Kakvo je trenutno stanje i trendovi razvoja vlaknastih kompozitnih materijala u oplatama raketa-nosaca?

Satelit je jedna od najvažnijih komponenti lansirne rakete, koja ima dobar aerodinamički oblik, laganu strukturnu masu i pouzdanu sposobnost razdvajanja. Njegova glavna funkcija je održavanje aerodinamičkog oblika lansirne rakete tokom pred-lansiranja i leta, štiteći unutrašnji teret od uticaja vanjskog prirodnog okruženja i aerodinamičke erozije, te pouzdano odvajanje od rakete nakon izlaska iz atmosfere. Slika 1 prikazuje oklop lansirne rakete u stanju razdvajanja. Oklop se nalazi na prednjoj strani rakete-nosača i štiti satelit i druge precizne instrumente unutar rakete-nosača od toplotne korozije tokom atmosferskog izlaska. Nakon što lansirna raketa izađe iz atmosfere, obloga više ne služi svojoj svrsi, a u ovom trenutku, da bi se smanjila težina rakete, oklop se odvaja od lansirne rakete. Kako bi se osigurao prijenos podataka između korisnog tereta unutar obloge i vanjskog svijeta prije odvajanja, obloga općenito ima mogućnosti prijenosa elektromagnetnih valova. Trenutno, satelitske obloge i domaće i međunarodne uglavnom spadaju u dvije kategorije: metalne strukture sa zakovicama i strukture od kompozitnih materijala. Metalne konstrukcije sa zakovicama obično koriste legure aluminijuma, dok strukture kompozitnih materijala koriste kompozitne materijale na bazi smole-vlakana sa mogućnošću prenošenja talasa{10}}. Oklopi dizajnirani i proizvedeni od kompozitnih materijala na bazi smole{12}}mogu efikasno smanjiti strukturnu težinu za 20%-30%, povećavajući nosivost rakete i smanjujući potrošnju goriva motora pod istim opterećenjem, čime se smanjuju troškovi lansiranja rakete. Nadalje, vlaknasti kompozitni materijali{18}}bazirani na smoli nude veću fleksibilnost dizajna od metalnih materijala, omogućavajući integrirani dizajn i proizvodnju, smanjujući broj strukturnih komponenti i poboljšavajući pouzdanost konstrukcije. Odlična otpornost na koroziju, otpornost na vlažnu toplotu, otpornost na zračenje i otpornost na zamor kompozitnih materijala na bazi smole produžavaju vijek trajanja konstrukcije oklopa, omogućavajući na taj način oporavak kućišta.

2.1 Materijali panela Struktura panela pruža aerodinamički oblik obloge. Materijal panela je kompozitni materijal na bazi smole-, sastavljen od matričnog materijala i materijala za ojačanje. Kompozitni materijali od vlakana{4}}baziranih na smoli su lagani, velike-i otporne na toplinu-, sa velikom fleksibilnošću dizajna i mogu postići funkciju-prenosa talasa u širokom rasponu, što ih čini idealnim materijalima za obloge. Ovo poglavlje daje pregled najčešće korištenih materijala za obloge na bazi vlakana i smole- kako u zemlji tako i u inostranstvu.

2.1.1 Vlaknasti materijali Kompoziti vlakana na bazi smole- posjeduju prednosti kao što su visoka specifična čvrstoća i visoki specifični modul. Materijali za ojačanje visokih{3}}učinaka koji se obično koriste u panelima za oplate, kako u zemlji tako i u inostranstvu, uključuju karbonska vlakna, staklena vlakna i aramidna vlakna.

Ugljična vlakna posjeduju mnoga izvrsna svojstva, uključujući visoku aksijalnu čvrstoću i modul, nisku gustoću, bez puzanja, dobru otpornost na zamor, nizak koeficijent toplinske ekspanzije i dobru električnu provodljivost i performanse elektromagnetne zaštite. Ima široku primenu u vazduhoplovstvu.fiberglassje najčešće korišteni ojačavajući materijal za valovito-prozirne maske, koji posjeduje prednosti kao što su visoka čvrstoća, odlična dielektrična svojstva, niska apsorpcija vlage i stabilnost dimenzija. Kvarcfiberglassposjeduje najbolja dielektrična svojstva od svih staklenih vlakana, ostajući suštinski nepromijenjena u širokom frekventnom opsegu, omogućavajući širokopojasni prijenos valova u oklopima. Nadalje, kvarcna vlakna pokazuju odlične performanse prijenosa valova na visokim temperaturama, a najnapredniji oklopi u inostranstvu trenutno koriste kvarcna vlakna kao materijal za ojačanje. Aramidna vlakna, visoko{2}}specijalna vlakna, posjeduju visoku čvrstoću i visok modul, odličnu otpornost na toplinu i otpornost na vatru, te se koriste u svemirskim aplikacijama kao što su aramidni pancirci i šlemovi. Međutim, higroskopna priroda aramidnog vlakna utječe na njegova dielektrična svojstva, ograničavajući njegovu primjenu u talasno{4}}prozirnim oblogama.

2.1.2 Materijali od smole Oklopi općenito koriste termoreaktivne smole visokih{1}}performansi kao materijal za matricu panela, uključujući epoksidnu smolu (EP), bismaleimidnu smolu (BMI) i smolu cijanatnog estra (CE), itd. Epoksidna smola je najčešće korišteni smolni materijal. Odlikuje se odličnim termodinamičkim svojstvima, snažnom obradivom i vrhunskim električnim svojstvima, što ga čini osnovnim proizvodom u matricama od kompozitne smole. Međutim, epoksidna smola pati od slabe otpornosti na udar i značajnog pada mehaničkih svojstava u vlažnim i vrućim uvjetima. Poslednjih godina istraživači su se fokusirali na dodavanje fleksibilnih grupa epoksidnim sistemima kako bi poboljšali njihovu žilavost i otpornost na toplotu. Bismaleimid (BMI) smola, kao aromatični poliimidni materijal, posjeduje odličnu otpornost na visoke i niske temperature, visoku čvrstoću i modul, nizak koeficijent toplinske ekspanzije, nisku dielektričnu konstantu i gubitke, niske vakumske isparljivosti i niske isparljive kondenzacije. Takođe deli slične prednosti sa epoksidnom smolom, kao što je lakoća obrade, i široko se koristi u vazduhoplovstvu. Međutim, njegovi nedostaci uključuju visoku tačku topljenja, lošu topljivost i visoku lomljivost. Cijanat esterska smola (CE) je nova vrsta smole razvijena 1980-ih. Odlikuje ga niska dielektrična konstanta, otpornost na visoku temperaturu i otpornost na vlažnu toplinu, a uglavnom se koristi u štampanim pločama visokih{12}}štampanih kola i visokim{13}}prozirnim strukturnim materijalima visokih performansi. Njegovi nedostaci uključuju visoku lomljivost i slabu žilavost nakon stvrdnjavanja. Da bi povećali žilavost sistema smole, BMI i CE općenito koriste ojačane modificirane miješane sisteme smole kao matricu kompozitnog materijala. Modificirani BMI i CE sistemi smole, dok osiguravaju odličnu otpornost na vlažnu toplinu i dielektrična svojstva, mogu poboljšati udarnu čvrstoću konstrukcije.

2.2 Sendvič materijali Sendvič struktura obloge igra pomoćnu ulogu za materijal panela, a njeni parametri performansi u velikoj mjeri utječu na mehanička svojstva dijela za prijenos talasa-segmenta satelitskog obloga. Sendvič materijal treba da ispunjava sljedeće zahtjeve: nisku gustoću, visok modul kompresije, visok modul smicanja, visoku čvrstoću na savijanje i odlična dielektrična svojstva. Glavni sendvič materijali za obloge koji ispunjavaju ove zahtjeve su:fiberglasssaće, saće od aluminijuma, saće od papira Nomex i saće od PMI (polimetil metakrilata) pene.

Saće od fiberglasa ima neznatan efekat smanjenja težine i loša mehanička svojstva. U vazduhoplovstvu, Nomex papirno saće i PMI pjenasto saće postepeno su ga zamijenili; kombinacija aluminijumskog saća i panela od karbonskih vlakana može uzrokovati elektrohemijsku koroziju, ne ispunjavajući zahtjeve za otpornost na koroziju kompozitnih materijala u teškom okruženju svemirskih letjelica; Nomex papirno saće je napravljeno od aramida impregniranog fenolnom smolom, a kombinacija Nomex saća i ploča od karbonskih vlakana ne uzrokuje elektrohemijsku koroziju, ima veći modul smicanja od PMI krute pjene, nižu je cijenu, ima dobru obradivost i široko se koristi u trupu, čineći konektore i druge dijelove koji se koriste; PMI pjenasta sendvič struktura je superiorna u odnosu na druge sendvič strukture u obliku saća u mnogim mehaničkim svojstvima, te je kruta struktura visoke{1}}kosti. Sa zateznom čvrstoćom većom od 0,5 MPa, gustinom ispod 100 kg/m³ i temperaturom izobličenja toplote koja dostiže 240 stepeni, PMI pokazuje odličnu čvrstoću međufaznog spajanja sa termoreaktivnim smolama kao što su EP, BMI i CE. Kao sendvič struktura, manje je sklona odvajanju od interfejsa panela. Nadalje, PMI strukture nude odlične performanse prijenosa valova, omogućavajući širokopojasni prijenos valova dok ispunjavaju zahtjeve opterećenja. Široko se koristi u oklopima u inostranstvu, a u zemlji se prvenstveno koristi u strukturnim komponentama civilnih aviona. Nova generacija lansirnih vozila-serija Long March 3A-usvojila je PMI sendvič strukturu domaće proizvodnje za prednji konus, smanjujući troškove lansiranja satelita i demonstrirajući široku perspektivu primjene.

Trenutni status razvoja domaćeg materijala za sajmove

Kako bi zadovoljili buduće razvojne potrebe za lansirne rakete i druge svemirske letjelice moje zemlje, različiti univerziteti i istraživački instituti u Kini fokusirali su se na modificiranje vlaknastih kompozitnih materijala kako bi dizajnirali i razvili visoko{0}}efikasne, nisko{1}}kompozitne materijale od vlakana. Ovo je poboljšalo mogućnost lansirnog vozila da pristupi svemiru i smanjilo cikluse lansiranja i troškove.

U istraživanju materijala na bazi smole{0}}za obloge lansirnih vozila, Yang Shiyong et al. sa Instituta za hemiju Kineske akademije nauka, razvili su seriju matrica od poliimidne smole, uključujući prvu generaciju otpornu na 316 stepeni, drugu generaciju otpornu na 371 stepen, i treću generaciju otpornu na 426 stepeni. Oni su također razvili različite metode oblikovanja za kompozite matrice smole ojačane karbonskim vlaknima otporne na visoke-temperature, uključujući tehnologiju vakuumskog autoklava, vakuumsku visoko{7}}tehnologiju RTM i tehnologiju reaktivnog vrućeg oblikovanja. He Guowen je sproveo studije mikroskopske analize o pripremi i međufaznoj čvrstoći vezivanja poliimidnih kompozita, dajući referencu za primenu poliimidnih kompozita u oklopima aviona. Rao Xianhua sa Univerziteta Jilin proveo je istraživanje o matricama od poliimidnih smola visokih{10}}terminiranih fenilacetilenom-i njihovim kompozitima od karbonskih vlakana, proširujući horizonte za razvoj -temperatura otpornih poliimidnih kompozitnih karbonskih vlakana. Institut za istraživanje vazduhoplovnih materijala i procesa razvio je kvarc-ojačani poliimidni kompozitni materijal koji se može dugo-koristiti na temperaturama do 370 stepeni. Ovaj materijal također pokazuje nisku dielektričnu konstantu i dielektrične gubitke, stabilne performanse i odlična dielektrična i mehanička svojstva, što ga čini prikladnim kandidatom za talasni-transparentni/visoka-nosivi{{20} funkcionalni materijal. Zhang Xing et al. dizajnirao je potpuno talasni-transparentni satelitski oklop koristeći ploču od staklenih vlakana-sendvič strukturu saća od aramidnog papira. Eksperimentalni rezultati su potvrdili da postiže visoku{26}}efikasnost prijenosa talasa sa prosječnom brzinom prijenosa talasa u svim smjerovima od 90%. Čak i sa smanjenjem težine od preko 20%, nosivost-i dalje ispunjava zahtjeve dizajna, postižući laganu, visoku{31}}nosivost i funkcionalnost prijenosa talasa u svim smjerovima, što je potvrđeno u testovima leta. Qu Guangyan iz Harbin FRP istraživačkog instituta dizajnirao je laganu,-čvrstoću i debljinu-kontrolisanu strukturu od kompozitnog materijala koristeći proces kostvrdnjavanja kompozitnog materijala od karbonskih vlakana visoke{35}} Ovo prevazilazi izazove dizajna kalupa koje donosi velika-integrirana tehnologija oblikovanja. Oklop od kompozitnog materijala od karbonskih vlakana visoke{40}}vrste zadržava svoj aerodinamični oblik, istovremeno osiguravajući velike dimenzije, štiteći unutrašnji teret od vanjskih utjecaja iz okoline.

Trenutni status razvoja materijala za sajmove u inostranstvu

Sjedinjene Države se mogu pohvaliti najnaprednijom tehnologijom u dizajnu i proizvodnji materijala za pokrivanje lansirnih vozila. Materijali za oblaganje uključuju neorganske i organske materijale, a procesi oblikovanja uključuju vakuumsko pakiranje, oblikovanje i livenje. Sjedinjene Američke Države posjeduju sveobuhvatno testiranje performansi i eksperimentalne metode, kao i tehnologiju aerotunela za testiranje u stvarnom{2}}svijetu. U 1970-im, SAD su razvile Duroid 5870 kompozitni materijal i završile testove termičkog opterećenja kućišta, električnih svojstava na visokim{6}}temperaturama, ablacije i otpornosti na eroziju kiše. Također je razvio automatiziranu opremu za ispitivanje električnih performansi. Trenutno, u sistemu kompozitnih materijala na bazi organske smole{{9}otporne na visoke temperature-(HTPMCs), PI smole (PMR-15 i PMR-50) koje su razvile SAD postale su fundamentalni materijali u aerokosmičkoj industriji, značajno promovirajući primjenu PI kompozitnih komponenti i smanjujući troškove u velikim troškovima. Odlična dielektrična svojstva kvarcnih vlakana olakšavaju širokopojasni prijenos talasa, a većina stranih oklopa lansirnih vozila sada je napravljena od kompozitnih materijala kvarcnih vlakana. Sjedinjene Američke Države su razvile kvarcna vlakna-ojačanu PI smolu kompozitnu strukturu kućišta sa radnom temperaturom koja prelazi 538 stepeni. Rusija posjeduje vodeću svjetsku-tehnologiju proizvodnje kompozitnih materijala. Dok je razvijao i primjenjivao napredne materijale otporne na visoke temperature, također je razvio nove kompozitne materijale pogodne za širokopojasne obloge i elektromagnetne/infracrvene dvostruke oklope. Istovremeno, jača istraživanja o tehnologiji obrade i proizvodnje obloga, fokusirajući se na strukturalni i električni dizajn obloga. Modifikovana fenolna smola koju je razvila Rusija je postigla veoma visoke nivoe obrade i performansi prenosa talasa, sa maksimalnom radnom temperaturom od 600 stepeni, i uspešno je primenjena na širokopojasne obloge.