаются микротрещины и скопления оксидов. Элементный состав

фаз слоя наработки (см. таблицу, спектры C. 6–C. 10) так же свидетельствует об отсутствии посторонних примесей. Было отмечено, что толщина слоя наработки неравномерна и в среднем составляет около 10 мкм. Вывод. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа исследована рабочая поверхность и поперечный шлиф образцов электроконтактов на основе серебра с добавками нанопорошков оксидов цинка, титана и олова, прошедших лабораторные испытания на электроэрозионный износ. Выявлено отсутствие сульфидных пленок на рабочей поверхности электроконтактов, слой наработки после 10000 циклов включениевыключение составляет в среднем 10 мкм. Библиографические ссылки 1. Holm H. Electric Contacts. Berlin : SpringerVerlang, 2010. 482 p. 2. Synthesis of Ag–ZnO powders by means of a mechanochemical process / D. Guzmán [et al.] // Appl. Phys. A: Mat. Sci. Proc. 2014. Vol. 117. № 2. P. 871– 875. 3. Зеер Г. М. Исследование микроструктуры и свойств электроконтактного материала серебронанопорошок оксида цинка // ФММ. 2012. Т. 113. № 9. С. 1–5. 4. Микроструктура и свойства электроконтактного материала Cu–(ZnO/TiO2) / Г. М. Зеер [и др.] // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 12. С. 88–93. 5. The Laboratory Equipment for the Prompt Functional Properties Measurement of Electrocontact Materials / V. Ivanov [et al.] // J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014. № 7. P. 229–234.

613

Решетневские чтения. 2017

References 1. Holm H. Electric Contacts. Berlin: SpringerVerlang, 2010. 482 p. 2. Synthesis of Ag–ZnO powders by means of a mechanochemical process / D. Guzmán, P. Muñoz, C. Aguilar [et al.] // Appl. Phys. A: Mat. Sci. Proc. 2014. Vol. 117. No. 2. P. 871–875. 3. Zeer G. M. Investigation of the microstructure and properties of electrocontact silver-zinc oxide nanopowder material // FMM. 2012. Vol. 113. No. 9. P. 1–5.

4. Microstructure and properties of an electrocontact Cu–(ZnO/TiO2) material / G. M. Zeer, E. G. Zelenkova, V. V. Beletskii [et al.] // Technical Physics. 2015. Vol. 85, No. 12. P. 88–93. 5. The Laboratory Equipment for the Prompt Functional Properties Measurement of Electrocontact Materials / V. Ivanov, A. Sidorak, A. Shubin, [et al.] // J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014. No. 7. P. 229–234.

614

© Зеер Г. М, Зеленкова Е. Г., Почекутов С. И., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 533.9:539.4.015.2 ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СИЛУМИНА, СФОРМИРОВАННОГО МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННО-ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Ю. Ф. Иванов1, 2, С. П. Ереско3, А. А. Клопотов2, 3*, Е. А. Петрикова1, 2, В. Е. Громов5 1

Институт сильноточной электроники СО РАН Российская Федерация, 634055, г. Томск, просп. Академический, 2/3 2 Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 3 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 4 Томский государственно архитектурно-строительный университет Российская Федерация, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2 5 Сибирский государственный индустриальный университет Российская Федерация, 654007, г. Новокузнецк, просп. Кирова, 42 * E-mail: [email protected] Представлены результаты модифицирования поверхности образцов силумина Al-12,5%Si после электровзрывного легирования и последующей обработки высокоэнергетическими пучками с целью улучшения механических и трибологических свойств. Ключевые слова: силумин; электровзрывное легирование, высокоинтенсивный импульсный электронный пучок, структура, свойства, диаграмма состояния. FEATURES OF THE STRUCTURAL-PHASE STATE ON THE SURFACE OF SILUMIN FORMED BY METHODS OF ELECTRON-ION-PLASMA TREATMENT Yu. F. Ivanov1, 2, S. P. Eresko3, А. А. Klopotov2, 3*, Е. А. Petrikova1, 2, V. Е. Gromov5 1

Institute of High-Current Electronics of the Siberi an Branch of the Russian Academy of Sciences 2/3, Tomsk, Akademicheskiy Av., 634055, Russian Federation 2 National Research Tomsk State University 36, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 3 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 4 Tomsk State University of Architecture and Building 2, Solyanaya Sq., Tomsk, 634003, Russian Federation 5 Siberian State University of Industry 42, Kirov Av., Novokuznetsk, 654007, Russian Federation * E-mail: [email protected]

The research contains results of modifying the surface of silumin samples Al-12,5%Si after the electrospark doping and the subsequent treatment using high-energy beams for the purpose of improving the mechanical and tribological properties. Keywords: silumin; electroexplosive doping, high-intensity pulsed electron beam, structure, properties, state diagram. Введение. В настоящее время алюминиевые сплавы находят широкое применение в таких областях как авиационная и ракетная техника. Это связано с комплексом уникальных свойств: высокие удельные характеристики, технологичность и ценовая доступность. Кроме того, для работы изделий в космосе необходима их стойкость к воздействию факторов космического пространства: высокого вакуума, перепадов температур, радиации и пр. Поэтому задача улучшения механических и трибологических свойств поверхности алюминиевых сплавов за счет электровзрывного легирования и последующей обработки

высокоэнергетическими пучками настоящий момент является актуальной. Перспективным методом модификации поверхности алюминиевых сплавов является метод, основанный на импульсном оплавлении поверхности в сочетании легирования ее с последующей кристаллизацией и образованием упрочняющих фаз, осуществляемое плазмой, формирующейся при электрическом взрыве токопроводящего материала (электровзрывное легирование) [1]. При этом приповерхностные слои имеют металлургическую связь с основой с адгезией на уровне когезии. Повышение физико-механических

615

Решетневские чтения. 2017

свойств поверхностного слоя дополнительно можно получить при помощи высокоинтенсивных импульсных электронных пучков [2]. При таком воздействии на первом этапе происходит нагрев до температур плавления со сверхвысокими скоростями (106–108 К/с). На втором этапе происходит охлаждение тонкого приповерхностного слоя (10–7–10–6 м) материала за очень короткое время (10–6–10–3 с). Такое воздействие способствует образованию в поверхностном слое аморфной и нанокристаллической структуры. Цель настоящей работы – выявление особенностей образования структурно-фазовых состояний на поверхности сплава алюминий-кремний (силумин) после электровзрывного легирования и последующим облучением высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия. Материал и методики исследования. В качестве материала исследования был выбран сплав Al-12,5%Si (эвтектический силумин). Электровзрывное легирование поверхности силумина проводили на установке ЭВУ 60/10 в Сибирском государственном индустриальный университете (г. Новокузнецк). Режимы испытаний подробно приведены в [3]. Легирующий материал содержал два элемента: фольга из титана ~20 мкм весом до 90 мг и порошок бора массой 90 мг. Вторым этапом было воздействие на поверхностный силумина высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» (ИСЭ СО РАН) по режимам приведенным в работе [3]. Структурные исследования проводили методами металлографии, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Механические свойства модифицированного слоя характеризовали величиной микротвердости, трибологические – износостойкостью. Диаграммы состояния тройных систем. Были проанализированы изотермические диаграммы состояний тройных систем Al-Si-B [4], Al-Ti-Si [5], Al-Ti-B [6], Ti-Si–B [7] с целью выявления стехиометрических и нестехиометрических соединений, которые могут образоваться в приповерхностном слое после выше приведенной ионно-электронной плазменной обработки в многокомпонентной системе на основе алюминия. В этих системах вторичные фазы образуются в основном из бинарных силицидов и боридов. Трехкомпонентных соединений в рассматриваемых системах не много. В системе Al-Si-B только одно трехкомпонентное стехиометрическое соединение τ−Al3SiB48 (пространственная группа P42/nnm). В системе Ti−Si−B также выявлено тоже только одно стехиометрическое соединение τ−Ti6Si2B. В системе Al-Si-Ti установлено два трехкомпонентных соединения с протяженными областями гомогенности τ1−(Ti1−ХAlХ)8AlYSi1−Y)16 и τ2−Ti(AlХSi1−Х)2 (Cmcm) и одно стехиометрическое соединение Ti7Al5Si12 (I41/amd) со строго ограниченной областью. В системе Al-Ti-B не обнаружено ни одного трехкомпонентного

соединения внутри в области изотермического треугольника. Результаты исследований и их обсуждение. Установлено, что описанная выше обработка приводит к следующим изменениям механических свойств и особенностям структурно-фазовых состояний: 1 − происходит упрочнение поверхностного слоя силумина до величины, в 7,5 раз превышающей величину микротвердости сердцевины образца; 2 − формированию протяженных упрочненных слоев, толщиной до 200 мкм; 3 − снижению коэффициента трения в 5–6 раз; 4 − выявлено, что в поверхностном слое силумина формируется многофазная структура: Al, Ti, Al2Ti, AlTi3, Al3Ti, TiB, TiSi; 5 − размеры выделяющихся при легировании фаз изменяются в широких пределах: от нано- до субмикронных и выявлены наноразмерные частицы силицида титана TiSi, расположенные в объеме и на границах зерен алюминия, а также на межфазных границах алюминий/кремний. Заключение. На основе анализа структурных данных установлено, что вклад в упрочнение поверхностного слоя силумина, реализующегося при данном способе обработки, вносят разные механизмы: твердорастворный (за счет формирования твердых растворов на основе алюминия), дисперсионный (выделение наноразмерных частиц вторых фаз), зернограничный (за счет измельчения зеренной структуры) и деформационный (за счет формирования дефектной субструктуры). References 1. External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys : book of the International seminar articles / Yu. F. Ivanov [et. al.] ; ed. by V. Gromov. Novokuznezk, 2014. P. 118– 128. 2. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. Surface treatment of materials with low-energy, high-current electron beams (Materials surface processing by directed energy techniques) / еd. by Y. Pauleau. London : Elsevier, 2006. P. 205–240. 3. Applied Mechanics and Materials / Yu. F. Ivanov [et. al.]. 2015. Vol. 756. P. 236–242. 4. Yoshikawa T., Morita K. // Metal. Trans. 2005. Vol. 46 (6). P. 1335. 5. Brukl C., Nowotny H., Schob O., Benesovsky F. // Chem. 1961.Vol. 92. P. 781–788. 6. Fjellstedt J., Jarfors A. E. W. // Z. Metallkd. 2001. Bd. 92(6). P. 563–571. 7. Candioto K. C. G., Nunes C. A., Coelho G. C. // J. of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509. P. 5263– 5268.

616

© Иванов Ю. Ф., Ереско С. П., Клопотов А. А., Петрикова Е. А., Громов В. Е., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 543.428 ФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ СПЕКТРОВ СЕЧЕНИЯ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ FeSi2 В. О. Канзычакова1*, А. Ю. Игуменов1, А. С. Паршин1, А. М. Дёмин2 1

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра І Российская Федерация, 190031, г. Санкт-Петербург, просп. Московский, 9 * E-mail: [email protected]

Дисилицид железа широко используется в создании таких устройств нанотехнологии, как фотоэлектрические преобразователи, перспективные для применения в аэрокосмической отрасли. В исследовании наноматериалов огромную роль играет электронная спектроскопия, а для успешного анализа экспериментальных результатов используются математические методы. Факторный анализ применен для исследования спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2. Ключевые слова: факторный анализ, структуры металл-полупроводник, полупроводники, металлы, силициды железа, спектроскопия сечения неупругого рассеяния электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов. FACTOR ANALYSIS OF INELASTIC ELECTRON SCATTERING CROSS SECTION SPECTRA OF FeSi2 V. O. Kanzychakova1*, A. Yu. Igumenov1, A. S. Parshin1, A. M. Demin2 1

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2 Petersburg State University of Railway Transport 9, Moskovsky Av., St. Petersburg, 190031, Russian Federation * E-mail: [email protected] Iron disilicide is widely used in developing such nanotechnology devices as photoelectric converters that are promising for aerospace applications. Electron spectroscopy plays an important role in the study of nanomaterials. Mathematical methods are widely used for successful analysis of experimental results. In this paper, factor analysis is used to study the inelastic electron scattering cross section spectra of FeSi2. Keywords: factor analysis, metal-semiconductor structures, semiconductors, metals, iron silicides, inelastic electron scattering cross-section, electron energy loss spectroscopy. Для успешного создания устройств наноэлектроники, нанофотоники и спинтроники требуются высокоточные методы анализа их физико-химических свойств. Для исследования наноматериалов наибольшее распространение получили методы электронной спектроскопии, такие как Оже-электронная спектроскопия (ОЭС), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). В обработке полученных результатов широко используются математические методы. Как показано в работах [1–3], факторный анализ может успешно применяться для исследования электронных спектров. В данной работе он применен для исследования спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2. Экспериментальные спектры получены на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре SPECS (Германия) при энергиях первичных электронов 300, 600, 1200, 1900, 3000 эВ. Проведен детальный анализ спектров сечения неупругого рассеяния

электронов FeSi2. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов (Kλ-спектры [4]) представляют собой произведения средней длины неупругого пробега электронов λ и дифференциального сечения неупругого рассеяния K(E0, E0 – E), где E0 и E – соответственно энергии первичных и отраженных электронов, T = E0 – E – потери энергии электронов. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов получены из экспериментальных спектров потерь энергии отраженных электронов с помощью программного пакета QUASESTM XS REELS [5], согласно алгоритму [4]. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 представляют собой одиночный пик при энергии близкой к энергии объемного плазмона. На этих спектрах неразрешены отдельные пики, но об их наличии свидетельствует изменяющаяся с энергией первичных электронов форма пиков. Ранее [6–10] разделение спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 и других материалов было проведе-

617

Решетневские чтения. 2017

но аппроксимацией спектров пиками Тоугаарда. Как показано в работах [1–3], факторный анализ может использоваться для разделения поверхностного и объемного плазмонов. В данной работе с помощью факторного анализа в спектрах сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 разделены вклады поверхностной и объемной природы. Это позволило нам количественно определить чувствительные к элементному составу интенсивности потерь энергии на поверхностные и объемные возбуждения. Библиографические ссылки 1. Jin H. Measurement of optical constants of Si and SiO2 from reflection electron energy loss spectra using factor analysis method / H. Jin [et al.] // Journal of applied physics. 2010, № 107. С. 083709, 1–11. 2. Jin H. Inelastic Scattering Cross Section of Si Determined from Angular Dependent Reflection Electron Energy Loss Spectra / H. Jin [et al.] // Journal of Surface Analysis. 2009. Т. 15, № 3. С. 321–324. 3. Jin H. Angular and Energy Dependences of Reflection Electron Energy Loss Spectra of Si / H. Jin [et al.] // e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 2009. Т. 7. С. 199–202. 4. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electronenergy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys. Rev. B, 1987. Т. 35 (13). С. 6570–6577. 5. QUASES – Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra [Электронный ресурс]. URL: http:// www.quases.com (дата обращения: 01.09.2016). 6. Расчет вероятности генерации поверхностных возбуждений электронами, отраженными от поверхности Si / А. Ю. Игуменов [и др.] // Вестник СибГАУ, 2014. Т. 56 (4). С. 230–235. 7. Тонкая структура спектров сечения неупругого рассеяния электронов и поверхностный параметр Si / А. С. Паршин [и др.] // Физика и техника полупроводников, 2015. Т. 49 (4). С. 435–439. 8. Сравнительный анализ спектров характеристических потерь энергии электронов и спектров сечения неупругого рассеяния в Fe / А. С. Паршин [и др.] // Физика твердого тела, 2016. Т. 58 (5). С. 881–887. 9. Исследование дисилицида железа методами электронной спектроскопии / А. С. Паршин [и др.] // Журнал технической физики, 2016. Т. 86 (9). С. 136– 140.

10. Fine structure of inelastic electron scattering cross-section spectra for Mn / A. S. Parshin [и др.] // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2016. Т. 122. С. 012025, 1–7. References 1. Jin H. Measurement of optical constants of Si and SiO2 from reflection electron energy loss spectra using factor analysis method / H. Jin [et al.] // Journal of applied physics. 2010, No. 107. P. 083709, 1–11. 2. Jin H. Inelastic Scattering Cross Section of Si Determined from Angular Dependent Reflection Electron Energy Loss Spectra / H. Jin [et al.] // Journal of Surface Analysis. 2009. Vol. 15, No. 3. P. 321–324. 3. Jin H. Angular and Energy Dependences of Reflection Electron Energy Loss Spectra of Si / H. Jin [et al.] // e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 2009. Vol. 7. P. 199–202. 4. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electronenergy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys. Rev. B, 1987. Vol. 35 (13). P. 6570–6577. 5. QUASES – Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra Available at: http:// www.quases.com (accessed: 01.09.2016). 6. Raschet veroyatnosti generatsii poverkhnostnykh vozbuzhdeniy elektronami, otrazhennymi ot poverkhnosti Si / A. Yu. Igumenov [et al.] // Vestnik SibGAU, 2014. Vol. 56 (4). P. 230–235. 7. Tonkaya struktura spektrov secheniya neuprugogo rasseyaniya elektronov i poverkhnostnyy parametr Si / A. S. Parshin [et al.] // Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 2015. Vol. 49 (4). P. 435–439. 8. Sravnitel’nyy analiz spektrov kharakteristicheskikh poter’ energii elektronov i spektrov secheniya neuprugogo rasseyaniya v Fe / A. S. Parshin [et al.] // Fizika tverdogo tela, 2016. Vol. 58 (5). P. 881–887. 9. Issledovaniye disilitsida zheleza metodami elektronnoy spektroskopii / A. S. Parshin [et al.] // Journal of tekhnicheskoy fiziki, 2016. Vol. 86 (9). P. 136–140. 10. Fine structure of inelastic electron scattering cross-section spectra for Mn / A. S. Parshin [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 122. P. 012025, 1–7.

618

© Канзычакова В. О., Игуменов А. Ю., Паршин А. С., Демин А. М., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 678.6 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОЛИИМИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Д. В. Крамарев1*, Т. А. Иваненко1, А. И. Немчинов2, Н. М. Левакова2 1

ОАО «МИПП-НПО «Пластик» Российская Федерация, 121059, г. Москва, Бережковская набережная, 20, стр. 10 1 ООО «ТЕКС-ЦЕНТР» Российская Федерация, 105005, г. Москва, ул. Малая Почтовая, 2/2 * E-mail: [email protected] Исследовалось влияние модифицирующих добавок на физико-механические свойства полиимидных материалов. Показаны перспективы использования полученных материалов в конструкциях космических аппаратов. Ключевые слова: полиамидокислота, кинетика имидизации, полиимидная плёнка, модификация полимидов, полиимидное связующее, полиарамидное волокно. INVESTIGATING MODIFICATION PATTERNS OF POLYIMIDE MATERIALS USED IN MULTILAYER STRUCTURES OF SPACECRAFT D. V. Kramarev1*, T. A. Ivanenko1, A. I. Nemchinov2, N. M. Levakova2 1

JSC “MIPP-NPO “Plastic” 20, building 10, Berezhkovskaya embankment, Moscow, 121059, Russian Federation 1 LTD “TEKS-CENTER” 2/2, Malaya Pochtovaya Str., Moscow, 105005, Russian Federation * E-mail: [email protected] We investigate the influence of modifying additives on physico-mechanical properties of polyimide materials. We study the prospects of using the obtained materials in the construction of spacecraft. Keywords: polyamide acid, imidization kinetics, polyimide film, modification of polyamides, polyimide resin, polyaramid fiber. Введение. В качестве полимерной основы для создания многослойных композиционных материалов, используемых в экстремальных условиях ближнего космоса, могут быть успешно применены полиимидные материалы [1]. Сочетание высоких прочностных характеристик, сохраняемых даже после воздействия радиации, высокой и низкой температур, уф-облучения, позволяют рассчитывать на полиимиды (ПИ) как на перспективный материал в многослойных сверхлегких конструкциях космических аппаратов [2]. Несмотря на ряд преимуществ полиимидных материалов над другими термостойкими полимерами, диапазон рабочих температур которых сопоставим с диапазоном рабочих температур полиимидов, работы над улучшением свойств полиимидов в России в настоящее время продолжаются, хотя не так интенсивно, как в 60–80-е годы прошлого столетия. Это связано, в том числе с ограниченным набором исходных мономеров: ангидридов кислот и диаминов. Поэтому актуальной задачей является исследование возможностей улучшения свойств полиимидов путём их модифицирования. В настоящей работе представлены результаты исследования свойств полиимидных плёночных материалов (ПИ плёнок), полученных путём введения в их состав модифицирующих добавок различной природы.

Модифицирование полиимидов. Преполимером, из которого формировались ПИ плёнки, была полиамидокислота (ПАК), синтезируемая из диангидрида 3,3I,4,4I-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты (ДФО) и диаминдифенилового эфира резорцина (Диамина Р). В качестве растворителя полученной полиамидокислоты использовался N,N-диметилформамид (ДМФА), в среде которого и проводился синтез. Конечный продукт синтеза – лак ПАК-РД с массовой долей полиамидокислоты ~15 % масс [3]. Первой задачей в работе был подбор модификаторов, способных улучшить физико-механические свойства полиимидных материалов. Существует два подхода, позволяющих ввести наноразмерные добавки в состав полиимида: введение готовых наночастиц в полимерную матрицу на различных стадиях ее формования или параллельный синтез полимерной матрицы и наночастиц в ней [4]. В нашей работе мы пошли первым путем: добавление в полиамидокислоту готовых наноразмерных модификаторов. Были использованы углеродные нанотрубки (УНТ) двух типов: УНТ1 состава Co Mo 1 % и УНТ2 состава Fe Mo 5 %, обработанных азотной кислотой с удельной поверхностью от 250 до 1500 м2/г и зольностью менее 0,5 %. Однако на стадии механического добавления наночастиц в полимерную матрицу возникает про-

619

Решетневские чтения. 2017

блема невозможности их равномерного распределения в массе лака полиамидокислоты. С этой целью были приготовлены суперконцентраты нанотрубок в олигоэфириклокарбонате марки Лапролат 301г («Макромер», г. Владимир). Распределение наполнителя проводилось при помощи ультразвукового диспергатора МОД МЭФ 91 с рабочей частотой 22 кГц и интенсивностью ультразвукового воздействия 250 Вт/см2. Процесс диспергирования длился 3 мин для каждого типа нанотрубок. К раствору полиамидокислоты добавлялся суперконцентрат УНТ и Лапролат 301 для установления массовой доли последнего в полученной плёнке 15 %. Полученные из раствора плёнки испытывались по ГОСТ 14236–81. Введение наноразмерных наполнителей негативно влияет на относительное удлинение плёнок, однако способно увеличить прочность плёнок, что оказалось актуально при добавлении суперконцентрата УНТ1 Co Mo 1% с массовой долей УНТ в лаке ПАК-РД 0,075 % и при добавлении суперконцентрата УНТ2 Fe Mo 5 % с массовой долей УНТ в лаке ПАК-РД 0,15 %. Полученные модификаторы получили в дальнейшей работе наименования Наномодификатор № 1 и Наномодификатор № 2 (НМ1 и НМ2). Полученные данные представлены на рисунке. Оценить влияние модификаторов можно, сравнив энергии активации реакции имидизации ненаполненной полиамидокислоты и полиамидоксилоты с активным разбавителем и с наполнителями. Энергию акти-

вации перехода ПАК в ПИ можно рассчитать по сдвигу пиков ДСК, полученных при разных скоростях сканирования методом [5]. Энергию активации можно получить с помощью графика lnβ от 1000/Tp, где Тр – это температура экзотермического пика, соответствующего реакции имидизации, а β – скорость сканирования. Полученные данные методом ДСК представлены в табл. 1. Из полученных данных следует, что введение всех описанных выше модификаторов смещает координаты пиков экзотермической реакции имидизации в область более низких температур. При этом введение в состав полиамидокислоты и Лапролата, и ЭТФ (этипокситрифенольная термостойкая смола) не сказывается на изменении значении энергии активации реакции имидизации. Введение же в состав ПАК-РД Наномодификатора № 1 и Наномодификатора № 2 увеличивает значение энергии активации, что, по-видимому, приводит к образованию энергетически более выгодной структуры в плёнках ПИ. Ткане-плёночный материал. На конечном этапе работы была произведена оценка физикомеханических свойств пропитанных тканей на основе промышленно выпускаемого полиарамидного волокна саржевого переплетения марки «Руслан». Образцы ткани с заимидизированным связующим испытывались по ГОСТ 3813–72 на относительное удлинение и прочность при растяжении. Полученные данные представлены в табл. 2.

Зависимость прочности при растяжении полимидных плёнок от концентрации углеродных нанотрубок: УНТ(1) – 1 % суперконцентрат УНТ Co Mo 1 % в Лапролате 301г; УНТ(2) – 1 % суперконцентрат УНТ Fe Mo 5 % в Лапролате 301г Таблица 1 Координаты пиков удаления растворителя и реакции имидизации для лаков ПАК с различными модификаторами

Материал

Координаты первого пика Скорость нагрева, град/мин 3 8 10 15

Координаты второго пика Скорость нагрева, град/мин 3 8 10 15

ПАК без модификаторов

137,9

124,2

122,7

–

159,0

185,9

194,2

–

ПАК + 15 % Лапролат 301г

98,9

123,8

142,8

140,3

151,1

158,0

172,9

179,3

ПАК + 2 % ЭТФ

97,9

120,6

123,1

140,3

153,3

181,5

186,0

193,0

ПАК + 15 % НМ1

95,5

122,2

129,1

134,6

150,1

155,9

157,2

161,1

ПАК + 15 % НМ2

92,2

–

140,6

146,1

147,8

–

157,5

162,9

620

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Таблица 2 Физико-механические свойства ткане-плёночных материалов Материал

Ткань 86-294-05ВО (Руслан) Ткань + ПИ без модификаторов Ткань + ПИ + Лапролат 301г Ткань + ПИ + Суперконцентрат Ткань + ПИ + ЭТФ

Разрывная нагрузка, Н основа 1950 3589 2890 3385 3740

Как видно из представленных данных, пропитка полиарамидной ткани разработанными связующими увеличивает прочность при растяжении по основе, но уменьшает по утку ткани. Выводы: – определены оптимальные составы модифицированных ПИ материалов и исследованы их физикомеханические свойства; – определены термодинамические характеристики процессов имидизации методами ДСК; – изучены основные закономерности межфазного взаимодействия между полиимидным связующим и армирующим компонентом на основе полиарамидной ткани Библиографические ссылки 1. Ананьева О. А. Исследование плёночных полимерных материалов, экспонированных на орбитальной космической станции «Мир» : автореф. дис. … канд. хим. наук. Обнинск, 2007. 122 с. 2. Михайлин Ю. А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб. : Профессия, 2006. 624 с. 3. Кузнецова Е. В., Геращенко В. В., Березина А. Б. Термопластичные полиимиды. Тенденции развития и методы получения. Обзорн. инф. Сер. Производство

уток 1583 1303 1313 1211 1241

Относительное удлинение, % основа 24 13 14 14 16

уток 31 33 28 28 28

и переработка пластмасс. Материалы НПО «Пластик». М. : НИИТЭХИМ, 1991. 16 с. 4. Ж. общ. химии / И. В. Гофман [и др.]. 2007. Т. 77, № 7, 10751080. 5. Kissinger H. // J. Anal. Chem., 1957, Vol. 21, p. 111. References 1. Anan’eva O. A. Issledovanie plenochnykh polimernykh materialov, eksponirovannykh na orbital’noy kosmicheskoy stantsii «Mir» : Ref. dis. kandidata khim. nauk. Obninsk, 2007. 122 p. 2. Mikhaylin Yu. A. Termoustoychivye polimery i polimernye materialy. SPb. : Professiya, 2006. 624 p. 3. Kuznetsova E. V., Gerashchenko V. V., Berezina A. B. Termoplastichnye poliimidy. Tendentsii razvitiya i metody polucheniya. Obzorn. inf. Ser. Proizvodstvo i pererabotka plastmass. Materialy NPO “Plastik”. M. : NIITEKhIM, 1991, 16 p. 4. Gofman I. V. [et al.]. Gusarov, Zh. obshch. khimii. 2007. Vol. 77, no. 7, 10751080. 5. Kissinger H. // J. Anal. Chem., 1957, Vol. 21. P. 111.

621

© Крамарев Д. В., Иваненко Т. А., Немчинов А. И., Левакова Н. М., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 669.14.018.28 УСИЛЕНИЕ ЭФФЕКТА НАНОМОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ УЛЬТРАЗВУКОМ Г. Г. Крушенко1, 2*, С. Н. Решетникова2, В. В. Голованова3 1

Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3 ФГУП «КБ «Арсенал» имени М. В. Фрунзе» Российская Федерация, 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, д. 1-3 * E-mail: [email protected] С целью повышения механических свойств литейных алюминиевых сплавов, широко применяющихся в аэрокосмической отрасли для изготовления литых деталей, была разработана и успешно опробована технология модифицирования расплава нанонопорошками химических соединений при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний. Ключевые слова: алюминиевые сплавы, механические свойства, модифицирование, нанопорошки, ультразвук. STRENGTHENING EFFECT OF NANO-MODIFICATION OF ALUMINUM ALLOYS BY ULTRASOUND G. G. Krushenko1, 2*, S. N. Reshetnikova2, V. V. Golovanova3 1

Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3 Design Bureau “Arsenal” named after M. V. Frunze 1-3, Komsomol Str., Saint-Petersburg, Russian Federation * E-mail: [email protected] The article describes a technology to modify the melt by nanoporosity of chemical compounds with simultaneous influence of ultrasonic vibrations. The technology is necessary to improve the mechanical properties of cast aluminum alloys widely used in the aerospace industry to manufacture castings. Keywords: aluminum alloys, mechanical properties, modification, nanopowders, ultrasound. В связи с высоким соотношением показателей прочность-масса, алюминиевые сплавы широко применяются в аэрокосмической отрасли [1–3]. При этом однозначно установлено, что металлоизделия с мелкокристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллической. Такая особенность металлов хорошо описывается соотношением Холл–Петча (Hall–Petch dependence) [4; 5]: H ν (σT ) = H 0 (σ0 ) +

k D

,

где Hν − твердость материала; σT – предел текучести; H0 – твердость тела зерна; σ0 – внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна; k – коэффициент пропорциональности; D – размер зерна.

Известно, что с целью измельчения структуры сплавов, и, как результат, повышение механических свойств получаемых из них литых изделий, применяется так называемое «модифицирование» [6], суть которого заключается во введении в жидкий металл веществ, служащих центрами кристаллизации. В последние годы большое внимание уделяется новому классу модификаторов – нанопорошкам (НП) химических соединений [7; 8], которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм (1 нм = 1⋅10–9 м) [9]. Нами были успешно опробовано модифицирование НП при литье фасонных отливок из различных сплавов. Во всех случаях НП приводило к измельчению структуры, и, как результат, к повышению механических свойств отливок. При этом НП вводили в расплав в объеме прессованных прутков [10]. Однако при работе с прутками сложность заклю-

622

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

чается в необходимости прессования прутка. В связи с этим был разработан новый способ модифицирования сплавов НП с использованием ультразвуковых колебаний (УЗК) при заливке сплава АК12 в кокиль. В качестве модификаторов применяли НП AI2O3, Si3N4 и ZrB2. Упругие колебания вводилась при заливке металла в форму в специально сконструированную в литниковой системе реакционную камеру. Кокиль устанавливался на рабочем столе установки так, чтобы излучатель колебаний входил в отверстие (∅ 24 мм) реакционной камеры, расположенное в ее дне. УЗК передавали в расплав от магнитострикционного преобразователя промышленного типа ПМС15А-18, через ступенчатый концентратор. Сплав готовили в индукционной печи ЛПЗ-67. НП вводили в расплав в реакционной камере в тонкостенной алюминиевой гильзе которая крепилась в отверстии в реакционной камере кокиля перпендикулярно направлению потоку заливаемого металла. В процессе заливки стенки гильзы растворялись, и НП попадал в расплав. Из отлитых проб вытачивали стандартные образцы для испытания механических свойств. Полученные результаты показали, что при всех изученных видах обработки расплава механические свойства превышают требуемые по ГОСТ 1583–89. При этом в случае введения НП В4С в объеме прутка σв несколько превышает σв, полученное при модифицировании сплава общепринятым тройным модификатором, однако δ и НВ оказались более низкими, тогда как при совмещении введения НП прямым путем с обработкой УЗК механические свойства оказались более высокими, особенно δ. Наиболее высокие свойства показала комбинация НП Al2O3(0,04%) + УЗК: σв = 210 МПа, δ = 12,85 %, НВ = 668, что существенно превышает требуемые по ГОСТ 1583–89: σв ≥ 160 МПа, δ ≥ 2,00, НВ ≥ 500. Библиографические ссылки 1. Фридляндер И. Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970–2000 и 2001– 2015 гг. // Технология легких сплавов, 2002. № 4. С. 12–17. 2. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials & Design (1980–2015), April 2014. Vol. 56, P. 862–871. 3. Warren A. S. Developments and challanges for aluminium – A Boeing perspective. Materials Forum // Institute of Materials Engineering Australasia Ltd, 2004. Vol. 28. P. 24–31. 4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results // Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951. Vol. 64. № 9. P. 717– 753. 5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals // Journal of Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 174. P. 25–28.

6. Бондарев Б. И., Напалков В. И., Тарарышкин В. И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М. : Металлургия, 1979. 224 с. 7. Horikoshi S., Serpone N. Introduction to Nanoparticles // Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2013. 24 p. 8. Нанопопрошковые технологии в машиностроении / В. В. Москвичев [и др.] ; Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2013. 186 с. 9. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. М. : Атомиздат, 1977. 264 с. 10. А. с. СССР № 831840 А1 МПК С22С 1/06 Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа. Заявка № 2831160 от 17.10.1979 / Г. Г. Крушенко [и др.]. Бюл., 1981. № 19. References 1. Fridlyander I. N. [Aluminum alloys in aircraft in periods of 1970–2000 and 2001–2015]. Tekhnologiya legkikh splavov. 2002. no. 4. Р. 12–17 (In Russ.). 2. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials & Design (1980–2015), April 2014. Vol. 56, P. 862–871. 3. Warren A. S. Developments and challanges for aluminium – A Boeing perspective. Materials Forum // Institute of Materials Engineering Australasia Ltd, 2004. Vol. 28. P. 24–31. 4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results // Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951. Vol. 64. № 9. P. 717– 753. 5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals // Journal of Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 174. P. 25–28. 6. Bondarev B. I., Napalkov V. I., Tararyshkin V. I. Modifitsirovanie alyuminievykh deformiruemykh splavov [Modification of wrought aluminium alloys]. Moscow, Metallurgiya, 1979, 224 p. 7. Horikoshi S., Serpone N. Introduction to Nanoparticles // Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2013. 24 p. 8. Nanopoproshkovye tekhnologii v mashinostroenii. [Nanoporoshkov engineering technologies] / Moskvichev V. V. [et al.] ; Sib. feder. un-t. Krasnoyarsk, 2013. 186 p. 9. Morokhov I. D., Trusov L. I., Chizhik S. P. Ul’tradispersnye metallicheskie sredy.[ Ultrafine metal environment]. Moscow: Atomizdat, 1977, 264 p. 10. Sposob modifitsirovaniya liteynykh alyuminievykh splavov evtekticheskogo tipa / Krushenko G. G., Musokhranov Yu. M., Yamskikh I. S. et al. [Method of modification of cast aluminum alloys of eutectic type]. Patent SU. no. 831840, 1981.

623

© Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Голованова В. В., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 537.525.5 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО СИНТЕЗА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ* А. А. Лепешев1, 2, А. В. Ушаков1, 2, И. В. Карпов1, 2, Л. Ю Фёдоров1, 2, В. Г. Дёмин1, 2 1

Красноярский научный центр СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 2 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 * E-mail: [email protected] Синтезированы образцы YBa2Cu3O7-δ/наноCuO композитов. Исследовано влияние технологии введения наночастиц CuO на структуру ВТСП композита. Установлено, что синтез ВТСП в вакуумно-дуговом реакторе позволяет получать однородную структуру. Ключевые слова: сверхпроводники, оксид меди, вакуумная дуга, электронная микроскопия. HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS OF VACUUM ARC SYNTHESIS FOR SPACE TECHNOLOGY A. A. Lepeshev1, 2, A. V. Ushakov1, 2, I. V. Karpov1, 2, L. Yu. Fedorov1, 2, V. G. Demin1, 2 1

Krasnoyarsk Science Centre SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation * E-mail: [email protected] Samples of YBa2Cu3O7-δ / nano CuO composites are synthesized. The influence of the technology of CuO nanoparticles introduction on the structure of HTSC composite is studied. It is established that the synthesis of HTSC in a vacuum arc reactor allows achieving a homogeneous structure. Keywords: superconductors, copper oxide, vacuum arc, electron microscopy. В настоящее время интенсивно разрабатываются технические устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В частности, разрабатываются конструкции бесконтактных сверхпроводящих опор, универсальные системы бесконтактной связи между космическими объектами, системы причаливания и стыковки космических летательных аппаратов (КЛА), герметичные вводы движения, устройства связи с переменной жесткостью, большие космические конструкции с бесконтактными связями, системы защиты КЛА от радиации, различные энергетические и приборные системы для работы на Луне [1]. В связи с этим, научно значимой является проблема разработки высокотемпературных сверхпроводящих материалов с высокой управляемой токонесущей способностью. Одним из перспективных направлений по улучшению функциональных характеристик, в том числе плотности критического тока является внедрение инертных неорганических тугоплавких добавок с характерными размерами частиц порошка в несколько десятков нанометров для создания искусственных центров пининга [2–8]. Однако, важнейшим моментом является подбор инертного нанопорошка, его химического состава и структуры, поскольку использование порошков с повышенной реакционной *

способностью приведет к размытию переходной зоны, изменению состава сверхпроводящей керамики. Образцы YBa2Cu3O7-δ с различным содержанием наночастиц CuO синтезированы по стандартной керамической технологии [8]. Сравнительный анализ состояния межфазных границ композитов приводит к заключению, что традиционная технология смешивания ВТСП с нанодобавками оксида меди с последующим свободным спеканием приводит к возникновению либо крупных участков матрицы из оксида меди, либо границ прямого контакта зёрен ВТСП (рисунок). ВТСП, синтезированный в вакуумно-дуговом реакторе, с одновременным введением в сверхпроводящую керамику наночастиц CuO, характеризуется максимально равномерным распределением легирующих наночастиц (см. рисунок), а его межфазные границы не обнаруживают ни дефектов в виде отслоений и остаточных пор, ни морфологически различимых участков интерфейса. Нанозёрна лигатуры имеют монолитное сопряжение с основными фазами композита, но даже на изредка встречающихся крупных включениях оксидной фазы интерфейсные поверхности её сопряжения с ВТСП характеризуются межфазными переходами без видимых морфологических несовершенств.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10054).

624

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Микрофотография ВТСП композита YBa2Cu3O7-δ/нано CuO: полученный по традиционной технологии (слева); полученный в вакуумно-дуговом реакторе (справа)

Проведённые исследования обнаружили хорошую совместимость оксида меди с материалом ВТСП на уровне межзёренных границ. Дополнительно следует отметить, что наизученных СЭМ-изображениях не обнаружено следов разрушения различных фаз и их отслоения друг от друга даже в зонах микродеформации одиночного крупного включения CuO. Исследование значений плотности критического тока показало, что за счёт улучшения межзёренной проводимости критический ток увеличился с 50 до 70 кА/см2. Таким образом, использование метода вакуумнодугового синтеза ВТСП композитов позволяет значительно улучшить структурные и электротехнические характеристики сверхпроводников. Библиографические ссылки 1. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в перспективных космических системах / В. А. Матвеев [и др.] // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. C. 15–32. 2. Механизмы ионизации в катодном пятне вакуумной дуги / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, А. А. Лепешев // Вестник СибГАУ. 2015. № 16 (4). С. 983–989. 3. Моделирование процессов ионизации в катодном пятне вакуумной дуги / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, А. А. Лепешев // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф. (10–14 нояб. 2015, г. Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 104–106. 4. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge / A. A. Lepeshev [et al.] // J. of Superconductivity and Novel Magnetism, 2017. Т. 30, № 4. С. 931–936. 5. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials / A. V. Ushakov [et al.] // International J. of Nanoscience, 2017. Т. 16, № 4. С. 1750001. 6. The influence of oxygen concentration on the formation of CuO and Cu2O crystalline phases during the synthesis in the plasma of low pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Т. 128. С. 123–127.

7. Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Т. 133. С. 25–30. 8. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7−x/CuO granular composites / A. V. Ushakov [et al.] // J. Appl. Phys., 2015. Т. 118, № 2. С. 023907. References 1. [The use of bulk high-temperature superconductors in promising space systems] / V. A. Matveev [et al.] ; Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Priborostroyeniye. 2016. No. 1, p. 15–32 (In Russ.). 2. [Mechanisms of ionization in a cathode spot of a vacuum arc] / A. V. Ushakov, I. V. Karpov, A. A. Lepeshev ; Vestnik SibGAU. 2016, No. 4, p. 983–989. (In Russ.) 3. [Modeling of ionization processes in a cathode spot of a vacuum arc]. Мaterialy XIX Mezhdunar. nauch. konf. “Reshetnevskie chteniya” [Materials XV Intern. Scientific. Conf “Reshetnev reading”] / A. V. Ushakov, I. V. Karpov, A. A. Lepeshev ; Krasnoyarsk, 2015, p. 104–106. (In Russ.) 4. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge / A. A. Lepeshev [et al.] // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2017. Vol. 30, No 4, p. 931–936. 5. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials / A. V. Ushakov [et al.] // International Journal of Nanoscience, 2017. Vol. 16, No 4, p. 1750001. 6. The influence of oxygen concentration on the formation of CuO and Cu2O crystalline phases during the synthesis in the plasma of low pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Vol. 128. P. 123– 127. 7. Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Vol. 133. P. 25–30. 8. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7−x/CuO granular composites / A. V. Ushakov [et al.] // J. Appl. Phys., 2015. Vol. 118, No. 2, p. 023907.

625

© Лепешев А. А., Ушаков А. В., Карпов И. В., Фёдоров Л. Ю., Дёмин В. Г., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 666.313 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВОГО УЗЛА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ* Е. Ю. Подшибякина1*, Ю. А. Петровская2, Д. С. Медушевский1, А. А. Черкашин1, А. Ф. Шиманский1 1

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * Е-mail: [email protected] Производство полупроводникового германия вносит вклад в развитие аэрокосмического приборостроения. Работа направлена на разработку технологических режимов изготовления из кварцевой керамики элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия и исследование их свойств. Ключевые слова: бортовая аппаратура ракет, германий, монокристаллы, тепловой узел, кварц, керамика, теплопроводность. USING QUARTZ CERAMICS AS ELEMENTS OF THERMAL UNIT FOR GROWING MONOCRYSTALS OF GERMANY E. Yu. Podshibyakina1*, Yu. А. Petrovskaya2, D. S. Medushevsky1, A. A. Cherkashin1, A. F. Shymansky1 1

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * Е-mail: [email protected] The production of germanium semiconductor contributes to the development of aerospace instrumentation. The work is aimed at developing technological regimes to manufacture quartz ceramic elements for the construction of a thermal unit for the growth of germanium single crystals and the study of their properties. Keywords: germanium, single crystals, thermal unit, amorphous silicon oxide, thermal conductivity, ceramics. Введение. Германий – один из основных материалов полупроводниковой электроники. Сфера применения германия включает вычислительную технику, инфракрасную оптику, телемеханику, производство детекторов гамма-излучения. Мощные ВЧ- и СВЧприборы с германиевыми триодами применяют в выходных каскадах бортовой аппаратуры ракет и блоках радиолокационных установок [1–4]. Монокристаллы германия выращивают из расплава по методу Чохральского. В качестве элементов теплового узла и контейнерного материала в установке для выращивания применяется, в основном, ультрачистый графит [5]. При использовании графита наблюдается поступление в расплав германия ряда примесей, например, B, Ga и P, эффективный коэффициент распределения которых при низком содержании приближается к единице и, соответственно, очистка от них не происходит. Одним из путей решения данной проблемы является применение новых конструкционных материалов. К их числу относится аморфный оксид кремния в виде плавленого кварца, либо керамики. Целью работы является разработка технологических режимов изготовления из кварцевой керамики

элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия и исследование их свойств. Методика эксперимента. Повышенные требования к чистоте изделий обусловили наш выбор шликерного литья в качестве способа формования керамических изделий. В процессе шликерного литья осуществляется формование кварцевого изделия при заполнении шликером пористой формы, в нашем случае, изготовленной из гипса, обеспечивающей удаление жидкости. Получение шликера на основе плавленого кварца осуществляли одностадийным методом с периодической догрузкой сырья. С этой целью в шаровую мельницу загружали дробленое кварцевое стекло (< 3 мм), добавляли деионизованную воду, исходя из концентрации твердой фазы, равной 65 масс. %. Соотношение массы шаров и массы загрузки составляло (2–3):1. Для очистки кварца от примесей осуществляли его обработку в смеси растворов азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1:3, с последующей промывкой в дистиллированной и деионизованной воде. После очистки содержание примесей в кварце составляло 0,08 масс. %.

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта № 16-43-240719.

626

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли Результаты исследования Размер фракции, мкм

Содержание фракции, масс. % 20 ºС 40 ºС 1 3 8 7 58 67 20 18 7 5 4 – 2 –

менее 0,5 0,5–1 1–5 5–10 10–15 15–20 20–40

а

б

в

Элементы теплового узла: верхний экран (а); нижний экран (б); контейнеры для расплава (в)

Обсуждение результатов. Проведены исследования влияния температуры дисперсионной среды в ходе приготовления шликера в интервале от 20 до 40 ºС на его свойства, а так же на характеристики керамических изделий. В таблице приведены результаты исследования гранулометрического состава дисперсной фазы SiO2. На основании приведенных данных можно заключить, что в составе твердой фазы преобладает фракция с размером частиц до 5 мкм. Ее содержание составляет 67 масс. % при температуре дисперсионной среды 20 ºС и – 77 масс. % при 40 ºС. При этом в первом случае минимальный размер частиц составляет 0,5 мкм, во втором присутствуют более мелкие частицы размером 0,2 мкм, что способствует повышению седиментационной устойчивости шликера. Так как стабильность дисперсных систем определяется их электрохимическими параметрами проведены исследования влияния температуры приготовления шликера на величину ξ-потенциала с системе. Установлено, что при увеличении температуры приготовления шликера от 20 до 40 ºС ξ-потенциал возрастает от 39 до 41,8 мВ, что также свидетельствует о повышении устойчивости шликера. Обнаружено, что размер частиц и ξ-потенциал при дальнейшем увеличении температуры от 40 до 50 ºС практически не изменяются. При более высокой температуре исследования не проводились, так как начиналось интенсивное испарение влаги. Таким образом, на основании проведенных исследований можно заключить, что приготовление шликера целесообразно проводить при температуре 40 ºС. На рисунке приведены фотографии экспериментальных изделий. Полученные изделия подвергались отжигу при температуре 1200 ºС в течение 1 ч, так как при более высокой температуре наблюдалось появление кристаллических фаз, снижающих их термостойкость. На экспериментальных образцах определена их плотность. Установлено, что с ростом температуры приготовления шликера она возрастает от 1,8 до 2,0 г/см3. В температурном интервале от 20 до 1000 ºС проведены исследования теплопроводности керамического

материала, которые показали, что она составляет ~1,0 Вт/(м·К). Заключение. На основании проведенных исследований свойств шликера и экспериментальных керамических изделий из кварца предложены технологические режимы изготовления элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия, включающие температурный режим приготовления шликера. Библиографические ссылки 1. Dimroth F., Kurtz S. High-efficiency multijunction solar cells // MRS bulletin. 2007. Т. 32. № 03. P. 230– 235. DOI: http://dx.doi.org/10.1557/mrs2007.27. 2. Наумов А. В. Мировой рынок германия и его перспективы. Восставший из праха // Известия вузов. Цветная металлургия. 2007. № 4. С. 32–40. 3. Handbook of photovoltaic science and engineering / A. Luque [et al.]. John Wiley & Sons, 2003. 1168 р. 4. Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, Oxford, 2007. 449 p. 5. Таиров Ю. М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М. : Высш. шк., 1990. 423 с. References 1. Dimroth F., Kurtz S. High-efficiency multijunction solar cells. MRS bulletin, 2007, Vol. 32, no. 03, P. 230– 235. DOI: http://dx.doi.org/10.1557/mrs2007.27. 2. Naumov A. V. [The global market for germanium and its prospects. Risen from the ashes] Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya, 2007, no. 4, p. 32–40. (In Russ.). 3. Luque A., Hegedus S. (ed.). Handbook of photovoltaic science and engineering. John Wiley & Sons, 2003. 1168 р. 4. Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, Oxford, 2007. 449 p. 5. Tairov Yu. M., Zvetkov V. F. Technology of semiconductor and dielectric material. M. : High. School., 1990. 423 p. (In Russ.)

627

© Подшибякина Е. Ю., Петровская Ю. А., Медушеский Д. С., Черкашин А. А., Шиманский А. Ф., 2017

Решетневские чтения. 2017

УДК 539.374 О ПРЕДЕЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ С. И. Сенашов*, И. Л. Савостьянова Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Изучается предельное состояние деформируемых материалов. Подробно рассмотрен случай, когда уравнение замыкается условием пластичности Губера–Мизеса. Для него найдены точечные симметрии и законы сохранения. На их основе построены новые точные решения уравнений. Ключевые слова: предельное состояние, симметрии, законы сохранения. THE LIMIT STATE OF DEFORMABLE MATERIALS S. I. Senashov*, I. L. Savostyanova Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] This article examines the limit state of deformable materials. The paper discusses in detail the case when the equation becomes isolated condition plasticity of Huber – Mises. For this case, the researchers find symmetry point and conservation laws. The researchers find new exact solutions of the equations. Keywords: limit state, symmetries, conservation laws. Предельное состояние деформируемых тел – это статически определяемое состояние твердых тел, когда искомая система уравнений замкнута исключительно за счет предельных условий и такие свойства как упругость, вязкость и т. п. никакого влияния на предельное состояние оказать не могут [1]. Многие авторы, начиная с М. Леви, А. Хаара и Т. Кармана, А. Ю. Ишлинского, Д. Д. Ивлева изучали предельное состояние и подвергали его глубокому и всестороннему анализу. В случае предельного состояния существенно упрощаются исходные уравнения и задача становится статически определимой. Не случайно наиболее хорошо исследованные уравнения идеальной пластичности относятся к этому случаю: задача кручения призматических стержней, плоская деформация и плоское напряженной состояние, осесимметрические задачи, при условии полной пластичности. Авторы нашли еще один случай, когда уравнения равновесия замыкаются условие пластичности Губера–Мизеса. Для этих уравнений найдены характеристические поверхности, законы сохранения, зависящие от искомых переменных, точечные симметрии. На основе точечных симметрий построены точные решения, которые могут быть использованы для описания кручения параллелепипеда вокруг трех ортогональных осей. Данная работа продолжает цикл статей посвященных указанной тематике [2; 3].

Библиографические ссылки 1. Ивлев Д. Д. Предельное состояние деформированных тел и горных пород. М., Физматлит, 2008. 832 с. 2. Senashov S. I., Yakhno A. Application of conservation laws to Dirichlet problem for elliptic quasilinear systems. International J. of Non-Linear Mechanics, 2016. T. 85. C. 1–5. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2016.05.007. 3. Senashov S. I., Cherepanova O. N., Kondrin A. V. Elasto-plastic bending of a beam. Journal of Siberian Federal University – Mathematics and Physics, 2014. № 7 (2). С. 218–223. References 1. Ivlev D. D. Predelnoe sostojanie deformirovannyh tel i gornyh porod. [The limit state of deformed bodies and rocks] Moscow, Fizmatlit, 2008, 832 p. 2. Senashov S. I., Yakhno A. Application of conservation laws to Dirichlet problem for elliptic quasilinear systems. (2016). International Journal of Non-Linear Mechanics, 85, pp. 1–5. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec. 2016.05.007. 3. Senashov S. I., Cherepanova O. N., Kondrin A. V. Elasto-plastic bending of a beam. Journal of Siberian Federal University – Mathematics and Physics, 2014. Vol. 7 (2), Pp. 218–223. © Сенашов С. И., Савостьянова И. Л., 2017

628

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 358.11 ПРИМЕНЕНИЕ ПОГЛОЩАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ТАКТИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ КОМПЛЕКСАХ Н. И. Стаценко*, Н. С. Писарев, А. В. Кравченко Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 * E-mail: [email protected] Военная промышленность всегда шла бок о бок с наукой. Новейшие разработки ученых активно внедрялись при создании новой военной техники, а также при модифицировании старой. Стремительное развитие оборонительной техники сводит на нет использование ракетных тактических комплексов, поскольку при обнаружении ракеты, ее моментально ликвидируют. В связи с этим возникает необходимость модификации тактических ракетных комплексов, посредством уменьшения вероятности обнаружения запущенной ракеты. Рассмотрена перспектива применения материала «Вантаблэк», открытого в 2014 г. британскими учеными. Ключевые слова: противоракетная оборона, тактический ракетный комплекс, вантаблэк, тепловой камуфляж. APPLYING THE CARBON NANOTUBES ABSORBING RADIATION IN THE TACTICAL MISSILE SYSTEMS N. I. Statsenko*, N. S. Pisarev, A. V. Kravchenko Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation * E-mail: [email protected] War industry always goes side by side with science. The newest developments of scientists are actively implemented while creating new military equipment, and when modifying old. Rapid development of the defensive equipment nullifies use of missile tactical systems during the detection of the rocket, it is instantly liquidated. In this regard, there is a need of modification of tactical missile systems, by means of reducing probability to detect the launched missile. This research considers the prospects of using the material “Vantablack” discovered in 2014 by the British scientists. Keywords: missile defense, tactical missile system, vantablack, thermal camouflage. Материал «Вантаблэк», открытый в 2014 г., представляет собой вертикально ориентированные массивы нанотрубок, сделанных из углерода. На данный момент является самым черным веществом из всех, когда-либо созданных человеком (см. рисунок). Отличительной особенностью данного материала является то, что его почти можно назвать абсолютно черным телом, то есть он поглощает 99,965 % падающего на него излучения: − видимого света; − микроволн; − радиоволн. Вышеперечисленные виды излучения, а в частности радиоволны, используются системами противоракетной обороны, чтобы обнаружить местоположение летящей ракеты с целью дальнейшего ее обезвреживания [1–3]. Радиолокационные методы являются одним из основных способов обнаружения ракет, применяемых в противоракетных системах. В связи с этим в данной работе предлагается применение такого материала методом покрытия поверхности ракеты жидкой субстанцией. Благодаря этому можно будет добиться поглощения радиолокационных сигналов, испускаемых противоракетными сис-

темами. Использование этого не ограничивается одним лишь покрытием поверхности. Также имеется возможность применения в качестве покрытия миниатюрных узлов и элементов различных микроэлектромеханических устройств. Все это в совокупности сможет создать температурный камуфляж, что сможет значительно уменьшить вероятность обнаружения запущенной ракеты. Помимо применения поглощающего материала в сфере военной промышленности, также имеется возможность внедрения такой технологии в аэрокосмической отрасли, путем создания легких и прочных покрытий, защищающих человека и космические корабли от сильной радиации [4]. Также возможно его применение для увеличения поглощения тепла в материалах, используемых в технологиях по концентрации солнечной энергии. Поскольку «Вантаблэк» можно применять во многих сферах промышленности, имеет смысл организовать на территории Российской Федерации производство российского аналога. Это позволить сделать использование поглощающего материала более рентабельным [5].

629

Решетневские чтения. 2017

Сравнение поглощательной способности материалов

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что применение поглощающих материалов потенциально возможно для модернизации тактических ракетных комплексов, а также найти этому материалу применение в гражданских сферах, таких, как аэрокосмическая промышленность и солнечная энергетика. Библиографические ссылки 1. Абсолютно чёрное тело // Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004. 2. Первов М. Отечественное ракетное оружие 1946–2000. М. : АКС-Конверсалт, 1999. С. 52–53. 3. Широкорад А. Б. Энциклопедия отечественного ракетного оружия 1817–2002 / под общ. ред. А. Е. Тараса. М. : ACT, Минск : Харвест, 2003. 544 с. Сер. Б-ка военной истории. 4. Леонов А. И. Радиолокация в противоракетной обороне. М. : Воениздат, 1967. 136 с. 5. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. М. : Радиотехника, 2004. 320 с.

References 1. Absolyutno chërnoye telo // Bol’shoy entsiklopedicheskiy politekhnicheskiy slovar’. 2004. 2. Pervov M. Otechestvennoye raketnoye oruzhiye 1946–2000. M. : AKS-Konversalt, 1999. Р. 52–53. 3. Shirokorad A. B. Entsiklopediya otechestvennogo raketnogo oruzhiya 1817–2002 / рod obshch. red. A. E. Tarasa. M. : ACT, Minsk : Kharvest, 2003. 544 p. Ser. Biblioteka voyennoy istorii. 4. Leonov A. I. Radiolokatsiya v protivoraketnoy oborone. M. : Voyenizdat, 1967. 136 p. 5. Bakulev P. A. Radiolokatsionnyye sistemy. M. : Radiotekhnika, 2004. 320 p.

630

© Стаценко Н. И., Писарев Н. С., Кравченко А. В., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 536.212 ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ Т. С. Сухоносова, С. В. Телегин Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected] Рассмотрено улучшение состава защитного экрана для увеличения срока эксплуатации и уменьшения массогабаритных характеристик. Исследована зависимость температуры от шероховатости тонкой пластины. Ключевые слова: защитный экран, спутник, шероховатость. IMPACT OF ROUGHNESS ON THE SURFACES TEMPERATURE OF THE THIN PLATE T. S. Sukhonosova, S. V. Telegin Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected] This work is to improve the composition of heterogeneous radiation shield together with improving the life cycle and reduced weight. The dependence of temperature on the roughness of a thin plate is investigated. Keywords: protective screen, the satellite, roughness. В наше время всеобщей информатизации общества, активно используется большое число спутниковых систем, предназначенных для различных областей применения. На работоспособность бортовой аппаратуры влияют многочисленные факторы. Одним из главных является фактор воздействия ионизирующих излучений космической среды. Воздействие подобных излучений приводит к структурным изменениям материалов. Большая часть поглощенной энергии ионизирующих излучений переходит в тепло, вызывающее значительное повышение температуры материала (радиационный разогрев), что в условиях космической среды составляет от десятков до сотен градусов. А по мере повышения температуры радиационная стойкость материалов непрерывно понижается. В результате активирования некоторых видов молекулярного движения и при низкой теплопроводности материала, вся поглощенная энергия выделяется в виде тепла в тонком слое, который может расплавиться или даже раствориться. Поэтому изучение явления теплопереноса является очень важным при разработке композиционных материалов защитных экранов. Одним из возможных путей снижения стоимости КА является снижение массы пассивных элементов защиты без потери радиационно-стойких свойств. Возможно несколько вариантов снижения веса за счет экранов: отсутствие защиты, использование экранов из легких алюминиевых сплавов [1]. В данной работе мы будем рассматривать тонкие алюминиевые пластины с гладкой поверхностью и с шероховатой. Шероховатость была выполнена пескоструйной обработкой карбидом бора (B4C)

с фракцией 0,4–0,8 мм [2]. Мы исследуем температуры поверхностей тонких алюминиевых пластин марки АМг6, в состав которых входят химические элементы (в процентном соотношении): Al – 91,1–93,68 %; Mg – 5,8–6,8 %; Mn – 0,5–0,8 %; Fe – не больше 0,4 %; Si – не больше 0,4 %; Zn – не больше 0,2 %; Ti – 0,02– 0,1 %; Cu – не больше 0,1 %; Be – 0,0002–0,005 % [3], на экспериментальной установке (см. рисунок).

Схема измерительной установки [4]: 1 – нагреватель; 2 – термопары; 3 – холодильник; 4 – исследуемый образец; t1 – температура образца со стороны нагревателя; t2 – температура образца со стороны холодильника

Методика проведения эксперимента была выбрана по ГОСТ 7076–99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».

631

Решетневские чтения. 2017 Зависимость температуры от шероховатости образца Температура, ºC Вид поверхности

106,5 В; 0,71 А

76,0 В; 0,51 А

59,2 В; 0,40 А

30,9 В; 0,22 А

t1

t2

∆t

t1

t2

∆t

t1

t2

∆t

t1

t2

∆t

Гладкий

201,7

201,0

0,7

148,8

146,3

2,5

109,4

105,7

3,7

52,0

51,7

0,3

Шероховатый

209,4

209,4

0,0

150,5

148,8

1,7

102,7

99,5

3,2

51,7

51,5

0,2

Гладкий – шероховатый

211,6

210,4

0,8

147,6

147,1

0,5

105,4

103,2

2,2

51,5

50,5

1,0

Шероховатый – гладкий

206,7

206,2

0,5

147,8

147,6

0,2

105,7

103,2

2,5

51,7

51,3

0,4

Температура регистрируется милливольтмилиамперметром М2020 с хромель-алюмелевых термопар (ТХА) с погрешностью измерения 0,005 мВ. Главные преимущества хромель-алюмелевых термопар перед другими видами термопреобразователей – невысокая стоимость, достаточно широкий диапазон измеряемых температур – от –200 ºС до +1372 ºC. Показания напряжений переводились в градусы по таблице. Анализируя результаты, представленные в таблице, можно проследить влияние шероховатости на температуру поверхностей образца. Когда образец лежит абразивной стороной к нагревателю, он нагревается сильнее, чем в случае с гладкой поверхностью, это связано с тем, что гладкая поверхность больше отражает тепловое излучение. Это подтверждает то, что неровности играют роль маленьких зеркал, отражающих излучение в различных направлениях. Также, стоит учитывать степень шероховатости, так как вследствие многократных переотражений от неровностей полное отражение от поверхности может быть меньше, чем в случае совершенно гладкой поверхности [5]. Но вывести явную зависимость для результатов мы не можем, так как среди результатов проявляются ошибки, это связано с тем, что необходимо доработать механизм прижима термопары к образцу. Библиографические ссылки 1. Особенности радиационной защиты сверхмалых космических аппаратов / Д. М. Зуев [и др.] // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.практ. конф. Т. 1. Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 559–561. 2. Козлов Д. Ю. Бластинг. Гид по высокоэффективной абразивоструйной очистке. М. : Феникс, 2007. 215 c.

3. Бухмиров В. В., Ракутина Д. В., Солнышкова Ю. С. Справочные материалы для решения задач по курсу «Тепломассообмен» / ГОУ ВПО «Иванов. гос. энергетич. ун-т им. В. И. Ленина». Иваново, 2009. 102 с. 4. ГОСТ 7076–99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Науч.-исследов. ин-т строительной физики (НИИСФ) РФ, 1999. 13 с. 5. Кудинов В. В., Пузанов А. А., Замбрижицкий А. П. Оптика плазменных покрытий. М. : Наука, 1981. 178 с. References 1. Features of radiation protection of ultra-small space vehicles / D. M. Zuev [et al.] // Reshetnev Readings : Materials of the XIX International Conference. scientificpractical. Conf. Vol. 1. Small spacecraft: production, operation and management / Sib. state. aerospace. un-t. Krasnoyarsk, 2015. P. 559–561. 2. Kozlov D. Yu. Blasting. A guide to highperformance abrasive blasting. “Phoenix”, 2007. 215 c. 3. Bukhmirov V. V., Rakutina D. V., Solnyshkova Yu. S. Reference materials for solving problems on the course “Heat and Mass Transfer” / Ivanovo State Power Engineering University named after V. I. Lenin. Ivanovo, 2009. 102 p. 4. GOST 7076–99. Materials and products Building. Method for determining the thermal conductivity and thermal resistance for a stationary thermal regime. Research Institute of Building Physics (NIISF) of the Russian Federation, 1999. 13 p. 5. Kudinov V. V., Puzanov A. A, Zambrizhitsky A. P. Optics of plasma coatings. M. : Nauka, 1981. 178 p.

632

© Сухоносова Т. С., Телегин С. В., 2017

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 539.21:537.86 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭДС В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) А. М. Харьков Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected] Представлены результаты измерения термоэдс в твердых растворах ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) с ГЦК решеткой типа NaCl в области температур 80–1200 К. Общей закономерностью температурных зависимостей коэффициента термоэдс как для системы с гадолинием, так и для системы с иттербием является проявление отрицательного значения термоэдс во всем диапазоне температур с ростом Х. Ключевые слова: сульфиды редкоземельных элементов, проводимость, переход металл-диэлектрик, термоэдс, электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека. MEASURING THERMOEDS IN SOLID SOLUTIONS ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) A. M. Kharkov Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected] This paper presents the results of measurements of the thermoeds in solid solutions ReXMn1-XS (Re = Gd, Sm) with FCC NaCl type in the temperature range 80–1200 K. The general regularity of the temperature dependences of the thermoeds coefficient for both the gadolinium system and the system with ytterbium is the manifestation of a negative thermoeds over the entire temperature range with increasing X. Keywords: sulfides of rare-earth elements, conductivity, transition metal-insulator, thermoelectric power, electrical resistivity, Zeebek coefficient. Твердые растворы сульфидов GdXMn1-XS выращены в кварцевом реакторе из расплава с использованием метода, описание которого приведено в работе [1]. Исследование температурных зависимостей термоэдс сульфидов твердых растворов с содержанием редкоземельных элементов 0 ≤ Х ≤ 0,3 проведено в интервале температур 80–1200 К в магнитных полях до 10 кЭ. Концентрационный переход металл-диэлектрик сопровождается уменьшением величины удельного электросопротивления на 12 порядков [2] и коэффициента термоэдс (α) на два порядка (рис. 1). Переход от примесной к собственной проводимости в образце Х = 0,01 сопровождается уменьшением коэффициента термоэдс. Кривая зависимости α = f(T) в интервале температур 670 К ≤ Т ≤ 900 К находится в отрицательной области значений коэффициента термоэдс (рис. 1). Смена знака коэффициента термоэдс на отрицательный свидетельствует о смене типа носителей заряда от р- к n-типу в указанной области температур. Таким образом, катионное замещение в твердых растворах GdXMn1-XS (0,01 ≤ Х ≤ 0,3) приводит к смене дырочного типа проводимости (α > 0), свойственного моносульфиду марганца, на электронный (α < 0) [3]. Уменьшение величины α с увеличением содержания гадолиния в решетке MnS указывает на то, что Gd действует как донорная примесь. Увеличение количества электронов, связанное с ростом концентрации

внедренных в решетку катионов гадолиния, приводит к состоянию сильнолегированного полупроводника, и проводимость в таких веществах полностью определяется электронами [4]. Замещение марганца (Mn) иттербием (Yb) качественно меняет температурную зависимость термоэдс (коэффициент Зеебека), по сравнению с MnS. Для составов с x < 0,15 наблюдается изменение знака термоэдс с положительного на отрицательный при нагревании, при Т = 650 К для х = 0,05 и в интервале 150 К < T < 200 К, Т > 950 К для х = 0,1, как видно на рис. 2. Для концентраций вблизи концентрации протекания ионов иттербия по решетке и выше x ≥ 0,15 термоэдс на всем температурном интервале имеет отрицательный знак с двумя максимумами при Т = 225 К и Т = 1000 К для x = 0,15 и при Т = 245 К, 340 К и Т = 980 К для х = 0,2. Таким образом, установлено изменение энергии активации при нагревании в температурном интервале 380 К < T < 440 К для всех составов. Найдена смена знака термоэдс и изменение типа носителей тока как по температуре для x ≤ 0.1, так и по концентрации с положительного на отрицательный. Обнаружены максимумы в термоэдс в интервале температур 220– 340 К и 950–1050 К. Высокотемпературный максимум связан с диффузией электронов и обусловлен совпадением энергий 4f-уровня и уровня Ферми, а низкотемпературный с увлечением электронов фононами [5].

633

Решетневские чтения. 2017

Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента термоэдс GdXMn1-XS для составов с Х = 0,01 (а); Х = 0,1 (б)

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента термоэдс α для составов с X = 0,05(1), 0,1(2), 0,15(3), 0,2(4) твердых растворов YbXMn1-XS

634

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Библиографические ссылки

References

1. Магнитные и электрические свойства катионзамещенных сульфидов MeXMn1-XS (Me = Co, Gd) / С. С. Аплеснин [и др.] // ФТТ, 2009. T. 51. C. 661–664. 2. Magnetic properties and the metal-insulator transition in GdXMn1-XS solid solutions / O. B. Romanova [et al.] // Solid State Comm., 2010. T. 150. C. 602–604. 3. Аплеснин С. С., Ситников М. Н. Магнитотранспортные эффекты в парамагнитном состоянии в GdXMn1-XS // ЖЭТФ, 2014. T. 100. C. 104–110. 4. Metal insulator transition and magnetic properties indisordered systems of solid solutions MeXMn1-XS / G. A. Petrakovskii, G. V. Loseva, L. I. Ryabinkina, S. S. Aplesnin // JMMM, 1995. Т. 140. С. 147–148. 5. Исследование транспортных свойств катионзамещенных твердых растворов YbxMn1-xS / С. С. Аплеснин, О. Б. Романова, А. М. Харьков, А. И. Галяс // ФТТ, 2015. Т. 57. С. 872–876.

1. Aplesnin S. S., Ryabinkina L. I., Romanova O. B., Sokolov V. V., Pichugin A. Yu., Galyas A. I., Demidenko O. F., Makovetskiy G. I., Yanushkevich K. I. [Magnetic and electric properties of the cation-substituted sulfides MeXMn1-XS (Me = Co, Gd)]. FTT, 2009, Vol. 51, Pp. 661–664. (In Russ.) 2. Magnetic properties and the metal-insulator transition in GdXMn1-XS solid solutions / O. B. Romanova [et al.]. Solid State Comm., 2010, vol. 150, p. 602–604. 3. Aplesnin S. S., Sitnikov M. N. [Magnetotransport effects in the ferromagnetic state in GdXMn1-XS]. ZhETF, 2014. Vol. 100. Pp. 104–110. (In Russ.) 4. Metal insulator transition and magnetic properties indisordered systems of solid solutions MeXMn1-XS / G. A. Petrakovskii, G. V. Loseva, L. I. Ryabinkina, S. S. Aplesnin. JMMM. 1995. Vol. 140. Pp. 147–148. 5. [Investigation of transport properties of cationsubstituted solid solutions YbxMn1-xS] / S. S. Aplesnin, O. B. Romanova, A. M. Kharkov, A. I. Galyas. FTT, 2015. Vol. 57. Pp. 872–876. (In Russ.) © Харьков А. М., 2017

635

Решетневские чтения. 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Секция «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТЫ» Агеев П. О., Скрябин В. В. Верификация конечно-элементной модели криоэкрана телескопа космической обсерватории «Миллиметрон» по результатам жесткостных испытаний створки ........................... 5 Бакулин Я. Ю., Землянская С. В., Землянский В. В. Повышение стабильности процесса сборки антенно-фидерных устройств путем введения элементов автоматизации ................................................................ 7 Богданова В. С., Замятин Д. А., Кольга В. В. Методы защиты космических аппаратов от внешних воздействий ................................................................................................................................................ 9 Богданова В. С., Замятин Д. А., Степанова С. В., Кольга В. В. Обзор разгонных блоков, совместимых с семейством ракет-носителей «Ангара» ............................................................................................ 11 Бурнышева Т. В., Штейнбрехер О. А. О подходе к решению обратных задач при проектировании анизогридных конструкций ..................................................................................................... 13 Голубь Е. B., Поздняков А. С., Новицкий Р. Н., Двирный В. В. Применение универсального прокруточного рабочего места для позиционирования КА при высокочастотных испытаниях .......................... 16 Гусев В. Ю., Злобин С. К., Демченко А. И., Михнев М. М., Зайцев Р. В. Способы соединения тонкостенных трубопроводов из аустенитных нержавеющих сталей для работы с жидкостями, содержащими соединения аммиака ................................................................................................... 19 Замятин Д. А., Богданова В. С., Кольга В. В. Основные принципы структуры орбитальной компьютерной сети ................................................................................................................................ 21 Ключников А. В. К вопросу о нормировании инструментальной точности экспериментального оборудования, применяемого для измерений параметров асимметрии масс летательных аппаратов .................................................................................................................. 23 Куркин Е. И., Садыкова В. О., Спирина М. О. Многоуровневый подход при проектировании конструкций аэрокосмического назначения из перспективных материалов ...................... 26 Луконин Н. В., Дмитриев Г. В., Морозов П. С., Шестаков И. Я. Способ изготовления электронагревателей повышенной эффективности космических аппаратов негерметичного конструктивного исполнения .......................................................................................................... 28 Москвичев В. В., Лепихин А. М., Буров А. Е. Оценка ресурса и надежности металлокомпозитных баков высокого давления ........................................................................................................ 30 Назаренко А. Д., Думаницкий М. А., Трушкина Т. В. Нанесение коррозионностойких МДО-покрытий на элементы ракет из магниевых сплавов ...................................................................................... 32 Павленко Т. С., Щесняк С. С. Анализ радиационной стойкости малых космических аппаратов на солнечно-синхронных орбитах ............................................................................................................................... 34 Павлов А. С., Павлова Г. А. Усовершенствование технологии монтажа высокочастотной бортовой кабельной сети современных космических аппаратов ............................................... 36 Подолякин В. Н., Шмаков Д. Н., Коловский И. К. Исследование изменения драконического периода обращения космического аппарата «Гонец-М» .......................................................................................... 38 Руденко М. С., Орлин П. А., Тимохович А. С., Зоммер С. А., Борисова Е. М. Минимизация возникновения дефектов при монтаже стабилизаторов неуправляемых ракет ...................................................... 41 Рутковская М. А. Выбор геометрических параметров спицы зонтичной антенны для обеспечения максимальной изгибной жесткости ............................................................................................... 43 Сурин Д. Н., Добак П. И., Королев Д. О., Паздерин С. О. Спутниковая система объективного контроля местоположения морских судов ......................................................................................... 45 Попова А. П., Бабкина Л. А. Моделирование устойчивости ортотропной цилиндрической оболочки при гидростатическом давлении ................................................................................................................ 47 Унрайн А. А., Рутковская М. А. Определение основной частоты колебаний композитного конического адаптера с переменной толщиной стенки .................................................................... 49 Фалькова Е. В., Климовский Д. А., Назарова Л. П., Нестеров В. Д., Жежера С. А. Алгоритм определения сил натяжения в механизме параллельной структуры с шестью гибкими звеньями ....................... 51 Шестаков И. Я., Ворошилова М. В., Ворошилов Д. С. Исследование влияния характеристик катода-инструмента на качество поверхности крупногабаритных деталей при электрохимической обработке ............................................................................................................................. 54 Штейнбрехер О. А., Бурнышева Т. В. О решении задачи параметрической оптимизации сетчатой цилиндрической конструкции ..................................................................................................................... 56 636

Содержание

Секция «КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ» Азин А. В., Пономарев С. В., Рикконен С. В., Кузнецов С. А. Экспериментальные исследования режимов работы физической модели линейного пьезопривода ....................................................... 59 Ананьев В. В. Термостабилизация грунтов с помощью низкотемпературных природных хладагентов ............................................................................................................................................... 61 Аристов В. Ф., Вихров И. А., Миронович В. В. Разработки цианатэфирных конструкционных клеёв с пониженной температурой отверждения ....................................................................... 63 Аристов В. Ф., Вихров И. А. Радиопрозрачные цианатэфирные синтактики (сферопластики) на основе полых стеклянных или полимерных микросфер для приемопередающих устройств космических аппаратов ................................................................................................................................................ 66 Аристов В. Ф., Здвижков А. Т., Кошелева О. К. Уникальные конструкционные высокопрочные термостойкие клеи ............................................................................................................................ 68 Баданин Е. И., Лавриненко А. И., Попокин О. С., Чакчир С. В. Автоматизация линии изготовления выдвижных упругих трансформируемых элементов ......................................................................... 70 Байбородов А. А., Кузнецов В. В., Кузнецов А. Д., Волков М. В. Активирующее устройство безударного типа для механизма удержания элементов конструкции космического аппарата ............................ 73 Башков И. В. Влагопоглощение шнура и ленты, применяемых при производстве антенн космических аппаратов ................................................................................................................................................ 75 Белоглазов А. П., Ювшин А. М., Словцов И. В. Изготовление сотового заполнителя из полимерных композиционных материалов на основе термопластов .................................................................. 77 Белоусов П. В., Тимофеева Е. А., Сулимов А. Н., Грудинина Н. С., Антоненко А. П. Разаработка технологии бесшаблонного формирования рабочей поверхности трансформируемого рефлектора ................... 79 Бельков А. В., Белов С. В., Жуков А. П., Павлов М. С., Пономарев С. В. Расчет формообразующей структуры зонтичного сетчатого рефлектора ........................................................................... 82 Бернс В. А., Жуков Е. П., Лысенко Е. А., Маленкова В. В., Лакиза П. А. Диагностика процессов разрушения элементов конструкций летательных аппаратов ................................................................ 84 Бернс В. А., Жуков Е. П., Маринин Д. А., Маленкова В. В. Метод экспериментального определения параметров собственных тонов колебаний конструкций ................................................................... 87 Бикеев Е. В., Коловский Ю. В. Идентификация и диагностика поведения систем космического аппарата на примере крупногабаритной трансформируемой антенны ........................................... 89 Бойко С. О., Комаров С. А., Гурылёв А. Б., Улыбушев Е. А., Леканов А. В. Результаты разработки планетарной роликовинтовой передачи для высокоточных механизмов космического применения .................. 92 Буякас В. И. Механические самоустанавливающиеся замки для сборки и раскрытия составных твердотельных космических зеркал ................................................................................... 94 Величко А. И., Кисанов Ю. А., Церихов В. И., Матросова И. В. Ободной крупногабаритный космический рефлектор .............................................................................................................................................. 96 Верхогляд А. Г., Глебус И. С., Макаров С. Н., Михалкин В. М., Халиманович В. И. Контроль геометрических параметров зеркальной системы телескопа космической обсерватории «Миллиметрон» на борту космического аппарата .................................................................................................... 98 Вехов А. С., Немчанинов С. И. Унификация элементов устройства отделения космических аппаратов .............................................................................................................................................. 101 Виноградов К. Н., Леоненков А. Д., Оберемок Ю. А., Овчинников Д. А., Халиманович В. И. Размеростабильная ферменная конструкция для установки приборов систем ориентации и стабилизации перспективных космических аппаратов ........................................................................................ 104 Герус А. А., Кузнецов А. Д., Волков М. В. Механическое устройство батареи солнечной веерного типа ........................................................................................................................................... 106 Герус А. А. Способ обеспечения электрических характеристик инициирующих устройств ........................ 108 Геча В. Я., Кирякин А. А., Позднякова В. Д., Пилюгин С. О., Смолев С. П. Применение аддитивных технологий и новых материалов для создания малых космических аппаратов .............................. 110 Голдобин Н. Н. Алгоритм интерполяции температурного поля по дискретным данным теплового режима конструкции антенны с крупногабаритным рефлектором ...................................................... 112 Голубцов А. С., Смирнов А. В., Кравченко И. А., Михеев А. В. Особенности применения гибких шарниров в криогенном механизме адпатации ........................................................................................... 115 Горбунов А. В., Коротков Е. Б., Леканов А. В., Рудыка С. А., Слободзян Н. С. Применение пространственных механизмов с параллельной структурой для наведения, стабилизации и виброизоляции бортовых приборов ....................................................................................................................... 117 637

Решетневские чтения. 2017

Доронин С. В. Многомодельный численный анализ крупногабаритного рефлектора при комплексном нагружении ................................................................................................................................... Дубрович В. К., Заика Д. Ю., Качурин В. К., Цема Г. С., Щесняк С. С. Моделирование процесса адаптации космического телескопа «Миллиметрон» ............................................................................. Зимин В. Н., Смердов А. А. Исследование влияния параметров крупногабаритной фермы излучателя космической антенны на динамические и прочностные характеристики ......................................... Зырянова П. С., Усольцев А. В., Козлов А. В., Колодривский А. В., Оберемок Ю. А. Отработка и настройка опорной системы крупногабаритного рефлектора .......................................................... Исеева О. А., Двирный В. В., Крушенко Г. Г., Пацкова Е. Г. Проектирование изделий из ПКМ с учетом технологических особенностей изготовления ........................................................................... Кочин Л. Б., Крылова М. А., Хромихин Д. А., Ширшов А. Д., Порпылев В. Г. Передача энергии и информации по оптическому каналу для управления формой космической антенны ..................................... Краевский П. А., Белов О. А., Морозков И. С. Механизм выдвижения мачты тросового типа ................ Крючек С. Д. Обеспечение требований газовыделения материалов для применения в изделиях космического назначения ....................................................................................................................... Кузнецов А. Б., Бондарев А. В., Недашковская Е. С., Матвеичев И. В., Щесняк С. С. Исследование отклонения поверхности трансформируемого рефлектора на основе стержневого каркаса от теоретического параболоида ................................................................................................................... Кукушкин С. Г., Петяева Н. Н., Двирный В. В. Особенности понятийного аппарата профессионального перевода на примере крупногабаритных трансформируемых конструкций космического аппарата ............................................................................................................................................... Леоненков А. Д., Оберемок Ю. А. Обоснование применения аддитивных технологий при создании главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон» ........................................................... Логанов А. А., Леканов А. В. Анализ пульсаций давления электронасосного агрегата системы терморегулирования космических аппаратов .......................................................................................... Майданик Ю. Ф., Пастухов В. Г., Иванов А. В. Исследование работы контурной тепловой трубы с несколькими источниками тепла различной мощности ........................................................... Мешковский В. Е., Сдобников А. Н., Чурилин С. А. Численное моделирование крупногабаритного развертываемого рефлектора вантово-стержневой схемы .................................................... Михалкин В. М., Агеева Д. И., Романенко И. В., Акулич О. В. Метод математического моделирования для анализа схем наземных испытаний устройства отодвижения блока космического аппарата .................................................................................................................................... Моисеев П. П., Нечушкин И. И. Датчики контроля положений элементов трансформируемых конструкций космических аппаратов ..................................................................................... Немчанинов С. И. Демпфер развертываемых элементов космического аппарата ........................................ Никитушкин И. В., Сивков А. А., Ивашутенко А. С. Плазмодинамический синтез ультрадисперсного нитрида алюминия и получение ALN-керамики методом искрового плазменного спекания .............................................................................................................................. Овсянников С. В., Чекунов Ю. Б. Исследование динамических характеристик рефлектора космического телескопа ........................................................................................................................ Петров В. В., Юсов А. В., Козлов С. А., Устинова Е. А., Бузик Г. Б., Зуев Ю. В. Регулировка положения и ориентации рефлекторов спутника связи в процессе производства, с применением гексапода под контролем лазерного трекера ................................................................................. Похабов Ю. П. Проблемы обеспечения надёжности раскрытия трансформируемых конструкций .............................................................................................................................. Просунцов П. В., Резник С. В., Денисов О. В., Заваруев В. А., Петров Н. М. Тепловой режим трансформируемого сетчатого рефлектора зеркальной космической антенны .................................................... Рейзмунт Е. М. Особенности деформированного состояния отражающих сегментов зеркала рефлектора при внешних температурных воздействиях ........................................................................... Серяков А. В., Шакшин С. Л., Алексеев А. П. Центрирование микрокапель конденсата в паровом канале коротких низкотемпературных тепловых труб при больших тепловых нагрузках ............... Серяков А. В., Конькин А. В. Моделирование пульсаций в паровом канале коротких низкотемпературных тепловых труб ........................................................................................................................ Силиванов Р. П., Кудряшов С. П., Токарев А. В., Улыбушев Е. А., Леканов А. В. Результаты разработки долгоресурсного силового токосъемного устройства для современных высокоэнергетических космических аппаратов ...................................................................................................... Смердов А. А. Исследование динамических и прочностных характеристик многосекционной композитной ферменной конструкции ...................................................................................... 638

119 121 123 125 127 129 131 133

135

138 140 142 145 147

149 151 153

156 158

160 162 164 166 168 171

174 176

Содержание

Сулимов А. Н., Наговицин В. Н., Белоусов П. В. Изготовление и полировка поверхности композиционной формообразующей оснастки для изготовления трехслойных рефлекторов ............................ Тимощенко Н. В., Сивков А. А., Ивашутенко А. С. Разработка наполненного высокотеплопроводящего заливочного компаунда ................................................................................................. Филиппова Ю. Ф. Анализ узла соединения трубы и фитинга силового каркаса рефлектора ..................... Хадкевич Т. Г., Усманов Д. Б. Исследование напряженно-деформированного состояния механического блока устройства поворота батареи солнечной для малого космического аппарата ................. Шаенко А. Ю., Белокосков М. С., Лавров М. П., Ефремов Д. И., Александров А. М. Летные испытания наноспутника «Маяк» класса Сubesat с раскрывающимся солнечным отражателем ....................... Юсов А. В., Архипов М. Ю., Козлов С. А., Устинова Е. А., Васильченко Д. В. Криовакуумный гексапод с субмикронным приводом для температур 4,2 К ................................................................................... Белоглазов А. П., Словцов И. В., Титаренко М. В., Чернявский В. Л. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния треугольных труб сетчатой (изогридной) структуры из углепластика ........................................................................................................................................

179 181 183 185 187 189

191

Секция «ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ПРОИЗВОДСТВО И ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ» Бакулин Я. Ю., Журавлев В. Ю. Применение метода конечных элементов для расчета тонкостенных оболочек ......................................................................................................................... Бирюков В. И., Назаров В. П., Царапкин Р. А. Экспериментальная и аналитическая оценка устойчивости рабочего процесса в камерах сгорания и газогенераторах жидкостных ракетных двигателей ............................................................................................................................ Васянина А. Ю., Лобза А. А., Ермоленко Д. А., Кубриков М. В., Лобза В. С. Перспективные методы охлаждения узлов жидкостных ракетных двигателей ................................................... Володин А. Ю., Белобородко Н. В., Кривенко П. Ю. Технологические особенности локального нанесения покрытия на валы турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей .................................................................................................................................................. Григорьев П. А., Ермошкин Ю. М. Обзор состояния и тенденций развития электрореактивных двигателей за рубежом ............................................................................................................. Злобин В. Б. Практическое применение лазерного воспламенения для топливных компонентов жидкостных ракетных двигателей ........................................................................... Ковьяров А. А., Кондратьев А. Н., Кубриков М. В. Применение лопаточного диффузора в центробежном насосе для повышения эффективности жидкостного ракетного двигателя ............................. Малов Д. В., Шаблий Л. С. Проектирование и CFD-расчет насоса окислителя жидкостного ракетного двигателя ............................................................................................................................ Назаров В. П., Пиунов В. Ю., Толстопятов М. И. Принципиальные особенности стендовых испытаний кислородно-водородных ЖРД перспективных разгонных блоков ............................................................................................................................ Орешков М. А., Кубриков М. В., Устюгов А. В. Проведение термодинамического расчета комбинированного экструдера для 3D-печати изделий ракетно-космической техники ...................................... Останина Н. Г., Журавлев В. Ю. Расчет на прочность центростремительного колеса турбины ............... Петлеванный Б. С., Гапонов А. Н. Развитие электроэрозионной обработки элементов в отечественном ракетостроении .............................................................................................................................. Торгашин А. С., Бегишев А. М., Толстопятов М. И. Особенности моделирования центробежного насоса турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя в среде Ansys CFX ...................................................................................................................................................... Урусов В. М., Ермошкин Ю. М., Коловский И. К. Выбор типа двигательных подсистем малых космических аппаратов .................................................................................................................................. Устюгов А. В., Кубриков М. В., Орешков М. А. Разработка методики получения композитной нити для 3D-печати деталей ракетных двигателей .......................................................................... Швецова Д. С., Королёва Т. А., Кубриков М. В. Современное состояние комбинированных двигательных установок ............................................................................................................................................

639

195

197 200

202 204 206 208 210

213 215 217 219

221 223 225 227

Решетневские чтения. 2017

Секция «ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОНСТРУКЦИЯХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ» Васильев Е. Н., Деревянко В. А. Расчет температурных полей в тепловом аккумуляторе с фазовым переходом ................................................................................................................................................. Васильев Е. Н. Влияние термических сопротивлений на характеристики термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры ................... Вшивков А. Ю., Хахленков А. В., Иванова Ю. М. Термовакуумные испытания на уровне гелиевых температур элементов космических аппаратов ..................................................................... Делков А. В., Кишкин А. А., Шевченко Ю. Н., Ходенков А. А., Булов А. О. Алгоритм расчета замкнутого конвективного теплообменного контура .............................................................................................. Делков А. В., Попугаев М. М., Шевченко Ю. Н., Ходенков А. А., Мелкозеров М. Г. Расчет температурного поля радиатора-излучателя системы терморегулирования космического аппарата ................ Кишкин А. А., Делков А. В., Шевченко Ю. Н., Вшивков А. Ю., Мелкозеров В. Г. К вопросу разработки автономной космической установки преобразования низкопотенциального тепла в энергию ..................................................................................................................... Колчанов И. П., Кишкин А. А., Делков А. В., Мелкозеров В. Г., Хахленков А. В. Совершенствование методов высокочувствительного течеискания для отработки герметичности систем космического аппарата ........................................................................................................ Соколов А. В. Моделирование процессов I-D диаграммы влажного воздуха ............................................... Трифанов В. И., Оборина Л. И., Суханова О. А., Трифанов И. В., Снежко А. А. Повышение эффективности сжигания топлива ....................................................................................................... Трифанов В. И., Оборина Л. И., Трифанов И. В., Козлов С. И., Казьмин Б. Н. Создание электрореактивной тяги, совмещенной с процессом детонационного горения топлива ..................................... Трифанов В. И., Суханова О. А., Оборина Л. И., Трифанов И. В., Козлов С. И. Рекуператор энергии заряженных частиц ....................................................................................................................................... Федорова О. Н., Алашкевич Ю. Д., Казак Ю. С. Размол волокнистых полуфабрикатов в дисковой мельнице с использованием гарнитуры криволинейной формы ........................................................ Хахленков А. В. Анализ тепловых нагрузок на криогенное оборудование вакуумной установки ГВУ-60 ...................................................................................................................................

230 233 235 237 239

241

243 245 247 249 251 253 255

Секция «СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, КОСМИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИЯ И СВЯЗЬ» Андреева Е. О., Блинов А. Ф., Крамичев М. А. Особенности проектирования малогабаритного высокоскоростного двухосного опорно-поворотного устройства ........................................... Анисимов Д. И., Асланян Р. О., Кузовников А. В., Кашкин В. Б., Леонов С. Н. Сверхширокополосные сигналы, используемые в космических системах управления и связи .......................................................................................................................................................................... Бессмертная Ю. С., Кузовников А. В., Лямичева Т. Ю. Анализ математической модели распределения трафика для космического аппарата «Гонец-М1» ......................................................................... Блинов А. Ф., Федоров Я. Ю., Зильбер Н. Е. Особенности проектирования малогабаритного скоростного трехосного опорно-поворотного устройства ...................................................................................... Бондарев А. В., Киприянова Т. А., Груничева О. А., Артамонов С. В. Особенности расчетного обеспечения прочности и жесткости малогабаритного трехосного опорно-поворотного устройства ............................................................................................................................... Дерябкин В. Д., Гудаева Е. Г., Макаров И. В. Подход к разработке программного обеспечения исполнительного механизма рулевых поверхностей беспилотного летательного аппарата ............................... Копылов С. Е., Батурин Т. Н., Сушков А. А. Проектирование и разработка устройства подвижной спутниковой связи для беспилотных летательных аппаратов ............................................................ Кузьмина Н. А. Система энергоснабжения космического аппарата ............................................................... Марарескул Д. И., Ермолаев М. В., Малышев А. А., Полякова А. А. Контроль навигационного поля системы ГЛОНАСС ............................................................................................................... Синицкий Д. Е., Латынцев С. В. Самонастраивающаяся система ориентации и стабилизации космического аппарата ................................................................................................................... 640

258

261 263 265

267 270 272 274 277 280

Содержание

Черняков В. С. Использование кривых Безье для построения регулятора траектории ракеты-носителя сверхмалых космических аппаратов ........................................................................................... 282 Шаповалова К. И., Кузьмина Н. А. Формирование модели выбора метода управления космическим аппаратом ............................................................................................................................................. 284

Секция «КОСМИЧЕСКОЕ И СПЕЦИАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ» Виноградов Д. С., Пережиров Ю. И., Бутаков А. Н., Алексанов П. А. Разработка вращающихся высокочастотных трансформаторов ................................................................................................ Иванов А. В., Правикова А. А., Цебенко Н. Н., Юдинцев А. Г. Устройство балансировки элементов литий-ионных аккумуляторных батарей ................................................................................................ Игнатенко В. В., Юдинцев А. Г. Сравнение режимов работы двунаправленного преобразователя напряжения для автономных систем электропитания ............................................................... Капустин А. Н., Гришеленок Д. А. Микрореле на базе МЭМС-технологии, перспектива и поблемы применения .............................................................................................................................................. Лепёшкина Е. С., Зуев Д. М., Чеснокова В. С. Лабораторно-экспериментальная проверка метода регистрации SEU во внутренней памяти СнК-процессоров ...................................................................... Моисеев П. П., Викторов А. И., Сидоров А. М. Система контроля положений элементов крупногабаритных конструкций космических аппаратов ...................................................................................... Надараиа Ц. Г., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Виноградов К. Н. Автономный комплекс с комбинированным накопителем энергии для наземной эксплуатации КА ........................................................ Нестеришин М. В., Козлов Р. В., Журавлев А. В. Методика определения энергетических параметров энергопреобразующей аппаратуры системы электропитания космического аппарата ................... Орлов С. А., Копытов В. И. О некоторых проблемах, возникающих при испытаниях аппаратуры космических аппаратов на ударные воздействия ................................................... Пичкалев А. В. Вычислительные модули для бортовой радиоэлектронной аппаратуры ............................. Ходенков С. А., Боев Н. М., Иванин В. В., Королев Е. В., Бандурина О. Н. Перестраиваемый фильтр на основе двумерного электромагнитного кристалла ................................................................................

287 290 292 294 296 298 300 302 304 306 308

Секция «ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ» Бондаренко В. О., Озеркин Д. В. Синтез SPICE-моделей резисторных сборок Б19К при проектировании бортовой космической аппаратуры ....................................................................................... Виссам Д. М. Разработка и технология применения гибридных объёмных интегральных схем в космических аппаратах дистанционного зондирования Земли ......................................... Масич И. С. Выявление логических закономерностей для классификации электрорадиоизделий ................................................................................................................................................. Масюгин А. Н., Живулько А. М., Бандурина О. Н., Рыбина У. И. Магнитные свойства халькогенидов марганца, замещенных ионами гадолиния ..................................................................................... Миронов А. А. Импортозамещение средств электропитания в электронных приборах космического аппарата ............................................................................................................................................... Попов А. Д. Проблема испытаний электронной компонентной базы космического применения .................................................................................................................................................................. Савенков В. В., Тищенко А. К., Волокитин В. Н. Принципы построения аппаратуры регулирования и контроля современных систем электроснабжения малоразмерных космических аппаратов .............................................................................................................................................. Сташков Д. В., Гудыма М. Н., Казаковцев Л. А., Рожнов И. П., Орлов В. И. Алгоритм для серии задач разделения смеси распределений ..................................................................................................

641

311 314 316 318 320 323

325 327

Решетневские чтения. 2017

Секция «КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ» Азин А. В., Пономарев С. А., Пономарев С. В., Лейцин В. Н., Сунцов С. Б. Метод неразрушающего контроля ........................................................................................................................................ Алексанов П. А., Липовцев А. А., Гладышев Ю. Г., Никулин П. Н. Разработка технических средств измерения момента трогания шарикоподшипников управляющих электродвигателей-маховиков ................................................................................................................................... Асланян Р. О., Анисимов Д. И., Марченко И. А., Пантелеев В. И. Современные и перспективные имитаторы солнечного излучения для термовакуумных испытаний космических аппаратов .............................................................................................................................................. Баляков Д. Ф. Особенности уменьшения объема испытаний космического аппарата ................................. Коркин А. Н., Соловьев И. И., Приходько А. И., Лозовенко С. Н. Приспособление для контроля натяжения вант системы закрепления ксенонового бака ................................................................ Крат С. А. Теплоприемник ФОА 020 как альтернативное средство контроля освещенности при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов .................................................................................... Кубрак М. В., Леонов С. Н. Современные системы испытаний ракетно-космической техники ................ Михеев П. В., Дидин Г. А., Шкатов П. Н. Дефектоскопия конструкционных материалов на основе углеродных волокон с использованием метода вихревых токов .......................................................... Первухин А. В., Павлова Г. А. Методы экспериментальной оценки эффективности экранирования материалов, применяемых при производстве космических аппаратов ....................................... Петров В. В., Защиринский С. А., Клюшев П. В., Бузик Г. Б., Зуев Ю. В. Определение кинематических параметров макетов космических аппаратов проекта «Луна-Глоб» при проведении бросковых испытаний с применением систем лазерных координатно-измерительных ...................................... Силкина Л. А., Лукин Р. С. Анализ напряженно-деформированного состояния баков космического аппарата с учетом геометрических особенностей ........................................................................... Чех В. А., Юдинцев А. Г. Имитатор переменной частоторегулируемой нагрузки ....................................... Штабель Н. В., Самотик Л. А., Мизрах Е. А. Способ повышения точности бесконтакного измерения дифференциального постоянного тока в устройстве контроля сопротивления изоляции ............................................................................................................................................ Ягудина Ю. В., Патраев Е. В., Наговицин В. Н., Пестов А. Б. Разработка перспективного технологического оборудования для автономных электрических испытаний .....................................................

330 332 334 336 337 340 343 346 348 351 354 357 360 363

Секция «МАЛЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ: ПРОИЗВОДСТВО, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ» Ермаков Д. В., Даммер В. Х., Соловьев В. В., Лянзбург В. П. Балансировка малоразмерных двигателей-маховиков ................................................................................................................................................ Калганова С. Г., Лаврентьев В. А., Архангельский Ю. С., Васинкина Е. Ю., Белоглазов А. П. СВЧ-энергия в производстве композиционных материалов ................................................... Карцан И. Н. Мультиверсионное программное обеспечение бортового комплекса управления с генетическим алгоритмом .................................................................................................................. Малыгин Д. В. Бортовое кибернетическое устройство «Гидра» многоцелевой платформы «Синергия» блочно-модульного типа ....................................................................................................................... Малыгин Д. В. Бортовой радиотехнический комплекс «Полиморф» многоцелевой платформы «Синергия» блочно-модульного типа ....................................................................................................................... Никитин Р. М., Алфимов Д. Е. Управление индукторным двигателем двойного питания для систем поворота электроприводов солнечных батарей .................................................................................... Тимохович А. С., Савченко А. М., Галактионов Д. Е., Пучков А. А., Быстров Д. И. Способы защиты конструкции стартового стола от высокотемпературного воздействия газов двигателей моделей ракет .......................................................................................................................................... Харлан Я. Ю., Оссовский А. В., Харлан А. А. Исследовательские испытания высокочастотного ионного двигателя для малых космических аппаратов ........................................................... Дмитриев Д. Д., Ратушняк В. Н., Карцан И. Н., Толстопятов М. И., Ефремова С. В. Калибровка приемных каналов адаптивной цифровой антенной решетки ........................................................... Карцан И. Н., Ковалев И. В., Ефремова С. В. Проблемы анализа и синтеза структур сложных систем сетевого взаимодействия наземных пунктов управления космическими аппаратами ......................................................................................................................................... 642

367 369 372 374 377 380 383 385 387 390

Содержание

Лефтер В., Тельгарин К., Анаров М., Халимов А., Савостин В., Казбеков Д. Проблема определения уровня заряженности никель-водородных аккумуляторов космических аппаратов и альтернативный метод ее решения ........................................................................................................................ 392 Храпунова В. В., Ефремова С. В. Методы снижения погрешностей определения псевдодальности и псевдоскорости .......................................................................................................................... 395

Секция «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ТЕХНОЛОГИЙ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ» Ботвич И. Ю., Волкова А. И., Кононова Н. А., Иванова Ю. Д., Шевырногов А. П. Спектрометрирование травянистой растительности Красноярского края и Республики Хакасия: методика измерений, хранение и обработка данных ............................................................................................... Ботвич И. Ю., Шевырногов А. П. Многолетняя фенологическая изменчивость травянистой и древесной растительности Красноярского края ................................................................................................... Заяц В. В., Зеньков И. В., Юронен Ю. П. Информационное обеспечение дистанционного мониторинга экологического состояния нарушенных земель на угольных разрезах Приморского края ....................................................................................................................................................... Зеньков И. В., Заяц В. В., Юронен Ю. П. Результаты оценки восстановления растительного покрова на горнопромышленных ландшафтах угольных разрезов Магаданской области с использовнием ресурсов дистанционного зондирования ............................................... Ларько А. А., Ботвич И. Ю., Иванова Ю. Д., Шевырногов А. П. Изучение характеристик травянистой растительности юга Красноярского края и Республики Хакасия по спутниковым и наземным спектрометрическим данным ............................................................................................................... Одинцов Р. В., Кашкин В. Б., Рублева Т. В. Космический мониторинг атмосферных возмущений над cейсмоактивными областями по данным OMI/AURA и ATOVS .............................................. Писарев Н. С., Стаценко Н. И., Котлярова С. А., Райко С. В. Спутниковая система «Гонец» и перспектива ее применения в гражданской авиации ........................................................................................... Сорокин А. В., Подопригора В. Г., Макаров Д. С. Рассеяние сигналов навигационных спутников на пространственных неоднородностях леса ........................................................................................ Цуп Ю. А., Пальникова Е. Н., Петров И. А., Абрамов А. В., Шушпанов А. С. Мониторинг нарушенностей районов лесных массивов на основе спутниковых снимков Landsat-8 ......................................

398 401

404

407

409 411 414 416 418

Секция «ЭКСПЛУАТАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ» Андреев Д. А., Легкова Т. А., Бойко О. Г. Мониторинг качества авиатоплива по данным ООО «ТЗК Енисей» аэропорта Емельяново .......................................................................................... Бганцева С. М., Двирный Г. В. Исследование эрозионного воздействия струй электроракетных двигателей на космический аппарат с крупногабаритными антеннами .................................. Болотова О. В., Нартов Е. А., Зайцев Д. А. Тензометрические датчики для диагностирования агрегатов в полете ................................................................................................................ Воропанова Е. А., Тюпкин М. В., Строков Д. Е., Кацура А. А., Громова А. А. Деятельность предприятия как объект исследования возможности оптимизации ...................................................................... Герасимова Д. С., Палухин А. А. Резервирование элементов как способ повышения надежности системы пожаротушения самолета Ту-204 ......................................................................................... Геращенко В. В., Авхадеев В. Р. Способы устранения обледенения и выполнения противообледенения воздушного судна ................................................................................................................... Горелкин Н. С., Ткаченко К. Ю., Жирнова Е. А. Совершенствование метрологического обеспечения лаборатории авиационной метрологии ООО «Аэропорт Емельяново» на основе оценки достоверности результатов калибровки ..................................................................................... Еремин Н. В., Москвичев Е. В. Оценка жесткостных характеристик композитной оболочки ...................................................................................................................................................................... Жирнова Е. А., Петровская Е. А., Петровская Ю. А. Оценка состояния измерений в калибровочной лаборатории авиационной метрологии ИАС ООО «Аэропорт Емельяново» ......................... 643

422 424 427 429 431 434

436 438 440

Решетневские чтения. 2017

Калашников А. А., Калашникова Е. Г., Корзунов А. А., Межекова Т. С., Ачкасова Е. А. Поддержание микроклимата на борту самолета Atr 42-500 ................................................................................... Калашников А. А., Калашникова Е. Г., Корзунов А. А., Межекова Т. С., Коваленко Г. Д. Поиск технического решения для снижения эмиссии газо-турбинного двигателя .............................................. Ковель И. П., Строков Д. Е., Кацура А. А., Громова А. А. Оптимизация деятельности предприятий путем создания совместного обменного фонда запасных частей ................................................... Кормильчик А. Н., Мусонов В. М. Исследование влияния местных объектов на функционирование навигационно-посадочной аппаратуры воздушных судов ............................................... Кудряшов А. А., Турчанов А. М., Никушкин Н. В. Расчет и анализ параметров адаптивной панели крыла экраноплана .................................................................................................................... Лосев Е. А. Исследование перспектив применения облачных технологий в авиации .................................. Майнашева С. О., Мусонов В. М., Кацура А. В. Сравнительный анализ низкоорбитальных спутниковых систем, используемых в гражданской авиации ................................................................................ Миягашева В. А., Судаков А. И. Оценка надежности топливной системы самолета Boeing 737-800 по статистическим данным авиакомпании «Сибирь» .................................................................. Надараиа Ц. Г., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Шестаков В. И. Вентильно-индукторный мотор-редуктор в колесе шасси самолета ............................................................................................................... Огородникова Ю. В., Леонов С. В., Лукасов В. В..Проверка заявленных характеристик беспилотного летательного аппарата RQ-4 Global Hawk модификации Polar Hawk ........................................... Палухин А. А., Герасимова Д. С. Исследование проблемы ложного срабатывания сигнализатора дыма на воздушном судне ................................................................................................................ Панкеев Е. С., Менчиков Р. В., Перемышленников В. В. Разработка лабораторного стенда системы «двигатель–тахогенератор» ........................................................................................................................ Писарев Н. С., Стаценко Н. И. Трехточечный авиационный топливомер ................................................... Судаков А. И., Геращенко В. В., Котляров С. А. Анализ проблемы измерения высотно-скоростных параметров вертолета .............................................................................................................

442 444 447 449 451 453 455 457 459 462 464 466 468 470

Секция «ТЕХНОЛОГИЯ И МЕХАТРОНИКА В МАШИНОСТРОЕНИИ» Арляпов А. Ю., Бознак А. О., Пергунов В. И. Точность наружной поверхности полых цилиндров, обработанных реверсивным дорнованием ............................................................................... Большаков Р. С., Нгуен Д. Х., Николаев А. В. К вопросу об управлении вибрационным полем технологического оборудования .................................................................................................................... Большаков Р. С., Ситов И. С., Кинаш Н. Ж. Особенности амплитудно-частотных характеристик реакций связей при действии силового внешнего возмущения ............................................................................. Ворожейкин В. А., Литвинчук А. Ю. Сквозная технология изготовления несущих корпусов изделий ракетно-космической техники ................................................................................... Гагин А. А., Дениско Н. С., Олейников Е. П. Сварка под водой .................................................................. Гордовенко М. А., Михнёв М. М. Исследование повышения стойкости монолитных твердосплавных концевых фрез производства АО «ИСС» с износостойким покрытием ................................... Гришин А. А., Струговец А. Г. Определение полного сопротивления слоя токосъемных колец кольцевого токосъемного устройства ..................................................................................... Гуськов А.В., Долматов А. С., Зубков Е. Е., Милевский К. Е. Исследование прогиба конструкции, изготовленной из стали Гадфильда, после упрочнения взрывом ................................................... Дорофеева Е. С., Литвиненко Д. С., Янковская Н. Ф., Амельченко Н. А. Некоторые особенности механической обработки титановых сплавов .................................................................................... Дядюхина С. С., Сысоева Л. П., Сысоев А. С. Влияние технологических факторов на параметры качества поверхности после абразивно-экструзионной обработки .............................................. Ермаков Д. В., Карпов И. А., Таранина Ю. А., Хрулев Г. М., Лянзбург В. П. Исследование корпуса двигателя-маховика, изготовленного по аддитивной технологии ........................................................... Зайцев Р. В., Лаптенок В. Д., Михнев М. М., Гусев В. Ю., Злобин С. К. Повышение стабильности качества автоматизированной пайки волноводно-распределительных трактов космических аппаратов связи .................................................................................................................................... Индаков Н. С., Бинчуров А. С., Гордеев Ю. И., Киселев Д. И. Влияние технологических параметров ротационного точения многогранными резцами на составляющую Рz силы резания .................... Козлова Н. И., Гордеев Ю. И., Анистратенко Н. Е., Вадимов В. Н. Возможности использования групповых технологий для изготовления деталей универсально-сборных приспособлений .............................. 644

473 475 478 481 483 485 488 491 494 497 500

502 504 507

Содержание

Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Воеводина М. А., Платонов О. А. Фильтрация алюминиевых сплавов, применяемых в аэрокосмической отрасли ....................................................................... Лекарев А. В., Касаткин В. О. Вакуумная газовая цементация стали 16Х3НВФМБ-Ш ............................. Литвиненко Д. С., Дорофеева Е. С., Зверинцева Л. В. Анализ методов производства волноводов .................................................................................................................................................................. Мак И. Н., Попов Д. Н., Савин Д. И., Вайлов А. В., Амельченко Н. А. Оценка стойкости режущего инструмента при фрезеровании труднообрабатываемых материалов ................................................. Луканов А. А., Олейников Е. П. Сварка топливных баков ракетных двигателей ....................................... Миронов Н. С. Модернизация мелкосерийного и единичного производства ................................................ Михнёв М. М., Рамазанова О. А. Отработка технологии изготовления оправки для формирования рефлекторов из полимерных композитных материалов ......................................................... Назаров С. В. Некоторые методы уменьшения деформации при сварке крупногабаритных конструкций из стали 09Г2С ..................................................................................................................................... Ручкин Л. В., Ручкина Н. Л. Силовой расчет параллельного манипулятора в программном пакете LabVIEW ............................................................................................................................. Савин Д. И., Левко В. А. Финишная обработка титановых и алюминиевых сплавов .................................. Симакова А. Е., Левко В. А. Опорные кривые профиля поверхности после обработки абразивным потоком .................................................................................................................................................. Филиппов К. Ю., Раменская Е. В. Жесткость картридж-шпинделя заточного станка ............................... Цугленок М. Н. Фрезы для высокоскоростной обработки алюминиевых сплавов деталей ракетно-космичнской техники .................................................................................................................... Шарова Н. В., Сысоева Л. П., Сысоев А. С. Влияние геометрии инструмента и режимов резания на эффективность абразивно-экструзионной обработки алюминиевых сплавов ................ Шашков С. Ю. Верификация процесса механической обработки корпусных деталей с вафельным фоном в производстве ракетно-космической техники ..................................................................... Шестаков И. Я., Шахов В. Н. Структурная модель линейного электродинамического двигателя ............

509 511 513 515 518 520 522 525 527 529 531 534 536 538 541 543

Секция «МЕХАНИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ» Адамович А. И. , Кукушкин Е. В., Кукушкин С.В., Меновщиков В. А. Устройство для топографических исследований рабочих поверхностей подшипников качения ........................................... Анисимов А. В., Маегов Д. А., Валюков С. А., Юрьев Д. А., Воробьев А. А. Установка для исследования динамических характеристик шпиндельных сборочных единиц ............................................ Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Пермяков А. Ф. Космический эксперимент с антропоморфным роботом ...................................................................................................................................... Гнатышин В. А., Лукин Р. С. Анализ крутильной жесткости прецизионного планетарного редуктора с податливым корончатым колесом ................................................................................ Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А. Разработка измерительной системы стенда для испытания карданных передач ........................................................................................................................... Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Орлов А. А. Тензометрические измерения деформаций карданных передач на испытательном стенде ......................................................................................................... Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В. Совершенствование методики расчета угла закручивания карданной передачи ...................................................................................................... Ереско С. П., Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Способ технического обслуживания карданных передач ............................................................................................................................ Климовский Д. А., Смирнов Н. А. Матрица преобразования для механизма параллельной структуры с шестью степенями свободы ......................................................................................... Корчагин М. Е., Платонов Д. Л., Фадеев А. А. Устройство автоматического открывания/ закрывания окна .................................................................................................................................... Кукушкин Е. В., Кукушкин С. В., Меновщиков В. А. Конструкция карданного шарнира с втулками из вязко-демпфирующего материала .................................................................................................... Кукушкин Е. В., Кукушкин С. В., Меновщиков В. А., Семенуха О. В. Конструкция карданного шарнира с сепаратором .......................................................................................................................... Кустов А. В., Межов В. Г., Цаплин П. В., Карелина А. А. Ректификационные ступени для разделения смесей для биотехнологических нужд ........................................................................................... Кустов А. В., Артищева Н. А., Шастовский П. С., Васильченко Е. В. Угловая скорость газо-жидкостного слоя на вихревой ректификационной ступени .......................................................................... 645

547 550 552 555 558 561 564 567 570 572 574 576 579 581

Решетневские чтения. 2017

Лукин Р. С., Силкина Л. А. Моделирование контактного взаимодействия зубьев волновой передачи .......................................................................................................................................... Поляков М. В. Математическая модель ротора в магнитном подвесе с многополюсным осевым электромагнитным подшипником ............................................................................... Пронин А. А., Сальников Г. Х. Построение привода робота, функционирующего в открытом космосе .................................................................................................................................................... Сайфетдинова Ю. Р. Применение цилиндро-конических колес в редукторах космической техники .......................................................................................................................... Фадеев А. А., Швалева Н. А., Иванов М. Е., Дудкевич Д. С. Установка на основе линейного электропривода для исследования контактного взаимодействия твердых тел при статико-импульсной обработке .................................................................................................... Щелоков В. Е., Кузьмина Г. Ю., Вавилов Д. В. Анализ влияния геометрических параметров на жёсткость зацепления ............................................................................................................................................

584 586 589 592

594 596

Секция «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ» Андрющенко Т. А., Хохлова Т. Н., Игуменов А. Ю., Паршин А. С. Тонкая структура дифференциальных спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 .................................................. Брылякова Е. А., Лапухин Е. Г. Алгоритм выявления малого отклонения блеска для поиска переменных звезд и кандидатов в экзопланеты ................................................................................... Васильцов А. А., Соловьев В. В. Исследования влияния покрытия, полученного методом микродугового оксидирования, на физико-механические свойства элементов конструкции двигателя-маховика ............................................................................................................................. Волочаев М. Н., Рачек В. Б., Тамбасов И. А., Немцев И. В., Логинов Ю. Ю. Структурные исследования тонких наногранулированных пленок Co-Al2O3, полученных методом твердофазного синтеза ............................................................................................................................................... Закомирный В. И., Герасимов В. С., Ершов А. Е., Карпов C. В. Узкие резонансы в периодически структурах на основе термостойкого нитрида титана ................................................................. Зеер Г. М., Зеленкова Е. Г., Почекутов С. И. Эрозия электроконтактного материала на основе серебра под воздействием электрической дуги ...................................................................................... Иванов Ю. Ф., Ереско С. П., Клопотов А. А., Петрикова Е. А., Громов В. Е. Особенности структурно-фазового состояния на поверхности силумина, сформированного методами электронно-ионно-плазменной обработки .............................................................................................. Канзычакова В. О., Игуменов А. Ю., Паршин А. С., Дёмин А. М. Факторный анализ спектров сечения неупругого рассеяния электронов FeSi2 .................................................................................... Крамарев Д. В., Иваненко Т. А., Немчинов А. И., Левакова Н. М. Изучение закономерностей модифицирования полиимидных материалов, применяемых в многослойных конструкциях космических аппаратов .............................................................................................................................................. Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Голованова В. В. Усиление эффекта наномодифицирования алюминиевых сплавов ультразвуком ............................................................................... Лепешев А. А., Ушаков А. В., Карпов И. В., Фёдоров Л. Ю., Дёмин В. Г. Высокотемпературные сверхпроводники вакуумно-дугового синтеза для космической техники ............................................................. Подшибякина Е. Ю., Петровская Ю. А., Медушевский Д. С., Черкашин А. А., Шиманский А. Ф. Использование кварцевой керамики в качестве элементов теплового узла для выращивания монокристаллов германия ........................................................................................................... Сенашов С. И., Савостьянова И. Л. О предельном состоянии деформируемых материалов .................... Стаценко Н. И., Писарев Н. С., Кравченко А. В. Применение поглощающих излучение углеродных нанотрубок в тактических ракетных комплексах ............................................................................... Сухоносова Т. С., Телегин С. В. Влияние шероховатости на температуру поверхностей тонкой пластины ......................................................................................................................................................... Харьков А. М. Измерение термоЭДС в твердых растворах RexMN1-XS (Re = Gd, Yb) .................................

646

600 602

604

607 609 612

615 617

619 622 624

626 628 629 631 633

Contents

CONTENTS

Section “PROJECTING AND PRODUCTION OF AIRCRAFT, SPACE RESEARCH WORKS AND PROJECTS” Ageev P. O., Skryabin V. V. Verification of the finite-element model of telescope cryo-screen of the space observatory “Millimetron” by the results of the flap hardness tests ............................................................. 5 Bakulin Ya. Y., Zemlyanskaya S. V., Zemlyansky V. V. Increasing stability to the assembly process of antenna-fider devices by introducing automation elements ......................................................................................... 7 Bogdanova V. S., Zamyatin D. A., Kolga V. V. Spacecraft protection methods from external influences ............. 9 Bogdanova V. S., Zamyatin D. A., Stepanova S. V., Kolga V. V. Overview of the upper stages compatible with “Angara” carrier rocket family ............................................................................................................. 11 Burnysheva T. V., Shteinbreher O. A. Approach to the decision of the inverse problems while designing anisogrid constructions ......................................................................................................................... 13 Golub E. V., Pozdnyakov A. S., Novitsky R. N., Dvirniy V. V. Applying universal workstation assembly of spacecraft for high-frequency test ............................................................................................................... 16 Gusev V. U., Zlobin S. K., Demchenko A. I., Michnev M. M., Zaitsev R. V. Method of connection of thin-wall pipelines of austenite stainless steels to work with liquid containing ammonia connections ..................... 19 Zamyatin D. A., Bogdanova V. S., Kolga V. V. Main structure principles of the orbital computer network ........................................................................................................................................................... 21 Klyuchnikov A. V. Rate setting of instrumental precision of experimental testing equipment to measure flying vehicle mass-inertia parameters ......................................................................................................... 23 Kurkin E. I., Sadykova V. O., Spirina M. O. Multi-level approach for aerospace design from perspective materials .............................................................................................................................................. 26 Lukonin N. V., Dmitriev G. V., Morozov P. S., Shestakov I. Y. Method of manufacturing electric heaters of high efficiency of unpressurized design spacecraft ........................................................................................ 28 Moskvichev V. V., Lepikhin A. M., Burov A. E. Lifetime and reliability of metal-composite pressure vessels ............................................................................................................................................................... 30 Nazarenko A. D., Dumanitskiy M. A., Trushkina T. V. Applying corrosion-resistant MAO-coatings for rocket elements of magnetic alloys ........................................................................................................................... 32 Pavlenko T. S., Schesnyak S. S. Analysis of radiation resistance of small spacecraft on sun-synchronous orbits .............................................................................................................................................. 34 Pavlov A. S., Pavlova G. A. Improving technology to mount high-frequency board cable network of modern spacecraft ....................................................................................................................................................... 36 Podolyakin V. N., Shmakov D. N., Kolovsky I. K. Research of the revolution of the draconic nodal period of the spacecraft “Gonets-M” ........................................................................................... 38 Rudenko M. S., Orlin P. A., Timohovich A. S., Zommer S. A., Borisova E. M. Mitigation of defects during installation stabilizers of undecleard rockets ..................................................................... 41 Rutkovskaya M. A. Optimal choice of design parameters of the thin-walled composite spoke to reach maximal bending stiffness ..................................................................................................... 43 Surin D. N., Dobak P. I., Korolev D. O., Pazderin S. O. Objective control satellite system of marine ships’ location ................................................................................................................................................ 45 Popova A. P., Babkina L. A. Modeling buckling of orthotropic cylindrical shell under hydrostatic pressure .............................................................................................................................................. 47 Unrain А. A., Rutkovskaya M. А. Determining fundamental frequency of the conical adapter with variable thickness ................................................................................................................................................... 49 Falkova E. V., Klimovskiy D. A., Nazarova L. P., Nesterov V. D., Zhezhera S. A. Algorithm to determine the force of tension in the parallel kinematic machine with six flexible links ......................... 51 Shestakov I. Ya., Voroshilova M. V., Voroshilov D. S. Influence of cathode-instrument characteristics at surface quality of large-size details during electrochemical machining .............................................. 54 Shteinbreher O. A., Burnysheva T. V. Solving problem to optimize lattice shell ................................................. 56

Section “LARGE TRANSFORMABLE CONSTRUCTIONS OF SPACECRAFT” Azin A. V., Ponomarev S. V., Rikkonen S. V., Kuznetsov S. A. Experimental researching modes of physical models of linear piezo drive .............................................................................................................. 59 647

Решетневские чтения. 2017

Ananiev V. V. Thermostabilization of ground using low-temperature natural refrigerants ..................................... 61 Aristov V. F., Vikhrov I. A., Mironovich V. V. Developing cyanate ester structural adhesives with low temperature curing ........................................................................................................................................... 63 Aristov V. F., Vikhrov I. A. Radio cyanate ester syntactics (spheroplastics) on the basis of hollow glass or polymer microspheres for transceiver devices of space satellites ..................................................... 66 Aristov V. F., Zdvizhkov A. T., Kosheleva O. K. High-performance heat-resistant adhesives ............................. 68 Badanin E. I., Lavrinenko A. I., Popokin O. S., Chakchir S. V. Automation of the line of manufacturing of sliding elastic transformed elements .............................................................................................. 70 Bajborodov A. A., Kuznetsov V. V., Kuznetsov A. D., Volkov M. V. Unstressed launching device for fixing and releasing device of spacecraft structures .................................................................................................. 73 Bashkov I. V. Absorbing cord and ribbon used in the manufacture of spacecraft antennas .................................... 75 Beloglazov A. P., Iuvshin A. M., Slovtsov I. V. Producing cell aggregates from polymer composite materials based on thermoplastics ................................................................................................................. 77 Belousov P. V., Timofeeva E. A., Sulimov A. N., Grudinina N. S., Antonenko A. P. Developing a technology of non-configured forming the working surface of the transformable reflector .................... 79 Belkov A. V., Belov S. V., Zhukov A. P., Pavlov M. S., Ponomarev S. V. Calculating umbrella mesh reflector form structure ....................................................................................................... 82 Berns V. A., Zhukov E. P., Lysenko E. A., Malenkova V. V., Lakiza P. A. Diagnostics of airframe structure fracture processes ...................................................................................................... 84 Berns V. A., Zhukov E. P., Marinin D. A., Malenkova V. V. Method of experimental determination parameters of natural modes of structure vibrations ......................................... 87 Bikeev E. V., Kolovskiy Y. V. Identification and diagnostics of subsystem behavior within a space appliance on the example of a large-sized transformable antenna .......................................................... 89 Boyko S. O., Komarov S. A., Gurylev A. B., Ulybushev E. A., Lekanov A. V. Development results of planetary roller screw for precision space mechanism ............................................................. 92 Bujakas V. I. Self-setting locks for assemblage and deployment of solid multi-mirror space reflectors ................ 94 Velichko A. I., Kisanov Yu. A., Tserikhov V. I, Matrosova I. V. Rimmed large-sized space reflector ............... 96 Verkhogliad A. G., Glebus I. S., Makarov S. N., Mikhalkin V. M., Khalimanovich V. I. Testing space observatory “Millimetron” telescope mirror sistem on board of the spacecraft ....................................... 98 Vehov A. S., Nemchaninov S. I. Unifying separation devices for spacecraft ....................................................... 101 Vinogradov K. N., Leonenkov A. D., Oberemok Yu. A., Ovchinnikov D. A., Khalimanovich V. I. The dimensionable frame construction for installing devices of orientation and stabilization systems of perspective space vehicles ........................................................................................................................................ 104 Gerus A. A., Kuznetsov A. D., Volkov M. V. Design of a solar array of round type ........................................... 106 Gerus A. A. Metod for providing electrical characteristics of initiating devices ................................................... 108 Gecha V. Ya., Kiryakin A. A., Pozdnyakova V. D., Pilyugin S. O., Smolev S. P. Applying additive technologies and new materials to produce small spacecrafts ........................................................ 110 Goldobin N. N. An algorithm for temperature field interpolating from discrete thermal data of an antenna with a large reflector ............................................................................................................................... 112 Golubtsov A. S, Smirnov A. V., Kravchenko I. А., Mikheev А. V. Flexible bearings application features for cryogenic refocussing mechanism ............................................................................................................. 115 Gorbunov A. V., Korotkov E. B., Lekanov A. V., Rudyka S. A., Slobodzyan N. S. Applying spatial mechanisms with parallel structure for the control, stabilization and vibration isolation of onboard devices ........................................................................................................................................................ 117 Doronin S. V. Multi-model numerical analysis of large-dimension reflector under complex loading ................................................................................................................................................. 119 Dubrovich V. K., Zaika D. Yu., Kachurin V. K., Tsema G. S., Shesnyak S. S. Modeling the “Millimetron” space telescope alignment ............................................................................................... 121 Zimin V. N., Smerdov A. A. Investigating the effect of the parameters of a large-size truss of a space antenna emitter on dynamic and strength characteristics ............................................................................. 123 Zyryanova P. S., Usoltsev A. V., Kozlov A. V., Kolodrivsky A. V., Oberemok Y. A. Processing and setting the support system of a large-sized reflector ............................................................................ 125 Iseeva O. A., Dvirniy V. V., Krushenko G. G., Patskova E. G. Designing products made of polymer composite materials according to manufacturing technological specific features ...................................... 127 Kochin L. B., Krylova M. A., Khromikhin D. A., Shirshov A. D., Porpylev V. G. Transmission of energy and information through optical communication channel to control the form of space antenna ............................................................................................................................. 129 Kraevskiy P. A., Belov O. A., Morozkov I. S. The mechanism of retractable mast with rope control ........................................................................................................................................................... 131 648

Contents

Kryuchek S. D. Providing outgassing requirements for applications in spacecrafts .............................................. Kuznetsov A. B., Bondarev A. V., Nedashkovskaya E. S., Matveichev I. V., Schesnyak S. S. Research of an erectable antenna surface standard deviation from the paraboloid of revolution ................................. Kukushkin S. G., Petyaeva N. N., Dvirniy V. V. Professional translation conceptual construct features in the context of spacecraft large foldable structures ....................................................................... Leonenkov A. D., Oberemok Yu. A. Applying additive technologies to design main mirror of the space telescope “Millimetron” ............................................................................................................................ Loganov А. А., Lekanov A. V. Analisys of the pressure pulsation of electric pump unit on the spacecraft thermal control system ...................................................................................................................... Maydanik Yu. F., Pastukhov V. G., Ivanov A. V. Investigating a loop heat pipe operation with several heat sources of different power ................................................................................................................ Meshkovsky V. E., Sdobnikov A. N., Churilin S. A. Large deployable reflector with cable-truss structure numerical simulation ........................................................................................................... Mikhalkin V. M., Ageeva D. I., Romanenko I. V., Akulich О. V. Mathematical simulation method to analyse ground test schemes for block deployment device of spacecraft ................................................................. Moiseev P. P., Nechushkin I. I. Position control sensors of the elements of the transformable structures of the spacecraft ........................................................................................................................................... Nemchaninov S. I. Damper for deployment elements of the spacecraft ................................................................ Nikitushkin I. V., Sivkov A. A., Ivashutenko A. S. Plasmodynamic synthesis of ultradisperse aluminum nitride and production of AlN-ceramics by method of spark plasma sintering .................. Ovsyannikov S. V., Chekunov Yu. B. Studying dynamic properties of the space telescope reflector ................. Petrov V. V., Jusov A. V., Kozlov S. A., Ustinova E. A., Buzik G. B., Zuev Ju. V. Fine linear and angular positioning of a comsat antenna reflector in mounting process by means of hexapod manipulator aided by laser tracker ................................................................................................................................ Pokhabov Y. P. Problems of ensuring reliability to disclose transformable structures ......................................... Prosuntsov P. V., Reznik S. V., Denisov O. V., Zavaruev V. A., Petrov N. M. Thermal mode of a deployable mesh reflector for a space antenna .............................................................................. Reizmunt E. M. The deformed state features of the reflector mirror segments at external temperature impact ....................................................................................................................................................... Seryakov A. V., Shakshin S. L., Alekseev A. P. The condensate droplets centering in the vapour channel of short low temperature range heat pipes at high heat loads .................................................... Seryakov A. V., Konkin A. V. Simulating pulsations in vapour channel of short low-temperature range heat pipes ................................................................................................................................. Silivanov R. P., Kudriashov S. P., Tokarev A. V., Ulybushev E. A., Lekanov A. V. Longterm power current-collecting device for modern high-energy spacecrafts development results ......................... Smerdov А. A. Investigation of the dynamic and strength characteristics of the multicell composite truss structure .............................................................................................................................................. Sulimov A. N., Nagovitsin V. N., Belousov P. V. Fabricating and polishing composite forming tools to produce three-layer reflectors ................................................................................................................................... Timoshchenko N. V., Sivkov A. A., Ivaschutenko A. S. Filled casting compound of high thermal conductivity ......................................................................................................................................... Filippova Yu. F. Analysis of the joint connecting pipe and fitting reflector load-bearing structure ................................................................................................................................................... Khadkevich T. G., Usmanov D. B. Investigating stress-deformed state, mechanical device for turning solar battery for a small space apparatus .................................................................................................... Shaenko А. Yu., Belokoskov M. S., Lavrov M. P., Efremov D. I., Alexandrov A. M. Flight tests of “Mayak” cubesat with deployable solar reflector .................................................................................. Jusov A. V., Arhipov M. Ju., Kozlov S. A., Ustinova E. A., Vasilchenko D. V. Cryovacuum hexapod with sub-micron actuator for temperatures of 4.2 К ................................................................. Beloglazov A. P., Slovtsov I. V., Titarenko M. V., Cherniavskii V. L. Finite element modeling of the stress-strain behaviour of lattice pattern composite tubes (isogrid) with triangular cross-section ......................

133 135 138 140 142 145 147 149 151 153 156 158

160 162 164 166 168 171 174 176 179 181 183 185 187 189 191

Section “AEROSPACE ENGINES AND POWER STATIONS OF AIRCRAFT AND SPACECRAFT” Bakulin Ya. Y., Zhuravlyov V. Yu. Applying the method of finite elements for the calculation of thin-walled shells ........................................................................................................................ 195 649

Решетневские чтения. 2017

Biryukov V. I., Nazarov V. P., Tsarapkin R. A. Experimental and analytical estimation of the sustainability of the working process in combustion chambers and LPG gas generators ................................... Vasyanina A. U., Lobza A. A., Ermolenko D. A., Kubrikov M. V., Lobza V. S. Promising methods of cooling the engine assemblies .................................................................................................. Volodin A. Yu., Beloborodko N. V., Krivenko P. Yu. Technological features of local coating a shaft of the TPU LRE ....................................................................................................................... Grigorev P. A., Yermoshkin Yu. M. Reviewing status and development trends of electric propulsion thrusters abroad .......................................................................................................................... Zlobin V. B. Practial application of rocket fuel laser ignition in liquid fuel rocket engines .................................. Kovyarov A. A., Kondratiev A. N., Kubrykov M. V. Applying the shovel diffuser in a centrifugal pump to increase the efficiency of a liquid rocket engine ................................................................... Malov D. V., Shabliy L. S. Design and CFD simulation of LRE oxidizer pump .................................................. Nazarov V. P., Piunov V. Yu., Tolstoyapyatov M. I. Principal features of poster tests of oxygen-hydrogen loads of perspective running blocks ............................................................................................ Oreshkov M. A., Kubrikov M. V., Ustyugov A. V. Conducting the thermodynamic calculation of a combined extruder for 3D printing of products of rocket-space equipment ........................................ Ostanina N. G., Zhuravlev V. Yu. Calculating the strength of the turbine central rotary wheel .......................... Petlevanny B. S., Gaponov A. N. Developing electroerozion processing of elements in rocketry ....................... Torgashin A. S., Begishev A. M., Tolstopyatov M. I. Simulation features of a centrifugal pump within a rocket engine turbopump in Ansys CFX ............................................................................................... Urusov V. M., Ermoshkin Y. M., Kolovsky I. K. Choice of small spacecraft propulsion subsystems ............... Ustyugov A. V., Kubrikov M. V., Oreshkov M. A. Developing a method to obtain composite thread for 3D printing of details of rocket engines ....................................................................................................... Shvetsova D. S., Korolyova T. A., Kubrikov M. V. Modern state of the integral rocket ramjet .........................

197 200 202 204 206 208 210 213 215 217 219 221 223 225 227

Section “HEAT-MASS EXCHANGE PROCESSES IN AIRCRAFT, POWER STATIONS AND LIFE SUPPORT SYSTEMS” Vasil’ev E. N., Derevyanko V. A. Calculating temperature fields in the thermal storage with phase transformation ............................................................................................................................................. Vasil’ev E. N. Thermal resistances influence on characteristics of thermoelectric cooling of heat-loaded elements of radio electronic equipment ................................................................................................ Vshivkov A. Yu., Khakhlenkov A. V., Ivanova Yu. M. Spacecraft element thermal vacuum test at helium themperature level .................................................................................................................... Delkov А. V., Kishkin A. A., Shevchenko Yu. N., Khodenkov A. A., Bulov A. O. Calculating algorithm for the closed convective heat transfer loop .............................................................................. Delkov A. V., Popugaev M. M., Shevchenko Yu. N., Khodenkov A. A., Melkozerov M. G. Calculating the temperature field of the radiator of the spacecraft thermal control system .......................................... Kishkin A. A., Delkov A. V., Shevchenko Y. N., Vshivkov A. Yu., Melkozerov M. G. Autonomous space unit to convert the low-potential heat to energy ............................................................................ Kolchanov I. P., Kishkin A. A., Delkov A. V., Melkozerov V. G., Hahlenkov A. V. Improving methods of high-sense leak testing for the leakage control processing of the spacecrafts systems ............................................................................................................................................. Sokolov A. V. Modeling the processes on I-D wet-air diagram ............................................................................. Trifanov V. I., Oborina L. I., Sukhanova O. A., Trifanov I. V., Snezhko A. A. Improving the efficiency of fuel combustion ................................................................................................................ Trifanov V. I., Oborina L. I., Trifanov I. V., Kozlov S. I., Kaz’min B. N. The creation of electric rocket thrust, combined with the process of the detonation combustion of fuel .......................................... Trifanov V. I., Sukhanova O. A., Oborina L. I., Trifanov I. V., Kozlov S. I. Recuperator of charged particle energy ........................................................................................................................ Fedorova O. N., Alashkevich Yu. D., Kazak Yu. S. Grinding fibrous semi-finished products in the disk mill using the font of the curvilinear form .................................................................................................. Hahlenkov A. V. Analysing thermal loads to vacuum chamber of HVU-60’s cryogenic equipment .....................................................................................................................................................

650

230 233 235 237 239 241

243 245 247 249 251 253 255

Contents

Section “CONTROL SYSTEMS, SPACE NAVIGATION AND COMMUNICATION SYSTEMS” Andreeva Е. О., Blinov А. F., Kramichev М. А. Features of designing of a compact high-speed biaxial rotary support .................................................................................................................................................... Anisimov D. I., Aslanyan R. O., Kuzovnikov A. V., Kashkin V. B., Leonov S. N. Ultrawideband signals used in spacecontrol and communication systems ................................................................... Bessmertnaya J. S., Kyzovnikov A. V., Lyamicheva T. Y. Analysis of the mathematical model of traffic distribution for space model “Gonets-M1” .................................................................................................... Blinov А. F., Fedorov I. I., Zilber N. E. Features of designing a compact speed triaxial rotary support ................................................................................................................................................................ Bondarev A. V., Kipriyanova T. A., Grunicheva O. A., Artamonov S. V. Specific features of strength and rigidity calculated simulation of small-sized three-axis reference-rotary device ................................. Deryabkin V. D., Gudaeva E. G., Makarov I. V. Approach to software development of executive mechanisms of steering surfaces of a drone ............................................................................................. Kopylov S. E., Baturin T. N., Sushkov A. A. Design and development of mobile satellite communication device for unmanned aerial vehicles ................................................................................................... Kuzmina N. A. The power supply system of the spacecraft .................................................................................. Marareskul D. I., Ermolaev M. V., Malyshev A. A., Polyakova A. A. Glonass navigation field control ................................................................................................................................... Sinitskiy D. E., Latyintscev S. V. Self-adjusting orientation and stabilization system of spacecraft .................... Chernyakov V. S. Using Bezier curves to construct the trajectory regulator of the small launch vehicles ............................................................................................................................................................. Shapovalova K. I., Kuzmina N. A. Forming a model to choose the control method of spacecraft ......................

258 261 263 265 267 270 272 274 277 280 282 284

Section “SPACE AND SPECIAL-PURPOSE ELECTRONIC INSTRUMENT ENGINEERING” Vinogradov D. S., Perezhirov Y. I., Butakov A. N., Aleksanov P. A. Development of high-frequency rotating transformers ....................................................................................................................... Ivanov A. V., Pravikova A. A., Tsebenko N. N., Yudintsev A. G. Element balancing device of lithium ion batteries .................................................................................................................................................. Ignatenko V. V., Yudintsev A. G. Comparing operation modes of bi-directional voltage converter for autonomus power supply systems ........................................................................................................................... Kapustin A. N., Grishelenok D. A. Micro relay on the basis of mems technology, perspective and problems of application .......................................................................................................................................... Lepeshkina E. S., Zuev D. M., Chesnokova V. S. Laboratory testing of SEU detection method for the SoC-microprocessor internal memory ............................................................................................................... Moiseev P. P., Viktorov A. I., Sidorov A. M. System controlling the element position of large spacecraft structures ........................................................................................................................................ Nadaraia C. G., Shestakov I. Ja., Fadeev A. A., Vinogradov K. N. Autonomous complex with combined energy storage device for land operation of space vehicles ................................................................. Nesterishin M. V., Kozlov R. V., Zhuravlev A. V. Specifying the power parametres of the spacecraft power conditioning units ................................................................................................................... Orlov S. A., Kopytov V. I. Some problems arising in shock tests of the equipments for spacecraft .................... Pichkalev A. V. The computing modules for onboard radio-electronic equipment ............................................... Khodenkov S. A., Boev N. M., Ivanin V. V., Korolev E. V., Bandurina O. N. The tunable filter based on two-dimensional electromagnetic crystal ..........................................................................

287 290 292 294 296 298 300 302 304 306 308

Section “ELECTRONIC COMPONENT BASE OF SPACE SYSTEMS” Bondarenko V. O., Ozerkin D. V. SPICE-model synthesis of B19K resistor assembly at the board space equipment design ............................................................................................................................ 311 Wissam D. M. Development and application technology volume hybrid integrated circuits in spacecraft remote sensing of the earth ...................................................................................................................... 314 Masich I. S. Identification of logical patterns for classifying EEE-parts ............................................................... 316 651

Решетневские чтения. 2017

Masyugin A. N., Zhivul’ko A. M., Bandurina O. N., Rybina U. I. Magnetic properties of the halkogenides of manganese substituted by ions of gadolinium .......................................................................... Mironov A. A. Import substitution of power supplies in electronic devices of spacecrafts ................................... Popov A. D. Problem of electronic components base test for space application .................................................... Savenkov V. V., Tishchenko A. K., Volokitin V. N. Design principles of regulation and control equipment of the modern power supply systems of small-sized spacecrafts ............................................. Stashkov D. V., Gudyma M. N., Kazakovtsev L. A., Rozhnov I. P., Orlov V. I. Algorithm for series of mixture distribution separation problems ................................................................................

318 320 323 325 327

Section “CONTROL AND TESTING OF AEROSPACE EQUIPMENT” Azin А. V., Ponomarev S. А., Ponomarev S. V., Leitsin V. N., Suntsov S. B. Non-destructive control method ................................................................................................................................... Aleksanov P. А., Lipovtsev А. А., Gladishev Y. G., Nikulin P. N. Research of technical facilities of start torque measurement for ball bearings used in reaction wheels ...................................... Aslanyan R. O., Anisimov D. I., Marchenko I. A., Panteleev V. I. Current and future solar simulators for thermal vacuum tests of spacecrafts .............................................................................................. Balyakov D. F. Features to reduce the amount of spacecraft testing ..................................................................... Korkin A. N., Solovyov I. I., Prihodko A. I., Lozovenko S. N. A tension control device for ridgepoles of xenon tank’s support system ............................................................................................................. Krat S. А. FOA 020 heat receiver as sunlight control alternative under space vehicles’ thermal vacuum tests ................................................................................................................................................................. Kubrak M. V., Leonov S. N. Current test systems for rocket and space technology ............................................ Mikheev P. V., Didin G. A., Shkatov P. N. Defectoscopy of constructional materials on the basis of carbon fibres with use of the method of eddy currents ......................................................................... Pervukhin A. V., Pavlova G. A. Methods for experimental evaluation shielding effectiveness of construction materials used in production of satellites ............................................................................................. Petrov V. V., Zashchirinsky S. A., Klushev P. V., Buzik G. B., Zuev Ju. V. Determining project “Luna-Glob” of space module kinematic parameters during drop test by means of laser tracker ................................ Silkina L. A., Lukin R. S. Stress strain analysis of spacecraft tanks with the geometric features ......................... Chekh V. A., Yudincev A. G. Imitator of variable frequency-regulated load ....................................................... Shtabel N. V., Samotik L. A., Mizrakh E. A. Accuracy improvement method for contactless differential direct current measurement in insulation resistance monitoring system .................................................... Yagudina Y. V., Patraev E. V., Nagovitsin V. N., Pestov A. B. Development of advanced ground support equipment for stadalone electrical test ................................................................................................

330 332 334 336 337 340 343 346 348 351 354 357 360 363

Section “SMALL SPACECRAFT: PRODUCTION, EXPLOITATION AND CONTROL” Ermakov D. V., Dammer V. H., Soloviev V. V., Ljanzburg V. P. Balancing small engines-flywheels ......................................................................................................................................................... Kalganova S. G., Lavrentiev V. A., Arkhangelsky Y. S., Vasinkina E. Y., Beloglazov A. P. Microwave energy to manufacture composite materials .............................................................................................. Kartsan I. N. The multiversion software of the onboard control complex with genetic algorithm ....................... Malygin D. V. The onboard computer “Hydra” of block-modular multipurpose platform “Synergy” .................. Malygin D. V. The onboard communications system “Polimorph” of block-modular multipurpose platform “Synergy” ................................................................................................................................. Nikitin R. M., Alfimov D. E. Controlling the inductor motor of double-way feed for rotation systems of solar battery electric drive ........................................................................................................ Timohovich A. S., Savchenko A. M., Galaktionov D. E., Puchkov A. A., Bystrov D. I. Ways to protect launch pad design from high-temperature gases of the rocket engine model ..................................... Kharlan Ya. Yu., Ossovsky А. V., Kharlan A. A. Exploratory testing of a radio-frequency thruster for small satellites ............................................................................................................................................ Dmitriyev D. D., Ratushnyak V. N., Kartsan I. N., Tolstopyatov M. I., Еfremova S. V. Receiving channel calibration for smart antennas ........................................................................................................ Kartsan I. N., Kovalev I. V., Efremova S. V. Problems of analysis and synthesis of structures of complex systems of network interaction of ground points of control of space appliances ....................................... 652

367 369 372 374 377 380 383 385 387 390

Contents

Lefter V., Telgarin K., Anarov M., Khalimov A., Savostin V., Kazbekov D. The problem of determining the level of charging of nickel-hydrogen accumulators of satellite and the alternative method for its solution .................................................................................................................... 392 Khrapunova V. V., Еfremova S. V. Methods of reducing the errors in determination of pseudo-range and pseudo-speed ............................................................................................................................... 395

Section “USAGE OF SPACE MEANS, TECHNOLOGIES AND GEOINFORMATION SYSTEM FOR ENVIRONMENTAL MONITORING AND MODELLING” Botvich I. Yu., Volkova A. I., Kononova N. A., Ivanova Yu. D., Shevyrnogov A. P. Spectrometry of herbaceous vegetation of the Krasnoyarsky krai and Republic of Khakassia: the method of measurement, storage and processing of data ........................................................................................ Botvich I. Yu., Shevyrnogov A. P. Long-term phenological variability of herbaceous and woody vegetation on the territory of the Krasnoyarsky krai .................................................................................. Zayats V. V., Zenkov I. V., Yuronen Yu. P. Information support of the ecological condition of remote monitoring of the disturbed lands on coal mines of Primorsky krai ............................................. Zenkov I. V., Zayats V. V., Yuronen Yu. P. Evaluating results of the vegetation cover restoration in the mining landscapes of coal mines in the Magadan region using remote sensing resources .......................................................................................................................................................... Larko A. A., Botvich I. Yu., Ivanova Yu. D., Shevyrnogov A. P. Studying the characteristics of herbal vegetation in south of Krasnoyarsky krai and Khakassia by sattellite and ground spectrometric data ......................................................................................................................................................... Odintcov R. V., Kashkin V. B., Rubleva Т. V. Space monitoring atmospheric disturbances over seismically active areas according to data OMI/AURA and ATOVS .................................................................. Pisarev N. S., Statsenko N. I., Kotlyarova S. A., Raiko S. V. Satellite system “Gonets” and the prospect of its application in civil aviation ............................................................. Sorokin A. V., Podoprigora V. G., Makarov D. S. Scattering of navigation satellite signals in the forest spacial heterogeneity ................................................................................................................................ Tsup Yu. A., Palnikova E. N., Petrov I. A., Abramov A. V., Shushpanov A. S. Monitoring of violations of forest areas on the basis of satellit images Landsat-8 .......................................................

398 401 404

407

409 411 414 416 418

Section “EXPLOITATION AND RELIABILITY OF AIRCRAFT” Andreev D. A., Legkova T. A., Boyko O. G. Quality monitoring of aviation fuel according to LLC “TZK Enisey” of the airport Emelyanovo ............................................................................................................ Bganceva S. M., Dvirniy G. V. Researching the erosive impact jets by the electric propulsion engines on the spacecraft with large-sized antennas ................................................................................... Bolotova O. V., Nartov E. A., Zaytsev D. A. Tensometric sensors for diagnosing units in flight ....................... Voropanova E. A., Tyupkin M. V., Strokov D. E., Katsura A. A., Gromova A. A. Enterprise activity as optimization research object ....................................................................................................... Gerasimova D. S., Palukhin A. A. Element redundancy as the method of improving reliability of fire-fighting system of Tu-204 aircraft ..................................................................................................................... Gerashchenko V. V., Avkhadeev V. R. Methods of aircraft remedy and antiicing implementation .................... Gorelkin N. S., Tkachenco K. Y., Zhirnova E. А. Improving metrological support of aviation metrology laboratory at LLC «Yemelyanovo airport» on the basis of assessment of reliability of calibration results ................................................................................................................................. Eremin N. V., Moskvichev E. V. Estimating hardness characteristics of a composite shell ................................. Zhirnova E. А., Petrovskaya Е. А., Petrovskaya Y. А. Assessing the state of measurement in calibration laboratory of aviation metrology of IAS LLC “Airport Yemelyanovo” ................................................. Kalashnikov A. A., Kalashnikova E. G., Korzunov A. A., Mezhekova T. S., Achkasova E. A. Maintaining the microclimate on board the plane ATR 42-500 ................................................................................... Kalashnikov A. A., Kalashnikova E. G., Korzunov A. A., Mezhekova T. S., Kovalenko G. D. Searching for a technical solution to reduce the emission of turbine engines .............................................................. Kovel’ I. P., Strokov D. E., Katsura A. A., Gromova A. A. Optimizing enterprise activity by developing spare parts of exchange fund ................................................................................................................. 653

422 424 427 429 431 434

436 438 440 442 444 447

Решетневские чтения. 2017

Kormilchik А. N., Musonov V. M. Investigating the influence of local facilities and radio interference on the functioning the aircraft navigation equipment ............................................................... Kudryashov A. A., Turchanov A. M., Nikushkin N. V. Calculation and analysys of the parameters of an adaptive wing panel of ekranoplan .......................................................................................... Losev E. A. Investigating application prospects of cloud technologies in aviation ................................................ Mainasheva S. O., Musonov V. M., Katsura A. V. Comparative study of low-orbital satellite systems used in civil aviation .......................................................................................................................... Miyagasheva V. A., Sudakov A. I. Evaluating the reliability of the Boeing 737-800 fuel system based on the statistics by airline S7 ........................................................................................................... Nadaraia C. G., Chestakov I. Y., Fadeev А. А., Chestakov V. I. The drive wheels of the landing gear ........................................................................................................................................................ Ogorodnikova J. V., Leonov S. V., Lucasov V. V. Verification of the declared characteristics of the unmanned RQ-4 Global Hawk modifications of the Polar Hawk ....................................................................... Palukhin A. A., Gerasimova D. S. Investigating the problem of false warning of smoke alarm on aircraft ...................................................................................................................................................................... Pankeev E. S., Menchikov R. V., Peremyshlennykov V. V. Construction of “Engine-Tacho” training bench “Engine-Tacho” ..................................................................................................................................... Pisarev N. S., Statsenko N. I. Three-point aviation measuring instrument of fuel ............................................... Sudakov A. I., Gerashchenko V. V., Kotlyarov S. A. Analysis of the problem of measurement of high-speed helicopter parameters .............................................................................................................................

449 451 453 455 457 459 462 464 466 468 470

Section “TECHNOLOGY AND MECHATRONICS IN MACHINE BUILDING” Arlyapov A. Yu., Boznak A. O., Pergunov V. I. Dimensional accuracy of external surface of hollow cylinders, treated by reverse cold expansion ................................................................................................ Bolshakov R. S., Nguyen D. H., Nikolaev A. V. To the question of vibration field of technological equipment ........................................................................................................................................... Bolshakov R. S., Sitov I. S., Kinash N. Zh. Features of amplitude-frequency characteristics of tie responses at action of force external disturbance ................................................................................................ Vorozheykin V. А., Litvinchuk A. Yu. End-to-end manufacturing techniques of carrying cases of a product of space-rocket technics ............................................................................................................................ Gagin A. A., Denisko N. S., Oleynikov E. P. Under water welding ..................................................................... Gordovenko M. А., Mihnev М. М. The research of increase tool life the solid carbide end mills with wear-resistance coating of manufacturing by JSC “ISS” ...................................................................... Grishin A. A., Strugovets A. G. Determining full resistance of a slip ring layer in a current collection device ........................................................................................................................................ Guskov A. V., Dolmatov A. S., Zubkov E. E., Milevsky K. E. Investigating the bending of the structure manufactured from the steel of Gadfield after strengthening by explosion ......................................... Dorofeeva E. S., Litvinenko D. S., Yankowskay N. F., Amelchenko N. A. Some features of mechanical processing titanium alloys ..................................................................................................................... Dyadyukhina S. S., Sysoeva L. P., Sysoev A. S. The technological factor impact on the surface quality parameters after abrasive flow machining ................................................................................. Ermakov D. V., Karpov I. A., Taranina J. A., Khrulev G. M., Ljanzburg V. P. Research of a flywheel-motor housing made by additive technology used at spacecraft ............................................. Zaitsev R. V., Laptenok V. D., Mikhnev M. M., Gusev V. U., Zlobin S. K. Improving quality stability of automated soldering of waveguide distributed tracts of space communication equipment ............................................................................................................................. Indakov N. S., Binchurov A. S., Gordeev Y. I., Kiselev D. I. Technological parameter impact of rotary turning by multifaceted cutters on Pz cutting force components .................................................................... Kozlova N. I., Gordeev Y. I., Anistratenko N. E., Vadimov V. N. Possibilities of using group technologies for manufacturing the parts of universal-assembled devices ................................................................... Krushenko G. G., Reshetnikova S. N., Voevodina M. A., Platonov O. A. Filtration of aluminum alloys used in the aerospace industry ....................................................................................... Lekarev A. V., Kasatkin V. O. Vacuum gas cement of steel 16Х3НВФМБ-Ш .................................................. Litvinenko D. S., Dorofeeva E. S., Zverintseva L. V. Analysis of wave production methods ............................ Mack I. N., Popov D. N., Savin D. I., Vailov A. V., Amelchenko N. A. Estimating the resistance of the cutting tool for milling hard-to process materials ........................................................................ 654

473 475 478 481 483 485 488 491 494 497 500 502 504 507 509 511 513 515

Contents

Lukanov A. A., Oleynikov E. P. Welding of rocket fuel tanks ............................................................................. Mironov N. S. Modernizing small-series and single production ............................................................................ Mikhnev M. M., Ramazanova O. A. Developing the technology to manufacture mandrel for the formation of reflectors from polymeric composite materials ............................................................................ Nazarov S. V. Some methods to reduce deformation when welding large-sized constructions from steel 09G2S .......................................................................................................................................................... Ruchkin L. V., Ruchkina N. L. Power calculation of the parallel manipulator in software suite LabVIEW ............................................................................................................................................................. Savin D. I., Levko V. A. Finishing titanium and aluminum alloys ........................................................................ Simakova A. E., Levko V. A. Surface profile reference curves after abrasive flow machining ............................ Filippov K. Y., Ramenskay E. V. The rigidity of the grinding machine cartridge spindle ................................... Tsuglenok M. N. Millers for HSK-processing of aluminium alloys for component parts of space-rocket mechanics ............................................................................................................................................ Sharova N. V., Sysoeva L. P., Sysoev A. S. Influence of tool geometry and cutting modes on the efficiency of abrasive flow machining of aluminium alloys .............................................................................. Shashkov S. Yu. Verification of the process of mechanical processing of casing details with wafer jackets in the production of RST ................................................................................................................ Shestakov I. Y., Shakhov V. N. Structural model of linear electrоdynamic engine ...............................................

518 520 522 525 527 529 531 534 536 538 541 543

Section “MECHANICS OF SPECIAL SYSTEMS” Adamovich A. I., Kukushkin E. V., Kukushkin S. V., Menovshchikov V. A. Device for topographic studies of the working surfaces of rolling bearings ................................................................. Anisimov A. V., Maegov D. A., Valukov S. A., Yurev D. A., Vorobjev A. A. Installation for research of dynamic characteristics of spindle assembly units ............................................................ Bogdanov А. А., Kutlubaev I. М., Permyakov A. F. Space experiment using an anthropomorphic robot ............................................................................................................................................. Gnatyshin V. A., Lukin R. S. The analysis of torque hardness of a precision planetary gearbox with a rearest ring gear ................................................................................................................................................. Eresko T. T., Kukushkin E. V., Orlov A. A. Developing the measuring system of the stand for testing the universal joint transmissions .................................................................................................................. Eresko T. T., Kukushkin E. V., Orlov A. A. Tensometric measurements of the deformations of universal joint transmissions at the test stand ........................................................................................................... Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V. Improving method to calculate universal joint transfer turning ............................................................................................................................................................. Eresko S. P., Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. Comparative analysis of structure test apparatus for universal joint ................................................................................................................ Klimovskiy D. A., Smirnov N. A. Transformation matrix for parallel kinematic machine with six degrees of freedom .......................................................................................................................................... Korchagin M. E., Platonov D. L., Fadeev A. A. Mechanism for automatical opening/ closing a window ...................................................................................................................................................................... Kukushkin E. V., Kukushkin S. V., Menovshchikov V. A. Construction of universal joint with vehicle-damping materials .................................................................................................................................... Kukushkin E. V., Kukushkin S. V., Menovshchikov V. A., Semenukha O. V. Construction of joint with separator ............................................................................................................................. Kustov A. V., Mezhov V. G., Tsaplin P. V., Karelina A. A. Rectification steps to separate mixtures for biotechnological needs ........................................................................................................... Kustov A. V., Artischeva N. A., Shastovsky P. S., Vasilchenko E. V. Corner speed of gas-liquid layer on the vortex rectification stage ................................................................................ Lukin R. S., Silkina L. A. Modeling contact interaction of harmonic drive teeth ................................................. Polyakov M. V. Mathematical model of rotor in magnetic suspension with multipolar axial electromagnetic bearing .............................................................................................................. Pronin A. A., Salnikov G. H. Constructing an actuator of a robot functioning in open space .............................. Sayfetdinova Y. R. Applying cylindrical-conical wheels in reducers of space technology ................................... Fadeev А. А., Shvaleva N. A., Ivanov M. E., Dudkevich D. S. Installation on the basis of the linear actuator for the research of contact interaction of solid bodies under static and pulse treatment ............. 655

547 550 552 555 558 561 564 567 570 572 574 576 579 581 584 586 589 592 594

Решетневские чтения. 2017

Shchelokov V. E., Kuz’mina G. Y., Vavilov D. V. Analysis of geometric parameter influence on the stiffness of gear .................................................................................................................................................. 596

Section “NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN AEROSPACE INDUSTRY” Andryushchenko T. A., Khokhlova T. N., Igumenov A. Yu., Parshin A. S. Fine structure of differential inelastic electron scattering cross section spectra of FeSi2 ............................................. Brylyakova E. A., Lapukhin E. G. Algorithm to detect small deviations of star light for the search for variable stars and exoplanet candidates ............................................................................................ Vasiltsov A. A., Solovjev V. V. Research of microarc oxidation method covering influence on the engine-flywheel design elements of physicomechanical properties .................................................................. Volochaev M. N., Rachek V. B., Tambasov I. A., Nemtsev I. V., Loginov Yu. Yu. Structural studies of Co-Al2O3 nanogranular thin films obtained by solid-state synthesis ........................................... Zakomirnyi V. I., Gerasimov V. S., Ershov A. E., Karpov S. V. Narrow resonances in periodic structures based on refractory titanium nitride ........................................................................................... Zeer G. M., Zelenkova E. G., Pochekutov S. I. The erosion of silver based electrocontact material under the action of an electric arc ................................................................................................................... Ivanov Yu. F., Eresko S. P., Klopotov А. А., Petrikova Е. А., Gromov V. Е. Features of the structural-phase state on the surface of silumin formed by methods of electron-ion-plasma treatment .................................................................................................................................. Kanzychakova V. O., Igumenov A. Yu., Parshin A. S., Demin A. M. Factor analysis of inelastic electron scattering cross section spectra of FeSi2 ....................................................................................... Kramarev D. V., Ivanenko T. A., Nemchinov A. I., Levakova N. M. Investigating modification patterns of polyimide materials used in multilayer structures of spacecraft .................................................................................................................................................................. Krushenko G. G., Reshetnikova S. N., Golovanova V. V. Strengthening effect of nano-modification of aluminum alloys by ultrasound .............................................................................................. Lepeshev A. A., Ushakov A. V., Karpov I. V., Fedorov L. Yu., Demin V. G. High-temperature superconductors of vacuum arc synthesis for space technology ...................................................... Podshibyakina E. Yu., Petrovskaya Yu. А., Medushevsky D. S., Cherkashin A. A., Shymansky A. F. Using quartz ceramics as elements of thermal unit for growing monocrystals of germany .............................................................................................................................................. Senashov S. I., Savostyanova I. L. The limit state of deformable materials ......................................................... Statsenko N. I., Pisarev N. S., Kravchenko A. V. Applying the carbon nanotubes absorbing radiation in the tactical missile systems ....................................................................................................... Sukhonosova T. S., Telegin S. V. Impact of roughness on the surfaces temperature of the thin plate ......................................................................................................................................... Kharkov A. M. Measuring thermoEDS in solid solutions ReXMn1-XS (Re = Gd, Yb) ..........................................

656

600 602 604 607 609 612

615 617

619 622 624

626 628 629 631 633