Исследование уральских ученых поможет избежать внезапного разрушения стеклопластиковых деталей космических кораблей

На фото: главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор Политехнического института ЮУрГУ Сергей Сапожников

В ходе исследования, проведенного сотрудниками Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) и Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), была установлена и проанализирована деформация полимерных композитов при повторяющихся нагрузках, которые испытывают многоразовые летательные аппараты.

Результаты работы уральских исследователей помогут сократить длительность и стоимость испытаний современных материалов и предотвратить внезапные поломки деталей аэрокосмических систем.

В производстве современной аэрокосмической техники уже не обойтись без полимерных композитных материалов. Это многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной прочными наполнителями. Компонентами в них выступают самые разнообразные материалы — металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и так далее.

Композиты выдерживают нагрузки космических полетов (высокие температуры, давление, глубокий вакуум, ударное воздействие микрочастиц и др.), снижают вес ракеты или космического корабля, сокращают расход топлива. Однако циклическая (повторяющаяся) нагрузка на конструкции приводит в конечном счете к накоплению микроповреждений до критического уровня и усталостному разрушению композита.

«Процесс микроповреждений в полимерных композитах весьма сложен: повреждение распределено по всему образцу, а не локализовано в небольшом объеме, как в металлах. Среди современных конструкционных авиационных материалов полимерные композиты занимают особое место благодаря своей малой плотности, высокой жесткости и прочности. Конструкции летательных аппаратов характеризуются цикличностью нагрузки: взлет, приземление, маневрирование и вибрации. Поэтому с конструкциями при экспериментальной отработке агрегатов, кроме статических прочностных проверок, проводятся многоцикловые (106–107 циклов) и малоцикловые (103–104 циклов) испытания. С появлением многоразовых космических аппаратов и возвращаемых ракет-носителей потребность в исследованиях усталости материала при ультрамалоцикловом нагружении (менее 100 циклов) увеличилась», — рассказывает главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор Политехнического института ЮУрГУ Сергей Сапожников.

Исследователи изучили статическую прочность и ультрамалоцикловую усталость армированного композита СТЭФ. Испытания показали прогрессирующее одностороннее накопление деформаций и изменение жесткости образца. Это связано с двумя процессами: выпрямлением волокон в изначально регулярно искривленных нитях тканевого композита и накоплением микроповреждений — локальными расслоениями и разрывами наиболее нагруженных волокон.

«Мы впервые показали, что ультрамалоцикловое нагружение характеризуется вполне измеряемыми усталостными явлениями, и необходимо снижать нагрузки, чтобы исключить неожиданные поломки. Показано, что использование при проектировании ответственной техники коэффициента безопасности на уровне 1,5 может обеспечить сохранение прочности при ультрамалоцикловом нагружении. При проектировании обычных (одноразовых) ракет коэффициенты безопасности, как правило, ниже. В связи с этим циклическое повторение такого уровня полетных нагрузок может привести к внезапному разрушению ракеты и потере ценного груза», — уточнил Сергей Сапожников.

Как отметил ученый, раньше при оценке циклической долговечности использовали кривые усталости (зависимости числа циклов до разрушения от прикладываемой нагрузки (напряжения)), получаемые при массовых испытаниях образцов по различным программам нагружения, что представляет собой весьма недешевый и долгий процесс.

Кроме того, при замене технологии производства композита или полимерной матрицы на аналог от другого поставщика программу усталостных испытаний приходилось повторять. Физически обоснованные математические модели разрушения композитов позволят резко сократить объем испытаний без потери качества прогнозов.

По словам исследователей, многоразовые аэрокосмические системы, созданные с применением композитных материалов, должны быть легкими, прочными и безопасными в работе. При их проектировании необходимо учитывать ограниченную долговечность деталей под циклической нагрузкой, накопление рассеянных микроповреждений и постепенное снижение жесткости.

Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Composite Structures (Q1).

Отметим, что ЮУрГУ выступает региональным проектным офисом Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня. Создание и развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня проходят в рамках реализации Минобрнауки России национального проекта «Наука и университеты».