Высокодеформированная композитная конструкция

Высокодеформированные композитные конструкции (HSC Structures) представляют собой класс конструкций из композитных материалов, предназначенных для работы в условиях высокой деформации . Высокодеформированные композитные конструкции переходят из одной формы в другую под действием внешних сил. Один компонент структуры HSC предназначен для перехода как минимум между двумя, а часто и более совершенно разными формами. По крайней мере, одна из форм спроектирована так, чтобы функционировать как конструкция, способная выдерживать внешние нагрузки .

Высокодеформированные композитные конструкции обычно состоят из армированных волокном полимеров (FRP), которые рассчитаны на относительно высокие уровни деформации материала в нормальных условиях эксплуатации по сравнению с большинством конструкций из FRP. Материалы FRP анизотропны и легко адаптируются, что обеспечивает уникальные эффекты при деформации. В результате многие структуры HSC настроены на наличие одного или нескольких стабильных состояний (форм, при которых структура будет оставаться без внешних ограничений), которые настроены для конкретного применения. Структуры HSC с несколькими стабильными состояниями также можно классифицировать как бистабильные структуры .

Конструкции HSC чаще всего используются в тех случаях, когда желательны конструкции с малым весом, которые также можно хранить в небольшом объеме. Гибкие композитные конструкции используются в аэрокосмической промышленности для развертывания механизмов, таких как антенны или солнечные батареи, на космических кораблях. Другие приложения сосредоточены на материалах или структурах, в которых требуется несколько стабильных конфигураций.

История

Металлы, обычно используемые в пружинах (например, высокопрочная сталь, сплавы алюминия и бериллия и меди ), уже несколько десятилетий со значительным успехом используются в деформируемых аэрокосмических конструкциях. ^{[ 1 ]} Они по-прежнему используются в большинстве случаев применения в развертываемых конструкциях с высокими напряжениями и превосходны там, где наивысшие коэффициенты уплотнения и электропроводность требуются . Но металлы страдают от высокой плотности, высоких коэффициентов теплового расширения и более низкой способности к деформации по сравнению с композитными материалами. В последние десятилетия растущая потребность в высокопроизводительных развертываемых конструкциях в сочетании с появлением отрасли надежных композитных материалов увеличила спрос и полезность конструкций из высокодеформированных композитов. Сегодня HSC используются в различных нишевых приложениях аэрокосмической отрасли, в основном в областях, где требуется предельная точность и малая масса.

В начале 2014 года Американского института аэронавтики и астронавтики Технический комитет по конструкциям космических аппаратов признал, что уровень активных исследований и разработок в области высокодеформированных композитов требует создания независимой фокус-группы. ^{[ 2 ]} выделить высокодеформированные композиты как техническую область с однозначно идентифицируемыми проблемами, технологиями, механикой, методами испытаний и приложениями. Технический подкомитет по композитам высокой деформации был сформирован, чтобы обеспечить форум и основу для поддержки технических проблем и успехов HSC, а также способствовать дальнейшему развитию в этой области.

Космическое наследие

Использование развертываемых конструкций с высокой нагрузкой началось еще в первые дни освоения космоса и сыграло решающую роль в создании устойчивой космической отрасли.

Вехи развития космических деформируемых конструкций

Общее имя структуры	Материал	История развития	История полетов	Ссылки
Ленточно-пружинный шарнир	Лист пружинной стали			^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}
Складная трубчатая выдвижная мачта (STEM)	Металлический лист	Разработан компаниями de Havilland Canada и Spar Aerospace Ltd.	1961-AH2 Transit Research and Attitude Control (TRAAC), спущен на воду в 1961 году. Alouette 1, спущен на воду в 1962 году.	^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}
Обернутая ребристая антенна, С-образные ребра	Алюминиевый лист	Разработан компанией Lockheed Missiles & Space Company в 1962 году.	АТС-6, спущен на воду в 1974 году.	^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}
Чечевицеобразная трубка	Лист нержавеющей стали	Разработан Исследовательским центром Льюиса НАСА в 1965 году.		^{[ 10 ]}
Непрерывная мачта лонжерона	S2 стержни из стекловолокна	Разработан компанией Astro Aerospace.	Магнитометрическая стрела USAF S-3 запущена в эксплуатацию в 1974 году.	^{[ 11 ]}
Решетчатая линзовидная трубка	Стальная музыкальная проволока	Разработан Astro Research Corporation в 1969 году.		^{[ 12 ]}
Оберточная ребристая антенна, двояковыпуклые ребра	Полимерный ламинат, армированный стекловолокном (Fiberite HMS/33)	Разработан компанией Lockheed Missiles & Space Company в 1970-х годах; наземная демонстрация 1982 года.		^{[ 13 ]}
Пружинная задняя антенна, параболический отражатель	Полимерный ламинат, армированный стекловолокном		Мобильный Сат-1, запущен в 1996 году.	^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}
Складные сплющенные трубы	ламинат из стекловолокна и кевлара	Разработан TRW Astro Aerospace для антенн MARSIS, выпущен в 2003 г.	Антенны Mars Express MARSIS, выпущенные в 2003 году.	^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Товары народного потребления

Текущие исследования и разработки

Классификация материалов

Жесткий полимер

Эластомерный полимер

Технические проблемы

Слизняк

Тонкая оболочка

Методы моделирования

См. также

Композитный материал

Армированный волокном пластик

Бистабильность

Ссылки

^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2015 г. Проверено 4 сентября 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ "Технический комитет по конструкциям космических аппаратов - Главная" . Архивировано из оригинала 7 февраля 2015 г. Проверено 4 сентября 2014 г.
^ Вивиан, WW, «Самодействующий самоблокирующийся шарнир», 3386128, 1968.
^ Чиаппетта, Ф.Р., Фрейм, К.Л., и Джонсон, К.Л., «Петлевой элемент и развертываемые конструкции, включая шарнирный элемент», US5239793 A, 1993.
^ Герцль, Г.Г., Уокер, У.В., и Феррера, Дж.Д., Трубчатые стрелы космического корабля (выдвижные, с барабанным хранением), NASA SP-8065, 1971.
^ «Джордж Дж. Кляйн 1904-1992». Доступно: http://www.sciencetech.technomuses.ca/english/about/hallfame/u_i19_e.cfm. Архивировано 27 декабря 2010 г. в Wayback Machine .
^ Департамент, С., Искусственные спутники Земли, спроектированные и изготовленные Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, 1978.
^ Миллер, СП, «Антенна с отражателем из проволочной сетки.pdf», 3,217,328, 1965.
^ 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.
^ Гертсма, Л.В., Данн, Дж.Х., и Эрвин Э. Кемпке, Дж., Оценка одного типа складной трубки, 1965.
^ Мауч, Х.Р., «Раздвижная решетчатая колонна», 3,486,279, 1969.
^ Кроуфорд, РФ, Исследование спиральной латиевой колонны, 1969.
^ Вудс, А.А., и Гарсия, Н.Ф., «Обзор разработки концепции антенны с ребристыми ребрами», Технология больших космических антенных систем, 1982, стр. 423–468.
^ Робинсон, С.А., «Упрощенный отражатель антенны космического корабля для размещения в ограниченных оболочках», 5,574,472, 1996.
^ Рао С., Шафаи Л. и Шарма С.К., Справочник по рефлекторным антеннам и системам подачи, том III: Применение отражателей, Artech House, 2013.
^ Маркс, Г.В., 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.
^ Адамс, Д.С., и Мобрем, М., «Аномалия и разрешение развертывания линзовидной шарнирной антенны на борту космического корабля Mars Express», Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 46, март 2009 г., стр. 403–410.

Американский институт аэронавтики и астронавтики, Технический комитет по конструкциям. Архивировано 8 февраля 2015 г. в Wayback Machine . Подкомитет по высокодеформированным композитным конструкциям. Архивировано 7 февраля 2015 г. в Wayback Machine.

Высокодеформированные композитные конструкции

[1] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2015 г. Проверено 4 сентября 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[2] "Технический комитет по конструкциям космических аппаратов - Главная" . Архивировано из оригинала 7 февраля 2015 г. Проверено 4 сентября 2014 г.

[3] Вивиан, WW, «Самодействующий самоблокирующийся шарнир», 3386128, 1968.

[4] Чиаппетта, Ф.Р., Фрейм, К.Л., и Джонсон, К.Л., «Петлевой элемент и развертываемые конструкции, включая шарнирный элемент», US5239793 A, 1993.

[5] Герцль, Г.Г., Уокер, У.В., и Феррера, Дж.Д., Трубчатые стрелы космического корабля (выдвижные, с барабанным хранением), NASA SP-8065, 1971.

[6] «Джордж Дж. Кляйн 1904-1992». Доступно: http://www.sciencetech.technomuses.ca/english/about/hallfame/u_i19_e.cfm. Архивировано 27 декабря 2010 г. в Wayback Machine .

[7] Департамент, С., Искусственные спутники Земли, спроектированные и изготовленные Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, 1978.

[8] Миллер, СП, «Антенна с отражателем из проволочной сетки.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] Гертсма, Л.В., Данн, Дж.Х., и Эрвин Э. Кемпке, Дж., Оценка одного типа складной трубки, 1965.

[11] Мауч, Х.Р., «Раздвижная решетчатая колонна», 3,486,279, 1969.

[12] Кроуфорд, РФ, Исследование спиральной латиевой колонны, 1969.

[13] Вудс, А.А., и Гарсия, Н.Ф., «Обзор разработки концепции антенны с ребристыми ребрами», Технология больших космических антенных систем, 1982, стр. 423–468.

[14] Робинсон, С.А., «Упрощенный отражатель антенны космического корабля для размещения в ограниченных оболочках», 5,574,472, 1996.

[15] Рао С., Шафаи Л. и Шарма С.К., Справочник по рефлекторным антеннам и системам подачи, том III: Применение отражателей, Artech House, 2013.

[16] Маркс, Г.В., 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 и разрешение развертывания линзовидной шарнирной антенны на борту космического корабля Mars Express», Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 46, март 2009 г., стр. 403–410.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]