Для обеспечения равнопрочности и размеростабильности в целом всей несущей конструкции КА необходимо внедрение новой технологии проектирования и изготовления трехслойных композитных сотовых, в частности алюминиевых, несущих панелей для современных КА негерметичного исполнения. Структура клееной сотовой панели после полимеризации представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структура клееной сотовой панели:
1 - верхняя обшивка; 2 - полимеризованный клей; 3 - сотовый заполнитель; 4 - нижняя обшивка
Надежность эксплуатации таких сотовых панелей по целевому назначению, например для КА со сроком активного существования 10-15 лет, в условиях космического пространства (термоциклирование, глубокий вакуум, ионизирующее излучение и т.д.) во многом зависит от стойкости клеевых соединений элементов к внешним воздействиям.
Практика изготовления сотовых конструкций за рубежом показывает, что при их производстве ведущими мировыми производителями используется специализированное дорогостоящее оборудование - автоклав, при этом стоимость сотопанели составляет порядка нескольких тысяч евро за 1 м2. Применяя универсальное оборудование собственного производства, можно значительно снизить стоимость изготовления таких сотовых панелей [1].
Для изготовления сотовых панелей применяют различные клеи, в том числе пленочные, которые в отличие от жидких клеев обеспечивают более равномерное распределение клеевой композиции по всей склеиваемой поверхности, а также являются более технологичными с точки зрения нанесения на плоскую поверхность обшивки сотопанели. Клеи на основе эпоксидной смолы (ВК-36РТ, ВК-51) обладают хорошей адгезией, отвердевают почти без усадки, хорошо заполняют зазоры при склеивании обшивок с сотовым заполнителем, образуют хорошие наплывы у стенок ячеек, что способствует повышению прочности [2; 5].
Согласно техническим условиям клей ВК-51 предназначен для конструкций, работающих в интервале температур от минус 60 до плюс 60 °С. Предел прочности при сдвиге клеевых соединений элементов из алюминиевого сплава, при температуре 20 °С - не менее 36 МПа.
При полимеризации крупногабаритных сотопанелей с помощью термокамеры из-за больших ее размеров, а также массивности технологической оснастки появляется неоднородность температурного поля. Это приводит к тому, что начало полимеризации клея верхней и нижней обшивки, центральной части и периферии сотопанели будут различными. Следовательно, степень полимеризации клея в этих местах может различаться. Совокупность технологических факторов приводит к снижению и неоднородности прочностных характеристик клеевого соединения в различных местах, а также деформации, отклонениям формы поверхности панели и появлению внутренних напряжений.
При склеивании обшивки с сотовым заполнителем с помощью клеевой пленки происходит локальное перетекание клея при достижении определенной температуры. У стенок ячейки образуются локальные клеевые галтели. Образование этих галтелей объясняется поверхностным натяжением клея, после его перехода в жидкое состояние, и смещением (подъемом), основанным на явлении смачивания им обшивки и сотового заполнителя.
Для обеспечения качественного клеевого соединения необходимо определить и обеспечить оптимальные параметры технологического процесса, температуру давления, скорость изменения температуры, от которой зависит при расплаве клея вязкость, которая в свою очередь и влияет на силы поверхностного натяжения, а следовательно и на процесс образования клеевых галтелей, обеспечивающих прочность соединения [4].
Выполнив термический анализ процесса отверждения клея на основе эпоксидной смолы и получив данные о том, как долго длится отверждение и при каких условиях будет получено полное отверждение или заданный его уровень, можно обеспечить оптимальные параметры прочности соединения обшивка - сотовый заполнитель. Для исследования влияния технологических параметров полимеризации клеевого соединения обшивка - сотовый заполнитель, в частности температурного режима, выбраны методы термического анализа, метод дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии. Этот метод широко используется для изучения процессов, происходящих с полимерами при нагревании, фазовых переходов полимеров.
Результаты представлены в виде DSC-кривых, а также масс-спектров образцов клея ВК-5, ВК-36РТ для всех условий измерения.
Исследование экзотермического процесса отверждения клея ВК-51 показали, что температура максимальной скорости этого процесса зависит от скорости нагрева и составляет: при 5 град./мин - 159,5 °С, при 2 град./мин - 147,5 °С, при 1 град./мин - 137,1 °С, при 0,5 град./мин - 127,1 °С (рис. 2).
Рис. 2. График зависимости температуры полимеризации клея ВК-51 от скорости нагрева
Для клея ВК-36РТ были проведены аналогичные измерения.
При скоростях нагрева: 5, 2, 1, и 0,5 град./мин, до температуры 250-300 °С в инертной атмосфере. Результаты термоанализа приведены на рис. 5. Как видно из кривых DSC, температура максимальной скорости полимеризации клея ВК-36, так же как и ВК-51, зависит от скорости нагрева и составляет: при 5 град./мин - 193,8 °С, при 2 град./мин - 182,0 °С, при 1 град./мин - 173,7 °С, при 0,5 град./мин - 165,1 °С (рис. 3).
Рис. 3. График зависимости температуры полимеризации клея ВК-36РТ от скорости нагрева
На основании проведенных лабораторных исследований клеев методами DSK и TG определены параметры технологических режимов полимеризации крупногабаритных сотовых панелей, учитывающие особенности применяемого оборудования и технологической оснастки. Определена схема температурных режимов полимеризации для создания программного обеспечения для управления оборудованием, разработана система автоматизированного управления процессом полимеризации сотопанели.
Система управления обеспечивает регулирование режима нагрева, выдержки и остывания по разработанному и программно заданному закону регулирования, управление всеми устройствами термокамеры (рис. 4), а также регистрацию и запись графиков температуры и вакуумметрического давления по установленным на технологической оснастке датчикам [7].
Рис. 4. Фото термокамеры для полимеризации сотовых панелей
Полученные графики изменения температуры полимеризации сотопанели после уточнения схемы регулирования температуры, представленные на рисунке 5, позволяют оперативно корректировать режимы и в целом влиять на параметры технологического процесса.
Рис. 5. График изменения температуры сотопанели в процессе полимеризации по уточненным режимам:
воздух в термокамере; 
центр нижней плиты приспособления; 
нижняя обшивка сотопанели; 
верхняя обшивка сотопанели
Результаты проведенного термического анализа клеев позволили определить зависимости степени полимеризации применяемых клеев ВК-36РТ и ВК-51 от скорости подъема температуры, на основании которых разработаны температурные режимы и определена скорость нагревания воздуха в термокамере, обеспечивающая требуемую скорость нагревания клеевого шва обшивка - сотовый заполнитель (для клея ВК-51 - не более 0,5 град./ мин, для клея ВК-36РТ - не более 1 град./ мин) при изготовлении крупногабаритных сотовых панелей.
Усовершенствовано оборудование термокамеры в части обеспечения циркуляции воздушного потока внутри термокамеры с целью обеспечения равномерного прогрева клеевого шва в процессе полимеризации.
Регулирование температуры по разработанным режимам обеспечивает равномерный прогрев верхней и нижней плит оснастки в процессе полимеризации, что позволило повысить качество клеевого соединения, увеличить стабильность получения высоких прочностных характеристик клеевого соединения, а также улучшить геометрические параметры изготавливаемых крупногабаритных сотовых панелей. Отклонение от плоскостности не более 1,5 мм на размере 3000х6000 мм.
Рецензенты:
- Крушенко Г.Г., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск.
- Двирный В.В., д.т.н., заместитель начальника отдела 140 ОАО «Информационные спутниковые системы» им. ак. М.Ф. Решетнева, профессор КГТУ, г. Красноярск.
Работа получена 30.09.2011