автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.04, диссертация на тему:Выполнение трубчатых телескопических соединений с использованием материала с эффектом памяти формы и радиационного нагрева в условиях космоса

' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ' РОССИЙСКОЙ1 ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Л и ■ :. . 'П. .

.. МОСКОВСКИЙ- ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ. ИНСТИТУТ. (ТЕХНИЧЕСКИЙ, УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

уда 62.002(201)+621.365.512:629.78

ДОНШОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЫПОЛНЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ТРЕСКОПИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ' МАТЕРИАЛА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ И РАДИАЦИОННОГО НАГРЕВА В УСЛОВИЯХ КОСМОСА

Специальность 05.07.04 - "Технология производства

летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва Издательство ;.1ЛИ 1994

Работа выполнена.в Московском/государственном авиационном институте. ,

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зернов И.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Лихачев В.А.

кандидат технических наук, Асюшкин В. А.

Ведущая организация: НПО "Энергия".

Защита состоится " "_1994 г. в_

часов на заседании специализированного Совета Д.053.18.03 в Московском государственном авиационном институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Адрес института: 125871, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертации или прислать свой отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью Вашей организации.

Ддя участия в заседании специализированного Совета необходимо заблаговременно заказать пропуск по телефону: 158-46-10.

Автореферат разослан " "_1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

А.Е.Исаченков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В ряде разрабатываемых и осуществляемых проектов космических конструкций (космических платформ, долго -временных орбитальных станций, операционных центров и др.) соединение отдельных модулей или блоков осуществляют с помощью ферм, собираемых из трубчатых элементов и фитингов. Протяженность ферм измеряется десятками и сотнями метров. Обычно элементы ферм из -готавливают на Земле и доставляют в компактном виде на орбиту. Для соединения элементов ферм в условиях космоса в большинстве случаев используются неразъемные соединения, отличающиеся от разъемных меньшей массой и трудоемкостью.

Применение на орбите традиционных процессов выполнения неразъемных соединений (сварки, пайки, склеивания и др.) осложняется трудностью подготовки соединяемых кромок, невысокими механи -ческими характеристиками соединений, большой массой оснащения и высокой трудоемкостью.

Анализ литературных источников, а также проведение постановочных экспериментов показали перспективность использования для соединения трубчатых элементов ферм в условиях космоса муфт из материала с эффектом памяти формы (МЭШ>). В процессе выполнения соединения в муфту свободно вводятся концевые части трубчатых элементов, после чего муфту нагревают до температуры фазовых превращений, в результате чего муфта уменьшает свой диаметр и плотно обжимает соединяемые стержни (трубы).

В настоящее время ЮШ> за рубежом и в небольшим объеме в нашей стране с успехом применяются для соединения трубопроводов. При этом используют муфты из МЗШ> с температурой фазовых превращений -19б°С. Охлаждение муфт перед постановкой осуществляют в жидком азоте. Естественно, применение жидкого азота в космосе нереально. Поэтому для сборки ферм на орбите предлагается использовать ЮШ> со значительно более высокой температурой фазовых превращений: +90 + +150°С. В этом случае для срабатывания муфты ее нужно нагреть до указанного диапазона температур.

Для обеспечения качественного соединения необходимо выбрать наиболее рациональный способ нагрева, разработать математическую модель и оптимальные режимы процесса нагрева, а также создать соответствующую нагревательную установку. Актуальность работы опре-

деляется необходимостью создания и практического" использования способа соединения элементов ферм с помощью муфт из высокотемпературного ММ®, выгодно отличающегося от традиционных способов высокой прочностью и надежностью соединений, малой массой оснастки и относительно невысокой трудоемкостью выполнения в условиях космоса.

Работа выполнена в соответствии с темой 23200 по заданию НПО "Энергия".

Целью работы является определение научно обоснованных режимов технологического процесса, а также параметров и конструкции технологического оснащения для выполнения соединений ферменных конструкций с использованием муфт из МЭШ и радиационного нагрева.

Конкретными задачами диссертационной работы являются:

1) определение оптимальных режимов нагрева муфт из ЩЩ> , обеспечивающих заданную прочность соединения при минимальной массе муфты;

2) разработка методики расчета процесса радиационного наг -рева в установках с неохлакдаемыми рефлекторами для условий космоса;

3) разработка методики определения параметров нагреватель -ных установок для заданных условий нагрева;

4) разработка конструкции, изготовление и практическое внедрение радиационной установки;

5) отработка технологического процесса сборки фермы в условиях, близких к космическим.

Научная новизна. Установлена и исследована зависимость степени возврата формы и развиваемых усилий ШПФ от скорости нагрева, что позволило определить оптимальные режимы нагрева.

Разработай методика расчета процесса нагрева в установках кольцевого типа для случая, когда источник тепла расположен-между двумя теплотехническими толстыми цилиндрическими телами - муф той из ЮЩ и неохлаждаемым рефлектором.

Разработана методика расчета параметров кольцевых радиацион ных нагревательных установок для заданных режимов нагрева.

Практическая значимость работы. Выполненная работа позволяет реализовать сборку в условиях космоса ферменных конструкций прогрессивным способом с использованием муфт из МЭПФ, выгодно от

дичащихся от традиционных способов высокой надежностью, значи -тельно меньшей массой технологического оснащения и меньшей тру -доемкостью.

Внедрение результатов работы при сборке фермы в условиях космоса подтверждено актами внедрения.

Методика расчета процесса нагрева, а также конструкция нагревательного устройства могут быть эффективно использованы для сборки и ремонта ферм в земных условиях, а также для соединения трубопроводов в космических и земных условиях при монтаже и ремонте.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных Гагаринских чтениях по авиации и космонавтике (1988, 1992 г.г.), на Всесоюзных Циолковских чтениях (1989 г.), на 15 Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Старая Руса (1991 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава (МГУСИ, 1993 г.).

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, получено авторское свидетельство и положительное решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения , пяти глав, общих выводов и четырех приложений, списка литературы, содержащего 125 наименований и актов внедрения. Общий объем ра -боты составляет 157 страниц машинописного текста, 3 таблиц и 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш и сформулированы положения, которые' выносятся на защиту.

В первой главе приведен обзор применения в космосе крупно -габаритных ферменных конструкций. Дана сравнительная характеристика способов выполнения соединений трубчатых элементов ферм сваркой, пайкой, склеиванием, клепкой, процессами пластического деформирования (раскатыванием, магнитно-импульсным деформированием, обжатием силовым приводом с замерзанием воды или плавлением парафина).

Показаны преимущества выполнения соединений элементов ферм муфтами из МЭШ>.

I. Высокая прочность и надежность соединений.

2. Отсутствие деформаций конструкции.

3. Малая масса соединения и технологического оснащения.

4. Возможность соединения разнородных материалов.

5. Меньшая трудоемкость выполнения соединений.

Отмечен основной недостаток способа соединения - невозмож -ность работы с жидким азотом в условиях космоса. Для устранения этого недостатка предложено использовать МЭ® с температурой фазового превращения выше + 80°С. Поскольку эксплуатация соедине -ний в данном случае происходит при температуре ниже температуры фазовых превращений, с целью предотвращения раскрытия (ослабле -ния) соединений для них предложена телескопическая схема, при которой один элемент фермы обжимает другой под воздействием муфты из ЮШ.

Проведен сравнительный анализ способов нагрева ЮШ: экзо -термического, индукционного, контактного (теплопроводностью), радиационного. Предпочтение отдано радиационному нагреву, который имеет ряд преимуществ перед другими способами нагрева.

1. Компактность нагревателей, которое можно устанавливать на фермах с большим числом стержней, сходящихся в одном узле. Нагреватели просты по конструкции и дешевы.

2. Малая масса нагревателей, измеряемая для труб диаметром до 80...100 мм десятыми долями килограмма.

3. Удобное энергоснабжение. Излучатели (кварцевые лампы ) питаются от бортовой сети напряжением 27 В и не нуждаются в преобразователях и накопителях энергии. Это существенно снижает массу выводимого на орбиту оснащения.

4. Высокая скорость нагрева, измеряемая сотнями градусов в минуту.

5. Простота управления процессом нагрева путем изменения напряжения, что позволяет получать практически любую заданную кривую нагрева.

6. Отсутствие характерного для экзотермического нагрева" выделения веществ, влияющих на аппаратуру.

7. Практическая независимость процесса нагрева от величины зазора между нагреваемым телом (муфтой) и нагревателем, что сникает требования точности установки нагревателя на ферму.

8. Безопасность и благоприятные условия труда оператора. В нагревателе нет высокого напряжения, образования пламени и выделения химически активных веществ.

К недостаткам радиационного нагрева следует отнести труд -ности расчета процесса и проектирования оборудования.

Показана целесообразность в отдельных случаях (при малых деформациях муфт) использования контактного нагрева, отличающегося наиболее высоким к.п.д.

Определены особенности радиационных установок, предназна -ченных для нагрева в космосе и, в частности, использования не -охлаждаемых рефлекторов, выполненных из термостойкого материала с малой теплопроводностью, и высоким коэффициентом отражения.

В конце главы сформулированы цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена определению оптимальных режимов нагрева муфт из МЭПШ. Исследования проводились на материале TH-I с температурным интервалом обратного превращения 95...I05°C. Pea -лизация степени возврата формы составляет 8~5...10 % - одна из самых высоких среди всего класса ЮПШ." Напряжения, развиваемые при восстановлении формы велики и составляют 500...700 МПа. Этот материал выбран для муфт ;, предназначенных для соединения стержней ферм, собираемых в космосе. В качестве показателя механиче -ских свойств взята прочность соединения на разрыв.

По литературным данным скорость нагрева не влияет на сте -пень возврата формы и развиваемые напряжения возврата при одно -цикловом нагреве в напряженном состоянии. Исследования, проведенные в диссертационной работе, показали, что, вследствие явления ползучести полного восстановления формы не происходит. Ползучесть снижает также напряжения возврата, а, стало быть, и прочность соединения.

Экспериментально получены графики зависимости степени возврата формы и напряжений возврата от скорости нагрева, которые необходимо использовать при расчете параметров муфт из TH-I. В соответствии с графиками, повышение скорости нагрева с I до 6 град/с позволяет уменьшить массу муфты на 18% за счет повышения напряжений возврата.

Ограничением скорости нагрева является величина допустимого перепада температур между наружной и внутренней поверхностью муфты, который возникает вследствие поверхностного характера поглощения тепловой энергии. Установлено, что перепад температур сказывается на степень возврата формы, если величина его превышает разность температур конца и начала обратного превращения. Тогда сопротивления непрогретых внутренних слоев муфты деформации на-

ружных слоев приводит к явлению ползучести в последних, т.е. к уменьшению общей степени возврата формы и частичной релаксации напряжений возврата. Для сплава ТН-1 разность температур конца и начала превращения составляет 50°С. Следовательно, скорость нагрева должна быть такой, чтобы разность температур по толщине не превышала 50°С.

Результаты проведенных исследований проверены и подтверждены экспериментально на реальных соединениях с муфтами, предназначенными для практического выполнения термомеханических соедине -ний.

В третьей главе представлена методика расчета процесса нагрева муфты и рефлектора в радиационной установке кольцевого типа с неохлаждаемым рефлектором.

Кварцевые лампы в нагревательной установке расположены по схеме "беличье колесо". Поверх их по кольцу расположен рефлектор из материала, обладающего высокими отражающими свойствами, высокой степенью черноты , высокой температурной стойкостью и низкой теплопроводностью. Оси кварцевых ламп, поверхность нагреваемого тела и рефлектор располагаются по концентрическим окружностям.

Принимается, что теплопередача вдоль нагреваемого тела от -сутствует (плоская задача).

В первые секунды отражающий слой рефлектора нагревается до высокой температуры и создает дополнительный лучистый поток на нагреваемое тело. Температура рефлектора достигает 500...700°С и принимается постоянной для всего процесса нагрева.

Размеры сечений нитей ламп приняты исчезающе малыми по срав нению с сечениями рефлектора и нагреваемого тела, а кварцевые колбы приняты прозрачными для лучистых потоков.

Поверхности нагреваемого тела и рефлектора считаются диффузными.

Расчет выполняется для нагреваемого тела и ламп единичной длины.

Результирующие потоки для нагреваемого тела 2 и рефлектора 3 определяются выражениями (I) и (2), выведенными с участием авто -

о - л^и __(г 2 (2)

где Щг ; ; и - угловые коэффициенты;

Л? и Аз > а также Яг и /?3 - соответственно, коэффициенты поглощения и отражения нагреваемого тела и рефлектора; Тг и

Т3 - соответственно, температуры нагреваемого тела и рефлекто -ра, К; /ф? и - диаметры нагреваемого тела и рефлектора, м ;

/7 - количество ламп в установке; Ол - мощность излучения лампы, Вт; <э0 - постоянная Стефана-Больцмана.

Средняя по сечению температура нагреваемого тела и распре -деление температур по толще теплоизоляции могут быть определены решениями уравнений:

; О)

Л о Ш - > ( i )

ьъъе-ц-фр * гШ) .

(4)

Граничные условия можно переписать в виде: при !L-/tI :

U - Ьг ; (5)

(б)

при Z ~Яг- h = te . (7)

Начальные условия примем в виде: i-i(O) = is (О, Т) ~i0 (8)

Уравнение расхода тепла:

9*

Здесь ■Li(t)\ t2(ttt) - соответственно, температуры нагре -ваемого тела и теплоизоляции, К; Cj , Л, - удельные теплоемкости нагреваемого тела и теплоизоляции, Вт.сек/кг.град; )Tli - масса нагреваемого тела длиной I м, кг; р2 - массовая плотность материала теплоизоляции, кг/м3; /);> - коэффициент теплопровод -ностн материала теплоизоляции, Вт/м.град; - мощность внешне-

го источника тепла, Вт/м^; ^ - количество тепла, расходуемого на нагрев нагреваемого тела, Вт/м*"; - количество тепла, рас-

ходуемого на нагрев теплоизоляции, Вт/м^; - температура внешней среды, К; Яг и - внешний и внутренний радиусы теплоизоляции, м; - площадь наружной цилиндрической поверхности нагреваемого тела, душной I м, иг.

Решение краевой задачи (3)...(9) выполнено с помощью интег -ральных преобразований Лапласа. Для малых времен нагрева (/» ^0,1):

Ц - тЩ * - ; (10,

где (¿¿-¿о)-^ - ~ безразмерные температуры ( о =

т „ , в сгУгп! Ы

= 1,2р) соответственно, нагреваемого тела, теплоизоляции и внеш -

ней среды; /¿> = ^^ - критерий Фурье; У-з- - безраз -

мерная радиальная координата ( ^ £ ^ ). Для больших времен нагрева О; 5):

к

* ехр/- \

где: = ^ --безразмерные температуры ( ¿' = 1,2,к) - соответственно,нагреваемого тела, теплоизоляции и внешней среды;

—^ _ безразмерный внешний радиус; Ь-- безраз -мерный теплофизический параметр для нагреваемого тела; -¿г^. -

<7 /<2

безразмерный теплофизический параметр для слоя теплоизоляции.

Дчя упрощения расчетов распределения температур по толще теплоизоляции разработана программа " Тетреч ", приведенная приложении к диссертации.

Экспериментальная проверка полученных зависимостей показала, что расчетная и экспериментальная кривые нагрева совпадают с погрешностью 10-12%.

Выражение (13) позволяет рассчитать и выбрать тепловое сопротивление слоя теплоизоляции с тем, чтобы обеспечить заданные температуры на отражающей и тыльной поверхностях. Тепловой поток через рефлектор йр приравнивается к . Для условий космо -

где: /у - температура тыльной стороны рефлектора, °С; - диаметр тыльной стороны рефлектора, м; В/ - число Био для тыль -ной стороны рефлектора.

Четвертая глава посвящена изложению методики проектирования и разработке конструкции установок для нагрева муфт из МЭПФ в условиях космоса.

Изложена методика расчета параметров установок: а) при ограничении времени нагрева и б) при ограничении мощности бортовой сети. Для упрощения расчетов приведены графики зависимости мощ -ности установки от времени нагрева для различных типоразмеров ферм, а также формулы для расчета толщины слоя теплоизоляции рефлектора.

Приведены практические рекомендации по выбору схемы нагрева, излучателей, материала рефлекторов и их толщины, конструкции корпуса нагревателей.

В качестве примера изложены проектирование и расчет параметров радиационной установки, которая была изготовлена и использо -вана при сборке фермы в космосе в рамках эксперимента "Софора".

В пятой главе изложены технологический процесс сборки фермы и внедрение результатов работы. На НПО "Энергия" с участием автора разработан технологический процесс сборки фермы на орбите. Проведена отработка его в условиях, имитирующих натурные: в гидробассейне, а также в летающей и специальных лабораториях. На основании наземной отработки определялась длительность выполнения каждой операции, и были составлены циклограммы процесса сборки фермы, по которым планировалось количество выходов в космос и содержание работ. Приведенные в диссертационной работе исследования

са:

С

Ям ' м

(14)

позволили разработать устройство, предназначенное для стягивания элементов фермы и нагрева муфт в условиях космоса-(акты внедре -ния приложены).

Сборка фермы в рамках эксперимента "Софора" проводилась в июле 1991 года. Ферма протяженностью 14 м была собрана за три выхода космонавтов А.Арцыбарского и С.Крикалева в открытый космос. Проведение эксперимента широко освещалось в прессе ("Наука и жизнь", № II, 1991 г., газета "Правда", от 17.07.91.; 22.07.91. и 29.07.91. и др.), а также в передачах радио и телевидения.

Проведена сравнительная технико-экономическая оценка вариантов выполнения на орбите сборки фермы электронно-лучевой сваркой и муфтами из ЮПФ. Экономия за счет уменьшения массы технологи -ческого оснащения, выводимого на орбиту, составляет 2200 тыс.долларов в ценах конца 1993 года.

общие вывода

1. Исследования, проведенные в данной работе показали воз -можность и высокую эффективность использования муфт из ШШ для соединений трубчатых конструкций в космосе.

2. Обоснована целесообразность использования радиационного способа нагрева для выполнения соединений с помощью муфт из ШШ.

3. Впервые установленный характер влияния скорости нагрева на термомеханические свойства сплава ТН-1 позволяет выбирать оптимальные режимы нагрева, обеспечиваидие требуемую прочность соединения при минимальной массе муфты. • (

4. Решена теоретическая задача теплопередачи в системе двух концентрических расположенных цилиндрических тел, между которыми расположены излучатели. Это позволило определить температурные поля в муфте и слое теплоизоляции в процессе нагрева.

5. На основании проведенных исследований разработана методика расчета режимов нагрева и параметров радиационных установок. Погрешность расчета составляет 10-12%, что вполне приемлемо для решения инженерных задач.

6. Разработанная конструкция радиационной установки с реф -лекторами из материалов на основе двуокиси кремния имеет высокий к.п.д., не нуждается в специальной системе охлаждения и удобна для использования в условиях космоса.

7. Проведенная работа показывает целесообразность использо-

вания муфт из МЭШБ для выполнения и ремонта соединений трубопроводов в космосе и в наземных условиях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Зернов И.А., Белов A.A., Бульбутенко B.C., Донюков И.А. Разработка инструмента с использованием радиационного нагрева для выполнения телескопических соединений. - Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации, 1988 / Сб. научных трудов АН СССР, Институт проблем механики. М.: Наука, 1989. - 158-159 с.

2. Зернов И.А., Белов A.A., Бульбутенко B.C., Донюков И.А. Выбор излучателей для радиационных установок, работающих в условиях космоса. - Циолковские чтения по космонавтике и авиации: анн. докладов / Калуга, 1989.

3. Донюков И.А. Влияние скорости нагрева на термомеханические свойства никелида титана. // 15-й Всесоюзный семинар "Акту -альные проблемы прочности", 1991: тез. докладов/ Новгород, Ста -рая Руса, 199I.

4. Донюков И.А., Зернов И.А. Нагреватель для выполнения термомеханических соединений в условиях космоса. - Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации. 1991./ М.: Наука, 1991

- 187 с.

5. Зернов И.А., Донюков И.А. Сборка фермы в космосе с использованием ШПШ и радиационного нагрева. / Научно-техническая конференция проф.-препод, и инж.-техн. состава: тез.докладов. -М., 1993.

6. Исследование и разработка средств и способов выполнения монтажно-сборочных и ремонтно-профилактических работ в особых условиях. // Технические отчеты по НИР. Тема № 23200. Этапы № 1-4, 1986, этапы № 5-8, 1987, этапы № 9-12, 1988, этапы № 13-16, 1989.

- Калининград Московская область, п/я В-2572, № гос.per. К 74853.

7. Исследование применения радиационного нагревавтехнологи-ческих процессах, выполняемых в условиях космоса.// Технические отчеты по НИР. Тема № 606-07"П". Этап № I, 1986, этап № 2, 1987, этап № 3, 1988, этап № 4, 1989. - М. п/я B-2I90, JS гос.per. У38430.

8. A.C. № 1286344, МКИ 21 7/04. Установка для радиационной пайки. Зернов H.A., Белов A.A., Бульбутенко B.C., Донюков К.А. - 4 с.

9. Положительное решение по заявке № 5061865/33 от 10.09.92. на патент "Электронагреватель", Донюков И.А., Зернов И.А., Куликов C.B., Пасютин В.К.