Отдел СМ1-8 Лаборатория композиционных материалов

Основное направление наших исследований – разработка и внедрение наукоемких технологий в сфере производства изделий из композитных материалов, и, прежде всего, для ракетно-космической отрасли.

Первое направление – разработка методов расчетного анализа, алгоритмов и компьютерных программ проектных и поверочных расчетов композитных изделий различной структуры. Это позволяет использовать для проведения исследований собственные расчетные методики и программное обеспечение. Во многих случаях это позволяет решать проблемы, которые не могут решить предприятия, хорошо оснащенные стандартными западными программными продуктами. Следует отметить программы для решения задач оптимального проектирования, а также учет различных специфических особенностей, присущих современным композитам.

Графики свойств композита

К числу основных направлений отдела относятся: расчет, проектирование и экспериментальная отработка (в кооперации с предприятиями ракетно-космической отрасли) композитных несущих конструкций в виде стержневых систем, платформ, панелей и оболочек различной структуры.

За прошедшие годы с нашим участием проведена разработка и последующая модернизация композитных обтекателей и отсеков ракет-носителей «Протон» и «Рокот», а также различных спутниковых композитных конструкций.

Платформа космического оптического модуля, изготовленная ОНПП "Технология" для НПО им. С.А. Лавочкина

Для основных типов композитных отсеков ракет – трехслойных, сетчатых и интегральных панельных – разработаны расчетные методики и программы оптимального проектирования, учитывающие различные механизмы исчерпания несущей способности композитных оболочек. Отработаны приемы сравнительного анализа оптимальных конструкций различных конструктивных схем.

Трехслойные сотовые конструкции

Сетчатые композитные конструкции

Интегральные панельные конструкции

Важное направление наших работ – разработка нестандартных методик экспериментального исследования композитных материалов и конструкций, а также методик экспериментального подтверждения характеристик и аттестации новых композитных изделий. Для этого Лаборатория располагает необходимым оборудованием и опытными специалистами.

Следует отметить уникальную установку для определения свойств материалов при сверхвысоких давлениях (до 5000 атм.), показанную на рисунке ниже.

В необходимых случаях испытательные стенды и оборудование мы разрабатываем сами под собственные экспериментальные методики, как, например, стенд для определения диссипативных характеристик композитных материалов и элементов конструкций или приведенный стенд для определения характеристик композитных элементов конструкций при одностороннем нагреве.

Установка для определения свойств материалов при сверхвысоких давлениях (до 5000 атм.)	Стенд для определения характеристик композитных элементов конструкций при одностороннем нагреве

Важно отметить, что разрабатываемые методики позволяют определять свойства композитных материалов непосредственно на фрагментах конструкций, изготовленных по штатной технологии. Это большая проблема при исследованиях свойств композитов, когда бывает невозможно изготовить стандартные образцы по той же технологии, которая будет применяться в штатном изделии.

Среди наших работ следует выделить разработку и экспериментальную отработку композитных баллонов давления различного назначения и типоразмеров. Лаборатория занималась как наземными баллонами из дешевого стеклопластика, так и баллонами высокого весового совершенства для изделий Роскосмоса.

Баллоны давления различного назначения и типоразмеров

Основной проблемой, стоящей сегодня перед разработчиками композитных баллонов, является не столько создание легкой и прочной силовой оболочки (это на сегодняшний день вполне достижимо), а обеспечение заданной степени газонепроницаемости герметизирующей оболочки – лейнера. Для этого мы работали прежде всего с полимерными лейнерами различных типов и технологий.

Полимерные лейнеры

Для изготовления композитных баллонов имеется специальный технологический участок, в который входят сферонамоточный станок, станок радиально-перекрестной намотки и препреговая установка. Нами спроектированы и изготовлены необходимые приспособления, в том числе разборные оправки для намотки. В текущем году предполагается покупка нового намоточного оборудования.

Станок радиально-перекрестной намотки	Препреговая установка
Разборные оправки для намотки	Разборные оправки для намотки

Процесс отработки композитных баллонов включает в себя разработку экспериментальных методик для композитных баллонов. На рисунках ниже показаны основные экспериментальные методики и используемые в них экспериментальные стенды, созданные в Лаборатории Композитов.

Еще одним направлением работ нашего коллектива в последние годы было проектирование и экспериментальная отработка композитных изделий с экстремальными свойствами, и, прежде всего – размеростабильных несущих конструкций космической техники. К таким конструкциям относятся крупногабаритные космические антенны, платформы и штанги для размещения высокоточной аппаратуры, корпуса спутниковых телескопов и фотоаппаратов. Во всех случаях основным фактором, определяющим работоспособность конструкции, является сохранение заданных размеров при изменении различных характеристик окружающей среды: влажности, радиации и прочих факторов космического пространства, но в первую очередь – температуры. На рисунках ниже показаны несколько размеростабильных конструкций, спроектированных и изготовленных с нашим участием космическими предприятиями России за последние годы.

Примеры размеростабильных конструкций, спроектированных и изготовленных с нашим участием космическими предприятиями России за последние годы

Нашим коллективом выполнены также большие работы, связанные с исследованием процессов демпфирования колебаний в композитных элементах конструкций. Разработана техническая теория демпфирования, получившая хорошее экспериментальное подтверждение.

Для композитных стержней, панелей и оболочек созданы теоретические модели и проведены экспериментальные работы, получившие внедрение при разработке методов шумозащиты композитных обтекателей РН «Протон».

Наконец, важным направлением наших работ является обеспечение подготовки специалистов в области механики и технологии композитных материалов и конструкций включая разработку специальных курсов, пособий, практикумов и программного обеспечения. Наша Лаборатория – часть учебного ВУЗа, и любая научная работа имеет побочным результатом повышение качества учебного процесса, внедрение новых тем теоретических курсов, практических занятий и лабораторных работ. Мы стремимся обучать наших студентов в соответствии с новейшими научными достижениями в области расчета, проектирования и производства композитных конструкций ракетно-космической техники. На рисунках ниже представлены некоторые учебные программы, разработанные в нашей Лаборатории.

Примеры учебных программ, разработанных в нашей Лаборатории