Підвищення масової ефективності композитного головного обтічника ракети-носія сендвічевої конструкції

Автор(и)

  • Andrii Kondratiev Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0002-8101-1961

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184551

Ключові слова:

оптимізація за масою, головний обтічник, сендвічеві конструкції, несучі обшивки, стільниковий заповнювач

Анотація

Аналіз існуючого досвіду щодо створення та експлуатації головних обтічників ракет-носіїв показав, що на сьогоднішній день широко застосовуються сендвічеві конструкції з композитними несучими обшивками в поєднанні зі стільниковим заповнювачем. Розглянуті конструкції містять досить велику кількість параметрів, при зміні яких істотно змінюється маса виробу.

Отримав подальший розвиток підхід до оптимізації за масою конструкцій типу головного обтічника ракети-носія. Підхід включає в себе істотно вдосконалені складові фрагментів відомих аналогів, раніше розроблених авторським колективом, а також нові фрагменти, що раніше не враховувались. На відміну від існуючих робіт, підхід дозволив вирішити складну багатопараметричну задачу оптимального проектування розглянутого класу техніки практично без втрати точності. Для цього процес оптимізації був розділений на декілька етапів відповідно до обґрунтованих рівнів значущості параметрів, що входять в цільову функцію – мінімум маси. Проведено аналіз ефективності структури армування несучих обшивок і попередня оптимізація властивостей стільникового заповнювача, що істотно спростили вибір їх оптимальних параметрів. Показано, що при мінімальному виграші в масі за рахунок оптимальної схеми армування, що дорівнює приблизно 5 % в порівнянні з квазіоднородной оболонкою, існує реальний ризик подвійного збільшення маси оболонки при виборі істотно неоптимальною структури оболонки.

В результаті досліджень отримано раціональні параметри схеми армування несучих обшивок і стільникового заповнювача, а також їх геометричні параметри, що забезпечили зниження маси головного обтічника в порівнянні з базовим варіантом на 51 % або 118.2 кг. Отримані результати допускають подальший розвиток і вдосконалення практично без змін своєї концепції і структури в напрямку включення в оптимізацію допоміжних конструктивних елементів головного обтічника

Біографія автора

Andrii Kondratiev, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070

Доктор технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра конструкцій і проектування ракетної техніки

Посилання

  1. Webb, G., Da Silva Curiel, A. (2008). Is Access to Space Really a Hurdle? Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC 59. Glasgow, United Kingdom, 4064–4077.
  2. Milinevsky, G., Yatskiv, Y., Degtyaryov, O., Syniavskyi, I., Mishchenko, M., Rosenbush, V. et. al. (2016). New satellite project Aerosol-UA: Remote sensing of aerosols in the terrestrial atmosphere. Acta Astronautica, 123, 292–300. doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.02.027
  3. Slyvyns’kyy, V., Gajdachuk, V., Gajdachuk, А., Slyvyns’ka, N. (2005). Weight optimization of honeycomb structures for space applications. 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, the International Academy of Astronautics, and the International Institute of Space Law. doi: https://doi.org/10.2514/6.iac-05-c2.3.07
  4. Slyvynskyi, V. I., Sanin, А. F., Kharchenko, М. Е., Kondratyev, А. V. (2014). Thermally and dimensionally stable structures of carbon-carbon laminated composites for space applications. Conference: 65th International Astronautical Congress. At Toronto, Canada.
  5. Griffin, M. D., French, J. R. (2004). Space vehicle design. Reston. doi: https://doi.org/10.2514/4.862403
  6. Ochinero, T., Deiters, T., Higgins, J., Arritt, B., Blades, E., Newman, J. (2009). Design and Testing of a Large Composite Asymmetric Payload Fairing. 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. doi: https://doi.org/10.2514/6.2009-2696
  7. Henson, G. (2018). Materials for Launch Vehicle Structures. Aerospace Materials and Applications, 435–504. doi: https://doi.org/10.2514/5.9781624104893.0435.0504
  8. Nunes, J. P., Silva, J. F. (2016). Sandwiched composites in aerospace engineering. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering, 129–174. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100037-3.00005-5
  9. Herrmann, A. S.; Virson, J. R. (Ed.) (1999). Design and Manufacture of Monolithic Sandwich Structures with Cellular Cares. Stockholm, 274.
  10. Slyvynskyi, V. I., Аlyamovskyi, А. I., Kondratjev, А. V., Kharchenko, М. Е. (2012). Carbon honeycomb plastic as light-weight and durable structural material. 63th International Astronautical Congress, 8, 6519–6529.
  11. Vasiliev, V. V., Gurdal, Z. (1999). Optimal Design: Theory and Applications to Materials and Structures. CRC Press, 320.
  12. Slyvyns’kyy, V., Slyvyns’kyy, M. et. al. (2006). New Concept for Weight Optimization of Launcher Nose Firings Made of Honeycomb Structures. 57th International Astronautical Congress. doi: https://doi.org/10.2514/6.iac-06-c2.p.1.11
  13. Ganguli, R. (2013). Optimal Design of Composite Structures: A Historical Review. Journal of the Indian Institute of Science, 93 (4), 557–570.
  14. Linnik, A. K., Krasnikova, R. D., Lipovskiy, V. I., Baranov, E. Yu. (2018). Kompozity v konstruktsiyah korpusov raket-nositeley. Sistemniy analiz problem i perspektiv razrabotki i primeneniya. Dnipro: LIRA, 260.
  15. Gaidachuk, V. E., Kondratiev, A. V., Chesnokov, A. V. (2017). Changes in the Thermal and Dimensional Stability of the Structure of a Polymer Composite After Carbonization. Mechanics of Composite Materials, 52 (6), 799–806. doi: https://doi.org/10.1007/s11029-017-9631-6
  16. Smerdov, A. . (2000). A computational study in optimum formulations of optimization problems on laminated cylindrical shells for buckling I. Shells under axial compression. Composites Science and Technology, 60 (11), 2057–2066. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(00)00102-0
  17. Smerdov, A. A. (2000). A computational study in optimum formulations of optimization problems on laminated cylindrical shells for buckling II. Shells under external pressure. Composites Science and Technology, 60 (11), 2067–2076. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(00)00103-2
  18. Zheng, Q., Jiang, D., Huang, C., Shang, X., Ju, S. (2015). Analysis of failure loads and optimal design of composite lattice cylinder under axial compression. Composite Structures, 131, 885–894. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.06.047
  19. Totaro, G., Gürdal, Z. (2009). Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications. Aerospace Science and Technology, 13 (4-5), 157–164. doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2008.09.001
  20. Totaro, G. (2013). Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with hexagonal cells. Composite Structures, 95, 403–410. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.07.011
  21. Slyvyns’kyy, V., Slyvyns’kyy, M., Polyakov, N. et. al. (2008). Scientific fundamentals of efficient adhesive joint in honeycomb structures for aerospace applications. 59th International Astronautical Congress 2008.
  22. Vijayakumar, S. (2004). Parametric based design of CFRP honeycomb sandwich cylinder for a spacecraft. Composite Structures, 65 (1), 7–12. doi: https://doi.org/10.1016/s0263-8223(03)00176-4
  23. Karpov, Y. S., Gagauz, P. M. (2010). Structural optimization of composite panels under strength and stability restrictions. Strength of Materials, 42 (6), 631–636. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-010-9251-z
  24. Gaydachuk, V., Koloskova, G. (2016). Mathematical modeling of strength of honeycomb panel for packing and packaging with regard to deviations in the filler parameters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (1 (84)), 37–43. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85853
  25. Kondratiev, A., Gaidachuk, V. (2019). Weight-based optimization of sandwich shelled composite structures with a honeycomb filler. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (1 (97)), 24–33. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154928
  26. Mackerle, J. (2002). Finite element analyses of sandwich structures: a bibliography (1980–2001). Engineering Computations, 19 (2), 206–245. doi: https://doi.org/10.1108/02644400210419067
  27. Frulloni, E., Kenny, J. M., Conti, P., Torre, L. (2007). Experimental study and finite element analysis of the elastic instability of composite lattice structures for aeronautic applications. Composite Structures, 78 (4), 519–528. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2005.11.013
  28. Pirk, R., Desmet, W., Pluymers, B., Sas, P., Goes, L. C. S. (2002). Vibro-acoustic Analysis of the Brazilian Vehicle Satellite Launcher (VLS) fairing. PROCEEDINGS OF ISMA 2002.
  29. Slyvyns’kyy, V., Gajdachuk, V., Kirichenko, V., Kondratiev, A. (2012). Basic parameters’ optimization concept for composite nose fairings of launchers. 62nd International Astronautical Congress, 9, 5701–5710.
  30. Gaydachuk, V. E., Kirichenko, V.V., Kondrat'ev, A. V., Tanchik, E. V., Slivinskiy, V. I., Kushnarev, A. P., Kovalenko, V. A. (2011). Raschet golovnogo bloka rakety-nositelya «Tsiklon-4» pri razlichnyh sluchayah nagruzheniya. Effektivnost' sotovyh konstruktsiy v izdeliyah aviatsionno-kosmicheskoy tehniki: sb. materialov IV mezhdunar. nauch.-praktich. konf. Dnepropetrovsk, 91–97.
  31. Kondratiev, А. V., Kovalenko, V. O. (2019). Optimization of design parameters of the main composite fairing of the launch vehicle under simultaneous force and thermal loading. Space science and technology, 25 (4), 3–21.
  32. Banichuk, N. V., Kobelev, V. V., Rikards, R. B. (1988). Optimizatsiya elementov konstruktsiy iz kompozitsionnyh materialov. Moscow: Mashinostroenie, 224.
  33. Gaydachuk, V. E., Kondrat'ev, A. V., Kirichenko, V. V., Slivinskiy, V. I. (2011). Optimal'noe proektirovanie kompozitnyh sotovyh konstruktsiy aviakosmicheskoy tehniki. Kharkiv: Nats. aerokosm. un-t «Har'k. aviats. in-t», 172.
  34. Kondratiev, A., Prontsevych, O. (2018). Stabilization of physical-mechanical characteristics of honeycomb filler based on the adjustment of technological techniques for its fabrication. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (1 (95)), 71–77. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.143674
  35. Kondratiev, A., Gaidachuk, V., Nabokina, T., Kovalenko, V. (2019). Determination of the influence of deflections in the thickness of a composite material on its physical and mechanical properties with a local damage to its wholeness. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (1 (100)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.174025
  36. Vasiliev, V. V., Morozov, E. V. (2007). Advanced Mechanics of Composite Materials. Elsevier, 504. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-045372-9.x5000-3
  37. Kondratiev, A., Nabokina, T. (2019). Effect of technological camber in the facets of a cellular filler on its physical and mechanical characteristics. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (7 (101)), 6–18. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179258

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-11-21

Як цитувати

Kondratiev, A. (2019). Підвищення масової ефективності композитного головного обтічника ракети-носія сендвічевої конструкції. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(7 (102), 6–18. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184551

Номер

Том 6 № 7 (102) (2019): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Andrii Kondratiev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.