Знакомство с заводом RUAG Space, Декейтер, штат Алабама, США

Производство композиционных материалов с помощью безавтоклавных технологий устаревает с появлением изготовленных в США деталей для ракеты-носителя Atlas V и утвержденных деталей для ракеты-носителя Vulcan.

В 2015 году компания United Launch Alliance (ULA, Сентенниал, штат Колорадо, США) объявила о начале стратегического партнерства с RUAG Space (Цюрих, Швейцария), в рамках которого производство конструкций из композиционных материалов для ракеты Atlas V будет перемещено в США. Этот шаг был частью перехода ULA от программ ракет Delta и Atlas к работе над семейством ракет-носителей нового поколения Vulcan, первой из которых станет Vulcan Centaur в начале 2021 года.

Программа Vulcan предполагает использование и развитие технологий Delta и Atlas, а также объединение затрат от обеих линий в одну, что позволит компании ULA отказаться от применяемого в настоящее время двигателя РД-180, разработанного в России, в пользу двигателя BE-4, созданного компанией Blue Origin (Кент, штат Вашингтон, США). Программа Vulcan включает в себя обслуживание запусков спутников, а также миссий с экипажем. Первая запланированная миссия Vulcan заключается в запуске аппарата для посадки на луну от компании Astrobotic (Питтсбург, штат Пенсильвания, США) в 2021 году.

Миссия космического корабля Dreamchaser, разработанного компанией Sierra Nevada Corp. (Спаркс, штат Невада, США), состоится позднее в том же году.

В рамках партнерства с ULA, компания RUAG Space построила завод в Декейтере, штат Алабама, США, на базе здания ULA площадью 130 тысяч квадратных футов, которое изначально использовалось для работы над программой Delta в производственных целях с 2007 года. Компания вывезла из здания практически все, полы были отполированы и выровнены, установлено полностью новое оборудование. Часть напольного покрытия сняли, чтобы установить арматуру, которая выдержала бы 54-тонный головной обтекатель, позволяя компании RUAG Space выполнять производственные процессы без использования автоклава. В настоящее время единственным напоминанием о старом здании Delta остается модифицированная окрасочная камера.

Пока продолжается разработка и квалификационные испытания аппаратного обеспечения Vulcan, а большая часть работ выполняется на заводе в Декейтере, компания RUAG Space также занимается производством деталей для текущих полетов Atlas. Из Декейтера поставляются конструкции из композиционных материалов, армированных углеродным волокном, для ракет-носителей Atlas от компании ULA, включая головные обтекатели для Atlas V-500 и переходники между степенями для Atlas V-400, а также конструкции из углеродного волокна для новой ракеты-носителя Vulcan, а именно: головные обтекатели, переходники и теплозащитные экраны (рисунок 2).

Рисунок 1. Стартовый комплекс. Головные обтекатели из композиционных материалов на разных стадиях производства на заводе RUAG Space в Декейтере, штат Алабама, США.

Рисунок 2. Теплозащитный экран. Данная демонстрационная модель теплозащитного экрана для программы Vulcan представляет собой многослойную конструкцию, аналогичную той, что будет использоваться в головных обтекателях.

Хотя завод в Декейтере работает уже несколько лет, производство первых деталей для будущих миссий завершается только сейчас. До этого момента детали от RUAG Space, используемые на действующих космических аппаратах, поставлялись из Швейцарии. Учитывая производство деталей для уже запланированных на ближайший год полетов Atlas и производство ракеты Vulcan, которое уже не за горами, заводу в Декейтере не придется простаивать.

Руководитель завода Рэнди Дарлинг провел для представителей CW экскурсию по заводу и рассказал о применяемом оборудовании.

В производственном цехе на разных стадиях готовности находятся головной обтекатель для Atlas V, который будет использоваться в полете, назначенном на октябрь 2020 года, переходник для Atlas V, который задействуют в миссии солнечного орбитального спутника в феврале 2020 года, а также разнообразные детали, ожидающие квалификационных испытаний в рамках программы Vulcan, включая демонстрационные модели теплозащитного экрана и головного обтекателя, которым предстоят акустические испытания и определение частоты колебаний.

Конструкция головных обтекателей от RUAG Space многослойная (рисунок 3) и состоит из алюминиевого сотового заполнителя от Hexcel (Стамфорд, штат Коннектикут, США), проложенного между внутренней и внешней панелями обшивки из тканого препрега из углеродного волокна от Solvay (Алфарета, штат Джорджия, США). Пробковый слой, нанесенный на внешнюю панель, обеспечивает защиту от теплоты трения при запуске.

Краска снаружи головного обтекателя защищает его от поглощения влаги и отражает тепло солнца, пока ракета находится на стартовой площадке.

Головные обтекатели состоят из двух продолговатых половинок корпуса, механически скрепляемых вместе при подготовке к запуску. Диаметр обтекателей Atlas составляет 5,4 метра, а длина может составлять 20,7 метров, 23,4 метра или 26,5 метров. Компоненты каждой половинки корпуса обтекателя соединяются вместе и отверждаются в печи как цельная многослойная конструкция.

ПОДГОТОВКА И УКЛАДКА МАТЕРИАЛОВ

Первым пунктом экскурсии стал стол для растяжки и сгибания заполнителя. Здесь алюминиевый сотовый заполнитель вырезают из спрессованных блоков, растягивают и сгибают с помощью специальных инструментов в соответствии с радиусом изготавливаемых деталей.

После зоны подготовки сотового материала следует стол для резки с ЧПУ (рисунок 4), поставляемый компанией Zünd (Альтштеттен, Швейцария), для вырезания материалов нестандартной формы. Стол для резки оснащен сменными головками и может применяться для резки препрега из углеродного волокна, алюминиевого сотового заполнителя и пробкового материала. Устройство также маркирует каждое изделие серийным номером для указания размещения при укладке.

Рисунок 3. Многослойная конструкция. Головной обтекатель состоит из алюминиевого сотового заполнителя, расположенного между внутренней и внешней панелями обшивки из препрега из углеродного волокна, на которые затем наносят пробковый слой.

Рисунок 4. Подготовка и укладка материалов. Стол для резки с ЧПУ используется для вырезания деталей нестандартной формы; полуавтоматический стол используется для выкладки больших кусков обшивки цилиндрической части головного обтекателя.

После резки все материалы готовы к укладке для создания составной конструкции. Из-за особой формы головного обтекателя (цилиндр с оживальной частью, завершающийся конусом) его производят в виде двух частей, одновременно используя две формы для повышения эффективности (рисунок 5).

Рисунок 5. Формы для головных обтекателей. Основная форма для обтекателя от компании RUAG Space (слева) помещается в большую печь для отверждения. Вторая форма (справа) используется для укладки внешней обшивки оживальной части головного обтекателя.

Рисунок 6. Лестницы и лазеры. Здесь показаны лестницы, используемые для укладки материала на сборочную форму, а также лазеры, проецирующие очертания и местоположение деталей.

Для цилиндрической части головного обтекателя используются большие отрезки материала, которые могут превышать 15 метров в длину; они размещаются на столе для укладки с ЧПУ размером примерно 6х21 м, выполненном по специальному заказу компанией Eugen Ostertag Automation (Лайхинген, Германия). Полуавтоматическое устройство для укладки полотна перемещается по направляющим, расположенным по краям стола, укладывая тканый препрег для внутренней и внешней панелей обшивки. В зависимости от конструкции, стол может выполнять укладку прямыми слоями или по диагонали под углом 45 градусов. Укладка регулируется лазерной проекционной системой от компании Virtek Vision International (Уотерлу, провинция Онтарио, Канада). Вакуумное формование осуществляется после укладки каждого слоя.

«Таким образом материал слипается и подвергается позитивному вакуумному формованию», — говорит Дарлинг.

Как поясняет Дарлинг, один слой укладывается и подвергается формованию, а затем процесс повторяют для всех последующих слоев.

Когда укладка завершена, внутреннюю панель поднимают с помощью специального механизма и устанавливают на цилиндрическую часть основной формы (рисунок 7).

Рисунок 7. Основная форма для сборки. Основная форма для сборки от RUAG Space, находящаяся внутри печи для отверждения. Термопары отслеживают температуру в процессе обработки.

Одновременно вручную выполняется укладка внутренней панели оживальной части на основной форме. «Оживальная форма достаточно сложная и обладает множеством уникальных деталей», — говорит Дарлинг. «Лазеры фиксируются на определенных точках на форме, и при укладке отдельных частей материала вручную лазеры проецируют заданные очертания и местоположение каждой части».

Когда работа с внутренней обшивкой оживальной части завершена, а цилиндрическая часть расположена на своем месте на основной форме, на всю внутреннюю обшивку укладывается алюминиевый сотовый заполнитель. После этого выполняется еще один этап формования.

«Мы проводим уплотнение на форме в несколько этапов, чтобы она сохраняла нужную конфигурацию», — говорит Дарлинг.

После размещения заполнителя на столе выполняют укладку наружных панелей обшивки цилиндрической части головного обтекателя с последующей формовкой на форме, как и в случае с внутренними панелями обшивки. Между тем, чтобы сэкономить время на обработку, внешнюю обшивку оживальной части укладывают на вторую форму, применяя другой комплект лазеров, проецирующих местоположение отдельных деталей. Таким образом укладка всех панелей обшивки оживальной части и пробкового слоя выполняется одновременно. После формования для переноса внешней обшивки оживальной части на основную форму используется специальный механизм. Наконец, на панели внешней обшивки цилиндрической части наносится пробковый слой.

Дарлинг отмечает, что укладка пробкового слоя выполняется исключительно вручную. Для этого техническим специалистам приходится подниматься по изогнутым лестницам, расположенным над формой (рисунок 6) Пробковый слой укладывается вручную по одной панели за раз в соответствии с очертаниями, проецируемыми лазерами, для каждой пронумерованной детали.

По словам Дарлинга, наличие второй формы и одновременная обработка различных материалов на цилиндрической и оживальной частях сокращают общее время обработки минимум на 60% по сравнению с использованием одной формы и обеспечивают отверждение многослойной конструкции до истечения срока годности препрега. По завершении укладки всю конструкцию подвергают вакуумному формованию и отверждению.

Помимо форм для создания половинок головной обшивки, здесь же располагаются формы для теплозащитного экрана и стыковых узлов ступени с полезной нагрузкой для Vulcan (рисунок 8). Укладка материалов на эти детали выполняется так же, как и на головные обтекатели. Также рядом находится печь для сушки пробкового материала и режущие инструменты для обработки скосов по краям.

«Начиная от оживальной части ракеты и до главного корпуса располагается скос», — поясняет Дарлинг. «Сверху находится более толстый пробковый слой для защиты от тепла при запуске, а на самом корпусе этот слой тоньше».

БЕЗАВТОКЛАВНОЕ ОТВЕРЖДЕНИЕ

После завершения укладки, форму с многослойной конструкцией перемещают в большую печь для отверждения от компании ASC Process Systems (Валенсия, штат Калифорния, США). По центру печи располагается канал с воздуховодом, перенаправляющим воздух на форму. Тепло подается на верхнюю часть формы и далее распространяется вниз по бокам. Оно возвращается к потолку и рециркулирует. Термографирование и тепловые перегородки позволяют техническим специалистам следить за термодинамикой формы.

Рисунок 8. Другие формы. Формы для сборки теплозащитного экрана (слева) и стыковых узлов ступени с полезной нагрузкой.

В ходе отверждения в печи контролируется вакуумметрическое давление. Термопары контролируют температуру панели, в реальном времени передавая в систему печи данные, позволяющие регулировать каналы согласно заданным требованиям, благодаря чему операторы могут оперативно вносить необходимые изменения.

Каждый возврат воздуха к потолку печи считается отдельной зоной на форме, которую может отдельно регулировать команда специалистов. К тому же, различные детали можно отверждать одновременно, если инструкции по их отверждению идентичны, что повышает эффективность. Это также позволяет компании RUAG Space отверждать испытательные образцы вместе с головным обтекателем. Такие образцы подвергаются разрушающим испытаниям, включая проверку на прочность, испытание конструкции, испытание на скручивание и изгиб, а также на предмет соответствия пористости техническим требованиям.

Рисунок 9. Визуальный осмотр. Визуальный осмотр выполняется перед выполнением ультразвукового неразрушающего контроля.

Рисунок 10. Неразрушающий контроль. Затем выполняется ультразвуковой неразрушающий контроль на предмет наличия пустот и инородных включений.

После отверждения головной обтекатель перемещают на станцию проверки для выполнения неразрушающего контроля. Однако сначала проводится проверка вручную на предмет качества покрытия поверхности, наличия дефектов, степени пористости и наличия включений (рисунок 9). Затем выполняется ультразвуковой неразрушающий контроль на предмет наличия пустот и инородных включений, пропущенных при визуальном осмотре (рисунок 10). Компания Genesis Systems (Давенпорт, штат Айова, США) предоставила систему неразрушающего контроля, применяемую на роботах компании KUKA (Аугсбург, Германия).

ВТОРИЧНОЕ ОТВЕРЖДЕНИЕ

По завершении проверки половину головного обтекателя перемещают на горизонтальную станцию сборки (рисунок 11), где выполняется автоматическая обработка режущим инструментом с особо высокой точностью и высверливаются отверстия для установки системы отделения головного обтекателя — горизонтальной системы, отделяющей обтекатель от ракеты-носителя, и вертикальной системы, сбрасывающей половины головного обтекателя и выпускающей полезную нагрузку. Пила проходит с каждой стороны половины обтекателя, подрезая его по периметру для придания окончательной формы. Второй режущий инструмент проходит по радиусу корпуса обтекателя и подрезает его заднюю часть.

Рисунок 11. Горизонтальная станция сборки. Устанавливаются системы разделения, а головной обтекатель подрезается с помощью специальных устройств.

«Это работа должна выполняться с особой точностью», — говорит Дарлинг. «Мы вырезаем и устанавливаем систему отделения на один корпус, а затем подрезаем и просверливаем другой корпус, таким образом, гарантируя, что две половинки соединятся. Добиться этого можно только с помощью специального устройства».

Его можно настроить на различную длину, чтобы можно было работать с разными моделями головных обтекателей. Головные обтекатели Atlas имеют три разных вышеупомянутых варианта длины; обтекатели Vulcan — два (15,5 м и 21,3 м). Переходники между ступенями также можно подрезать с помощью этого устройства.

Далее головные обтекатели перемещают на станцию механической обработки, где вручную с помощью фрез с алмазными наконечниками выполняют резку. Головной обтекатель устанавливают на подвижное крепление, которое опускает, поднимает и поворачивает конструкцию практически на 90 градусов в любом направлении. Платформа по периметру обеспечивает техническим специалистам полный доступ для проведения резки. Шаблоны и оправки крепятся к боковой части обтекателя, а режущий инструмент проходит по заданной траектории при выполнении резки вручную.

По словам Дарлинга, конфигурации надрезов на головных обтекателях меняются в зависимости от конкретных миссий и особенностей полезной нагрузки. В связи со сложностью изготовления головных обтекателей по индивидуальным параметрам, Дарлинг говорит, что для компании RUAG Space проще и эффективнее использовать механическую обработку для вырезания деталей, например, дверей, чем разрабатывать и программировать автоматическую систему. «Так все время и деньги уйдут на программирование, а не на саму работу», — говорит он.

Рисунок 12. Станция механической обработки. Специальная установка используется для подъема и поворота конструкций, обеспечивая к ним доступ для выполнения резки.

Рисунок 13. Вертикальная станция сборки. После механической обработки и окраски таких деталей, как переходник, выполняется установка электропроводки и оборудования для конкретной миссии.

На последней стадии на готовые обтекатели наносят специальную электропроводящую краску, рассеивающую статическое электричество при запуске. После механической обработки и окраски детали перемещают на вертикальную станцию сборки (рисунок 13), где технические специалисты проводят установку систем контроля параметров окружающей среды, трубопроводов, электропроводки и специального оборудования для миссии. После нанесения маркировки все конструкции считаются готовыми (см. Дополнительную информацию).

По мере развития программ различных ракет компания RUAG Space также разрабатывает новые подходы к созданию деталей ракет-носителей. К примеру, в целях сокращения веса и времени сборки компания начала применять горячее крепление к некоторым соединениям на конструкции Vulcan, вместо металлических крепежных изделий. Компания RUAG Space также планирует работу над универсальным переходником между ступенями от компании Dynetics (Хантсвилл, штат Алабама, США), который будет соединять верхнюю ступень комплекса сверхтяжелой ракеты-носителя НАСА SLS с отсеком экипажа космического корабля Orion, после чего подобная конструкция будет использоваться в рамках миссий на Луну в ходе программы Artemis. Компания RUAG Space займется производством корпуса переходника диаметром 8,4 м, что гораздо больше диаметра корпуса головного обтекателя Atlas (5,4 м), который в настоящий момент изготавливает компания. А состоять переходник будет из четырех частей, соединенных вместе методом горячего крепления.

Учитывая, что в этом году запланированы восемь полетов Atlas V, а первые запуски Vulcan Centaur и SLS назначены на 2021 год, завод RUAG Space в Декейтере предстоят действительно загруженные дни.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Композиционные химические никелевые покрытия для применения в ветроэнергетике
Композиционные химические никелевые покрытия для применения в ветроэнергетике
Способность композиционных химических никелевых покрытий взаимодействовать с разнообразными частицами делает их крайне полезными для применения…
Майкл Фелдштейн
17.05.2021
311
15-я международная специализированная выставка «КОМПОЗИТ-ЭКСПО»
15-я международная специализированная выставка «КОМПОЗИТ-ЭКСПО»
С 28 по 30 марта 2023 года Выставочная Компания «Мир-Экспо» проводит 15-ю Международную специализированную выставку…
31.10.2022
56