Автореферат (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления)

На правах рукописиЕВСТРАТОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯСВЕРХЛЕГКИХ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХБАЛЛОНОВ ДАВЛЕНИЯСпециальность 05.07.05“ Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов ”АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20152Работавыполненавфедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор ВОРОБЕЙ Вадим ВасильевичОфициальные оппоненты:ЛЕБЕДЕВ Константин Нитович,доктор технических наук, профессор,ОАО “ЦНИИСМ”, начальник отделенияБУХАРОВ Сергей Викторович,доктор технических наук, профессор,МАТИ - Российского государственноготехнологического университетаим.

К. Э. Циолковского, заведующийкафедройВедущая организация:ФГУП “Научно-исследовательскийинститут машиностроения”, г. НижняяСалдаЗащита состоится 5 октября 2015г. в 13 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института(национального исследовательского университета), по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)http://www.mai.ru/events/defence/ .Автореферат разослан "___" ___________ 20___ г.Ученый секретарьдиссертационного советад.

техн.наук, профессорЗуевЮрийВладимирович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ жидкостных ракетных двигателях и двигательных установкахприменяютсябаллонывысокогодавления,которыеслужатбортовымаккумулятором газов высокого давления, необходимых для обеспеченияработы жидкостного ракетного двигателя и двигательной установки от моментазапуска до его останова, в части обеспечения функционирования агрегатовпневмоавтоматики, турбонасосного агрегата, а также для предпусковой ипослепусковой продувки полостей агрегатов и трубопроводов двигателя.Баллоны высокого давления представляют собой полые шары изсваренных друг с другом полусфер.

Полусферы изготавливаются штамповкой.В полусферы ввариваются штуцеры для заправки и выхода рабочего газа.Крепление баллонов на двигатель производится с помощью охватывающихсферу хомутов, или за штуцеры, или с помощью привариваемых к сферамкрепежных элементов. Баллоны окрашиваются цветом, соответствующимнаименованию содержащегося в баллоне газа. Чертежное обозначение ипорядковый номер баллона маркируются на его поверхности краской.На рис. 1 приведена принципиальная пневмогидравлическая схемажидкостного ракетного двигателя без дожигания генераторного газа, изкоторой видна необходимость использования баллонов высокого давления вцелях обеспечения работоспособности изделия, изготовленного по этой схеме.4Рис.

1 Схема двигательной установки с насосной системой подачитоплива без дожигания генераторного газа:1 – камера сгорания; 2 – бак окислителя; 3 – бак горючего; 4 – баллон сгазом; 5 – пусковой клапан; 6 – газовый редуктор давления; 7 – обратныйклапан; 8 – газогенератор; 9 – турбонасосный агрегатЦелесообразностьприменениябаллоноввысокогодавленияизкомпозиционных материалов была рассмотрена ОАО КБХА в 80 - е годыпрошлого столетия в качестве альтернативы по массе стальному баллону с V =30 л, применяемому в качестве аккумулятора давления (Р = 150 кгс/см2) вдвигателе 11Д122 для ракетно-космической системы «Энергия - Буран».5По заданию ОАО КБХА в ОАО «Композит» было спроектировано иизготовлено несколько образцов из органопластика с внутренней резиновойоболочкой.

Баллон содержал один штуцер. Испытания показали, что оболочкаиз органопластика при рабочем давлении растягивается и эластичностивнутренней резиновой оболочки оказывается недостаточно для обеспечениягерметичности баллона по гелию. Увеличение габаритов баллона поддавлением также вызывало проблемы с его закреплением на двигателе.Работы были прекращены в связи с закрытием темы «Энергия-Буран».В современной ракетно-космической промышленности шар-баллоны, вкоторых под большим давлением (от 220 до 340 кГс/кв. см) хранятся газы,используются для работы пневматических систем жидкостных ракетныхдвигателей. Эти изделия применяют в ракетах типа "Протон", "Ангара-1.2" и"Ангара-А5", в разгонных блоках "Бриз" и "Фрегат" и др.Во всех фирмах, производящих металлокомпозитные баллоны высокогодавления, по-разному подходят к выбору конструкции и технологииизготовления.Поэтомувдиссертациипоставленазадача:обобщитьсуществующий опыт и разработать основы проектирования и порядоктехнологических операций изготовления сверхлегких металлокомпозитныхбаллонов давления (сверхлегкий баллон - герметичная металлокомпозитнаяконструкция минимального веса).Задачи исследованияПодробный анализ существующих методов намотки и исследование этаповтехнологическогопроцессанепрерывнойнамоткибаллоновизкомпозиционных материалов, в том числе технологические способы и схемынамотки, технологические параметры процесса отверждения полимерногокомпозиционного материала, оборудования для намотки.Исследование определяющих технологических параметров намоткинитью, разработка рекомендаций по расчету, выбору параметров траекториинамотки и алгоритмов расчета движения исполнительных органов станка.6Разработка инженерной методики проектирования и расчета силовой оболочкикорпуса сверхлегкого баллона на прочность и жесткость.Разработкакомплексаметодовпроектированияконструкцииитехнологии производства сверхлегких комбинированных металлокомпозитныхбаллонов высокого давления.Анализ результатов отработки стеклопластикового баллона БК-7 иуглепластикового баллона БК-8 с использованием различных конструкций итехнологий изготовления металлических лейнеров.Направления исследованияИзучениеиобобщениеимеющихсясведенийпроектированияиэксплуатации баллонов, а также основ технологии намотки баллонов изкомпозиционных материалов.Расчеты основных параметров метода намотки нитью с использованиемпрограммного комплекса, а также при помощи ранее изученных теоретическихположений.Проектирование и расчет нагрузки разрушения металлокомпозитныхбаллонов при помощи программного комплекса.Экспериментальнаяреализацияразработанноготехнологическогопроцесса на производстве.Методы исследованияВ работе использованы теоретические методы исследования.

Решениязадач базируются на экспериментальных данных и известных теоретическихположениях технологии машиностроения, теоретической механики, теориисопротивления материалов и математического моделирования. Достоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсякорректностьюразработанныхматематических моделей, их адекватностью по известным критериям оценкиизучаемыхпроцессов,использованиемизвестныхположенийфундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с7даннымиэкспериментасозданногоирезультатамитехнологическогопромышленнойоборудования,атакжеэксплуатациисрезультатамиисследований других авторов.На защиту выносятсяАлгоритм расчета движения исполнительных органов намоточного станкапри изготовлении комбинированного облегченного баллона высокого давления.Инженерная методика проектирования и расчета силовой оболочкикорпуса баллона из полимерных композиционных материалов на прочность ижесткость.Комплексныйсверхлегкихметодпроектированиякомбинированныхтехнологииметаллокомпозитныхпроизводствабаллоноввысокогодавления.Научная новизнаАнализ и обобщение существующих методов изготовления баллонов изполимерных композиционных материалов и разработка на основе полученныхрезультатов анализа технологии изготовления сверхлегких комбинированныхбаллонов высокого давления.Предложенорешениедлякомплексногометодапроектированиятехнологии производства сверхлегких комбинированных металлокомпозитныхбаллонов высокого давления.Практическая значимость проведенных результатов исследованияРазработаны методы конструкторско-технологического проектированиясверхлегких баллонов давления для ракетно-космической, авиационной и др.отраслей промышленности.Вклад автора в проведенное исследованиеАвтором проведен подробный анализ существующих методов намотки8применительнокизготовлениюсверхлегкихбаллоновдавленияизкомпозиционных материалов и исследованы этапы технологического процессанепрерывной намотки, в том числе технологические способы и схемы намотки,технологическиепараметрыпроцессаотвержденияполимерногокомпозиционного материала, оборудования для намотки.Автором исследованы определяющие технологические параметры намоткинитью, разработаны рекомендации по расчету, выбору параметров траекториинамотки и алгоритмов расчета движения исполнительных органов станка.Реализация результатов работыРезультаты работы внедрены на ОАО “Композит” в виде технологическойи проектно-конструкторской документации по разработке и созданиюсверхлегких и сверхпрочных баллонов давления (заключение экспертнойкомиссии о состоятельности технологического процесса)Апробация работы и публикацииРезультаты работы были изложены в:1) Доклад на XIII международном симпозиуме имени А.Г.

Горшкова«Динамические и технологические проблемы механики конструкцийи сплошных сред», 2007 г.2) Доклад на XIV международном симпозиуме имени А.Г. Горшкова«Динамические и технологические проблемы механики конструкцийи сплошных сред», 2008 г.3) Доклад на XV международном симпозиуме имени А.Г.

Горшкова«Динамические и технологические проблемы механики конструкцийи сплошных сред», 2009 г.По теме диссертации опубликованы две печатные работы в рецензируемомжурнале, входящем в перечень ВАК.9Структура и объемДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и спискалитературы из 88 наименований. Объем работы - 151 страница основноготекста, включая 64 рисунка и 12 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы, характеризуется новизнарезультатов и определяется научная и практическая значимость работы.В первой главе приводится анализ использования баллонов высокогодавлениявпреимуществаразличныхпримененияотрасляхпромышленности,баллоновватомной,обосновываютсяавтомобильной,судостроительной, нефтегазовой и др.

отраслях.На примере отечественных жидкостных ракетных двигателей описываютсяпримеры применения баллонов высокого давления в ракетно-космическойпромышленности и экономическая обоснованность снижения общей массыразрабатываемой конструкции для вывода полезной нагрузки в космическоепространство.Вторая глава посвящена изложению и анализу основ технологиинепрерывной намотки баллонов из композиционных материалов. Проведеносравнение известных схем намотки и озвучены существующие наиболееизвестные способы намотки.Автором проанализировано большое количество схем отечественных изарубежных установок и станков, примеры которых представлены на рис.