Исследование технологии получения углепластиковых корпусов малогабаритных твердотопливных ракетных двигателей

М.Б. Исмаилов; Б.М. Байсериков; Л.М. Мустафа; Н.Б. Есболов; И.К. Аблакатов; А.Д. Байгонов; М.Н. Мейірбеков

doi:10.18321/cpc23(4)493-502

Авторы

М.Б. Исмаилов Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
Б.М. Байсериков Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
Л.М. Мустафа Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
Н.Б. Есболов Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
И.К. Аблакатов Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
А.Д. Байгонов Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан
М.Н. Мейірбеков Национальный центр космических исследовании и технологии, ул. Шевченко, 15, Алматы, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(4)493-502

Ключевые слова:

полимерный композиционный материал, эпоксидная смола, углеродное волокно, прочность, твердотопливный ракетный двигатель, намотка нитей

Аннотация

Статья посвящена исследованию технологии изготовления углепластиковых корпусов малогабаритных твердотопливных ракетных двигателей. Основное внимание уделено подбору оптимального эпоксидного связующего и технологических параметров, обеспечивающих высокие механические характеристики композиционного материала. Рассмотрены три эпоксидные системы ─ «Epikote LR 285 + Epikure LH287», «Kumho KER-828 + ZT 143», ЭД-20 + Этал Инжект. Проведен подбор оптимальных соотношений смола/отвердитель на основе механических испытаний образцов на растяжение, изгиб. Наилучшие прочностные показатели как для чистого связующего (94 МПа), так и для армированного углепластика (1230 МПа на растяжение) показала система ЭД-20/Этал Инжект при соотношении 100/20. Отработана технологическая схема изготовления корпуса методом намотки углеродного ровинга, пропитанного эпоксидной смолой. Намотка произведена с чередованием углов укладки (0°, 45°, 90°) углеродного волокна для обеспечения изотропии механических свойств. Изучено влияние угла намотки и процентного массового содержания углеродного волокна в композите (50-70%) на прочность. Оптимальный результат достигнут при содержании 70% волокна: 660 МПа на осевое растяжение и 645 МПа на кольцевое растяжение. Изготовлены и испытаны образцы углепластиковых корпусов с толщиной стенки 3 мм. Проведены гидростатические и огневые испытания корпуса. При рабочем давлении двигателя 33 бар корпус показал устойчивую работу без разрушения. Результаты подтверждают высокую прочность, герметичность углепластиковой конструкции, что делает данную технологию перспективной для использования в малогабаритных ракетных системах.

Библиографические ссылки

(1) Eprints.usm (Web Page). Design, Fabrication and Testing of a Solid Propellant Rocket Motor, Thesis for the Degree of Master of Science (2011). URL

(2) College sidekick (Web Page). Composite Rocket Motor Cases, (2024). URL

(3) JAXA (Web Page). Sounding Rockets SS-520. URL

(4) Northrop Grumman (Web Page). GEM 63 and GEM 63XL Providing Thrust Augmentation for National Space Priorities, (2020). URL

(5) Arianespace (Web Page). Vega C User's Manual, (2018). URL

(6) Arianespace (Web Page). Ariane 6: A Competitive Launch Solution, (2024). URL

(7) F. Baldieri, E. Martelli, A. Riccio. A Numerical Study on Carbon-Fiber-Reinforced Composite Cylindrical Skirts for Solid Propeller Rockets, Polym., 15 (2023) 908. Crossref

(8) B. Niharika, B.B. Varma. Design and Analysis of Composite Rocket Motor Casing, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 455 (2018) 012034. Crossref

(9) V.A. Kovalenko, A.V. Kondratyev. Application of Polymer Composite Materials in Rocket and Space Technology Products as a Reserve for Improving Their Mass and Functional Efficiency, Aviats.-Kosm. Tekhn. Tekhnol., 5 (82) (2011) 14-20. (In Russian)

(10) B. Baiserikov, M. Ismailov, L. Mustafa, et al. Design and Manufacturing of Experimental Solid Propellant Rocket Motor Cases Made of Carbon Composite Materials, Polym., 17 (2025) 1352. Crossref

(11) Serdyuk V.K. Design of spacecraft launch vehicles: a textbook for universities / ed. by A.A. Medvedev. Mechanical Engineering, (2009) 504. ISBN 978-5-217-03441-3. (in Russian)

(12) A.V. Degtyarev, V.A. Kovalenko, A.V. Potapov. Application of Composite Materials in the Creation of Advanced Rocket Technology Samples, Aviats.-Kosm. Tekhn. Tekhnol., 2 (89) (2012) 34-38. (In Russian)

(13) A.V. Kondratyev, V.A. Kovalenko. Review and Analysis of Global Trends and Problems in Expanding the Use of Polymer Composite Materials in Rocket and Space Equipment Units, Vopr. Proekt. Proizv. Konstr. Letat. Appar., 3 (67) (2011) 7-18.

(14) EMTC (Web Page). Technologies for Obtaining Prepregs, (2013). URL

(15) Inpolimer (Web Page). Reinforcing Fibers and Fibrous Polymer Composites, Scientific Foundations and Technologies, (2009). URL (In Russian)

(16) Young scientist (Web Page). Composite Materials Based on Carbon Fibers, (2015). URL (In Russian)