× Уважаемые клиенты! Вы можете воспользоваться старой версией сайта.
  • Статьи
  • Крепёж для космических аппаратов

08.08.2016 Крепёж для космических аппаратов
Крепёж для космических аппаратов

Хорошо известно, что любое сложное изделие чуть ли не на 50% состоит из крепёжных изделий. Более того, прочность, долговечность, функциональность аппаратов во многом зависит от качества и особенностей конструкции крепежа. А при работе в экстремальных условиях – например, в космосе – важность крепёжных изделий возрастает многократно!

Какими же свойствами должен обладать «космический крепёж»? Для ответа на этот вопрос, прежде всего, нужно рассмотреть особенности его работы в столь непростых условиях…



Экстремальные температуры

Первое, что приходит на ум при слове «космос» – это невесомость, пустота и адский холод! Действительно, для вакуума характерен абсолютный ноль температуры (-273 °С). Однако при проходе сквозь атмосферу оболочка космических аппаратов разогревается до тысяч градусов. То же самое происходит на орбите – периодически подставляя бока солнечным лучам, корпуса ракет или модулей космических станций мгновенно накаляются. В то время как на теневой стороне температура по-прежнему равна абсолютному нулю – вообразите, какие внутренние напряжения возникают в конструкции!

Таким образом, температурный перепад для крепежа космических аппаратов достигает сотен, или даже тысяч градусов. В то же время хорошо известно, что прочность и долговечность сталей при охлаждении сильно снижается. Характерный пример – трагедия «Титаника»: в холодных водах Атлантики низкокачественная сталь начала 20-го века не смогла обеспечить прочность корпуса столь большому судну. Если же крепёж функционирует при более низких температурах – требуются очень, очень качественная сталь!

Сборка космического аппарата Вибрация и долговечность

Для вывода космического аппарата на орбиту требуется огромная скорость – 7,9 км/с. Достичь её могут лишь многоступенчатые ракеты с жидкостно-реактивными двигателями (ЖРД). Очевидно, что при работе столь мощных агрегатов все элементы конструкции (и разгонного модуля, и головного, содержащего полезный груз) испытывают колоссальные динамические нагрузки. Таким же нагрузкам подвергаются и крепёжные элементы, которые обязаны выдерживать их не только без разрушения, но и без потери первичного натяга. Ни малейшей слабины – иначе герметичность и структурная целостность аппаратов будет нарушена!

Если суммировать температурную (см. предыдущий пункт) и динамическую нагрузки, крепёжные изделия поистине должны обладать «богатырской» выносливостью. И долговечностью, ведь некоторым элементам предстоит долгая работа в составе околоземных станций или полёт к другим планетам. А может и звёздам – вспомним «Вояджер-2», который к настоящему времени уже покинул Солнечную систему и является самым удалённым от дома рукотворным объектом за всю историю человечества!

«Локация» крепежа

Помимо экстремальных внешних условий, на крепёжные изделия космических аппаратов действуют различные «внутренние» нагрузки, обусловленные местом конкретного размещения. К примеру, стягивающие «половинки» модулей космических станций болты в полной мере подвержены воздействию внешней температуры. Сперва они раскаляются от трения в атмосфере, а потом охлаждаются в пустоте до абсолютного нуля. Плюс к этому, крепёж воспринимает растягивающие усилия от «распирающего» модуль внутреннего давления, равного земному атмосферному! Плюс дополнительные напряжения от силовых нагрузок на корпус…

Из этого следует, что «карьера» корпусного крепежа весьма непростая. Кроме высокой прочности он должен иметь значительную усталостную выносливость – да ещё в условиях сверхнизких температур!

В этом смысле «жизнь» крепёжных элементов ЖРД оказывается легкой. Несмотря на высочайшую температуру в камере сгорания и значительные вибрации, продолжительность работы разгонных ступеней не превышает пары минут (однако за это время первая ступень ракеты-носителя успевает поднять в воздух полезный груз на высоту 52 км!). И было бы ошибкой утверждать, что «самый крутой» крепёж для элементов ЖРД «играючи» подойдёт для крепления корпусных элементов. Наоборот – его низкая усталостная прочность (достаточная лишь для пары минут работы носителя!) делает непригодным для применения в сколько-нибудь ресурсных агрегатах.

Таким образом, об универсальности крепёжных изделий в рамках конструкции космического аппарата следует говорить весьма осторожно! Выбор должен осуществляется в строгом соответствии с условиями работы и свойствами самого крепежа.

«Диета» для крепёжных изделий

Одним из главных параметров космического аппарата является масса полезного груза, выводимого на орбиту. Совершенно очевидно, что данный вес тем больше, чем меньше (при прочих равных условиях) будет весить сам космический аппарат. В идеале он вообще должен состоять лишь из топлива, масса которого по мере выгорания становится нулевой. Кстати, этот принцип и лежит в основе конструкции многоступенчатых ракет – после выработки горючего пустые баки и двигатели сбрасываются, чтобы облегчить массу аппарата, который продолжает свой прорыв на орбиту.

Естественно, вес крепёжных изделий для космических аппаратов тоже должен быть минимальным. Однако это сразу идёт вразрез с требованиями прочности и долговечности. Какой самый простой способ повысить прочность болтового соединения? Конечно же, взять болт побольше (потолще и подлиннее)! Однако для космоса такой «лобовой» способ решения проблемы не подходит.

Также имеются ограничения на усложнения самого крепёжного узла. К примеру, замечательная вещь – стопорные шайбы. Если используются современные клиновые – гарантия от ослабления момента затяжки составляет практически 100%! Однако подобное утяжеление крепежа дополнительными элементами (и попутное снижение надёжности – из-за возможных ошибок при монтаже) не всегда допустимо…

Таким образом обеспечить малый вес крепёжных изделий можно лишь с помощью изменения их конструкции, применяемых материалов (с оговоркой на их выносливость в экстремальных условиях – см. выше) и типа самих элементов – к примеру, отказ от болтов в пользу заклёпок где только возможно.

Простота – залог надёжности

Предыдущее требование к «особой конструкции» (в том числе для снижения веса) идёт вразрез с ещё одним важным требованием к космическому крепежу – требованием простоты конструкции. Известная пословица гласит: «Всё гениальное – просто!». На практике это подтверждается очень часто: надёжными элементами практически всегда оказываются простые изделия. Оно и понятно, чем меньше «наворотов», не только в плане количества составных элементов, но и геометрической формы, тем ниже вероятность возникновения непредвиденных факторов (каких-нибудь температурных напряжений, соударения с соседними элементами и т.д.).

Поэтому в разгонных носителя и орбитальных космических аппаратах стараются не усложнять конструкцию крепёжных изделий, предпочитая простые и проверенные на практике решения (в том числе заимствованные из авиации).

Космические аппараты Ремонтопригодность и универсальность

«Философия» простоты крепёжных изделий оказывается плюсом для соблюдения ещё одного требования: универсальности и взаимозаменяемости. Хотя космические аппараты и являются эксклюзивными, высокотехнологичными изделиями, их выпуск осуществляется на обычных заводах. И может быть не только индивидуальным, но и мелкосерийным. Это означает, что требования унификации и стандартизации применимы и к «космосу». Например, первая ступень знаменитой ракеты-носителя Р-7, созданной при личном участии Сергея Павловича Королёва, имеет 32 двигателя. Которые в свою очередь несут на борту сотни и тысячи крепёжных изделий. Совершенно очевидно, что быстрое и качественное изготовление, сборка и обслуживание ракеты возможны только при максимальной унификации и стандартизации изделий – включая крепёжные.

Космический крепёж на практике

Подытожив вышеописанное, можно утверждать, что условия работы крепёжных изделий космических аппаратов поистине экстремальные. Однако ракеты летают, орбитальные комплексы работают многие годы, надёжно функционируют даже выработавшие свой ресурс межзвёздные станции (тот же «Воядржер-2»). Это означает, что «рецепт» надёжного крепежа всё-таки найден. И заключается он в следующем:

  • для элементов, работающих с большими нагрузками, но короткое время (разгонные блоки первой и второй ступеней ракет-носителей) применяются крепёжные элементы из высоколегированных сталей. В условиях сильных вибраций и высоких температур эти материалы на «короткой дистанции» обеспечивают достаточную прочность и выносливость. И хотя космический холод губителен для таких элементов, они просто «не доживают» до него!
  • для крепежа орбитальных модулей, работающих при абсолютном нуле температур, сталь в качестве материала неприменима. Все экстремальные условия космоса могут выдержать лишь титановые или молибденовые сплавы (к примеру, сплав TZM или Т2М – с дополнительным защитным покрытием на основе кремния и бора). Высокая удельная прочность и коррозионная стойкость позволяют применять молибденовые сплавы (TZM, TZC) даже в рабочих зонах ракетных двигателей;
  • резкий перепад температур (т.н. «тепловой удар») порой оказывается чрезмерным для механического крепежа любого вида. В этом случае (к примеру, для фиксации экранов тепловой защиты спускаемых аппаратов) остаётся применять только неразборные соединения (заклёпки). Или же прибегать к нанесению очень тонкого защитного покрытия, что достижимо лишь методами плазменного напыления.

Эти и другие методы повышения стойкости крепежа достаточно эффективны, но очень дороги. Во многом поэтому космический крепёж отличается от «земного» высоким качеством, точностью изготовления и трепетным отношением к монтажу. Только в этом случае крепёжные изделия оказываются способны достойно встретить экстремальные условия космических просторов!


Дата публикации: 08.08.2016
Материалы подготовлены специалистами компании «Трайв-Комплект».
Полное или частичное копирование содержимого возможно только после согласования с администрацией сайта по эл. почте info@traiv-komplekt.ru

Возврат к списку

Обратный звонок

Введите ваши данные и мы перезвоним вам