Федеральная целевая программа

14.577.21.0099
1
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Транспортные и космические системы
Тема: «Разработка элементов конструкций и лабораторных технологий их изготовления для создания эффективной тепловой
защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем»
Соглашение № 14.577.21.0099
на период 2014 - 2016 гг.
Руководитель проекта: д-р техн. наук С.В. Резник
Получатель субсидии: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Цели и задачи проекта
Реализуемый проект направлен на решение задачи по разработке методов получения пористых и градиентных керамических композиционных материалов.
Цель проекта заключается в обеспечении работоспособности неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических и углерод-керамических композиционных материалов с
помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности.
Актуальность проекта напрямую связана с широким применением новых керамических и углерод-керамических композиционных материалов (УККМ) в теплонагруженных элементах ГЛА вероятно будут широко применяться).
Новизна заключается в том, что: будут разработаны математические модели для исследования температурного и напряженно- деформированного состояния пористых и градиентных термостойких УККМ, позволяющие
прогнозировать теплофизические и термомеханические характеристики материалов в условиях импульсного и периодического нагрева; – будет проведено математическое моделирование температурного и напряженнодеформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ; – будут разработаны новые методики тепловых испытаний элементов конструкций ГЛА из УККМ с
использованием широкого спектра экспериментального оборудования (стенды радиационного нагрева и газодинамических испытаний); – для верификации прогнозирования теплофизических и термомеханических
характеристик материалов будут созданы методы обработки экспериментальных данных, получаемых при тепловых испытаниях образцов УККМ, позволяющие определять характеристики теплопереноса на основе аппарата
нелинейных многомерных обратных задач.
Ожидаемые результаты проекта
Основными результатами ПНИ станут:
– Анализ научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, и обоснованные направления исследований, методов и средств создания термостойких керамических и углеродкерамических композиционных материалов.
– Результаты патентных исследований по технологиям изготовления термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов.
– Математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств высокопористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов и покрытий.
– Прототип системы компьютерного моделирования теплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных композиционных материалов и покрытий.
– Результаты математического моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углеродкерамических композиционных материалов.
– Лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных
материалов и покрытий.
– Экспериментальные образцы и типовые элементы конструкций РКТ на основе теплозащитных пористых и градиентных керамических и углерод-керамических композиционных материалов и покрытий.
– Программы и методики проведения лабораторных и стендовых испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ.
– Экспериментально подтвержденные результаты прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств и математического моделирования прогрева и деформирования элементов конструкций РКТ из
теплозащитных пористых и градиентных керамических и углерод-керамических композиционных материалов.
Перспективы практического использования
Полученные результаты при реализации проекта обеспечат создание теоретического фундамента для создания нового поколения термостойких УККМ, не уступающих зарубежным аналогам. Будет отработана лабораторная
методика получения экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов и методики проведения
лабораторных и стендовых испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций. Данные о характеристиках новых термостойких УККМ могут быть использованы разработчиками перспективных образцов новой
техники. Возможные потребители ожидаемых результатов - ОАО «Композит» (использование полученных результатов для создания новых конструкций из термостойких УККМ).
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
На основе проведенного структурного анализа пористых и градиентных термостойких УККМ получены данные по особенностям расположения углеродных волокон, распределения матрицы и пористой структуры по толщине
материала.
Установлено, что: поверхность углеродного волокна в структуре материала имеет уровень шероховатости не более 12 нм, поэтому в математической модели волокно можно моделировать в виде цилиндра с гладкими
поверхностями; пористый и градиентный термостойкий УККМ на основе нетканого армирующего каркаса имеет слоистую структуру с хаотичным расположением углеродных волокон в слое, слои связаны между собой
посредством прессования, в связи с чем, поперечно расположенных углеродных волокон в слое не более 8 %. Данная структура материала позволяет применять теоретические подходы механики композитных сред для
прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств.
Микроструктура слоя УККМ
Морфология поверхности углеродных волокон на основе ПАН-волокна
Изменение микрорельефа поверхности углеродного волокна на
основе ПАН-волокна вдоль длины (исследование на базе 2 мкм), АСМ
Разработаны математические модели для прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств пористых и градиентных термостойких УККМ, которые позволяют учитывать структурные особенности градиентного
материала и анизотропию свойств.
Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния образцов на основе пористых и градиентных УУКМ с различной комбинацией слоев.
Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных УУКМ и установлено, что:
1) цилиндрический элемент конструкции из градиентного УККМ обладает массой 1,88 кг, а конический элемент конструкции из УККМ − 0,76 кг;
2) для цилиндрического элемента конструкции из градиентного и термостойкого УККМ: при действии эксплуатационных нагрузок (температура на фронтальной поверхности) наибольший температурный градиент по высоте
достигает 2080 К, что свидетельствует о хороших теплоизоляционных свойствах материала; максимальные нормальные напряжения около 19 МПа возникают на стыке слоев термостойкого плотного материала со слоями
нетканого материала с остаточной пористостью 20 %, уровень напряжений на отрыв (перпендикулярно слоям) слоев не более 3,5 МПа. Уровень возникающих напряжений, более чем, в 4 раза ниже прочностных
характеристик материала;
3) для конического элемента конструкции из градиентного и термостойкого УККМ: при действии эксплуатационных нагрузок (температура на фронтальной поверхности) наибольший температурный градиент по толщине у
тыльной поверхности достигает 1400 К, что свидетельствует о хороших теплоизоляционных свойствах материала; максимальные нормальные напряжения около 22 МПа возникают на стыке слоев термостойкого плотного
материала со слоями нетканого материала с остаточной пористостью 20 %, уровень напряжений на отрыв (перпендикулярно слоям) слоев не более 3,5 МПа. Уровень возникающих напряжений, более чем, в 4 раза ниже
прочностных характеристик материала.
Геометрическая модель образца элемента
конструкции из пористого и градиентного
термостойкого УККМ:
Геометрическая модель образца элемента
конструкции из пористого и градиентного
термостойкого УККМ:
С учетом полученных результатов расчета и данных по массе установлено, что выбранный градиентный и термостойкий УККМ позволяет создавать эффективную тепловую защиту объектов ракетно-космической техники.
В качестве образцов элементов конструкций из пористых и градиентных термостойких УККМ рассматриваются элементы конструкций конической формы диаметром 100 мм и высотой 200 мм и элементы конструкций
цилиндрической формы диаметром до 100 мм и высотой до 200 мм. На основе параметрических расчетов установлено, что элементы конструкций из УККМ должны обладать следующей комбинацией структуры: 1-ый и 2-ой
слой толщиной 5 мм из УККМ на основе тканого каркаса без остаточной пористости; 3-ий и 4-ый слой толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 20 %; 5-ый и 6-ой слой толщиной 5 мм
УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 25 %; 7-ой и 8-ой слой толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 40 %; 9-ый и 10-ый слой и последующие слои толщиной 5 мм
УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 50 %.
Разработаны технологические схемы изготовления экспериментальных образцов элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ с необходимой рациональной структурой
спрогнозированной на основе параметрических расчетов и программа и методика исследовательских испытаний.
Партнеры проекта
Индустриальный партнер:
Открытое акционерное общество «Композит» (ОАО «Композит») на основании договора №422.09/22 от 16 июня 2014г.
Соисполнитель:
Общество с ограниченной ответственностью «ТехноТек» (ООО «ТехноТек») на основании договора №КС17 от 22 декабря 2014г .
14.577.21.0099
1