Робастное проектирование при изготовлении прецизионных антенных рефлекторов из полимерных композиционных материалов

резины и росту потерь органических веществ с отработанным воздухом на второй стадии.

Верхние границы температур обработки воздухом определяются допустимым уровнем уноса органических соединений с отработанным воздухом, который при 300 °С не превышает 1-2 вес.%.

Осуществление процесса при содержании резиновой крошки в исходной смеси ниже 10 % неэффективно с точки зрения переработки ее больших количеств, при содержании крошки более 40 % трудно гомогенизировать исходную смесь и продукт процесса содержит повышенное количество твердого наполнителя резины, сажи, что затрудняет его непосредственное использование в качестве битумного материала.

Разработанная технология и проведенные исследования на созданном экспериментальном образце установки позволяют оценить качество полученных новых модификаторов и битумов, которые имеют лучшие характеристики в сравнении с существующими и могут обеспечивать увеличение интервала пластичности, снижение температуры хрупкости, улучшение адгезионных свойств и растяжимости. Использование при изготовлении новых модификаторов резиновых чипсов относительно высокой крупности, а также тяжелых нефтяных остатков способствует низкой их себестоимости. Применение процесса термокрекинга при механическом воздействии является оптимальной технологией для получения высокоэффективных битумных вяжущих в виде крекинг-остатка.

Проведенные лабораторные исследования полученной экспериментальной партии продукции подтвердили работоспособность созданного оборудования.

Эффекты от внедрения результатов проекта:

- применение резинобитумных модификаторов позволит улучшить свойства битумов, характеризующие их качество: вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости, адгезии; позволит создавать новые марки битумов для различных климатических регионов России с необходимыми интервалами температур размягчения и хрупкости;

- технология получения битумных модификаторов минуя стадию измельчения отходов РТИ позволит до двух раз экономить энергоресурсы.

Проект выполнен в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».

Библиографические ссылки

1. Печеный Б. Г. Битумы и битумные композиции. М. : Химия, 2009. 255 с.

2. Поконова Ю. В. Краткий универсальный справочник. СПб. : Синтез, 2012. 345 с.

3. Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости. М. : Мир, 2010. 240 с.

4. Гохман Л. М. Улучшение рабочих характеристик дорожных битумов. М. : СоюздорНИИ, 1990. 37 с.

5. Полякова С. В. Применение модифицированных битумов в дорожном строительстве // Наука и техника в дорожной отрасли. 1991. № 1. С. 22.

6. Спейт Дж. Г. Химия и технологии нефти. Нью-Йорк : Марсель Деккер Инк., 2006. 491 с.

References

1. Baked B. G. Bitumy i bitumnye kompozitsii (Bitumen and bituminous composition) M.: Chemistry, 2009. 255 p.

2. Pokonova Y. Kratkiy univestal'nyy spravochnik (Short universal directory). St. Petersburg: IR. Synthesis, 2012. 345 p.

3. Wilkinson W. L. Nen'yutonovskie zhidkosti (Non-Newtonian fluids). Wiley, 2010. 240 p.

4. Gotkham L. M. Uluchshenie rabochih harakteristik dorojnyh bitumov (Improvement of performance characteristics of road bitumens) / L. M. Gokhman // M. : SouzdorNII, 1990. 37 p.

5. Polyakova S. V. Primenenie modificirovannykh bitumov v dorojnom stroitelstve (Application of the modified bitumens in road construction) / S. V. Polya-kova // Nauka i tekhnika v dorojnoy otrasli, 1991. № 1. P. 22.

6. Speight J. G. The Chemistry and technology of petroleum. New York : Marsel Dekker Inc. 2006. 491 p.

© Дроздов С. П., Вейсвер Т. Г., Кутаков В. В., 2013

УДК 678

РОБАСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНТЕННЫХ РЕФЛЕКТОРОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Е. А. Жирнова, М. Н. Банщикова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-таП: ezhinova@mail.sibsau.ru

Рассмотрены основные требования к антенным прецизионным рефлекторам. Показано, что отечественные рефлекторы отстают по ключевым характеристикам от зарубежных аналогов. Обоснованы причины применения полимерных композиционных материалов. Выделены основные проблемы изготовления рефлекторов из полимерных композиционных материалов. Рассмотрены преимущества применения робастного проектирования и инжиниринга качества для обеспечения требуемых характеристик антенных рефлекторов.

Ключевые слова: прецизионный антенный рефлектор, рабастное проектирование, инжиниринг качества.

Решетневскуе чтения. 2013

ROBUST DESIGN TO MANUFACTURE PRECISION REFLECTOR ANTENNA

OF POLYMER COMPOSITES

E. A. Zhirnova, M. N. Banshchikova

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia E-mail: ezhinova@mail. sibsau.ru

The basic requirements of precision antenna reflectors are presented. It is shown that domestic reflector is behind the key characteristics of their foreign counterparts. The reasons for applying polymeric composite materials are stated. The main problems to manufacture reflectors made of polymer composite materials are highlighted. The advantages in using robust design and engineering quality to ensure the required characteristics of the antenna reflectors are overviewed.

Keywords: precision antenna reflector, robust design, engineering quality.

Качество космических спутниковых систем напрямую зависит от точности исполнения отражающей поверхности рефлекторов и от деформаций их рабочих поверхностей. Основным направлением работ по созданию прецизионных антенных рефлекторов является повышение точности формы отражающей поверхности рефлекторов, увеличение жесткости и уменьшение массы для улучшения пользовательских свойств антенн космических аппаратов нового поколения.

Прецизионные антенные рефлекторы должны удовлетворять жестким требованиям по геометрической точности (отклонение от теоретического профиля при изготовлении СКО < 0,01-0,05 мм), размеро-стабильности в диапазоне температур от минус 160 °С до + 140 °С (СКО < 0,01-0,05 мм.); удельной массе 1,0 - 2,5 кг/м2; устойчивости к гигроупругим и гигроскопическим деформациям (СКО < 0,02 - 0,04 мм); высокой проводимости отражающей поверхности; устойчивости к ультрафиолетовому излучению и атомарному кислороду и прочим факторам космического пространства.

Сравнительный анализ антенн телекоммуникационных космических аппаратов (далее - КА) показывает заметное отставание по ключевым характеристикам от зарубежных аналогов (см. таблицу).

Сравнительные характеристики антенн телекоммуникационных КА

Параметр Отечественные объекты аналогичного назначения ОАО «ИСС» Зарубежные объекты аналогичного назначения EADS Launch Vehicles

Отношение массы рефлектора к площади, кг/м2 4,7 2,8

Отношение среднеквадратичного отклонения формы поверхности к диаметру рефлектора с учетом длины волны, Х/50  Б мм/м 0,2 0,1

В последнее время для таких конструкций стали применять полимерные композиционные материалы

(далее - ПКМ), имеющие малые коэффициенты линейного температурного расширения, высокие упруго-прочностные характеристики и малый вес по сравнению со стальными, алюминиевыми и титановыми сплавами, в первую очередь углепластик.

Применение именно высокомодульных углепластиков обусловлено тем, что они значительно превосходят прочие материалы по своим потенциальным возможностям при требованиях максимальной жесткости. А для таких конструкций, как раскрываемые антенны, фермы и панели для размещения высокоточной аппаратуры, качество, прежде всего определяется жесткостью, а не прочностью, так как на них действуют сравнительно небольшие нагрузки [1].

Главными недостатками конструкций из высокомодульных волокон является то, что углепластик склонен к влажностным деформациям, короблению от внутренних напряжений, а также подвержен растрескиванию полимерной матрицы, и только решение системного комплекса вопросов при проектировании и изготовлении способно минимизировать и предотвратить данные отклонения. Можно выделить следующие основные проблемы проектирования и изготовления прецизионных антенных рефлекторов из ПКМ: формо- и размеростабильность конструкции; геометрическая точность; предотвращение коробления, обусловленного влиянием остаточных напряжений и различного рода неравномерности свойств; минимизация влажностных деформаций (изменения формы при влагопоглощении); обеспечение устойчивости к воздействию факторов космического пространства при эксплуатации.

Важной особенностью является недостаточная изученность физико-химических свойств связующих, препрегов и ПКМ и необходимость разработок методик для проведение квалификационных испытаний в соответствии с мировыми стандартами ASTM, А1ТМ, Б^ BMS и др. [2]. Технический уровень изделий из ПКМ зависит от точности и оптимальности построения технологического процесса. Для управления характеристиками изделий, в том числе и точностными, необходимы модели, отражающие зависимость этих характеристик от технологических факторов (температуры, давления, времени выдержки, скорости нагрева и охлаждения и др.).

В зарубежной практике при создании объектов космической техники из ПКМ активно используют

робастное проектирование и инжиниринг качества [3; 4]. Робастность - это состояние, в котором характеристики технологии, процесса или продукции нечувствительны (в определенном диапазоне) к воздействию дестабилизирующих факторов (внешней среды или производственных), достигаемое при минимизации стоимости проектирования

Создание робастных антенных устройств основано на системной методологии обеспечения их качества при выборе концепции их построения, в ходе его схемотехнического, конструкторского и технологического проектирования, а также в ходе процесса производства антенных устройств с учетом использования средств активного контроля. Наиболее эффективными инструментами такого подхода являются робастное проектирование (методы Тагути) и наиболее новое его развитие - система Махаланобиса-Тагути, использующая идеи кластерного анализа в сочетании с робастным проектированием, а также структурирование функции качества. Робастное проектирование заключается в выборе варианта конструкции устройства и оптимизации параметров за счет уменьшения измеряемых вариаций технических характеристик в предположении о том, что эти технические характеристики настраиваются на номинальное или целевое значение.

Успешный опыт применения процедуры робастно-го проектирования и структурирования функций качества антенных устройств показан в монографии Семеновой Е. Г. «Основы моделирования и диагностики антенных устройств бортовых комплексов», где описан комплекс алгоритмов и программных средств моделирования сложнопрофильных элементов антенных устройств, выполненных из полимерных композиционных материалов [5].

Недостаточная проработанность указанной научно-технической проблемы требует исследования и формирования теоретико-методологического аппарата управления качеством антенных рефлекторов, включая процедуры структурирования функций качества, параметрического синтеза на этапе конструкторского и технологического проектирования, обеспечения робастности продукции. Разработка таких процедур может быть выполнена только путем создания рациональных процедур математического моделирования, отработки алгоритмов и комплексов программ, составляющих ядро системы автоматизации конструкторского и технологического проектирования со-

временной и перспективной ракетно-космической техники.

Библиографические ссылки

1. Смердов А. А., Буянов И. А., Чуднов И. В. Анализ оптимальных сочетаний требований к разрабатываемым углепластикам для крупногабаритных ракетно-космических конструкций. М. : Машиностроение, 2012. № 8.

2. Коган Д. И., Тимошков П. Н. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения. М. : Труды ВИАМ. 2013. № 4.

3. Catchpole J. E. The international space station : building for the future / Berlin : Springer, cop. 2008. XXIII. 389 c.

4. Comprehensive nanoscience and technology. Vol. 5: Self-assembly and nanochemistry / volume ed. Scholes Gregory D., Caruso Frank. 2011.

5. Семенова Е. Г. Основы моделирования и диагностики антенных устройств бортовых комплексов : монография. СПб. : Политехника, 2003. 186 с.

References

1. Smerdov A. A., Bujanov I. A., Chudnov I. V. Analiz optimal'nyh sochetanij trebovanij k razrabatyvaemym ugleplastikam dlja krupnogabaritnyh raketno_kosmicheskih konstrukcij // Mashinostroenie, 2012. № 8.

2. Kogan D. I., Timoshkov P. N. Sovremennye tehnologii proizvodstva polimernyh kompozicionnyh materialov novogo pokolenija. M. : Trudy VIAM. 2013. № 4.

3. Catchpole J. E. The international space station : building for the future / Berlin : Springer, cop. 2008. XXIII, 389 р.

4. Comprehensive nanoscience and technology. Vol. 5: Self-assembly and nanochemistry / volume ed. Scholes Gregory D., Caruso Frank. 2011.

5. Semenova E. G. Osnovy modelirovanija i diagnostiki antennyh ustrojstv bortovyh kompleksov: monografija / SPb. : Politehnika, 2003. 186 р.

© Жирнова Е. А., Банщикова М. Н., 2013

УДК 621.924.079

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПОЛИРОВАНИЯ ВОЛНОВОДНЫХ ТРУБ

В. В. Зверинцев, С. К. Сысоев, А. В. Сысоев, Л. В. Зверинцева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-таЛ: hopmxod007@mail.ru

Предложено использовать для полирования волноводных труб эластичный инструмент с наполненной абразивной смесью из каучука СКТ с фторопластом Ф4 и абразивными зернами.

Ключевые слова: волновод, каучук СКТ, полирование, инструмент.