«ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ОПИСАНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ УЧЕБНО-НАУЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ ДЛЯ БАКАЛАВРОВ МОСКВА 2009 СОДЕРЖАНИЕ Глава 1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ. 1 Лабораторная работа №1. ...»

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ОПИСАНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ

УЧЕБНО-НАУЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ

ДЛЯ БАКАЛАВРОВ

МОСКВА 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ……………………… 1 Лабораторная работа №1. Исследование изменение характеристик трехслойного образца из композиционного материала, армированного вдоль и поперечном направлениях, при растяжении………………………………………..

Лабораторная работа №2. Исследование изменения плотности связующего по мере 1. удаления от наночастицы и определение зоны влияния этой частицы на свойства межфазного слоя……………………………………………………..

ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИКА ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И

ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР …………………………. Лабораторная работа №3. Электронно-микроскопическое исследование наноструктур 2. на поверхностях, модифицируемых в плазме тлеющего разряда… Лабораторная работа №4. Исследование металлических наномембран методом растровой электронной микроскопии……………………………………… Лабораторная работа №5. Определение теплопроводности тонкослойных образцов методом динамического калориметра……………………………….. Глава 3. ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ……………………………… 3 Лабораторная работа № 6. Основные этапы развития ракетно-космической техники…………………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 7. Основы устройства и функционирования ракетыносителя…………………………………………………………………………… Лабораторная работа №8. Основы устройства и функционирования искусственного 3. спутника Земли…………………………………………………………. Лабораторная работа № 9. Основы устройства и функционирования космического корабля……………………………………………………………………. Лабораторная работа № 10. Основы устройства и функционирования автоматической 3. межпланетной станции……………………………………………..

Глава 4. КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

4 Лабораторная работа № 11. Конструкции отсеков корпуса………………….

4.1 Лабораторная работа № 12. Конструкции ракетных двигателей твердого топлива………………………………………………………………………………. Лабораторная работа № 13. Конструкция топливных баков двигательных установок с 4. ЖРД…………………………………………………………………….. Лабораторная работа №14. Конструкции крыльев…………………………… 4.4 Глава 5. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ………………… 5 Лабораторная работа № 15. Исследование энергетической светимости абсолютно черного тела……………………………………………………………….. Лабораторная работа № 16. Изучение внешнего фотоэффекта……………… 5.2 Лабораторная работа № 17. Спектральный анализ сплавов………………….

5.3 Лабораторная работа № 18. Определение постоянной Планка……………… 5.4 Лабораторная работа № 19. Исследование внутреннего фотоэффекта……… 5.5 Лабораторная работа № 20. Исследование полупроводникового диода…….

5.6 Лабораторная работа № 21. Исследование кристаллического триода, включенного по 5. схеме с общей базой…………………………………………………. Лабораторная работа № 22. Исследование кристаллического триода, включенного по 5. схеме с общим эмиттером…………………………………………… Лабораторная работа № 23. Исследование электропроводности полупроводников………………………………………………………………………………... 5.10 Лабораторная работа № 24. Исследование вентильного фотоэффекта………. 5.11 Лабораторная работа № 25. Применение эффекта Холла……………………..

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ

Лабораторная работа №

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХСЛОЙНОГО ОБРАЗЦА

ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, АРМИРОВАННОГО В ПРОДОЛЬНОМ

И ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ, ПРИ РАСТЯЖЕНИИ С УЧЕТОМ

РАЗРУШЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа.

Цели работы Определение деформационных характеристик композиционного материала с учетом разрушения связующего. Изучение особенностей деформирования слоистого композиционного материала. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении лабораторной работы: Деформационные характеристики композиционных (Тема 5).

считаются постоянным. Примем h1 h3 Запишем уравнение равновесия. Примем ортогональную систему координат xyz, где x - продольная координата, z - поперечная координата, y - вертикальная координата.

Тогда вдоль оси 0 x (продольная ось) и вдоль оси 0 z (поперечная ось) статические уравнения примут вид Цифры в индексах соответствуют слоям. Ввиду симметрии пакета напряжения в слоях 1 и 3 одинаковые.

Во всех слоях принимаем деформации осей 0 x и 0 z.

Подставим физические соотношения для ортотропных в виде в соотношение (1) и, обозначая модули вдоль волокон E1, а поперек волокон E 2, учтем ортотропную структуру образца и получим выражения в форме:

После определения деформаций из последних уравнений с помощью соотношений закона Гука, найдем напряжения в слоях вдоль оси x :

Если при определении напряжений в слоях 1 и 2 принять, что соотношения (2) примут более простой вид:

Сравнивая выражения (2) и (3), можно отметить что (2) переходит в (3), если в равенствах (2) опустить члены, содержащие коэффициенты Пуассона. Несмотря на то, что формулы (3) является приближенными в указанном смысле, они хорошо описывают напряженное состояние в слоях на некотором расстоянии от края. На краю образца, где продольные оси нагружены растягивающими напряжениями x1, происходит включение в работу поперечного слоя. Определим длину зоны включения в работу. Напряжение в поперечном слое будем обозначать xi, i в краевой зоне должны выполняться условия равновесия:

Уравнения (4) определяют дополнительное нагруженное состояние, возникающее на краю образца.

Вследствие малой толщины слоев считаем, что напряжение xi не зависит от координаты y, т.е. постоянны по толщине. Тогда из уравнений (4) найдем:

( i0 ( x) и yi ( x) появляются в результате интегрирования по y).

Ввиду того что основное напряженное состояние, определяемое равенством (3), уравновешивает внешнюю нагрузку, дополнительно напряженное состояние должно быть самоуравновешенным т.е.

Окончательно суммарные нормальные напряжения, действующие в продольных и поперечных слоях с учетом (1) принимают вид Неизвестные функции i0 ( x) и yi ( x), входящие в соотношения (5), определяются из условий на поверхности слоев:

Тогда получим выражение для переменных напряжений в слоях:

Таким образом, для трехслойного образца все напряжения выражаются через неизвестное пока переменное напряжение среднего слоя - x2. Так как задача решается в напряжениях, то неизвестное напряжения x2 ( x) определим из уравнения неразрывности деформаций, которое получим на основании принципа наименьшей работы частного случая - вариационного принципа Кастильяно. Потенциальная энергия имеет вид:

Считаем, что слои соединены жестко между собой без проскальзывания.

Поставив напряжения в (8) согласно выражениям (6) и (7) и проварьировав полученный функционал, получим уравнение совместности деформаций в виде (примем во всех выражениях x2 ) где Анализ коэффициентов уравнения показывает, что b2 a 2 решение уравнения имеет вид Ввиду того что изменяемая часть напряжений затухает от края, в решении (9) следует принимать C3 C4 0.

Коэффициенты C1 и C2 определяются из условия на границе второго слоя:

Тогда напряжения в слоях:

Максимальное значение напряжения x2 достигается при x / k 2 :

Если в решении задачи пренебречь напряжениями обжатия слоев y1 то в слоях будут действовать только напряжения xi и i записанные в форма (6) и (7). Тогда уравнение совместности деформации будет второго порядка k 2 0, где Решение этого уравнения выглядит следующим образом:

Учитывая затухание напряжения от края, необходимо учесть C6 0.

В отличии от предыдущего решения с помощью решения (11) невозможно точно удовлетворить все граничные условия на краю и, как видно, полностью меняется характер изменения напряженного состояния. Константу C5 определим из условия x2 0 при x 0. Касательное напряжение на конце второго слоя (при x 0 ) достигает максимума, что не соответствует действительности. После определения константы C5 напряжения примут вид.

Характер распределения напряжений по координате x в слоях образца от края показан на рисунке 2. (сплошная линия соответствует решению (10), а штриховая - (12)). Хотя численные значения напряжений xi и i по решениям (10) и (12) практически совпадают, характер решений существенно отличается. Однако решение (10) позволяет точно определять момент появления трещин в поперечном слое, расстояние между трещинами и вычислить новый средний модуль трехслойного образца.

Пусть, для определенности, материал определяется следующими параметрами 1 3 450, 2 / 2, и h2 0,5.h1 и h3 h1 0,001 (м). Свойства слоя задаются модулями упругости: вдоль направления волокон- E1 120000 МПа, поперек направленияE2 9000 МПа, модуль сдвига- G12 6000МПа. Для указанных параметров в результате получим следующие изменения относительных напряжений x / 20 по длине -верхний индекс указывает на номер слоя (рис. 2).

Рис. 2. Изменение относительных напряжений x / 20 по длине.

Определение характеристик композита после растрескивания Считаем, что после системы микротрещин в слое изменяется только его поперечный модуль упругости E2. Для определения эффективного локального поперечного модуля E2 в разрушенной зоне воспользуемся следующими приближенными соотношениями:

Величина удельной средней энергии деформации W считается по формуле (8). Напряжения под знаком интегрирования вычисляются с учетом (9). Приближенно можно считать Для определения эффективных жесткостей композитного материала используются формулы механики композитов, с учетом того, что для слоев, где произошло растрескивание, поперечный модуль упругости рассчитывается по формуле (13).

Рассмотрим конкретный пример для композита с укладкой волокон 0 0 и 90 0, для трех разных соотношений толщин h1 -продольного слоя и h2 - поперечного слоя. При этом толщина h1 остается неизменной. Композит находится в условиях одноосного растяжения. Принимаются следующие механические параметры однонаправленной ленты: модуль вдоль направления волокон- E1 120 ГПа, модуль поперек волокон- E 2 9 ГПа, модуль сдвига - G12 6 ГПа, коэффициент Пуассона - 21 0, 28, предел прочности вдоль направления волокон b1 1200 МПа, поперк волокон - b 2 40 МПа. При базовой расчетной толщине, равной h2 h1 1 мм, рассчитаны варианты: h2 h1 hb, h1 0,5h2 0,5hb, h2 0, 25h1.

На рисунке 3 приведены графики деформирования поперечного слоя в процессе его работы совместно с продольным слоем, где видна последовательность его разрушения.

По вертикали приведены силы (в ньютонах), которые воспринимают поперечные слои.

Рис. 3. Диаграммы растяжения поперечного слоя с учетом появления первой и второй системы поперечных микротрещин в слое 90 0.

Из графиков видно, что после второго растрескивания поперечный слой фактически выключается из работы. В этом случае следует принять E2 cp ( k ) 0. В дальнейшем будем считать, что после появления второй системы микротрещин поперечная жесткость поперечного слоя равна нулю.

Рассмотрим ту же структуру. Построим диаграмму деформирования всего слоистого композита с учетом возникновения первой и второй системы трещин в поперечном слое (Рис. 4). По вертикали приведены силы в ньютонах, по горизонтали – деформация.

Жирным пунктиром обозначена первая из приведенных структур ( h2 h1 ), следующая по толщине – вторая структура ( h1 0,5h2 ) и затем – третья структура ( h2 0, 25h1 ). На графиках видна последовательность разрушения каждой структуры. Во всех случаях происходит два последовательных растрескивания поперечного слоя, после чего он полностью выключается из работы и работает только продольный слой до полного разрушения.

Рис. 4. Диаграммы растяжения композита с учетом появления первой и второй системы Последний участок наклонной части диаграммы (Рис.4) соответствует случаю, когда поперечной слой полностью разрушен E2cp ( k ) 0, а жесткость структуры определяется только жесткостью волокон. Это полностью соответствует графикам Рис. 3.

Схема трехслойного образца с продольной (слои 1, 3) и поперечной (слой 2) ориентацией волокон представлена на рис. I. Длина образца - 150 мм, ширина – 20 мм. Концы образца (по 30 мм с каждой стороны) усиленны дополнительным материалам из стеклоткани под зажимы испытательной машины. Толщина каждого слоя равна 0,5 мм. Образцы поступают готовыми для испытания и изготавливаются из стеклопластика или из углепластика. Для обработки результатов испытания необходимо результаты испытания 3-х образцов.

Наименование параметров Измеряемая с установленной погрешностью сила, кН мерения силы, % от измеряемой величины Диапазон изменения скорости нагружения, кН/с Полный ход (установочный и рабодо чий) активного захвата, мм Скорость перемещения активного захвата без нагрузки, мм/мин Диапазоны измерения перемещений активного захвата, мм:

малые перемещения большие перемещения Диапазон изменения скорости деформации образца, мм/с Предел допускаемой погрешности измерения больших перемещений, % ний и деформации, % Предел допускаемого значения погрешности поддержания скорости пе- ± ремещения активного захвата, % Комплект тензометров с электричебазы от 12 до 100 мм ским выходом Масштаб записи диаграммы растяжеот 1:2 до 1000: ния Габаритные размеры (длинаширинавысота), мм Проведение эксперимента проводится по методике, изложенной в описании испытательной машине.

Обработка результатов эксперимента проводится автоматически по программе заложенной в персональном компьютере, прилагаемом к испытательной машине.

1. Анизотропные панели – плоская задача. /А.А. Дудченко, А.Н. Елпатьевский, С.А.

Лурье, В.В. Фирсанов. М.: Изд-во МАИ, 1991. 96 с.

2. Неупругие свойства композиционных материалов. Сер. «Механика», вып. 16. М.:

Мир,1978. 296 с.

3. Васильев В.В., Дудченко А.А., Елпатьевский А.Н. Об особенностях деформирования ортотропного стеклопластика при растяжении. «Механика полимеров», 1970, № 1.

С. 144-146.

Исследование изменения плотности связующего по мере удаления от наночастицы и определение зоны влияния этой частицы на свойства межфазного слоя.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа С помощью сканирующего туннельного микроскопа с нанометровым разрешением изучается на молекулярном уровне структура связующего в районе расположения наночастицы и изменение плотности по мере удаления от не. Определяется длина межфазной зоны и оценивается скорость изменения плотности связующего и величина когезионной составляющей наночастицы. По полученным данным провести расчет эффективного модуля материала. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении лабораторной работы:Построение конструктивных расчетных моделей, описывающих механические свойства нанокомпозитов (Тема 13).

Рассмотрим композитный материал, армированный жесткими включениями (углеродные нанотрубки). Дадим построение модели межфазного слоя материала, содержащего жесткую частицу под действием растягивающей нагрузки. Предлагается вариант конструктивной расчетной модели. Основанием для построения такой модели являются результаты исследований, где показано, что в окрестности границ включения возникает дополнительная межфазная зона, механические свойства которой являются переменными, изменяясь по экспоненциальному закону от жесткости включения до жесткости матрицы.

В рамках полученной расчетной модели учитываем размеры включений, протяженность межфазной зоны, изменение модулей при повороте частицы по отношению действующей нагрузки, влияние соседних частиц на свойства межфазного слоя. Проблема определения эффективных свойств композита, с нановключениями исследовалась в работах, рассмотренных раннее.

Рассмотрим материал, содержащий жесткую частицу и нагруженный растягивающей нагрузкой. Построим в начале модель такого композиционного материала, учитывающего влияние свойств одной жесткой частицы на механические характеристики материала прилегающей зоны в направлении действия растягивающих сил. В имеющихся публикациях показано, что влияние на свойства материала увеличивается с уменьшением размеров частиц и величин их механических характеристик. Таким образом, вблизи точек прилегающих к включению ввиду е большой жесткости происходит увеличение жесткости материала. В рамках приведенной ниже расчетной схемы предлагается учесть размеры включения и протяженность межфазной зоны. Предлагается конструктивная модель, в которой предполагается переменность свойств материала с заданным характером изменения в межфазном слое. Учитывается изменение модулей упругости в районе частицы в направлении оси x, а затем в направлении оси y при растяжении материала в направлении оси x При растяжении в районе, прилегающем к частице, образуются зоны влияния. Первая зона при растяжении вдоль оси x прилегает к сторонам ab и cd и затухание направлено вдоль оси x. Вторая зона при растяжении вдоль оси x прилегает параллельным сторонам ac и bd и характеризуется изменением свойств по оси y. В первом случае для определения изменения характеристики в направлении оси x примем для областей, прилегающих к сторонам ab и cd, следующие простые предположения относительно изменяемой части модуля:

1. Считаем, что напряженное состояние вдоль линии растяжения частица – матрипо- ца, т.е. вдоль оси x перпендикулярно сторонам ab и cd, постоянно (напряжение стоянно). Тогда податливость изменяется так же, как и деформации. Этот случай соответствует локальному усреднению по Рейссу;

2. Примем также, что в направлении оси y деформация следовательно, для нормальных напряжений и модуля упругости характер изменения будет одинаковым. Такой характер изменения модуля упругости соответствует усреднению по Фойгхту.

3. Материал, окружающий частицу, считается изотропным;

4. Влияние свойств частицы обратно пропорционально радиусу r по мере удаления от любой точки поверхности включения и прямо пропорционально cos (рис.2).

лится на два типа подобластей: I и II. Одна из них (I)– это окрестность границ ab, cd. В этой подобласти модуль упругости вычисляется по правилу Рейсса. Другая подобласть (II) расположена вдоль границ ac, bd. В этой подобласти модуль упругости определяется согласно правилу Фойгхта. Эти две подобласти разделены прямолинейным лучом, положение которого определяется параметром 0, т.е. тангенсом угла между осью x и линией, разделяющей зоны изменения модуля упругости подобластей I и II.

На основе сделанных предположений определяют влияние включения модуль упругости E x в зоне подобласти I:

где коэффициент k подбирается таким образом, чтобы модуль упругости Еx в связующем около поверхности частицы равнялся модулю включения Е2. Такое распределение отвечает плоской задаче теории для полупространства, нагруженного усилиями, приложенными по части длины полосы. Можно также отметить, что в рассматриваемой теории частица может иметь форму сплошного или полого цилиндра. По мере удаления от частицы в направлении оси x модуль в прилегающей зоне будет стремиться к модулю связующего Е1. В соответствии с первым предположение деформация в этом направлении будет изменяться от величины 2 до значения 1 в матрице. Уравнение (1) характеризует изменяемую часть модуля упругости от одной какой-то точки частицы. Определим е изменяемость по ширине частицы. Для этого распространим влияние модуля E x на ширину частицы dy, а dy выразим через полярные координаты r и d согласно рис.13.4 в виде dy.

Для учета влияния ширины включения dy в точке М уравнение (1) запишем в виде и проинтегрировать по ширине в полярных координатах от 2 до 1 (рис.1).

Интегрирование в рассматриваемых пределах дает Это уравнение можно преобразовать к декартовым координатам x и y, приняв во внимание связь между координатами в виде Тогда выражение (13.3) запишем в виде и представим изменение модуля упругости в общем виде как Здесь y1 и y2 расстояния по координате y от концов частицы до точки М можно представить, как y1 y a и y2 y a (рис.2).

Для определения констант приведем выражение к оси координаты x и примем y2 = a, a y1= a (рис. 2). Тогда уравнение (5) примет вид Константы k и А находятся из условий, при которых при x Еx= E1 и при x 0 Еx= E2.

Тогда А = Е1, а k = (E2 – E1)/, так как arc tg (a / 0) / 2.

Следовательно, выражение (5), характеризующее значение модуля в произвольной точке М для первой зоны, запишется или Лабораторное оборудование, его состав и подробное описание (экспериментальный стенд, приборное оборудование, объект исследований и т. д.).

Используется следующее оборудование:

- Установка роста углеродных нанотрубок;

- Сканирующий туннельный микроскоп с нанометровым разрешением;

- Установка для изготовления композитных образцов с наночастицами в связующем.

Проведение эксперимента проводится по методике, изложенной в описании сканирующего микроскопа Обработка результатов эксперимента проводится по методике, приведенной при использовании сканирующего микроскопа.

Литература:

Дудченко А.А., Лурье С.А., Шумова Н.П. Структурная модель межфазного слоя для наполненных композиционных материалов. Межотр. н.-т. журнал.: «Конструкции из композиционных материалов». М.: ВИМИ. вып. 3, 2006. С.3-11.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИКА ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И

ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР

Электронно-микроскопическое исследование наноструктур на поверхностях, модифицируемых в плазме тлеющего разряда.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа Ознакомление с теорией и техникой модифицирования поверхности диэлектрика в плазме тлеющего разряда, электронно-микроскопическое сравнение наноструктуры поверхности до и после обработки. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении работы: Раздел 8.: Энергообмен между потоками ионов и поверхностями твердых тел Модификация поверхностных структур в плазме тлеющего разряда. Ионизацию газа. Энергией ионизации. Рекомбинация электронов и ионов. Коэффициент объемной ионизации. Коэффициент вторичной эмиссии. Тлеющий разряд. Частично ионизованная и полностью ионизованная плазма. Механизм воздействие плазмы тлеющего разряда на поверхность катода. Распыление материала катода. Влияние распыления на наноструктуру поверхности.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

Студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку.. Запрещается подключать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лабораторной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует немедленно отключить ее от электрической сети.

Работа проводится на вакуумной установке разработанной на базе универсального вакуумного поста ВУП-4.Установка позволяет создавать вакуум в рабочем объеме 1,3310-4 Па с помощью вакуумной системы, схема которой показана на рис. Вакуумная система состоит из рабочего объема 1, паромасляного насоса 7, вакуумного механического насоса 4, буферного баллона 6, электромагнитных вентилей 5, манометрических преобразователей 2; 8, вентиля с ручным приводом 9, вентиля напуска воздуха 10.

Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется вакуумными резиновыми шлангами или металлическими патрубками с вакуумными уплотнениями в местах соединений.

Обработка алюминиевых мембран плазменным потоком производится с использованием рабочего участка, который устанавливается внутрь рабочего объема в специальное коническое гнездо. Схема рабочего участка для обработки мембран в плазме тлеющего разряда показана на рис.2.

Участок состоит из высоковольтного токоподвода 1, анода 2, столика для образцов 3, стеклянной колбы 4, фланца 5, медного корпуса 6, нагревателя 7, термопары 8, вентиля тонкой регулировки подачи газа 9. Рабочий газ аргон подается под колпак по трубке 10 из баллона через игольчатый натекатель.

Производится включение установки ВУП-4 и вывод на режим диффузионного насоса.

Напускается воздух в рабочий объем и открывается колпак.

В рабочее положение устанавливается участок для плазменного травления.

На столик устанавливается мембрана анодированным слоем вниз.

Закрывается колпак и установка вакуумируется. Откачка производится механическим насосом и далее диффузионным насосом до давления 210-4 Па.

Подается напряжение на анод ~ 2кВ.

С помощью натекателя производится напуск аргона в пространство между катодом и анодом до момента зажигания тлеющего разряда. Путем тонкой регулировки расхода аргона с помощью вентиля 9 (рис.2) устанавливается режим разряда I= 20мА U = 2кВ.

Производится обработка образца плазмой в течение 20мин.

По окончании плазменной обработки снимаются рабочие напряжения, закрывается подача газа и производится напуск воздуха в рабочий объем.

Образец вынимается и переносится на столик сканирующего электронного микроскопа EVO-40.

При увеличениях 50000 и 100000 производится фотографирование участков мембраны в зонах подвергавшихся и не подвергавшихся плазменной обработке.

Обработка и анализ экспериментальных результатов:

По полученным изображениям определяются параметры наноструктуры (диаметр отверстий, шаг структуры, проницаемость участка мембраны).

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОМЕМБРАН МЕТОДОМ

РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа Ознакомление с работой РЭМ, получение электронной микрофотографии наномебраны (увеличение порядка 10 4 ); обработка микрофотографии для получения распределения наноотверстий по диаметрам, вычисление прозрачности мембраны. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении работы: Раздел 8.: Энергообмен между потоками ионов и поверхностями твердых тел Корпускулярно- волновой дуализм. Разрешающая способность оптического и электронного микроскопа. Схема просвечивающего (ПЭМ) и растрового (РЭМ) электронного микроскопа. Принцип действия РЭМ. Предел разрешения и глубина резкости РЭМ. Взаимодействия электронов с веществом: упругие столкновения и неупругие столкновения электронов с атомам. Вторичные электроны, электроны Оже, характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Электроны обратного рассеяния.. Катодолюминесценция. Трековая наномембрана.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку.. Запрещается подключать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лабораторной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует немедленно отключить ее от электрической сети.

Работа выполняется на сканирующем электронном микроскопе EVO– 40 фирмы ZEISS. Принципиальная схема микроскопа показана на рис.1.

Электронная пушка генерирует электронный пучок, падающий на образец. Пучок проходит через корректирующие катушки, которые служат для точной ориентации пучка вдоль оси колонны. Конденсорные линзы К1 и К2 фокусируют пучок. Апертурная диафрагма регулирует глубину резкости. Далее пучок проходит через поле катушек стигматора (на рисунке не показан), устраняющих астигматизм изображения. Катушки сканирования перемещают пучок вдоль поверхности образца, осуществляя растровое сканирование, аналогичное телевизионной развертке. Эти катушки управляются генератором сканирования через блок регулировки увеличения изображения, который управляет размером сканируемой поверхности, тем самым, увеличением на экране монитора. Далее пучок проходит через поле объективной линзы, которая окончательно фокусирует пучок на поверхности образца. Все три линзы управляются пакетом программ OptiBeam, который доводит до максимума ток образца, когда пучок сфокусирован на поверхности образца. Вторичные электроны регистрируются детектором ВЭ, сигнал с которого поступает на процессор изображения. Сигнал от каждой точки поверхности накапливается в памяти процессора изображения. По окончании сканирования изображение высвечивается на мониторе.

Внутреннее пространство микроскопа откачивается с помощью вакуумной системы (рис.2).

двухслойные тонкие металлические наномебраны Полимерная трековая наномембрана представляет собой полимерную (лавсановую) пленку толщиной 10 мкм, в которой в результате сложной предварительной обработки создаются отверстия нанометрового диапазона.

Предварительная обработка заключается в облучении пленок потоком высокоэнергетических (с энергиями 1–10 мЭв) тяжелых ионов (атомов) на ускорителях или ядерных реакторах, в результате чего вдоль траекторий (треков) тормозящихся ионов в материале пленки образуются дефекты структуры; после этого пленки облучаются ультрафиолетовым излучением (происходит сенсибилизация пленок) и подвергаются химическому травлению, в результате которого образуется большое количество сквозных отверстий (пор) с диаметрами не ниже 20 нм. Поскольку эти пленки – диэлектрики, для наблюдения их в ЭМ на них напыляется тонкий (толщиной 10 – 15 нм) слой углерода.

Полученные с помощью описанной технологии трековые мембраны в настоящее время используются для сепарации растворов в биологи, биотехнологии, аналитической химии, в наносенсорной микроэлектронной технологии. Технические параметры мембран, характеризующие их способность к сепарации, определяются размерами отверстий, распределением по размерам, количеством отверстий на единицу площади.

Двухслойные тонкие металлические наномебраны представляют собой серебряную пленку толщиной 80 нм на которую методом испарения в вакууме напылен слой углерода толщиной 15нм. После напыления слоев производилось ионное травление двухслойной системы до получения в ней наноотверстий. Наномембрана расположена на поддерживающей медной сетке с квадратными отверстиями размером 5050 мкм2 с шагом 100 мкм. Толщина сетки 150 мкм.

Перед началом выполнения работы студенты под руководством преподавателя знакомятся со сканирующим электронным микроскопом EVO–40 фирмы ZEISS, с особенностями его конструкции и с принципами управления микроскопом.

Производится запуск электронного микроскопа и его программного обеспечения, при этом комментируются все выполняемые при этом действия.

Студенты знакомятся с интерфейсом программы, осуществляющей управление различными элементами микроскопа.

Производится напуск воздуха в рабочую камеру микроскопа.

После открытия камеры снимается 9-позиционный столик и в одну из позиций устанавливается исследуемый объект – лавсановая трековая наномембрана с углеродным слоем (толщиной 10–15 нм), напыленным в специальной установке для снятия заряда с поверхности.

Столик устанавливается в рабочее положение.

Рабочая камера откачивается до давления 10-5 Торр.

Включается электронная пушка и устанавливается ускоряющее напряжение 10 кВ.

Производится инициализация стола. При этом программное обеспечение определяет начальные координаты стола по каждой из пяти степеней свободы (три поступательные и две вращательные).

Стол поднимается в рабочее положение, при этом устанавливается фокусное расстояние WD = 9 – 10мм.

При минимальном увеличении 35 путем перемещения стола по X и Y координатам отыскивается исследуемый объект и производится наводка на резкость.

Увеличение доводится до 5000 и производится наводка на резкость. Аналогичным образом увеличение доводится до 15000, после чего производится фотографирование участка поверхности наномембраны. Полученная фотография распечатывается на принтере и выдается студентам для проведения статистической обработки.

Обработка и анализ экспериментальных результатов В результате обработки фотографии участка наномембраны должны быть получены следующие характеристики изучаемого объекта:

действительные размеры обрабатываемого участка, распределение отверстий по диаметрам, средний диаметр отверстий и дисперсия полученного распределения.

проницаемость участка мембраны.

Действительная площадь F (выраженная в мкм2) участка мембраны определяется масштабированием в соответствии с длиной маркера, приведенного в левом нижнем углу фотографии.

Для дальнейшей работы необходимо в ПК запустить программу Excel.

Площадь каждого отверстия на изображении мембраны f отв измеряется числом квадратиков мерной сетки и заносится в первый столбец таблицы (предварительные записи можно выполнять в рабочем журнале).

Диаметры отверстий d экв вычисляются в Excel’e по формуле d экв 2 f отв / во втором столбце таблицы.

Вычисляется среднее значение (единицей измерения служит шаг сетки) в соответствии с длиной маркера, приведенного в левом нижнем углу фотографии. Вычисляется средний действительный диаметр Dэкв в микрометрах.

Вычисляется проницаемость мембраны Р, равная, по определению, отношению суммарной площади отверстий Fотв к общей площади участка F : P Fотв / F (следует обратить внимание на то, что F и Fотв должны быть выражены в одних единицах).

После обработки всего изображения по результатам строится распределение в виде гистограммы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОБРАЗЦОВ

МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа.

Определить коэффициент теплопроводности тонкослойного образца материала с относительно невысокой теплопроводностью и зависимость этого коэффициента от температуры, используя метод динамического калориметра. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении работы: Тема 7. Теплотехнические задачи в элементах космической техники из наноматериалов.

Теплопроводность. Градиент температуры. Закон теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от параметров состояния, влияние кристаллической структуры.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку. При превышении температуры образца критической температуры следует незамедлительно отключить установку. Запрещается подкдючать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лабораторной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует немедленно отключить ее от электрической сети.

В состав измерителя ИТ- -400 входят: блок питания и регулирования, блок измерительный (далее – БИ) с измерительной ячейкой, аналого-цифровой преобразователь сигналов и – в качестве регистратора и накопителя преобразованной в цифровой вид информации – ПЭВМ. Для обработки, хранения и визуализации регистрируемой информации используется пакет ПО "PowerGraph" (версия 3.3).

Блок питания и регулирования обеспечивает нагрев ядра измерительной ячейки со средней скоростью 0,1К/с и автоматическое регулирование скорости роста е температуры. Источником регулируемого напряжения служит ЛАТР, снабжнный электродвигателем и редуктором. Схема авторегулирования температуры, выполненная на базе усилителя с обратной связью, позволяет на протяжении всего эксперимента поддерживать разницу температур стержня и адиабатической оболочки (соответственно поз. 5 и 6 на рис. 1) с погрешностью не хуже 0,ЗК.

Упомянутая измерительная ячейка является главной частью БИ; конструкция е разъмного корпуса уясняется уже при общем знакомстве с установкой.

Нижняя часть корпуса закреплена на станине БИ, а верхняя – на подъмноповоротной штанге. Через патрубки корпуса возможны подача и отвод жидкого азота (при необходимости охлаждения ядра – и, соответственно, образца, – до минус 130...150 С).

Для всех температурных измерений используются хромель-алюмелевые термопары диаметром 0,2мм, изолированные в горячей зоне ядра тонкостенными керамическими трубками.

При охлаждении ядра измерительной ячейки жидким азотом (для расширения температурного диапазона исследования зависимости t ) применяется литровый криогенный спецбачок с теплоизолированными стенками, который устанавливается на верхнюю часть корпуса ячейки и соединяется с верхним патрубком корпуса; расход жидкого азота для охлаждения измерительной ячейки до -130°С...-150°С 5...7л.

Для измерения коэффициентов теплопроводности, в данной лабораторной работе, используется т.н. метод динамического калориметра (подробнее – см. [1]), в основу которого положен режим монотонного нагрева образца, позволяющий в ходе одного эксперимента получить ещ и температурную зависимость изучаемого параметра. Теплотехническая схема метода показана на рис. 1.

Рис. 1. Тепловая схема метода: 1 – основание (медь); 2 – пластина тепломера (нерж.

сталь); 3 – контактная пластина (медь); 4 – испытуемый образец; 5 – стержень (медь); 6 – теплоизолирующая оболочка; 7 – термопара стержня: 8 и 9 – термопары на пластине тепломера.

Испытуемый образец (4), контактная пластина (3), пластина тепломера (2) и стержень (5) монотонно разогреваются тепловым потоком Q, поступающим от основания (1), нагреваемого потоком энергии, идущим от омического сопротивления. Боковые поверхности стержня (5), образца (4), контактной пластины (3), толщиной 1мм, и тепломерной пластины (2) адиабатически изолированы оболочкой (6) от окружающей среды.

Стержень (5) и контактная пластина (3) изготовлены из высокотеплопроводного материала – меди, поэтому перепады температур в процессе нагрева системы незначительны и пренебрегаются. Т.к. темп изменения температуры невелик (< 10 К/сек), а теплопроводность меди велика ( 400 Вт/(м К)). Тепловой поток Q, проходящий через среднее по толщине сечение пластины тепломера (2), частично поглощается ею и далее идт на разогрев контактной пластины (3), образца (4) и медного стержня (5). Рабочим слоем тепломера (2) служит пластина из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, h = 10мм, впаянная между медным основанием (1) и медной же контактной пластиной (3). Для увеличения теплового сопротивления тепломерной пластины (2) (ведущего к увеличению температурного перепада на ней, что, в конечном итоге, способствует повышению точности измерения ) и для снижения е тепломкости (что также методологически важно, см. ниже) в ней выполнены отверстия и канавки. Собственно контактная, медная пластина и нужна в первую очередь для того, чтобы выровнять по сечению тепловой поток (и температурное поле) перед измеряемым образцом. Температурные измерения в ядре измерительной ячейке, образуемом совокупностью деталей 1, 2, 3, 4 и 5 (рис. 1), обеспечиваются тремя хромельалюмелевыми термопарами (7), (8) и (9). Термопара (7) обеспечивает измерение температуры медного стержня (5); термопары (8) и (9), расположенные на противолежащих торцах пластины (2), измеряют перепад температуры на тепломере при нагреве измерительной ячейки, а разница показаний термопар (8) и (7) весьма близка к величине температурного перепада на испытуемом образце (4).

Размеры и массы элементов измерительной системы подобраны таким образом, чтобы тепловые потоки, аккумулируемые образцом (4) и тепломером (2), были бы по крайней мере в 5…10 раз меньше потоков, поглощаемых стержнем (5), который играет роль своего рода теплового накопителя.

В этом случае температурное поле образца (4) и пластины (2) оказывается близким к линейному, стационарному; все детали системы разогреваются с близкими скоростями, а для любого значения температуры справедливы соотношения:

где: Qобр. – тепловой поток, проходящий через образец и поглощаемый стержнем, Вт;

tобр – перепад температуры на образце, К;

R – тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной, (м К)/Вт;

Cобр – полная тепломкость образца, Дж/К (расчт - см. формулу (7));

Сст – полная тепломкость стержня, Дж/К (расчт - см. формулу (8));

Vt – скорость разогрева измерительной ячейки, К/с;

S – площадь поперечного сечения образца, м2;

где: Qтм – теплопоток, проходящий через среднее сечение пластины тепломера (2), Вт;

К тм – коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективную тепловую проводимость пластины (2), Вт/К;

tтм – перепад температуры на тепломерной пластине (2), К;

Стм – полная тепломкость тепломерной пластины (2), Дж/К;

Скп – полная тепломкость контактной пластины(3), Дж/К.

Тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной определяет формула:

где: Rобр – тепловое сопротивление образца, (м2 К)/Вт;

Rк – поправка, учитывающая тепловое сопротивление контакта и тепловое сопротивление заделки термопар, (м2 К)/Вт.

Тепловое сопротивление самого образца определяется соотношением:

где: h – высота (толщина) образца, м, – коэффициент его теплопроводности, Вт/(м К), величину которого предстоит определить.

Используя соотношения (1)…(4), можно получить рабочие расчтные формулы для вычисления теплового сопротивления образца и его коэффициента теплопроводности:

где: с.обр – поправка, учитывающая тепломкость образца:

здесь: Cобр – полная тепломкость образца, Дж/К;

Сст – полная тепломкость медного стержня, Дж/К;

Полные теплоемкости вычисляются так:

где: mобр и mст – соответственно массы образца и медного стержня, кг; с обр и смеди t – удельные тепломкости, соответственно: испытуемого образца (ориентировочное, приблизительное значение, из справочника «Физических величин», например) и меди (причм для не - в зависимости от е температуры, для большей точности определения величины Сст ); значения смеди t даны в «Приложении» (табл. 2).

Значение тепловой проводимости пластины тепломера определяется формулой:

а коэффициента теплопроводности испытуемого образца (см. (4)) - формулой:

Необходимо иметь в виду следующее обстоятельство: разработанная схема проведения эксперимента предполагает осуществление не непрерывного, а дискретного – по температуре – замера параметров (в ходе эксперимента регистрируются показания термопар, соответствующие температурным перепадам t тм и t обр, которые появляются при нагреве измерительного блока установки). Это значит, что в том диапазоне температур, при которых испытывается образец (максимальный – от – 125°С до +400°С), упомянутые параметры регистрируются с шагом в 25°С температуры образца. Поэтому вычисленные значения следует относить к средней температуре образца, которую определяют по формуле:

где: t – средняя температура образца, °С; t измер. – температура ядра измерительной ячейки, при которой проводилось измерение вышеупомянутых параметров, °С; Eобр. – показание термопары (мВ), соответствующее величине перепада температуры на образце; Аt – чувствительность хромель-алюмелевой термопары, К/мВ (зависимость Аt от температуры измерения датся в «Приложении», табл. 2 или 4).

Все параметры в приведнных выше формулах так или иначе рассчитываются или измеряются при выполнении данной работы – кроме величин К тм и Rк. Очевидно (см.

соотношения (2)...(10)), что эти две величины никак не зависят от свойств испытуемого образца и условий его испытания. Они, по сути, являются техническими характеристиками конкретной измерительной установки, т.е. «постоянными величинами» используемого вами прибора. Поэтому значения К тм и Rк и их температурные зависимости были – данной установки – заранее определены в ходе серии специальных градуировочных экспериментов. Границы и предмет нашего изложения не позволяют нам рассказать о методике градуировки прибора подробнее, однако эти зависимости также можно найти в «Приложении» (см. табл.3).

Обработка и анализ экспериментальных результатов После завершения эксперимента осуществляется просмотр файла регистрации экспериментальных параметров. В таблицу 4 заносятся значения Еобр и Е тм, соответствующие температурам, указанным в этой таблице. В ней уже должны содержаться значения рассчитанной ранее полной тепломкости медного стержня Сет и различных вспомогательных справочных величин (см. раздел «Обозначения символов табл. 4»).

Логическая схема последующего расчта значений коэффициента теплопроводности такова:

1) рассчитайте поправку на тепломкость образца по формуле (6);

2) рассчитайте тепловое сопротивление образца в не температурные величины t тм и t обр вычисляются через замеренные значения Еобр с помощью тарировочной температурной зависимости Аt для Х-А терЕ тм и мопары (приведена в табл. 2);

3) рассчитайте коэффициент теплопроводности испытуемого образца по формуле (10);

4) рассчитайте температуру отнесения измерительного значения теплопроводности t по формуле (11).

Все необходимые для расчта параметра данные заносятся вручную (с клавиатуры) в соответствующие столбцы Ехсеl-таблицы: для расчта и построения температурной зависимости t.

Отметим, что наиболее рациональную и удобную для расчтов конфигурацию таблицы основных параметров (№4) и, тем более, итоговой Ехсеl-таблицы, студенты могут выбирать по своему усмотрению.

Таблица 1. Основные параметры образца и результаты эксперимента Обозначения символов табл.1:

t ст - температура стержня,°С; Еобр - перепад ЭДС на термопаре образца, мВ; Е тм - перепад ЭДС на термопаре рабочего слоя тепломера, мВ; Аt - чувствительность хромельалюмелевой термопары, К/мВ; Ктм – тепловая проводимость пластины тепломера, Вт/К;

Rк - контактное тепловое сопротивление, (К м2)/Вт; Rобр - тепловое сопротивление исс.обр.

следуемого образца, (К м2)/Вт; Сст - полная тепломкость стержня, Дж/К; - поt правка на тепломкость образца (безразмерна); - средняя при измерении температура образца,°С; - коэффициент теплопроводности исследуемого образца, Вт/(м К). Температурные зависимости некоторых параметров (например, Сст Дж/К) в данной таблице вычислены заранее и приведены - для ускорения обработки экспериментальной информации (поскольку методическое значение подобного рода вычислений не выходит за рамки задач элементарной арифметики).

Литература:

1. Шатунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. – М.: Энергия, 2. Сергеев С.А. Метрологические основы теплофизических измерений. – М.: Стандарт, 1972.

3. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 4. Эксплуатационная документация на измеритель теплопроводности ИТ- -400 – Актюбинск, 1984.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы. Лабораторная работа №1 – ознакомительная лабораторная работа по дисциплине «Основы космической техники». Проводится в виде экскурсии в музее МАИ с привлечением стендов, посвященных космонавтике: ее истории и современному состоянию.

Знакомство студентов с историей развития и современным состояниям космической техники. Раздел курса дисциплины – тема 1 «Общая характеристика космической техники».

Зарождение космонавтики. Первые работы в области космических полетов. Роль К.Э.Циолковского в становлении космонавтики как науки. Становление космонавтики.

Первые полеты космических летательных аппаратов. Запуск первого в мире искусственного спутника Земли (4 октября 1957 года) — открытие эры космонавтики. Первый в мире пилотируемый полет космического ЛА с Ю.А. Гагариным 12 апреля 1961 года. Ракетыносители и космические корабли «Восток», «Восход», «Союз». Общая характеристика ракет-носителей и космических кораблей. Их роль в освоении околоземного пространства.Искусственные спутники Земли; общая характеристика; их роль в решении народнохозяйственных и военных задач: связь, телевидение, метеорология, геодезия, навигация, геология и др.Автоматические межпланетные станции. Полеты к Луне, Венере, Марсу и другим планетам. Спускаемые аппараты. Освоение Луны и ближайших планет. Луноходы.Конструкторы ракетно-космической техники. Конструкторы ракетно-космической техники – выпускники МАИ. Космонавты – выпускники МАИ.

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Новиков В.Н., Вейтин В.Е. Введение в ракетно-космическую технику. – М.:

Изд-во МАИ. 1997.

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования ракеты-носителя на примере ракеты Р-7. Проводится с привлечением препарированного образца ракеты-носителя Р-7.

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования ракеты-носителя (РН). Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», раздел 3.1 «Ракетыносители».

1. Целевое назначение ракеты-носителя 2. Летно-технические характеристики ракеты-носителя 3. Способы создания управляющих сил и моментов 4. Компоновка ракеты-носителя 5. Полезная нагрузка ракеты-носителя 6. Компоненты и принципы работы системы управления ракеты-носителя 7. Компоненты и принципы работы двигательной установки ракеты-носителя 8. Состав бортового оборудования ракеты-носителя 9. Анализ конструктивно-технологических решений конструкций ракеты-носителя С использованием двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 4 октября 1957 года был веден на околоземную орбиту первый в мире искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 года ракета-носитель «Восток» (построенная на основе ракеты Р-7) вывела на околоземную орбиту космический корабль «Восток» с первым космонавтом Земли Ю.А.Гагариным.

Общий вид ракеты приведен на рис. 1,а. На рис. 1,б представлена конструктивнокомпоновочная схема ракеты.

а — общий вид ракеты, б — конструктивно-компоновочная схема ракеты;

1 - носовой конус с полезной нагрузкой; 2, 6 - приборные отсеки;

3 - антенны телеметрической системы; 4 - башмаки силового пояса; 5, 7 - баки окислителя;

8, 9 - баки горючего; 10 - многокамерные маршевые двигатели центрального и боковых блоков; 11 - аэродинамические рули; 12 - рулевые камеры сгорания Масса заправляемых компонентов ракетного топлива (жидкий кислород, керосин, перекись водорода, газ ), т Скорость в момент выключения ДУ, м/с:

Конструктивно-компоновочная схема ракеты – двухступенчатая «пакетная» (с продольным делением ступеней). Такая схема обладает рядом достоинств: запуск всех двигателей в «идеальных» условиях на стартовой позиции, относительная простота проектной оптимизации размеров ступеней, в т.ч. с учетом транспортировки их железнодорожным транспортом, а также возможность – путем добавления новых верхних ступеней – создания целой гаммы носителей для решения существенно разных задач.

Конструктивно-компоновочная схема ракеты Р-7 включает центральный блок (ЦБ) «А», похожим на гигантское «веретено», и четыре конических боковых блока «Б», «В», «Г» и «Д». По внутренней компоновке как боковые, так и центральный блок аналогичны одноступенчатым ракетам. Топливные баки всех блоков являются несущими. Основные компоненты топлива - керосин Т-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель) - располагаются, соответственно, в нижнем и верхнем баках каждого блока. Вспомогательные компоненты - жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата (ТНА) - размещаются в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.

Двигатели всех пяти блоков начинают работать с Земли.

Первая ступень (четыре боковых блока) оснащена жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) РД-107 (четыре основные и две рулевые камеры, питаемые общим ТНА на каждом блоке). На второй ступени стоит ЖРД РД-108 (четыре основные и четыре рулевые камеры, питаемые общим ТНА).

Рис. 2. Многокамерные двигатели РД-107 и РД-108 ракеты Р- Передача усилий от боковых блоков на центральный блок осуществляется через силовой пояс с четырьмя башмаками, в пазы которых входят головные части «боковушек». Эти четыре силовых узла одновременно служат опорными точками для собранной и установленной на старте ракеты. Внизу, на стыке топливных и двигательных отсеков, имеются поперечные стяжки. При разделении ступеней маршевые двигатели боковых блоков переводятся в режим пониженной тяги, управляющие камеры выключаются, а нижние поперечные стяжки «пакета» разрываются пирозарядами. Тяга двигателей «боковушек» создает момент относительно опорных узлов. «Пакет» раскрывается, блок «А» уходит вперед.

Как только сферические оголовки боковых блоков выйдут из башмаков и освободят имеющиеся там электроконтакты, вскрываются сопловые крышки в верхней части «боковушек», и остаточное давление наддува баков кислорода стравливается, создавая при этом небольшую тягу. Боковые блоки разворачиваются и отводятся на безопасное расстояние.

Система управления включает автомат стабилизации, обеспечивающий нормальную и боковую стабилизацию, систему регулирования кажущейся скорости и радиосистему управления дальностью и направлением. На центральном блоке установлена система регулирования одновременного опорожнения баков, ибо отсутствие такой системы приводит к большой потере дальности.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, летно-технические характеристики ракетыносителя, устройство и принципы работы его основных подсистем: полезной нагрузки, системы управления, двигательной установки, бортового оборудования;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов.

М.: Издательство «Машиностроение», 2003.

2. Методическая записка к лабораторной работе по ракете Р-7.

3. Препарированный образец ракеты Р-7 в учебной лаборатории.

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО

СПУТНИКА ЗЕМЛИ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования искусственных спутников Земли (ИСЗ) на примере спутника связи серии «Луч». Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением спутника связи «Альтаир» серии «Луч».

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования ИСЗ – спутника связи серии «Луч».

Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», раздел 3.2. «Искусственные спутники Земли»

1. Целевое назначение ИСЗ 2. Компоновка ИСЗ 3. Основные характеристики ИСЗ 4. Полезная нагрузка ИСЗ 5. Состав бортового оборудования ИСЗ Основные положения.

Спутник связи серии «Луч» – это геостационарный искусственный спутник Земли (ИСЗ), получивший при международной регистрации индекс SDRN (W,C,E).

Спутники связи серии «Луч» двойного назначения предназначены для обеспечения связи пилотируемых комплексов, обмена ТВ новостями и программами между телецентрами;

проведения телемостов, телеконференций, репортажей, ретрансляции информации и организации связи в чрезвычайных условиях и в труднодоступных районах, решения других задач.

Основные характеристики спутника связи серии «Луч»

Тип формируемых услуг ретрансляция и управление (КРС/DRS) Электрическая мощность системы электропитания: 1750 Вт Количество ретрансляторов Ширина диаграммы направленности ретрансляторов наведение всех антенн в любую точку зоны обслуживания Средство выведения на орбиту РН "Протон" с разгонным блоком "Д" Общий вид спутника связи серии «Луч» представлен на рис. 1, 2.

Рис.2. Общий вид спутника связи серии «Луч» в лаборатории Космические спутники связи «Луч» разрабатывались для ретрансляции с орбитальной станции «Мир» и на нее телевизионной информации, обеспечения двусторонней связи с орбитальным кораблем многоразового использования «Буран», с космическими кораблями «Союз» и «Прогресс» и разгонными блоками – межорбитальными буксирами.

В процессе испытаний выяснилось, что радиолинии спутника связи «Луч» имеют существенный запас по энергетике и по времени работы, который может быть использован для других целей, в частности для системы сбора и передачи оперативной телевизионной информации. Такая система обеспечивает двусторонний обмен ТВ-информацией между центральными и репортажными станциями и позволяет проводить «телемосты», телеконференции или передавать телерепортажи из «горячих» точек, телерепортажи о спортивных событиях и т.д. в реальном масштабе времени практически из любой точки Земли за исключением приполярных районов.

При полном развертывании орбитальной группировки в ней должны быть три ИСЗ с точками стояния 16 град. з.д.(WSDRN), 95 град. в.д.(CSDRN), 160 град. з.д. (ESDRN).

Космические аппараты «Луч» сыграли огромную роль в развитии отечественного спутникостроения. Запуск спутников связи «Луч» в 80-х годах позволил в два раза увеличить продолжительность сеанса связи орбитального комплекса «Мир» с Землей: Центр управления полета видел орбитальную станцию «Мир» даже на противоположной стороне планеты. И космонавты смогли общаться с родственниками и с Центром управления без длительных перебоев связи, практически круглосуточно.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, технические характеристики ИСЗ, устройство и принципы работы его основных подсистем: полезной нагрузки, системы ориентации, двигательной установки, бортового оборудования;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

2. Методическая записка к лабораторной работе по спутнику связи «Альтаир».

3. Образец спутника связи «Альтаир» » серии «Луч» в учебной лаборатории.

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО

КОРАБЛЯ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования космического корабля на примере космического аппарата «Союз». Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением препарированного образца космического корабля «Союз».

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования космического корабля (КК). Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», 3.4. Космические корабли.

1. Целевое назначение космического корабля 2. Летно-технические характеристики космического корабля 3. Принципиальная схема вывода космического корабля на орбиту ракетой-носителем «Союз».

4. Компоновка космического корабля 5. Назначение и конструктивно-компоновочная схема орбитального отсека.

6. Назначение и конструктивно-компоновочная схема спускаемого аппарата.

7. Компоненты и принципы работы системы управления космическим кораблем 8. Компоненты и принципы работы двигательной установки космического корабля 9. Система обеспечения жизнедеятельности экипажа космического корабля.

Программа полетов пилотируемых КК «Союз» (осуществляется с 1967г.) предусматривает широкие научные и технические исследования в околоземном космическом пространстве при автономных полетах КК и в совместных полетах с орбитальной станцией.

Расположение КК «Союз» в составе космической головной части (КГЧ) ракеты-носителя (РН) «Союз» показано на рис. 1.

а – КГЧ РН; б – увод ракетным двигателем твердого топлива (РДТТ) системы аварийного спасения (САС) разделительным РДТТ при штатном полете; в – разворот створок головного обтекателя (ГО) 4 – плавающие опоры спускаемого аппарата (фиксируются в аварийной ситуации);

5 – аварийный стык на ГО; 6 – узлы разворота створок ГО; 7 – разгонный блок (РБ) «И»;

8 – разделительный РДТТ; 9 – продольный стык ГО; 10 – решетчатые стабилизаторы САС (при штатном полете прижаты к обтекателю; раскрываются после аварийного отделения уводимой части КГЧ); 11 – поперечный стык КГЧ с РН; 12 – створка ГО Космический корабль «'Союз» массой 6,5 - 6,8 т, длиной 7,5 м при максимальном диаметре 2,72 м состоит из трех отсеков (см. рис.2):

— орбитальный отсек (ОО), предназначенный для работы и отдыха экипажа на орбите. В нем размещается научно-исследовательская и другая аппаратура для работы и наблюдений, места для отдыха и сна, шлюзовая камера для выхода в открытый космос, стыковочный агрегат и др.;

— спускаемый аппарат (СА), обеспечивающий безопасное возвращение экипажа и необходимого оборудования на Землю. Спускаемый аппарат имеет прочный теплозащищенный корпус, выдерживающий нагрузки при спуске в атмосфере Земли, специальные кресла (ложементы) для размещения членов экипажа, обеспечивающие наименьшие отрицательные воздействия перегрузок на организм космонавтов; систему жизнеобеспечения для экипажа и индивидуальные средства (скафандры) для каждого космонавта, а также пульты и механизмы, воздействующие на систему управления спускаемым аппаратом в экстремальных условиях;

— приборно-агрегатный отск, в котором размещаются основные приборы и оборудование, обеспечивающие различные функциональные задачи, и сближающе-корректирующая двигательная установка (ДУ).

1 — стыковочный агрегат; 2 — орбитальный отсек; 3 — спускаемый аппарат;

Компоновочные схемы отсеков КК «Союз» (спускаемого аппарата и орбитального отсека) показаны на рис.3—4.

Рис.3. Препарированный образец спускаемого аппарата и орбитального отсека КК «Союз»

Рис.4. Конструктивно-компоновочная схема спускаемого аппарата КК «Союз»:

1 – корпус с тепловой защитой; 2 – двигатели управления по рысканию; 3 – двигатели управления по тангажу; 4 – командно-сигнальное устройство; 5 – приборная доска; 6 – иллюминатор оптического прибора (визир-ориентатор); 7 – ручка управления КК; 8 – шарнир кресла; 9 – отрывная плата; 10 – сбрасываемый лобовой теплозащитный экран; – двигатели управления по крену; 12 – пороховые двигатели мягкой посадки (ДМП); 13 – рама с баллоном и арматурой для подачи газа в скафандры; 14 – кабинная часть оптического прибора (внешняя, сбрасываемая перед спуском часть не показана); 15 – кресло космонавта; 16 – люк для доступа к бакам с топливом; 17 – контейнеры с пищей, водой и носимым аварийным запасом (НАЗ); 18 – запасная парашютная система; 19 – ниша для установки баков; 20 – амортизатор кресла; 21 – основная парашютная система; 22 – приборная рама; 23 – баки с топливом (условно смещены); 24 – контейнер запасной парашютной системы (условно смещен); 25 – контейнер основной парашютной системы; 26 – крышка парашютного контейнера (условно смешена); 27 – узел крепления стренг парашюта (условно смещен); 28 – донный шпангоут; 29 – иллюминатор; 30 – крышка люкалаза со щелевой антенной Рис.5. Компоновочная схема орбитального отсека КК «Союз»:

а – часть отсека с панелью управления; б – часть отсека с контейнером для скафандров и 1 – крышка люка-лаза; 2 – телекамера «Аполлона»; 3 – светильник телекиноосвещения; 4, 9 – телекамеры; 5 – аптечка, шлемофон; 6 – контейнер для пищи; 7 – контейнер для научной аппаратуры; 8 – инструменты, кабели для связи; 10 – панель управления системами;

11 – «сервант»; 12 – откидной столик; 13 – устройство сбора отходов; 14 – посадочный люк; 15 – контейнер для отходов; 16 – приемное устройство питьевой воды; 17 – поручень;18 – стыковочный агрегат; 19 – газоанализатор; 20 –декоративная обшивка отсека; – контейнер для шлангов скафандров; 22 – иллюминатор; 23 – огнетушители; 24 – контейнер для укладки кинофотоаппаратуры, скафандров и спальных мешков; 25 – крышка «пола»; 26 – «диван»; 27 – распределительная коробка; 28 – контейнер для бортдокументации; 29 – рукоятка клапана системы наддува отсеков; 30 – светильник рабочего освещения Общий объем воздуха жилых помещений — 10 м3. Две жизненно важные системы дублированы: тормозная ДУ и парашютная система.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения.

1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, летно-технические характеристики космического корабля, устройство и принципы работы его основных подсистем: системы жизнеобеспечения экипажа, системы управления, двигательной установки, бортового оборудования;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. / Н.И. Паничкин, Ю.В. Слепушкин, В.П. Шинкин, Н.А. Яцынин. – М.: Машиностроение. 1986.

2. Методическая записка к лабораторной работе по космическому кораблю «Союз».

3. Препарированный образец КК «Союз» в учебной лаборатории.

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ

МЕЖПЛАНЕТНОЙ СТАНЦИИ

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования автоматической межпланетной станции (АМС) на примере межпланетных станций «Вега»».

Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением препарированного образца АМС «Вега».

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах АМС. Раздел курса дисциплины – тема «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», раздел «Автоматические межпланетные станции».

1. Целевое назначение АМС 2. Технические характеристики АМС 4. Полезная нагрузка АМС 5. Компоненты и принципы работы системы управления АМС 6. Компоненты и принципы работы двигательной установки АМС 7. Состав бортового оборудования АМС 8. Состав научной аппаратуры АМС Основные положения.

Автоматические межпланетные станции «Вега» (название происходит от слов "Венера" и "Галлея") предназначены для изучения Венеры (впервые провели изучение атмосферы с помощью аэростатов) и кометы Галлея. Было изготовлено два идентичных аппарата: Вега-1 и Вега-2.

Компоновка АМС «Вега» показана на рис.1.

Станции серии «Вега» состоят из двух частей — пролтного модуля, массой около 2,5 тонн, и спускаемого аппарата, массой около 2 тонн. Спускаемый аппарат, в свою очередь, подразделялся на посадочный модуль и аэростатный атмосферный зонд. Общая масса станции в полностью снаряжнном состоянии составляет 4920 кг.

Данные с посадочных модулей ретранслировались на Землю через пролтные аппараты, а с аэростатных зондов — непосредственно на 60-70-метровые антенны, расположенные на территории ряда государств, в том числе СССР и США.

На пролтном модуле (рис.2) установлены следующие научные приборы:

телевизионная система;

инфракрасный спектрометр;

трехканальный спектрометр 0,3-1,7 мкм;

пылеударный масс-спектрометр для исследования химического состава пылевых частиц;

три счтчика пылевых частиц;

спектрометр кометной плазмы;

спектрометр энергичных частиц;

измеритель нейтрального газа;

анализатор плазменных волн высокочастотный;

анализатор плазменных волн низкочастотный.

Посадочный модуль (рис.3) был оборудован следующими научными приборами:

датчики для измерения температуры и давления атмосферы (СССР);

спектрофотометр для исследования атмосферы Венеры (СССР, Франция);

газовый хроматограф для изучения химического состава атмосферы и облачного слоя Венеры (СССР);

прибор для изучения элементного состава аэрозоля облаков (СССР);

спектрометр для получения данных об аэрозольном слое облаков Венеры (СССР);

масс-спектрометр для исследования облаков (СССР, Франция);

измеритель влажности для определения содержания водяных паров в атмосфере (СССР);

спектрометр с грунтозаборным устройством для рентгенофлюоресцентного анализа состава пород венерианского грунта (СССР);

гамма-спектрометр для определения в венерианских породах содержания естественных радиоактивных элементов — урана, тория, калия (СССР);

прибор для определения физико-механических свойств поверхностного слоя грунта с маленькой буровой установкой (СССР).

Для изучения состава грунта посадочный модуль располагает маленькой буровой установкой.

Аэростатный зонд нсет аппаратуру для измерения метеорологических параметров (датчики температуры, давления, скорости ветра, плотности облачности, световых вспышек) и оборудован гелиевыми баллонами для многочасового дрейфа в атмосфере Венеры.

«Вега-1» и «Вега-2» стартовали 15 и 21 декабря 1984 с помощью ракеты «Протон».

Через 6 месяцев полта аппараты преодолели 500 млн. км и приблизились к Венере.

9 и 13 июня 1985 от «Веги-1» и «Веги-2» были отделены спускаемые аппараты, которые 11 и 15 июня при входе в атмосферу разделились на посадочные модули и аэростатные зонды.

В процессе снижения посадочных модулей измерялись характеристики облачного слоя и химического состава атмосферы. Была измерена концентрация серной кислоты в облаках, а также обнаружено присутствие серы, хлора и, вероятно, фосфора. Плотность облаков оказалась невысокой (по земным меркам), концентрация была максимальна в двух слоях, имеющих ширину 3 — 5 км и расположенных на высотах 50 и 58 км.

Посадочные модули совершили мягкую посадку на ночную сторону Венеры в районе равнины Русалки.

Посадка модуля «Веги-2» была впервые совершена в высокогорном районе, поэтому анализ грунта в этом месте представлял особый интерес. После посадки были осуществлены заборы грунта и проведены измерения рентгенофлюоресцентных спектров венерианской породы.

Гамма-спектрометры «Вег», предназначенные для измерения содержания урана, тория и калия в венерианских породах, начали работать во время спуска посадочных модулей на высоте 25 км и функционировали вплоть до окончания работы аппаратов. В обеих точках, где произвели посадку модули, обнаружены породы с относительно невысокими содержаниями естественных радиоактивных элементов.

Аэростатные зонды произвели снижение на парашютах и после наполнения их оболочек гелием начали дрейф в атмосфере планеты на высоте 50-60 км, проводя измерения метеорологических параметров.

Давление на этой высоте составляло 0,5 атм., а температура 40 °C.

Данный облачный слой является наиболее плотным в атмосфере Венеры, и в нм, как предполагалось, наиболее отчетливо должна проявляться суперротация атмосферы Венеры — глобальное вращение атмосферы с востока на запад. Каждый зонд проработал около 46 часов и за это время пролетел под действием ветра около 12 тыс. км со средней скоростью 250 км/ч, измеряя вдоль трассы полета температуру, давление, вертикальные порывы ветра, дальность видимости в облаках, среднюю освещенность и следя за наличием световых вспышек. Первый зонд дрейфовал вдоль экватора в северном полушарии, второй — в южном.

Данные зондов показали наличие очень активных процессов в облачном слое Венеры, характеризующихся мощными восходящими и нисходящими потоками. Когда зонд «Веги-2» пролетал в районе Афродиты над вершиной высотой 5 км, он попал в воздушную яму, резко снизившись на 1,5 км. Оба зонда обнаружили на ночной стороне вариации освещенности и световые вспышки, то есть грозовые разряды. Аэростатный эксперимент позволил получить новую, уникальную информацию об атмосфере планеты.

Изучение кометы Галлея «Веги» и комета Галлея двигались на встречных курсах и скорость сближения превышала 70 км/с. Если бы аппараты опоздали хотя бы на час, то отклонение при сближении составило бы порядка 100 тыс. км. Трудность состояла ещ и в том, что заранее невозможно было рассчитать траекторию движения кометы с необходимой точностью. Уточнение орбиты кометы продолжалось вплоть до прохождения «Вег» мимо е ядра. Благодаря информации, полученных от «Вег», удалось более точно подвести к комете европейский аппарат «Джотто» (на расстояние около 600 км).

6 и 9 марта 1986 «Веги» прошли на расстоянии 8890 и 8030 км от ядра кометы.

«Веги» передали около 1500 снимков внутренних областей кометы Галлея и ее ядра, информацию о пылевой обстановке внутри кометы, характеристиках плазмы, измерили темп испарения льдов (40 тонн в секунду в момент пролта «Вег») и другие данные.

Изображения ядра кометы были получены впервые в истории. Кроме того, аппараты обнаружили наличие сложных органических молекул.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, технические характеристики АМС, устройство и принципы работы его основных модулей и систем;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Новиков В.Н., Вейтин В.Е. Введение в ракетно-космическую технику. – М.:

2. Методическая записка к лабораторной работе по АМС «Вега».

3. Препарированный образец АМС «Вега» в учебной лаборатории.

ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

КОНСТРУКЦИИ ОТСЕКОВ КОРПУСА

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций отсеков корпусов космических и атмосферных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории кафедр 601 и 602 с привлечением препарированных образцов ракет различных классов.

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения конструкций отсеков корпусов космических и атмосферных летательных аппаратов различных классов. Раздел курса дисциплины – тема «Конструкции космических летательных аппаратов», раздел 2.1 «Конструкции корпуса»

1. Возможные конструктивно-силовые схемы корпусов 2. Состав, назначение и работа силовых элементов 3. Возможные технологические концепции корпусов 4. Стыки отсеков 5. Области применения конструкций 6. Исследование несущей способности панелей корпусов аэрокосмических ЛА при комплексном воздействии тепловых и силовых нагрузок (см. раздел «Описание выполнения экспериментов по исследованию несущей способности плоских и оболочечных конструкций аэрокосмических ЛА на специализированном учебно-научном оборудовании – экспериментальной установке «Импульс-1») Назначение корпуса – размещение в его отсеках различного оборудования, топлива, полезной нагрузки и во многих случаях двигательной установки. Вместе с тем корпус – это силовая основа для крепления бортового оборудования и внешних агрегатов ЛА – крыла, оперения, двигателей, шасси, антенн, солнечных батарей и других устройств. В силовом отношении корпус представляет собой сильно нагруженную конструкцию.

Обобщенной характеристикой корпуса является его конструктивная схема, отражающая взаимное положение основных силовых элементов конструкции (обшивки, продольного и поперечного силового набора), которые воспринимают нагрузки, действующие на корпус; их конструктивное оформление; методы изготовления и соединения между собой этих элементов. По силовой схеме и конструкции корпус является наиболее сложным агрегатом конструкции ЛА.

Конструктивные схемы корпусов летательных аппаратов можно разделить на ферменные, балочные и смешанные (ферменно-балочные). Для космических аппаратов наиболее часто применяются балочные корпуса и стержневые конструкции – фермы, зачастую лишенные оболочки. Тот или иной тип корпусной конструкции выбирается из соображений минимума ее массы при удовлетворении известных эксплуатационных требований и требований технологического характера.

Конструкция балочного корпуса состоит из жесткой обшивки, продольного набора (лонжеронов и стрингеров) и поперечного набора – шпангоутов.

Обшивка образует форму отсека, ограничивает его внутренний объем, при необходимости защищая его от воздействия факторов окружающей среды. Как самостоятельный силовой элемент обшивка работает на растяжение, в частности, от внутреннего давления.

В сочетании с силовым набором обшивка воспринимает и передает на элементы силового набора практически все виды воздействующих нагрузок и напряжений. Относительный вклад обшивки в работу конструкции корпуса в этих случаях зависит от толщины обшивки, частоты силового набора, характера соединения между обшивкой и элементами набора.

Стрингеры — продольные элементы, подкрепляющие обшивку — воспринимают совместно с обшивкой осевые нагрузки и изгибающие моменты, действующие на отсек. В частности, при воздействии сжимающих нагрузок они благодаря развитой форме поперечного сечения существенно повышают критические напряжения потери устойчивости обшивки. Помимо осевых усилий стрингеры через обшивку воспринимают и распределенные поперечные нагрузки, например от внешнего аэродинамического давления; при этом шпангоуты служат опорами для стрингеров.

Лонжероны — мощные продольные элементы силового набора, воспринимающие сосредоточенные продольные и изгибающие нагрузки большой интенсивности (например, от узлов крепления двигателей, смежных отсеков и агрегатов), а также обеспечивающие усиление корпуса в местах вырезов, равноценное ненарушенным зонам.

Шпангоуты в конструкциях КЛА бывают, как правило, замкнутые, кольцевые. По назначению различают: торцевые (стыковочные) шпангоуты, подкрепляющие край отсека корпуса и обеспечивающие надежное соединение его со смежными конструкциями, и промежуточные, подкрепляющие обшивку на участке между торцевыми шпангоутами и обеспечивающие сохранение формы поперечного сечения отсека. В корпусах, работающих на сжатие и изгиб, промежуточные шпангоуты позволяют повысить общие критические напряжения потери устойчивости за счет уменьшения длины участка между опорами.

Все балочные корпуса в зависимости от степени участия в силовой работе отдельных элементов можно подразделить на лонжеронные и стрингерные (корпуса типа полумонокок) и бесстрингерные (корпуса типа монокок), рис.1.

В лонжеронных конструкциях (рис. 1а) состоящих из обшивки мощных лонжеронов и слабого набора стрингеров и шпангоутов, изгибающий момент и осевая сила воспринимается преимущественно продольными элементами, а сравнительно тонкая обшивка работает на сдвиг от перерезывающей силы и крутящего момента. Такие силовые схемы могут быть использованы в конструкции приборных отсеков, отсеков для размещения целевого груза, отсеков с двигательной установкой. Они часто имеют различные вырезы (люки) больших и малых размеров для подходов к оборудованию при монтажных и проверочных работах. Чтобы исключить ослабление жесткости оболочки и уменьшить концентрацию напряжений в зоне вырезов, люков, их окантовывают соответствующим подкреплением. Для восприятия и передачи значительных сосредоточенных осевых сил (например, от узлов подвески двигателя) лонжеронная схема может оказаться в ряде случаев наиболее целесообразной.

Стрингерный корпус (см. рис. 1б) выполняется в виде тонкостенной оболочки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами. Изгибающий момент и осевая сила воспринимаются в основном стрингерами. Обшивка, придавая корпусу заданные обводы, воспринимает местные нагрузки, перерезывающую силу и крутящий момент, участвует совместно со стрингерами в восприятии изгибающего момента. Благодаря подкреплению она работает с высокими напряжениями сжатия и сдвига. По такой схеме могут быть выполнены хвостовые, приборные и баковые отсеки корпуса при помощи заклепочных, сварных, клеевых и клеесварных соединений. В стрингерной конструкции корпуса также применяют монолитные прессованные или горячештампованные панели и оболочки, когда обшивка выполняется заодно с силовым набором.

Самые простые по конструкции — бесстрингерные корпуса из однородного металлического или неметаллического материала — однослойные монококи. Они состоят лишь из двух элементов: обшивки и шпангоутов (рис. 1в), причем во многих случаях шпангоуты используются только для стыковки отсеков корпуса, а нормальные шпангоуты оказываются излишними. Все внешние силовые факторы (поперечные силы, изгибающий и крутящий моменты) воспринимает обшивка, т. е. на нее перекладываются функции стрингеров (лонжеронов). В местах выреза обшивки и в местах приложения сосредоточенных нагрузок в таких корпусах устанавливают стрингеры или другие усиливающие элементы.

Обшивка может быть изготовлена из листа, литьем вместе со шпангоутами или методом прессования. В настоящее время наряду с металлическими находят широкое применение отсеки корпусов из различных неметаллических материалов. Их изготовляют намоткой или методом прессования в разъемных пресс-формах.

Основное применение такие конструкции находят на ЛА малых диаметров. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра критические напряжения потери устойчивости оболочки уменьшаются. При больших значениях диаметра материал такой конструкции работает с невысокой отдачей и ее масса возрастает.

Более высокой несущей способностью (при той же массе) обладают бесстрингерные конструкции с многослойной обшивкой — многослойные монококи (см. рис. 1г).

Обычно применяют трехслойные обшивки, состоящие из двух разнесенных тонких несущих слоев из прочного материала (металла или пластика), соединенных между собой сравнительно малопрочным, но легким заполнителем. В качестве заполнителя используются пенопласты и ребристые конструкции – соты, гофры из пластиков, алюминиевой или стальной фольги и др. Преимуществом трехслойных конструкций является их высокая жесткость, гладкая поверхность, незначительная масса. По сравнению с наборными (каркасными) конструкциями выигрыш может достигать 15–20%. Однако по надежности и технологичности они пока еще уступают наборным конструкциям.

Технологические концепции балочных корпусов.

Основные отсека корпуса определяются в большой степени способом соединения элементов, образующих конструктивно-силовую схему и в первую очередь способом соединения обшивки с силовым набором. Для традиционных корпусов, имеющих металлическую листовую обшивку и металлический силовой набор, наибольшее практическое применение имеет соединение их между собой с помощью клепки и сварки.

К прогрессивным конструктивно-технологическим решениям относят конструкции в виде монолитных секций (ребристых или вафельных секций) (рис. 2), которые применяются с целью уменьшения количества соединений, улучшения совместности восприятия нагрузок обшивкой и подкрепляющим набором и, следовательно, уменьшения массы конструкции в сильнонагруженных корпусных конструкциях. В монолитных секциях обшивка и подкрепляющие ее ребра жесткости представляют единое целое. Они чаще всего изготавливаются из толстых плит методами химического фрезерования, электрохимической обработки или механической обработкой.

К прогрессивным решениям относят также гофрированные обшивки (рис. 3). Они обладают хорошей эффективностью по массовым характеристикам в конструкциях, работающих на сжатие и изгиб, вследствие того, что гофрированный лист имеет значительно больший момент инерции относительно средней линии обшивки, чем гладкий лист той же толщины, в то время как масса его увеличивается в сравнении с гладким листом незначительно. Гофрированные обшивки технологичнее, чем монолитные, и обеспечивают лучшее использование металла, так как изготавливаются из плоского листа путем его гибки или штамповки.

Трехслойные обшивки с заполнителем эффективны в корпусных конструкциях, работающих на внешнее давление, сжатие при условии обеспечения достаточно прочного соединения между несущими слоями и заполнителем, а также при повышенных требованиях к жесткости обшивки (сохранению формы под нагрузкой). Обеспечивается это тем, что сравнительно тонкие несущие слои из высокопрочного материала, разделенные существенно более толстым слоем заполнителя, в качестве которого используются обычно материалы или конструктивные элементы низкой плотности, образуют конструктивную систему, имеющую момент инерции сечения значительно больший, чем однослойная обшивка такой же массы. Благодаря большому моменту инерции такие обшивки имеют высокие критические напряжения устойчивости, а также хорошую прочность и жесткость на изгиб. Они хорошо работают и на сдвиг.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в процессе ее выполнения:

1. Лабораторная работа проводятся в учебных лабораториях.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекционный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить конструкции отсеков корпуса КЛА;

разработать эскиз конструкции отсека корпуса КЛА;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется следующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. / Н.И. Паничкин, Ю.В. Слепушкин, В.П. Шинкин, Н.А. Яцынин. – М.: Машиностроение.

Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппаратов. Учебник. – М.: Машиностроение. 1991.

2. Методическая записка к лабораторной работе по конструкциям корпусов ЛА.

3. Альбомы конструкций ЛА (в методическом кабинете).

4. Препарированные КЛА в учебной лаборатории каф.601.

5. Фрагменты конструкций корпусов ЛА в учебной лаборатории.

КОНСТРУКЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение конструкций РДТТ космических и атмосферных летательных аппаратов. Проводится в лаборатории кафедр 601 и 602 с привлечением образцов РДТТ космических аппаратов и ракет различных классов.

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекционных занятиях, на примере изучения конструкций ракетных двигателей твердого топлива космических и атмосферных летательных аппаратов различных классов. Раздел курса дисциплины – тема 3 «Конструкции двигательных установок космических ЛА», раздел 3. «Ракетные двигатели твердого топлива»

1. Возможные компоновочные и конструктивно-силовые схемы РДТТ 2. Состав и назначение элементов конструкции РДТТ 3. Возможные технологические концепции 5. Области применения конструкций Основные положения.

Конструкция РДТТ представляет собой высокопрочную емкость, состоящую из камеры сгорания, в которой размещается топливный заряд, и соплового блока (с одним или несколькими соплами), через который истекают высокотемпературные газы, образующиеся при горении топливного заряда. Для осуществления воспламенения топливного заряда в камере размещается воспламенитель из быстрогорящего пиротехнического состава, обеспечивающего нагрев и возгорание топливного заряда. Типовая конструктивная схема РДТТ показана на рис.1.

Рис. 1. Конструктивная схема РДТТ с одноканальным зарядом:

1 – переднее днище; 2 – корпус двигателя; 3 – заряд топлива; 4 – заднее днище;

5 – сопло; 6 – графитовый вкладыш; 7 – диафрагма; 8 – воспламенитель; 9 – электрозапал Конструктивно-компоновочные схемы РДТТ. В зависимости от программы тяги РДТТ по времени различают:

– двухрежимные и двухкамерные РДТТ (рис. 2), в которых одна из камер может включаться по дополнительной команде и создавать необходимый в конкретный момент импульс тяги;

а – однокамерный; б – однокамерный с двухпозиционным соплом; в – двухкамерный с промежуточным соплом; г – двухкамерный с промежуточным днищем и газоводом – РДТТ многократного включения (рис. 3);

Рис. 3. Схема РДТТ многократного включения с многосекционным зарядом:

1 – секция заряда; 2 – термоизоляционные перегородки; 3 – воспламенитель первой секции; 4 – система повторного воспламенения заряда – командное управление тягой РДТТ, которое достигается либо изменением расхода продуктов сгорания через сопло двигателя путем дискретного регулирования площади критического сечения сопла Fкр и давления в камере двигателя рк либо регулированием скорости горения твердых топлив.

По принципу работы устройства управления вектором тяги РДТТ по направлению можно разделить на следующие группы:

– устройства, отклоняющие сверхзвуковой поток в сопле и за его пределами механическими средствами (газовые рули, управляющие щитки (интерцепторы), поворотные кольцевые рули и насадки (дефлекторы);

– устройства, отклоняющие сопла (поворотные, качающиеся, разрезные и вращающиеся управляющие сопла);

– устройства с инжекцией жидкости или газа в сверхзвуковую часть сопла (инжекционные сопла).

Конструкции соединения обечайки и днищ. Обязательным элементом конструкции РДТТ являются стыковые узлы, основными из которых являются узлы для соединения обечайки и днищ. На практике наибольшее применение находят сварные, резьбовые, болтовые соединения и соединения с помощью гибкой рейки.

Самым экономичным, простым и надежным является сварное соединение. Оно технологичнее и легче любого разъемного соединения. Однако его нельзя рассматривать как универсальное хотя бы по той причине, что соединение одного из днищ с обечайкой часто бывает разъемным. Разновидности разъемных соединений приведены на рис. 4, 5.

Резьбовые соединения (рис. 4а) включают следующие элементы: шпангоут 3; переднее днище 6 или сопловой блок; обечайку камеры сгорания 4; смежный отсек 1, анкерные гайки 2, уплотнительную прокладку 5.

Рис. 4. Соединение днища и обечайки: а – резьбовое, б – фланцевое Резьба не герметизирует соединение и не обеспечивает требуемую точность по перекосу осей соединяемых элементов. Для герметизации применяют уплотнительные прокладки, а для повышения точности делаются цилиндрические пояски, обработанные по допускам 7-го или 8-го квалитета. Этим обеспечивается хорошая соосность соединяемых элементов конструкции, уменьшается эксцентриситет тяги. Наиболее часто соединения такого вида применяются для двигателей сравнительно небольших диаметров (D < мм).