Композитная конструкция с высокой деформацией - High strain composite structure

Композитные конструкции с высокой деформацией (HSC-конструкции) являются классом композитный материал конструкции, предназначенные для работы в условиях высоких деформация параметр. Композитные конструкции с высокой деформацией переходят из одной формы в другую под действием внешних сил. Один компонент структуры HSC предназначен для перехода по крайней мере между двумя, а часто и более, существенно разными формами. По крайней мере, одна из форм предназначена для работы в качестве конструкции, которая может поддерживать внешние грузы.

Композитные конструкции с высокой деформацией обычно состоят из полимеры, армированные волокном (FRP), которые разработаны, чтобы выдерживать относительно высокие уровни деформации материала при нормальных условиях эксплуатации по сравнению с большинством структурных приложений FRP. Материалы FRP анизотропный и легко адаптируется, что позволяет создавать уникальные эффекты при деформации. В результате многие структуры HSC настроены на наличие одного или нескольких стабильных состояний (форм, при которых структура останется без внешних ограничений), которые настроены для конкретного приложения. HSC-структуры с несколькими стабильными состояниями также можно классифицировать как бистабильные конструкции.

Конструкции HSC чаще всего используются в приложениях, где требуются конструкции с малым весом, которые также могут быть размещены в небольшом объеме. Гибкие композитные конструкции используются в аэрокосмической промышленности для развертываемые механизмы такие антенны или солнечные батареи на космических кораблях. Другие приложения сосредоточены на материалах или конструкциях, в которых требуется несколько стабильных конфигураций.

История

Металлы, обычно используемые в пружины (например, высокопрочная сталь, алюминий и бериллиевая медь сплавы) уже несколько десятилетий успешно используются в деформируемых аэрокосмических конструкциях.[1] Они продолжают использоваться в большинстве приложений развертываемых конструкций с высокими нагрузками и превосходны там, где самые высокие коэффициенты уплотнения и электрическая проводимость необходимы. Но металлы страдают от высокой плотности, высоких коэффициентов тепловое расширение, и более низкая деформационная способность по сравнению с композитными материалами. В последние десятилетия растущая потребность в высокопроизводительных развертываемых структурах вкупе с появлением надежных композитные материалы промышленность, увеличила спрос и полезность для конструкций из высокопрочных композитов. Сегодня HSC используются во множестве нишевых аэрокосмических приложений, в основном в областях, где требуются высокая точность и малая масса.

В начале 2014 г. Американский институт аэронавтики и астронавтики Технический комитет по конструкциям космических аппаратов признал, что уровень активных исследований и разработок композитов с высокой деформацией требует проведения независимой фокус-группы[2] выделить композиты с высокой деформацией как техническую область с однозначно определяемыми проблемами, технологиями, механикой, методами испытаний и приложениями. Технический подкомитет High Strains Composite был сформирован, чтобы обеспечить форум и основу для поддержки технических проблем и достижений HSC, а также будет способствовать дальнейшему развитию в этой области.

Наследие космических полетов

Использование высокого напряжения развертываемые конструкции восходит к эпохе пионеров освоения космоса и играет решающую роль в создании устойчивой космической отрасли.

Вехи развития космических деформируемых конструкций

Общее название структурыМатериалИстория развитияИстория полетовРекомендации
Петля Лента-ПружинаЛист из пружинной стали[3][4]
Сохраняемая трубчатая выдвижная мачта (STEM)Лист металлаРазработано компаниями de Havilland Canada и Spar Aerospace Ltd.1961-AH2 Transit Research and Attitude Control (TRAAC), запущен в 1961 году. Alouette 1, запущен в 1962 году.[5][6][7]
Ребристая антенна, С-образные ребраАлюминиевый листРазработан Lockheed Missiles & Space Company с 1962 года.АТС-6, спущен на воду в 1974 году.[8][9]
Линзовидная трубкаЛист из нержавеющей сталиРазработан Исследовательским центром Льюиса НАСА в 1965 году.[10]
Сплошная лонгеронская мачтаСтержни из стекловолокна S2Разработано Astro Aerospace.Стрела магнитометра USAF S-3 выпущена в 1974 году.[11]
Решетчатая линзовидная трубкаСтальная музыкальная проволокаРазработан Astro Research Corporation в 1969 году.[12]
Оберните ребро антенны, чечевицеобразные ребраПолимерный ламинат, армированный стекловолокном (Fiberite HMS / 33)Разработан Lockheed Missiles & Space Company в 1970-х годах; наземная демонстрация 1982 г.[13]
Пружинный параболический отражатель антенныПолимерный ламинат, армированный стекловолокномMobile Sat-1, запущен в 1996 г.[14][15]
Складные плоские трубыстекловолокно и ламинат кевларРазработан TRW Astro Aerospace для антенн MARSIS, запущен в 2003 г.Антенны Mars Express MARSIS, запущены в 2003 г.[16][17]

Потребительские товары

Текущие исследования и разработки

Классификация материалов

Жесткий полимер

Жесткий полимер

Эластомерный полимер

Технические проблемы

Слизняк

Устойчивость к тонкой оболочке

Методы моделирования

Смотрите также

Композитный материал

Пластик, армированный волокном

Бистабильность

Рекомендации

  1. ^ http://www.northropgrumman.com/BusinessVentures/AstroAerospace/Products/Documents/pageDocs/STEM_Hardware_Programs.pdf
  2. ^ https://info.aiaa.org/tac/adsg/SCSTC/Wiki/Home.aspx
  3. ^ Вывян, У. В., «Самозакрывающийся шарнир», 3386128, 1968.
  4. ^ Чиаппетта, Ф. Р., Фрейм, К. Л. и Джонсон, К. Л., «Шарнирный элемент и складные конструкции, включая шарнирный элемент», US5239793 A, 1993.
  5. ^ Герцль Г. Г., Уокер У. У. и Феррера Дж. Д. Трубчатые штанги космических аппаратов (выдвижные, с хранением на катушке), NASA SP-8065, 1971.
  6. ^ «Джордж Дж. Кляйн 1904–1992» Доступно: http://www.sciencetech.technomuses.ca/english/about/hallfame/u_i19_e.cfm В архиве 2010-12-27 на Wayback Machine.
  7. ^ Департамент, S., Искусственные спутники Земли, спроектированные и изготовленные Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса, 1978.
  8. ^ Миллер, Дж. В., «Антенна с сетчатым отражателем.pdf», 3 217 328, 1965.
  9. ^ Чедвик, Г. Г., и Вудс, А. А., «Большие космические развертываемые антенные системы», Семинар по технологиям больших космических систем, Публикация конференции НАСА 2035, Хэмптон, Вирджиния: 1978, стр. 243–288.
  10. ^ Герцма Л. В., Данн Дж. Х., Эрвин Э. Кемпке Дж. Оценка одного типа складной трубы, 1965.
  11. ^ Маух, Х. Р., «Развертываемая решетчатая колонна», 3 486 279, 1969.
  12. ^ Кроуфорд Р.Ф. Исследование спиральной решетчатой ​​колонны, 1969.
  13. ^ Вудс, А. А., Гарсия, Н. Ф., «Обзор разработки концепции антенн с витыми ребрами», Технология систем больших космических антенн, 1982, стр. 423–468.
  14. ^ Робинсон, С. А., "Упрощенный антенный отражатель космического корабля для размещения в замкнутых оболочках", 5,574,472, 1996.
  15. ^ Рао С., Шафай Л. и Шарма С. К. Справочник по отражающим антеннам и системам питания Том III: Применение отражателей, Artech House, 2013.
  16. ^ Маркс, Дж. У., Рейли, М. Т., и Хафф, Р. Л., «Легкая развертываемая антенна для эксперимента MARSIS на космическом корабле Mars Express», 36-й симпозиум по аэрокосмическим механизмам, Исследовательский центр Гленна, Исследовательский центр Гленна: 2002.
  17. ^ Адамс, Д. С., и Мобрем, М., «Аномалия развертывания и разрешение линзовидно-сочлененной антенны на борту космического корабля Mars Express», Journal of Spacecraft and Rockets, вып. 46, март 2009 г., стр. 403–410.

Американский институт аэронавтики и астронавтики, Технический комитет по конструкциям, Подкомитет по композитным конструкциям с высокими деформациями

дальнейшее чтение

Композитные конструкции с высокой деформацией