Постановка тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций. Часть 1. Расчетно-теоретические исследования

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 
С.В. Резник, О.В. Денисов 
 
Постановка тепловых испытаний элементов 
композитных стержневых  
космических конструкций 
 
Часть 1 
Расчетно-теоретические исследования 
 
2-е издание, исправленное 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки специалистов «Проектирование, производство 
и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» 
и направлениям подготовки магистров 
«Материаловедение и технология материалов»  
и «Ракетные комплексы и космонавтика» 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 620.22.+629.7(075.8) 
ББК 30.3+39.6 
 Р34 
 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/121/book78.html 

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции» 

 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, профессор М.А. Комков 
канд. физ.-мат. наук М.О. Забежайлов 

 
 
Резник, С. В.  
                        Постановка тепловых испытаний элементов композитных 
стержневых космических конструкций : учебное пособие. — Ч. 1 : 
Расчетно-теоретические исследования / С. В. Резник, О. В. Дени- 
сов. — 2-е изд., испр. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 50, [2] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4667-4 

Рассмотрены вопросы тепловых испытаний стержневых космических конструкций. Дано теоретическое обоснование условий испытаний. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
специалистов «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и 
ракетно-космических комплексов» и направлениям подготовки магистров «Материаловедение и технология материалов» и «Ракетные комплексы и космонавтика». 
 
 
УДК 620.22.+629.7(075.8) 
 
ББК 30.3+39.6 

  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
  
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4667-4 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Р34 

Предисловие 

Пособие состоит из двух частей, в которых рассмотрены основные этапы подготовки тепловых испытаний элементов натурных стержневых космических конструкций (КК) из полимерных 
композиционных материалов (КМ). 
Часть 1 посвящена теоретической подготовке тепловых испытаний стержневых КК. Рассмотрены различные стержневые КК и 
материалы для их изготовления, особенности тепловых режимов 
и экспериментальные средства воспроизведения условий работы 
стержневых КК. Представлены методы математического моделирования температурного состояния элементов стержневых КК. 
Приведены результаты теоретического исследования теплообмена одиночных полых стержней и системы стержней, необходимые для обоснования условий тепловых испытаний натурных 
элементов стержневых КК. Выявлены направления повышения 
производительности и точности тепловых испытаний. 
В части 2 рассмотрены расчетно-экспериментальные методики определения коэффициентов теплопроводности КМ в продольном и окружном направлениях стержней непосредственно 
на элементах натурных стержневых КК из полимерных КМ. Новые расчетно-экспериментальные методики основываются на 
существующей материальной базе (термовакуумные камеры, 
гелиоустановки, установки контактного нагрева) и современном 
математическом аппарате численных методов прогнозирования 
температурного состояния конструкций. Регистрация экспериментальных данных проводится с помощью быстродействующих 
и высокоточных автоматизированных средств, а обработка —  
с привлечением методов решения обратных задач теплопроводности и определения методических погрешностей измерения 
температуры. 
 
 

Введение 

При создании перспективных стержневых композитных КК 
трудно переоценить роль тепловых испытаний. Они служат для 
проверки результатов теоретических расчетов и работоспособности конструкции. Однако нередко результаты теоретических расчетов и экспериментов не совпадают. Одно из слабых мест теоретических расчетов — неопределенность данных о теплофизических свойствах (ТФС) КМ. Компенсировать недостатки расчетов 
с помощью увеличения объемов испытаний нецелесообразно. 
Причин несколько: высокая сложность и низкая производительность испытаний крупногабаритных натурных конструкций, невозможность проведения испытаний масштабно уменьшенных 
моделей, теряющих представительные качества КМ. Компенсировать недостатки теоретических и экспериментальных результатов за счет увеличения запасов прочности и жесткости затруднительно в силу известных весовых ограничений. 
В стержневых композитных КК для обеспечения стабильности формы и размеров в течение эксплуатации должны быть 
ограничены уровни и перепады температуры, влияющие на температурные деформации. При заданных тепловых нагрузках и 
размерах КК ее температурное состояние зависит от сочетания 
ТФС и оптических свойств (ОС) КМ. 
Ввиду уникальности каждой партии стержней из КМ (различные типы наполнителя и связующего, количество слоев и углы 
укладки волокон, режимы термообработки) почерпнуть из справочной литературы сведения об их ТФС практически невозможно. В традиционных методиках определения ТФС материалов 
используются образцы в форме круглой или прямоугольной пластины. Приготовление таких образцов из натурной композитной 
стержневой конструкции затруднительно и может привести к 
нарушению структуры материала. Продолжительность экспериментов составляет от нескольких часов до нескольких десятков 
часов, а результаты испытаний могут иметь существенную погрешность. Очевидно, что назрела потребность в применении более совершенных программно-аппаратных средств для получения 
данных ТФС КМ.  
 

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ 
СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 

1.1. Типовые и перспективные стержневые космические  
конструкции и особенности их тепловых режимов 

Силовые элементы в виде длинных полых стержней — неотъемлемая часть разнообразных КК: орбитальных станций и платформ, 
радиотелескопов, спутников связи, космических антенн, солнечных 
парусов и энергетических установок [1–5]. В космической технике 
нашли применение как одиночные стержни, так и легкие пространственные каркасы с многократно повторяющимися однотипными 
элементами. Для безотказной работы всех систем КК в течение полета необходимо обеспечивать их заданный тепловой режим. 
К стержневым КК предъявляются жесткие требования по 
температурным деформациям в течение всего периода эксплуатации в условиях периодического нагрева солнечными лучами и 
потоками излучения, идущими от Земли. Температурные деформации в основном определяются градиентами температур и термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) материала стержневых КК. У стержней из металлических сплавов типа АМг6 градиенты температур в продольном и окружном 
направлениях малы, однако значения ТКЛР находятся на уровне 
6
20 10

 K 1
 . У полимерных КМ, напротив, температурные градиенты, составляющие сотни градусов на один метр, частично 
компенсируются близким к нулю ТКЛР, а плотность меньше, чем 
плотность сплава АМг6. Благодаря внедрению передовых технологий различие в стоимости металлических сплавов и полимерных КМ уменьшается, поэтому использование последних для создания стержневых КК весьма перспективно. 
Для крепления узконаправленных зеркальных антенн систем 
космической связи применяются телескопические штанги, мачты. 
На рис. 1.1 показаны стержневые элементы на спутниках связи: 
телескопическая штанга, мачта. Стержневые элементы входят  
в состав рефлекторов, солнечных батарей. 

 

Рис. 1.1. Стержневые элементы на спутниках связи:  

1 — рефлекторы; 2 — контротражатель; 3 — солнечная батарея; 4 — телескопическая штанга; 5 — мачта 

Вместе с ростом частоты сигнала возрастают требования к 
точности наведения луча и профиля отражающей поверхности 
антенны. Повышение скорости передачи данных оптическими 
или лазерными средствами межспутниковой связи до уровня  
0,5 Гбит/с зависит от точности наведения луча. Допустимые отклонения профиля рефлектора (см. рис. 1.1) от идеального не 
должны превышать значения 
/16

 или 
/ 50

 (здесь   — длина волны электромагнитного излучения) [6]. Перепады температур в стержневых элементах крепления антенн, возникающие  
в результате их неравномерного нагрева потоками излучения, 
идущими от Солнца и Земли, могут приводить к нежелательным температурным деформациям и нарушению работоспособности КК. 
В ряде случаев ответственные силовые элементы космических 
аппаратов могут быть изготовлены только из полимерных КМ. 
Например, эксплуатационные перемещения трубы каркаса радиотелескопа «Астрон» (рис. 1.2) не должны превышать 180 мкм,  
а перемещения штанги поворотного устройства спутника «Кондор» длиной от 2,5 м до 195 мкм [7, 8]. Такой уровень перемещений  
в диапазоне температур 200…350 K недостижим даже при использовании специальных металлов и сплавов, что способствует активному применению многослойных полимерных КМ на основе углеродных волокон. 

Рис. 1.2. Стержневые элементы из углепластика: 
а — радиотелескоп «Астрон» (НПО им. С.А. Лавочкина); б — спутник «Кондор» 
(НПО машиностроения); 1 — каркас антенны радиотелескопа; 2 — поворотное 
устройство 
На орбите ферменные КК приводятся в рабочее состояние с 
помощью дистанционных манипуляторов или космонавтами и 
представляют собой основу для орбитальных станций, крупногабаритных развертываемых антенн (радиотелескопов) и платформ (рис. 1.3). Их площадь может достигать нескольких тысяч 
квадратных метров. 
Примером многоэлементной стержневой КК может служить 
экспериментальный рефлектор развертываемой космической 
антенны РКК «Энергия» — НПО «ЭГС» (рис. 1.4) [9]. В этой 
конструкции стержни используются для натяжения металлического сетеполотна. В свернутом состоянии рефлектор хранится 
в цилиндрическом контейнере. После вывода на заданную орбиту раскрывается силовое кольцо (пантограф) и вместе с ним развертываются тонкостенные (0,25 мм) пластины из углепластика. 
Тонкостенные стержни, штанги и мачты применяются в системах гравитационно-градиентных стабилизаторов, стержневых 
космических антеннах и системах зондирования космического 
пространства (рис. 1.5). Они изготовляются из лент пружинных 
сплавов, сворачиваются в компактный рулон и приобретают на 
орбите первоначальную форму [10–12]. 
Серьезный недостаток таких конструкций — неустойчивое 
движение вследствие возникновения термоиндуцированных колебаний. Объяснение неустойчивости в виде решения связанных 
задач нестационарного радиационно-кондуктивного теплообмена 
(РКТ) и термомеханики дано в [13–15]. Для моделирования температурного состояния стержневых КК необходимо учитывать не 
только нестационарность, но и многомерность процессов РКТ. 

Рис. 1.3. Перспективные ферменные КК: 
а — орбитальная станция; б — радиотелескоп; в — космическая платформа; 1 — 
стержни; 2 — тросы 

 

Рис. 1.4. Развертываемая космическая антенна на ферме «СОФОРА» 
(РКК «Энергия» им. С.П. Королева) 

Рис. 1.5. Ферменные и индивидуальные стержневые элементы, развертываемые на космических аппаратах:  
а — Geos-3; б — Voyager; в — Geos; г — FR-1; д — ISEE; 1 — штанга гравитационной системы ориентации и стабилизации; 2 — штанга гравитационной системы 
ориентации и стабилизации для магнитометров; 3 — складная штанга для научных 
приборов; 4 — штыревая антенна 

1.2. Материалы стержневых космических конструкций 

Во многих случаях в процессе эксплуатации стержневых КК 
температура на участке их поверхности, освещенной Солнцем, 
может превышать 400 K, в то же время температура на участке 
поверхности КК, находящейся в тени, может снижаться до 100 K 

и менее. При таких высоких перепадах температур могут возникать значительные температурные деформации. Уровень деформации зависит также от ТКЛР. До недавнего времени в КК  
находили применение такие материалы, как алюминиевые, магниевые, титановые, бериллиевые сплавы. Их основные физикомеханические свойства и ТФС для температуры 300 K приведены 
в табл. 1.1 [2, 16, 19, 20]. Для металлов значения   находятся в 
диапазоне (10...30)
6
10

 1/K [2, 19]. 
Таблица 1.1 

Основные физико-механические и ТФС  
 конструкционных материалов 

Материал 
ρ10–3, 
кг/м3 
E10–4,
МПа 
σв 10–2, 

МПа 
10–6,
1/K 
λ, 
Вт/(мK) 
cp, 
Дж/(кгK) 

Алюминиевые  
и алюминиевомагниевые 
сплавы  

2,85 
7,2 
2,8–4,2 
20,0 
100–120
800–900 

Титановые 
сплавы 
4,50 
12,0 
10,0 
8,5 
16–20 
300–500 

Бериллиевые 
сплавы 
1,80 
31,0 
6,0 
10 
160–180 1500–1700

 
С начала 1970-х годов в стержневых КК стали применять 
композиты. Их свойства зависят от материала матрицы, типа волокон, а также от их ориентации и объемной доли. Так, согласно 
[3], при продольных нагрузках масса длинного углепластикового 
стержня с продольной ориентацией волокон на 75 % меньше, чем 
масса алюминиевого стержня, а при продольных и сдвиговых 
нагрузках и соответствующем продольно-поперечном расположении волокон потенциальная экономия массы составляет 50 %. 
Кроме того, удельная жесткость некоторых перспективных КМ 
превосходит удельную жесткость алюминиевых сплавов более 
чем в 6 раз, а их удельная прочность превышает прочность алюминиевых сплавов в 5 раз. Недостаток КМ заключается в том, что 
наряду с малым ТКЛР и высокой жесткостью пространственной 
структуры они имеют низкие значения коэффициента теплопроводности. Это приводит к передаче теплоты от более нагретых к 
менее нагретым элементам стержневой конструкции. Перепад 
температуры по длине стержней может превышать 350 K/м [17].