Способ определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля

Изобретение относится к области безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля. Для определения пригодности полимерных композиционных материалов для применения по пожарной безопасности в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата предложен расчетно-экспериментальный метод с формулой для определения пределов горения полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы планеты при повышенной температуре полимерного композиционного материала. Для определения пригодности полимерных композиционных материалов для применения по прочности после пребывания элементов конструкций корпуса возвращаемого аппарата из полимерных композиционных материалов при высоких температурах и соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты предложен экспериментальный метод, включающий выдержку элементов из полимерных композиционных материалов в термобарокамере при температурах и соответствующих им давлениях, изменяющихся в термобарокамере в соответствии с законом изменения этих параметров, начиная с периода входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы и заканчивая периодом остывания корпуса возвращаемого аппарата после окончания его аэродинамического торможения, до момента достижения температуры, при которой не происходит термической деструкции связующего данного полимерного композиционного материала. Технический результат – получение более достоверных и точных данных. 5 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области обеспечения безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях космических летательных аппаратов, в частности в составе конструкций корпусов возвращаемых аппаратов (далее - ВА) пилотируемых транспортных космических кораблей (далее - ПТК), предназначенных для выполнения как околоземных, так и инопланетных полетов.

В 2015 г. сообщено, что ОАО РКК «Энергия» им. СП. Королева завершила техническое проектирование нового российского пилотируемого космического корабля. Предполагается, что к 2017 году должны будут начаться его летные испытания (РКК «Энергия» закончила работы над созданием нового космического корабля. Интернет: URL:http://vpk.name/news/82007_rkk_energiy_zakonchila_rabotyi_nad_sozdaniem_novogo_kosmicheskogo_korablya.html. Дата обращения в интернет от 21.11.2015.).

Указывается, что использование в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата данного пилотируемого транспортного космического корабля нового поколения углепластиков позволяет снизить массу конструкций возвращаемого аппарата корабля на 20-30%, что при массе ПТК, предназначенного для орбитальных околоземных полетов, равной 12 т, составляет существенную величину.

Созданные к настоящему времени профильными научно-производственными предприятиями России углепластики обладают уникальными свойствами - имеют модуль упругости 14-25 ГПа, прочность при сжатии 0,1 ГПа при плотности 1,6°г/см³ что делает применение углепластиков более предпочтительным при создании корпусов возвращаемых аппаратов, чем применение даже современных титановых сплавов.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) состоят из армирующего наполнителя (из стеклянных, углеродных, керамических) и связующего, в качестве которого используются полимерные смолы.

ПКМ отличаются высокой коррозионной стойкостью. Поэтому применение полимерных композиционных материалов позволяет увеличить срок эксплуатации, в частности, возвращаемых аппаратов пилотируемых транспортных космических кораблей.

В то же время, следует отметить, что корпус ВА ПТК при входе его в плотные слои атмосферы планеты нагревается до высокой температуры (Т_мат) - в пределах до 200°С и пребывает в нагретом состоянии в течение около 1 часа.

Указанный уровень температуры, как показывают исследования, близок к опасному значению, при котором возможно снижение прочности ПКМ из-за термического разложения или загорания связующего ПКМ. При этом возникает риск разрушения конструкционных элементов из полимерного композиционного материала, применяемого в составе корпуса ВА, под действием давления атмосферы в обитаемом гермоотсеке ВА и сил, возникающих в результате аэродинамического торможения ВА и ударных нагрузках во время его и возвращения на планету.

В этой связи разработка методологии определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях пилотируемых космических кораблей и, в частности, в составе конструкций корпуса возвращаемых аппаратов ПТК, является в настоящее время весьма актуальной задачей, решение которой необходимо в процессе развития отечественной пилотируемой космонавтики.

Вследствие происходящего нагревания до высокой температуры элементов конструкций корпуса возвращаемого аппарата ПТК при входе его в плотные слои атмосферы планеты возможно: повышение склонности к ПКМ горению и снижении прочности элементов конструкций корпуса ВА из ПКМ после их пребывания при высоких температурах и при соответствующих им по времени пониженных давлениях атмосферы планеты. В связи с этим, для решения поставленной задачи, потребовалось разработать:

а) экспериментальную методику определения пригодности полимерного композиционного материала по прочности после пребывания элемента конструкции корпуса возвращаемого аппарата из ПКМ при высоких температурах и соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты, изменяющихся в соответствии с законом изменения этих параметров в течение периода времени, начиная с момента входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, и заканчивая моментом достижения температуры поверхности элемента из полимерного композиционного материала при остывании корпуса возвращаемого аппарата после его возвращения на планету, значения, при котором не происходит термической деструкции связующего данного ПКМ;

б) расчетно-экспериментальную методику определения пределов горения полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы планеты при повышенной температуре полимерного композиционного материала и атмосферы около поверхности элемента из ПКМ.

Примечание: 1. Предел горения конструкционных неметаллических материалов (далее - КНМ), к которым относятся полимерные композиционные материалы, по концентрации окислительной атмосферы (далее - С_пр) характеризует их горючесть при различной концентрации окислителя в атмосфере при различных ее давлениях.

2. Применение КНМ в изделии считается возможным, если значение С_пр, для него, определенное при данном давлении атмосферы с помощью специальной методики с учетом коэффициента пожаробезопасности, не превышает концентрации окислителя (С_ок) в атмосфере планеты. Данное положение в общем случае - без привязки вопроса к условиям эксплуатации возвращаемых аппаратов пилотируемых транспортных космических кораблей - выражается условием пожаробезопасности:

где K_б - коэффициент пожаробезопасности, равный 1,05.

Работ с результатами аналитического и/или экспериментального определения и соответствующих методик определения пригодности конструкционных неметаллических материалов по прочности после пребывания элемента конструкции из КНМ при температурах и соответствующих им по времени давлениях газовой атмосферы, изменяющихся в соответствии с заданным законом изменения этих параметров во времени (по приведенному выше пункту «а»), не обнаружено.

Для достижения технического результата данного заявляемого изобретения по пункту «б» проанализированы научно-исследовательские работы, которые следует рассматривать в качестве аналогов заявляемого технического решения.

Результаты аналитического определения пределов горения КНМ по концентрации окислителя приведены в работе (Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов A.C. / О расчете предельных условий горения полимерных материалов. // В сб. научн. тр. «Пожарная профилактика». - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1977. - Вып.13. - С. 81-88). Для полимерных композиционных материалов большинство параметров, входящих в соотношения, полученные в данной работе, неизвестны, а их определение в необходимом объеме является крайне сложным и дорогостоящим.

Экспериментально изучено влияние условий применения КНМ на пределы их горения по концентрации окислителя.

Результаты изучения влияния конструкционных условий применения КНМ на пределы их горения по концентрации окислителя приведены в работе (Болодьян И.А., Мелихов А С.и др. / Исследование предельных условий горения твердых неметаллических материалов». // В сб. научн. тр. «Вопросы горения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.1. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1975. - С.3-14).

Результаты изучения влияния содержания в атмосфере водорода и других горючих газов на пределы горения КНМ по концентрации окислителя приведены в работах (Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С.и др. / О способности полимеров к горению в кислородно-азотной атмосфере, содержащей водород. // Экспресс-информация: «Пожарная опасность веществ и материалов». Сер.1. Вып. 88. - М.: ВНИИПО, 1977. - С.1-6; Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Третьяков В.А., Мелихов А.С. / О способности полимеров к горению в атмосфере, содержащей горючие газы. // В сб. научн. тр. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». - М.: ВНИИПО, 1979. - С.22-27).

Результаты изучения влияния вибрации на пределы горения КНМ по концентрации окислителя приведены в работе (Калинкин В.И., Потякин В.И., Мелихов А.С.и др. / Предельные условия газофазного горения полимерных материалов при вибрации. // В журн. «Физика горения и взрыва». 1989. №2. - С.47-49).

Результаты, полученные в приведенных работах не позволяют создать Расчетно-экспериментальную методику определения пределов горения полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы при повышенной температуре этих материалов и атмосферы около поверхности элемента из ПКМ.

Наиболее близким аналогом, взятым в качестве прототипа при разработке данного технического решения, является работа (Жевлаков А.Ф., Грошев Ю.М., Монахов Н.А., Ермакова И.С. / О предельных условиях горения полимеров в потоке нагретого газа. // «Химическая физика процессов горения и взрыва». Материалы 6-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Алма-Ата, 23 - 26 сентября 1980 г. - С.51-54). Это единственная из известных работ, в которой приведены зависимости значений С_пр, от температуры конструкционных элементов из полимерных материалов. Приведены экспериментальные зависимости значений С_пр, от Т_мат для 5-ти материалов, существенно отличающихся друг от друга по химическому составу, структуре и горючести, в том числе, для одного полимерного композиционного материала.

Данные указанной работы не могут в представленном виде обеспечить разработку расчетно-экспериментальной методики определения пределов горения вновь разработанных полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы при повышенной температуре элементов из полимерных композиционных материалов. Эти экспериментальные зависимости позволяют определять значения С_пр при повышенной температуре только для материалов, которые экспериментально испытаны, и для которых в указанной работе приведены зависимости значения С_пр от температуры материала.

Для того чтобы разработать расчетно-экспериментальную методику определения пределов горения вновь разработанных полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы при повышенной температуре необходимо выполнить обобщение указанных экспериментальных данных в формате, применение которого позволило бы обеспечить определение значения С_пр вновь создаваемых ПКМ при повышенной температуре с использованием доступных - стандартных параметров ПКМ.

Целью предполагаемого изобретения является разработка способа определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля при минимальной стоимости выполнения работ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля, включающем оценку предела горения полимерного композиционного материала по концентрации окислителя в атмосфере в условиях его практического применения, для обеспечения безопасности применения полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля, элементы которого подвергаются нагреванию после входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, снижение предела горения полимерного композиционного материала по концентрации окислителя в атмосфере планеты при температуре, до которой возможно нагревание поверхности элемента из полимерного композиционного материала, примененного в составе корпуса возвращаемого аппарата, определяется по формуле:

ΔС_пр=0,1927×ΔT_мат×(Q_мат)^-1,14,

где ΔС_пр - снижение величины предела горения по концентрации окислителя при повышении температуры элемента из данного полимерного композиционного материала на величину ΔТ_мат(К), % (об.); Q_мат - теплота сгорания полимерного композиционного материала в окислительной атмосфере планеты, МДж/кг, при этом теплота сгорания полимерного композиционного материала, имеющего армирующий наполнитель, негорючий при концентрации окислителя в атмосфере планеты, принимается равной теплоте сгорания связующего полимерного композиционного материала, а применение данного полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля по пожаробезопасности считается возможным при выполнении для него условия пожаробезопасности:

,

где - предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при температуре, до которой возможно нагревание поверхности элемента из полимерного композиционного материала во время входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, %; С_ок.пл -концентрация окислителя в атмосфере планеты, %; K_б - коэффициент безопасности; - предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при нормальной температуре, при выполнении для данного полимерного композиционного материала указанного условия пожаробезопасности, осуществляют выдержку фрагмента элемента конструкции корпуса возвращаемого аппарата из такого полимерного композиционного материала в термобарокамере при температурах поверхности фрагмента элемента конструкции корпуса и соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты, изменяющихся в термобарокамере в соответствии с законом изменения этих параметров в течение периода времени, начиная с момента входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, и заканчивая моментом достижения температуры поверхности элемента из полимерного композиционного материала при остывании корпуса возвращаемого аппарата после его возвращения на планету, значением, при котором не происходит термической деструкции связующего данного полимерного композиционного материала, затем, после определения прочностных характеристик элемента из полимерного композиционного материала, подвергшегося испытанию в термобарокамере, устанавливают отсутствие недопустимого снижения прочностных характеристик испытанного в термобарокамере элемента из полимерного композиционного материала, при этом количество выдержек элемента из полимерного композиционного материала в термобарокамере при ожидаемых температурах и соответствующих им по времени давлениях атмосферы, изменяющихся по закону изменения этих параметров в период возвращения возвращаемого аппарата на планету, при определении возможности безопасного применения полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля должно быть равно запланированному количеству использований данного возвращаемого аппарата с заканчивающимся орбитальным полетом.

Технический эффект, достигаемый заявляемым способом, заключается в том, что при его реализации выполняются условия безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля нового поколения, как по пожарной безопасности применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса ПТК, так и по прочности элементов конструкций корпуса ВА из ПКМ после их пребывания при высоких температурах и при соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты.

Способ определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 приведены зависимости пределов горения по концентрации кислорода - С_пр от температуры элемента из КНМ: 1 - углеродная ткань с содержанием водорода в макромолекуле, равном 0,8% (масс.); 2 - фторопласт-4 (политетрафторэтилен); 3 - ткань «Сульфон»; 4 - стеклопластик КАСТ-В; 5 - хлопчатобумажная ткань. На фиг. 2 приведена зависимость комплекса ΔС_пр/ΔТ_мат от величины теплоты сгорания материалов Q_мат, построенная по этим величинам для материалов: 6 - фторопласт-4 (политетрафторэтилен); 7 - стеклопластик КАСТ-В; 8 - хлопчатобумажная ткань; 9 - ткань «Сульфон»; 10 - углеродная ткань с содержанием водорода в макромолекуле, равном 0,8% (масс.); 11 - обобщающая зависимость комплекса ΔС_пр/ΔТ_мат от величины Q_мат. На фиг. 3а и 3б представлены моменты процесса горения элемента из углепластика на основе препрега марки КМКУ-3м.150.УОЛ.45 в камере сгорания 12 при определении предела горения углепластика по концентрации кислорода - С_пр; на фиг. 3а элемент 13 углепластика горит при значении С_ох, равном 29%, устойчиво-пламенем 14, до верхней границы, выгорает эпоксидное связующее ВСК-14-3; на фиг. 3б видно, что после выгорания связующего из углепластика остается твердый остаток 15 из не сгоревшей углеродной ленты УОЛ-300Р, упрочненной конденсированными продуктами термического разложения связующего, остаток имеет такие же размеры, что и элемент углепластика до горения; окончательное выгорание связующего в образце происходит в виде локальных очагов 16; видны последствия интенсивного выделения сажи при горении образца углепластика-сажей покрывается стеклянная стенка камеры сгорания 12. На фиг. 4, в качестве иллюстрации, показано изменение температуры поверхности элемента, входящего в состав корпуса ВА, в неметрическом-качественном виде.

Примечание: Препреги (англ. pre-preg-сокращенно от pre-impregnated-предварительно пропитанный)-это композиционные материалы-полуфабрикаты, готовые для переработки продукты пропитанного армирующего наполнителя тканой или нетканой структуры связующим. Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке.

При разработке способа определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля решались два взаимосвязанных вопроса:

- определение пределов горения полимерных композиционных материалов по концентрации окислительной атмосферы при повышенной температуре полимерного композиционного материала с целью установления условий, при которых предотвращается возможность горения полимерных композиционных материалов в результате нагревания элементов корпуса возвращаемого аппарата из таких материалов при входе ВА ПТК в плотные слои атмосферы планеты;

- определения пригодности полимерного композиционного материала по прочности после пребывания элемента конструкции корпуса возвращаемого аппарата из полимерного композиционного материала при температурах и соответствующих им по времени пониженных давлениях атмосферы планеты, изменяющихся в соответствии с законом изменения этих параметров в течение периода времени, начиная с момента входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, и заканчивая моментом достижения температуры поверхности элемента из ПКМ при остывании корпуса возвращаемого аппарата после его возвращения на планету, значением, при котором не происходит термической деструкции связующего данного ПКМ.

Оба этих вопроса взаимосвязаны, поскольку для разработки способа определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля необходимо знание влияния температуры полимерного композиционного материала (Т_мат) на предел его горения по концентрации окислителя в атмосфере планеты и на прочность ПКМ при нагревании его до высокой температуры и пребывании ПКМ в этом состоянии в течение длительного времени.

Для разработки способа определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса ВА ПТК в части установления условий, при которых предотвращается возможность горения ПКМ в нагретом состоянии, выполнен анализ и обработка по ранее неизвестному способу экспериментальных данных, полученных в работе (Жевлаков А.Ф., Грошев Ю.М., Монахов Н.А., Ермакова И.С. / О предельных условиях горения полимеров в потоке нагретого газа. // «Химическая физика процессов горения и взрыва». Материалы 6-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Алма-Ата, 23-26 сентября 1980 г. - С.51-54).

На фиг. 1 приведены зависимости пределов горения по концентрации кислорода - С_пр от температуры элементов из КНМ: 1 - углеродная ткань с содержанием водорода в макромолекуле, равном 0,8% (масс.); 2 - фторопласт-4 (политетрафторэтилен); 3 - ткань «Сульфон»; 4 - стеклопластик КАСТ-В; 5 - хлопчатобумажная ткань.

Примечание: 1. Стеклопластик КАСТ-В-1.0 ГОСТ 10292-74 является полимерным композиционным материалом, имеющим состав: негорючее в атмосфере чистого кислорода алюмоборсиликатное волокно (около 60% масс.); высоко горючее фенолформальдегидное связующее ВФБ (около 40% масс.).

2. Значение С_пр углеродных материалов зависит от содержания водорода и других горючих элементов в макромолекуле углерода.

Зависимости для всех 5-ти материалов имеют линейный характер.

Для характеристики действия нагрева на повышение горючести полимерных (неметаллических) конструкционных материалов, которая характеризуется значением показателя С_пр, введен комплекс ΔС_пр/ΔТ_мат - Значение комплекса ΔС_пр/ΔТ_мат означает снижение величины предела горения материала по концентрации окислителя - ΔС_пр (повышение горючести материала при его нагреве) при повышении температуры элемента из данного материала на величину ΔТ_мат.

Был проведен поиск параметра процесса горения полимерных (неметаллических) конструкционных материалов, использование которого в доказанной взаимосвязи со значением комплекса ΔС_пр/ΔТ_мат, обеспечило бы разработку экономичной расчетно-экспериментальной методики для определения значений С_пр, при повышенных температурах.

Из формулы, полученной при изучении предельных условий горения КНМ по концентрации окислителя, приведенной в работе (Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. / О расчете предельных условий горения полимерных материалов. // В сб. научн. тр. «Пожарная профилактика».-М.: ВНИИПО МВД СССР. 1977. - Вып.13. - С.81-88), следует, что одним из главных параметров, влияющих на скорость снижения значения С_пр, при повышении температуры материала, является величина теплоты его сгорания (Q_мат). Из формулы следует - чем меньше величина Q_мат материала, тем больше снижается значение С_пр при нагревании материала до данной температуры.

На фиг. 2 приведена зависимость комплекса ΔС_пр/ΔТ_мат от величины теплоты сгорания материалов Q_мат, построенная по этим величинам для материалов: 6 - фторопласт-4 (политетрафторэтилен); 7 - стеклопластик КАСТ-В; 8 - хлопчатобумажная ткань; 9 - ткань «Сульфон»; 10 - углеродная ткань с содержанием водорода в макромолекуле, равном 0,8% (масс.). Все экспериментальные значения комплекса ΔC_пр/ΔT_мат Для каждого из 5-ти материалов лежат в непосредственной близости от обобщающей зависимости 11.

Соотношение, найденное для построенной зависимости, имеет следующий вид:

Достоверность аппроксимации R² экспериментальных данных, приведенных на фиг. 2 для 5 материалов составляет весьма высокую величину, равную 0,975.

Таким образом, для расчетного определения снижения величины С_пр элементов корпуса ВА из полимерных композиционных материалов при повышенной их температуре - от некоторого значения, приобретенного корпусом в космическом пространстве, до максимально возможного значения после входа ВА в плотные слои атмосферы, может использоваться соотношение:

Проведена апробация соотношения (3) при определении снижения величины С_пр для элемента из полимерного композиционного материала, при возможном его применении в составе конструкций корпуса ВА, после входа ВА в плотные слои атмосферы Земли и нагревании при этом.

При расчетах по формуле (3) выполнялись следующие 2 условия.

1. Значение ΔТ_мат определялось как разность между максимально возможным значением температуры элемента после входа ВА в плотные слои атмосферы и значением начальной температуры элемента, принятой в данном случае, равной 20°С.

2. Использовалось значение теплоты сгорания, полученные в атмосфере воздуха по методике, представленной в работе (Ермакова И.С., Жевлаков А.Ф., Монахов Н.А., Мышак Ю.А. / О теплоте сгорания полимерных материалов». // В сб. научн. тр. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.2. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1977. - С.62-67.). Это связано с тем, что по стандарту ГОСТу {ГОСТ 147-2013 (ISO 1928-2009). Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания} теплоту сгорания (вещества) материала определяют в сосуде с атмосферой чистого кислорода при давлении 3 МПа. В данных условиях армирующие наполнители углепластиков из углеродных волокон, негорючие в условиях их применения в составе конструкций корпуса ВА ПТК, сгорают полностью. Углеродные волокна, имея теплоту сгорания, равную 33 МДж/кг, выделяют тепла при сгорании в атмосфере чистого кислорода в 1,5 раза больше, чем, например, связующее на основе эпоксидной смолы. Учитывая, что углеродные волокна являются негорючими в условиях их применения, значение теплоты сгорания, полученное в атмосфере чистого кислорода, использовать в расчетах по формуле (3) недопустимо.

Одним из основных вопросов при создании углепластиков, пригодных для безопасного применения в составе конструкций корпуса ВА ПТК, является вопрос о возможности горения углеродных волокон и материалов из них в условиях эксплуатации ВА ПТК.

Минимальные значения С_пр, обнаруженные при экспериментальном изучении горючести углеродных волокон, составляют: 38% - для углеродной ткани из карбонизированных волокон, содержащих: С=57,53%; O=18%; N=22,27% и водорода 2,18% и 41% - для углеродной ткани с содержанием водорода в макромолекуле, равном 0,8% (масс.).

Результаты исследований, представленные в работе (Жевлаков А.Ф., Болодьян И.А., Мелихов А.С. и др. / О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению. // Экспресс-информация: «Пожарная опасность веществ и материалов». Сер. 1, вып.85. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - С.1-9) показали, что горючесть отдельно взятых армирующих наполнителей из углеродных волокон зависит от массового содержания в составе макромолекул углеродных волокон элементов, более горючих, чем углерод.

Углеродная ткань из карбонизированных волокон «Кулон», состоящая из чистого углерода (без примесей), имеет очень высокое значение С_пр - равное 86% (см. табл. 2.1). С увеличением содержания, например, водорода в составе макромолекул углеродных волокон, их значение С_пр снижается.

Данные, подтверждающие высокое значение С_пр у углеродных волокон при нормальной и повышенных температурах, получены при испытании на горючесть углепластиков разного состава. Доказательством этого являются фотографии (см. фиг. 3а и 3б), на которых иллюстрируется процесс горения (фиг. 3а) и догорания (фиг. 3б) элемента из углепластика на основе препрега КМКУ-3м.150.УОЛ.45 толщиной 1,5 мм при значении С_ок, превышающем показатель горючести С_пр для данного углепластика. Представляемые данные раскрывают также специфические особенности механизма горения углепластиков.

Данный углепластик имеет значение С_пр при нормальной температуре, равное 27,5%.

При значении С_ок, равном 29%, образец углепластика горит газофазно устойчивым пламенем. Выгорает эпоксидное связующее ВСК-14-3 с интенсивным выделением сажи вследствие наличия в нем антипирена, с помощью которого модифицировано связующее для снижения его горючести.

После выгорания связующего из элемента углепластика остается твердый остаток из содержащий в межволоконном пространстве не сгоревшей углеродной ленты УОЛ-300Р конденсированные продукты термического разложения связующего, склеивающие не сгоревшие углеродные волокна. Остаток имеет примерно такие же размеры, что и исходный элемент.

Остаток достаточно легко ломался, но на изгибе части остатка не разъединялись - углеродные волокна сохраняли после выгорания связующего некоторую прочность.

То же самое наблюдалось при горении всех углепластиков, представленных в табл.2, в опытах при концентрации кислорода, лежащей в диапазоне для разных материалов от 21 до 50%.

Важно знать до какой температуры нагреваются углеродные волокна при горении углепластика, в котором они использованы, при указанной концентрации кислорода и сравнить эту температуру с температурой поверхности элементов конструкций корпуса возвращаемого аппарата из углепластиков, до которой они могут нагреваться при входе ВА в плотные слои атмосферы Земли, равной 180°С.

Рассмотрение существующих данных по этому вопросу показывает следующее.

Анализ результатов исследований, представленные в работе (Халтуринский Н.А., Лалаян В.М., Берлин Ал.Ал. / Особенности горения полимерных композиционных материалов. // В журн. Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. - М.: 1989. №5, т.34. - С.560-566.) показали, что при горении полимерных материалов, в том числе, входящих в состав связующих композиционных материалов, температура пламени при С_ок=50% составляет 2100±100°C.

Одним из наиболее горючих из существующих материалов является органическое стекло, например, марки СО-120А из полиметилметакрилата (ПММА). У данного материала наблюдается самая низкая из известных температура поверхности при газофазном горении. На пределе горения С_пр, равном 15,5%, температура поверхности ПММА составляет 433°С; при С_ок, равной 50%, температура поверхности ПММА составляет 475°С.

У материалов, модифицированных введением в макромолекулу антипиренов с целью снижения горючести материалов, к которым относится, в частности, испытанные углепластики (см. табл. 2), вследствие карбонизации их поверхности и увеличения поэтому ее черноты, а также увеличения коэффициента излучения пламени, за счет поступающей в пламя с продуктами пиролиза сажи, температура поверхности достигает значения 600°С.

При толщине элементов (d_эл) углепластиков, используемых при проведении испытаний, равной 1,5 мм, вследствие нагревания элементов пламенем с двух сторон и малого значения для элементов числа Био (Bi=α×d_эл/λ_эл, где α - коэффициент теплоотдачи от пламени к поверхности образца; λ_эл - коэффициент теплопроводности материала, происходит прогрев образцов по всей их толщине до указанной (порядка 600°С) температуры поверхности. Однако горение армирующих наполнителей из углеродных волокон в данных условиях, намного более напряженных, чем планируемые условия эксплуатации углепластиков при применении их для изготовления элементов корпуса ВА, не происходит (см. табл. 2 и фиг. 3а и 3б).

Таким образом, армирующие наполнители как из минеральных материалов, так и из углеродных волокон в обозначенных условиях эксплуатации материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата ПТК являются инертными, и поэтому негорючими, составляющими.

С учетом изложенного можно заключить, что показатель горючести С_пр композиционных материалов (кроме органопластиков) однозначно определяется горючестью связующих, примененных в составе композиционных материалов.

Основным направлением при создан связующих пониженной горючести является введение в состав связующих антипиренов.

В работе (Халтуринский Н.А., Берлин Ал.Ал., Попова Т.В. / Горение полимеров и механизмы действия антипиренов. // В журн. «Успехи химии». 1984. Т. 53. №2. - С.326-346) установлено, что снижение способности полимерных материалов к горению при их модифицировании за счет введения в полимер антипиренов, достигается в основном за счет увеличения образования сажи при горении и термоокислительной деструкции полимера. Это ведет к карбонизации поверхностного слоя материала. Наличие сажи в полимере, которая является негорючей при высокой концентрации кислорода и термостойкой, существенно снижает скорость пиролиза поверхностного слоя материала, приводит к снижению температуры пламени. Поступление сажи с продуктами пиролиза в пламя повышает коэффициент его излучения, а, следовательно, теплопотери из зоны горения. Все это приводит к снижению горючести полимерного материала.

Именно посредством введения антипиренов обеспечивается разработка связующих для углепластиков с пониженной горючестью. Некоторые разработчики достигли в этом направлении значительных успехов, создав углепластики с высоким показателем С_пр (см. пп. 1 и 2 в табл. 2).

Пригодность полимерных композиционных материалов к применению по пожаробезопасности в составе конструкций корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого транспортнного космического корабля следует устанавливать по факту выполнения для этих материалов условия пожаробезопасности:

где - предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при максимальной температуре, до которой возможного нагревание поверхности элемента из полимерного композиционного материала во время входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, %; С_ок.пл - концентрация окислителя в атмосфере планеты, %; К_б - коэффициент безопасности; - предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при нормальной температуре.

Апробация соотношения (3) проводилась на примере полимерного композиционного материала-прессматериала ДСВ-4 ГОСТ 17478-95 с армирующим наполнителем в виде волокнита на основе стеклянных нитей (65% масс.) и со связующим в виде фенолформальдегидной смолы (35% масс.), для которой известна величина теплоты сгорания, равная 9,7 МДж/кг.

Результаты определения значений С_пр для прессматериала ДСВ-4 при нормальной и повышенных его температурах - Т_мат приведены в табл. 1.

Величина для прессматериала ДСВ-4 равна 21,5%.

Снижение значения С_пр для прессматериала ДСВ-4 при повышении его температуры до 200°С по расчету составляет 2,88%.

Данный результат сравнен с результатом экспериментального определения значения С_пр для полимерного композиционного материала, который имеет состав близкий к составу прессматериала ДСВ-4. Это стеклопластик КАСТ-В - полимерный композиционный материал, состав которого указан выше. Стеклопластик КАСТ-В является единственным полимерным композиционным материалом, для которого экспериментально определено значение С_пр при повышенных температурах элемента в диапазоне от нормального значения до значения, равного 244°С.

Снижение значения С_пр стеклопластика КАСТ-В при повышении температуры элемента до 200°С (см. фиг. 1), составляет 3,2%.

Рассчитанное значение С_пр отличается от экспериментально определенного значения на 10%, что является для данных сложных горючих систем приемлемой величиной, которая при определении возможности безопасного применения данного ПКМ может быть скомпенсирована коэффициентом безопасности.

Удовлетворительное совпадение представленных результатов и высокая достоверность аппроксимации (R²=0,975) экспериментальных данных, приведенных на фиг. 2, позволяют сделать вывод о том, что найденное соотношение (3) является пригодным для определения значений С_пр полимерных композиционных материалов с негорючими в заданных условиях армирующими наполнителями при повышенных температурах элементов из этих материалов с допустимой погрешностью.

При дополнительной апробации предлагаемого технического решения выполнено исследование процесса горения углепластиков, предназначенных для использования в составе конструкций корпуса возвращаемого аппарата отечественного пилотируемого транспортного корабля нового поколения с анализом возможности и условий пожаробезопасного применения различных углепластиков в составе конструкций корпуса ВА.

По данным разработчиков ВА температура поверхности элементов конструкций корпуса ВА из углепластиков при входе возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы Земли может достигать значения, равного 180°С.

Результаты испытаний различных углепластиков с указанной выше целью при нормальной и повышенных его температурах - приведены в табл. 2.

Анализ результатов определения значений С_пр углепластиков, представленных в табл. 2, испытанных для оценки возможности использования их в составе конструкций корпуса ВА КЛА, показывает следующее.

Наименее горючим из испытанных является углепластик со бисмалеимидным связующим SB-250 (п.2 в табл. 2). Углепластик не способен к горению при С_ох, равном 50%. По имеющимся данным это наименее горючий полимерный композиционный материал, в том числе, среди углепластиков.

Углепластик на основе препрега марки КМКУ-3м.150.УОЛ.45 (п.1 в табл. 2) имеет значение С_пр, равное 27,5%. Для данного углепластика падение значения С_пр при повышении его температуры на 160°С, вычисленное по формуле (3), составляет величину, не превышающую 2,8%, и поэтому, наравне с углепластиком на основе препрега ПСБ250 (п.2 в табл. 2), может применяться в конструкциях корпуса ВА, по пожаробеозопасности, без ограничений.

Углепластик ВКУ-27Л (п.3 в табл. 2) и углепластик на основе тканного углеродного препрега Nanopreg С180-К200 (Германия, фирма «Nanotec-Industries GmbH») (п.4 в табл. 2) имеют значения С_пр, равные 22,5% и 20,5% соответственно.

Данные углепластики в случае использования их в конструкциях корпуса ВА ПТК при нагревании до температуры, равной 180°С, которая может достигаться при входе ВА в плотные слои атмосферы планеты приобретают способность к горению при С_ох, меньшей 21%, т.е. они становятся горючими в среде воздуха.

Помимо этого углепластики по пп. 3 и 4 табл.2 имеют крайне низкие температуры деструкции, равные 180°С и 250°С соответственно, которые соизмеримы с максимальным значением температуры - порядка 180°С, до которой могут нагреваться элементы конструкций корпуса ВА ПТК после входа его в плотные слои атмосферы.

Поэтому углепластики под пп. 3 и 4 в табл. 2 и им подобные по величине С_пр не могут безопасно применяться для изготовления элементов герметичного корпуса командного отсека ВА ПТК нового поколения.

Для полимерных композиционных материалов, в отношении которых выполняется условие пожаробезопасности , т.е. исключается возможность их горения, будучи примененными в составе конструкций корпуса возвращаемого аппарата ПТК, например, для углепластиков под пп. 1 и 2 в табл. 2 должна определяться пригодность по сохранению прочности после пребывания элементов конструкций корпуса ВА ПТК из ПКМ в нагретом состоянии.

В документе (ОСТ 92-0956-74. Стеклопластики конструкционные. Выбор и назначение. Технические требования.) приведен пример снижения на 75-80% прочности на изгиб конструкционных элементов из стеклопластика ВПС-7 В после пребывания их нагретыми до температуры на уровне 200°С в течение 30 минут. Это указывает на необходимость оценки влияния температуры и времени пребывания элементов из композиционных материалов при повышенной температуре на их прочность, снижающейся вследствие термического разложения его связующего.

Скорость термического разложения твердых веществ исследовалась нашими классиками в области изучения процессов горения и взрыва (Мержанов А.Г., Дубовицкий Ф.И. / Докл. АН СССР. 1960, т.135, №6 - С.1439-1443). Например, в работе (Асеева P.M., Заиков Г.В./Горение полимерных материалов. // - М.: Наука. 1981. - 280 с.) дана формула, основанная на положениях классических работ, для определения скорости распространения фронта термического разложения (пиролиза) твердого вещества. Приведенная формула апробирована при расчетном определении скорости распространения зоны пиролиза для очага тления, развивающегося внутри массива мелкодисперсного газопроницаемого целлюлозного материала. Результаты расчетов скорости пиролиза для очага тления целлюлозы, приведенные в работе, удовлетворительно совпадают с экспериментально определенными значениями.

Однако применить данный метод расчета для определения скорости термического разложения связующих композиционных материалов при их нагревании от внешней среды не представляется возможным, т.к. для связующих композиционных материалов, в частности углепластиков, не известны многие параметры, входящие в упомянутую формулу, и, в первую очередь, значения кинетических констант реакций термического разложения этих веществ-энергия активации процесса пиролиза и предэкспоненциальный множитель.

В этой связи для композиционных материалов, подходящих для применения их в конструкциях герметичного корпуса командного отсека ВА ПТК НП по физико-химическо-механическим свойствам и по пожаробезопасности при максимально возможной температуре элементов, должно быть экспериментально установлено сохранение необходимой прочности, обеспечивающей предотвращение разрушения корпуса ВА из-за снижения прочности элементов вследствие термического разложения полимерного связующего в составе композиционного материала, подвергшемуся нагреву.

Способ установления сохранения необходимой прочности элементов из полимерных композиционных материалов, входящих в конструкции корпуса ВА ПТК, подвергшихся нагреву после входа ВА в плотные слои атмосферы, состоит в следующем.

Определяют прочность не подвергавшегося нагреванию полимерного композиционного материала, предназначенного для использования в конструкциях корпуса ВА ПТК. Находят прочностные характеристики элементов из числа приоритетного вида: на изгиб, сжатие, растяжение и/или других необходимых.

Производится выдержка элементов из полимерных композиционных материалов в термобарокамере при ожидаемых температурах и соответствующих им давлениях, изменяющихся в термобарокамере в соответствии с законом изменения этих параметров, начиная с периода входа ВА в плотные слои атмосферы, и заканчивая периодом остывания корпуса ВА после окончания его аэродинамического торможения, до момента достижения температуры, при которой не происходит термической деструкции связующего данного полимерного композиционного материала.

В качестве примера на фиг. 4 показана зависимость температуры поверхности элементов из полимерных композиционных материалов, входящих в состав корпуса ВА, в не метрическом - в качественном виде, при испытании элементов в термобарокамере. (Изменение температуры поверхности элемента в количественном виде на данном этапе может быть установлено экспериментально.

После входа ВА в плотные слои атмосферы температура поверхности элементов его корпуса начинает возрастать (поз. 17 на фиг. 4). По окончании аэродинамического торможения ВА, после достижения максимума 18 температуры поверхности элементов, начинается остывание 19 элементов. Испытание элементов в термобарокамере заканчивается после остывания поверхности корпуса ВА до температуры, при которой не происходит термической деструкции связующего данного полимерного композиционного материала. Как правило, заметная деструкции большинства полимерных материалов прекращается в диапазоне температур от 60 до 90°С.

Количество испытаний с выдержкой образцов композиционных материалов в термобарокамере при ожидаемых температурах и соответствующих давлениях, изменяющихся по закону изменения этих параметров в период аэродинамического торможения ВА после его входа в плотные слои атмосферы планеты, должно соответствовать запланированному количеству использований ВА с орбитальным полетом и возвращением на планету.

Данное требование определяется тем, что с каждым использованием ВА с орбитальным полетом и возвращением на планету толщина слоя, в котором произошла деструкция связующего композиционного материала, может увеличиваться.

После проведения испытаний элементов ВА из полимерных композиционных материалов в термобарокамере требуемое количество раз определяется прочность материалов элементов ВА приоритетного вида (на изгиб, сжатие, растяжение или других требуемых).

По результатам испытаний определяется возможность использования в составе конструкций корпуса ВА КЛА испытанного полимерного композиционного материала по его прочности. В случае если остаточная прочность полимерного композиционного материала после испытаний оказывается меньше требуемой, то материал использоваться в составе конструкций корпуса ВА КЛА не должен.

Таким образом, поставленная цель данного предполагаемого изобретения достигнута - предлагаемый способ представляет условия безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля нового поколения, как по пожарной безопасности применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса ПТК, так и по прочности элементов конструкций корпуса ВА из ПКМ после их пребывания при высоких температурах и при соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты.

Указанное составляет практическую ценность заявляемого изобретения.

Анализ известных способов определения условий пожаробезопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей показал, что среди них отсутствуют способы, которые были бы аналогичны по всем существенным признакам заявляемому изобретению. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизны».

Одновременно выявлено, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из уровня науки и техники в данном направлении. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

От признания данного инновационного технического решения и реализации его разработчиками в проекте на возвращаемый аппарат пилотируемого космического корабля нового поколения, во многом зависит безопасность полетов экипажей космических кораблей нового поколения.

Способ определения условий безопасного применения полимерных композиционных материалов в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля, включающий оценку предела горения полимерного композиционного материала по концентрации окислителя в атмосфере в условиях его практического применения, отличающийся тем, что для обеспечения безопасности применения полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля, элементы которого подвергаются нагреванию после входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, снижение предела горения полимерного композиционного материала по концентрации окислителя в атмосфере планеты при температуре, до которой возможно нагревание поверхности элемента из полимерного композиционного материала, примененного в составе корпуса возвращаемого аппарата, определяется по формуле

ΔС_пр=0,1927×ΔТ_мат×(Q_мaт)^-1,14,

где ΔС_пр - снижение величины предела горения по концентрации окислителя при повышении температуры элемента из данного полимерного композиционного материала на величину ΔТ_мат(К), % (об.); Q_мaт - теплота сгорания полимерного композиционного материала в окислительной атмосфере планеты, МДж/кг,

при этом теплота сгорания полимерного композиционного материала, имеющего армирующий наполнитель, негорючий при концентрации окислителя в атмосфере планеты, принимается равной теплоте сгорания связующего полимерного композиционного материала, а применение данного полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля по пожаробезопасности считается возможным при выполнении для него условия пожаробезопасности

,

где - предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при температуре, до которой возможно нагревание поверхности элемента из полимерного композиционного материала во время входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты, %;

С_ок.пл - концентрация окислителя в атмосфере планеты, %;

К_б - коэффициент безопасности;

- предел горения данного полимерного композиционного материала по концентрации окислительной атмосферы планеты при нормальной температуре,

при выполнении для данного полимерного композиционного материала указанного условия пожаробезопасности осуществляют выдержку фрагмента элемента конструкции корпуса возвращаемого аппарата из такого полимерного композиционного материала в термобарокамере при температурах поверхности фрагмента элемента конструкции корпуса и соответствующих им по времени давлениях атмосферы планеты, изменяющихся в термобарокамере в соответствии с законом изменения этих параметров в течение периода времени, начиная с момента входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы планеты и заканчивая моментом достижения температуры поверхности элемента из полимерного композиционного материала при остывании корпуса возвращаемого аппарата после его возвращения на планету, значением, при котором не происходит термической деструкции связующего данного полимерного композиционного материала, затем, после определения прочностных характеристик элемента из полимерного композиционного материала, подвергшегося испытанию в термобарокамере, устанавливают отсутствие недопустимого снижения прочностных характеристик испытанного в термобарокамере элемента из полимерного композиционного материала, при этом количество выдержек элемента из полимерного композиционного материала в термобарокамере при ожидаемых температурах и соответствующих им по времени давлениях атмосферы, изменяющихся по закону изменения этих параметров в период возвращения возвращаемого аппарата на планету, при определении возможности безопасного применения полимерного композиционного материала в конструкциях корпуса возвращаемого аппарата пилотируемого космического корабля должно быть равно запланированному количеству использований данного возвращаемого аппарата с заканчивающимся орбитальным полетом.