Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
Обычно такие конструкции состоят из элементов, выполненных из конструкционных материалов, и из элементов, выполненных из сплавов с памятью формы. Задача последних состоит в том, чтобы при восстановлении формы придать необходимое положение соединенным с ними элементами из конструкционного материала [3].
На рис. 1.25 представлена система саморазвертывания антенны и раскрытия солнечных батарей космического аппарата [6]. Лист и стержень из сплава Ti-Ni, образующие антенну, свернуты в спираль и расположены в специальных углублениях. После того, как спутник выведен на орбиту, антенна нагревается (с помощью специального нагревателя или в результате воздействия солнечного излучения) и, в результате процесса восстановления формы, разворачивается.
Рис. 1.25. Антенна искусственного спутника, изготовленная из сплава с ЭПФ (1, 2 – проволока и листовой сплав Ti-Ni) [6]
Подобная конструкция использовалась в 1989 г. на аппарате «Прогресс-40» (эксперимент «Краб»). В 1993 г. на блоке «Квант» станции «Мир» была установлена ферма «Рапана», расправившаяся в мачту длиной 6 м. (рис. 1.26) [3].
41
Рис. 1.26. Ферма «Рапана» (6 м), установленная на блоке «Квант» станции Мир [3]
Термомеханические соединения. Эффект памяти формы может использоваться в изготовлении разнообразных соединителей и зажимных приспособлений для крепления деталей.
Одно из наиболее ранних применений сплавов с ЭПФ – изготовление соединительных муфт для труб (рис. 1. 27). Температура превращения сплава, из которого изготовлена муфта, -150 оС, диаметр муфты в исходном состоянии на несколько процентов меньше диаметра соединяемых труб. После охлаждения в жидком азоте внутренний диаметр муфты расширяют путем продавливания дорна с определенной конусностью, затем в муфту вставляются трубы. После нагрева до комнатной температуры внутренний диаметр муфты восстанавливается. Поскольку этому процессу препятствуют трубы, в муфте возникают реактивные напряжения, обеспечивающиепрочное соединение.
42
Рис. 1.27. Соединение с использованием муфты из сплава c ЭПФ: 1 – трубы вводятся в муфту после ее расширения, 2 – нагрев [6]
Данный тип соединения отличается высокой надежностью: так, в гидросистеме истребителя F-14 для соединения трубопроводов использовано более сотни тысяч подобных муфт, при этом не было случаев аварий, связанных с утечками в таких соединениях [6]. Соединительные муфты из сплава ТН1К использовались также при монтаже гидросистемы самолетов ТУ-204
(рис. 1.28) [3].
Рис. 1.28. Использование муфт из сплава с ЭПФ при монтаже гидросистемы самолета ТУ-204 [3]
43
Основными характеристиками термомеханических соединений труб являются интервал рабочих температур, внутреннее давление разгерметизации, усилие страгивания [3]. Рабочие температуры должны превышать температуру прямого мартенситного превращения, но при этом быть ниже температур развития процессов возврата, приводящих к релаксации реактивных напряжений.
На рис. 1.29 показана разновидность муфты, используемой в качестве гнезда электрического соединителя. В данном случае используется сплав с ЭПФ двунаправленного действия. На бронзовую втулку, в которой прорезана торцевая щель, надето кольцо из сплава Ti-Ni (Aк ≈ −20 oC). При комнатной температуре кольцо и торцевая часть сжимаются и зажимают вставленный в гнездо штекер, а при низкой – расширяются.
Рис. 1.29. Электрический соединитель из сплава с ЭПФ и порядок его сборки [6]
Другим примером термомеханических соединений являются стопоры, служащие для соединения деталей. Сплав, из которого изготовлен стопор, имеет температуру Aк ниже комнатной. В исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 1.30, а), после охлаждения торцы распрямляют и вводят стопор в отверстие для крепления (рис. 1.30, б, в). После отогрева до комнатной температуры происходит восстановление формы торцов (рис. 1.30, г).
44
Рис. 1.30. Принцип действия стопора из сплава с ЭПФ [6]
Применение для исполнительных элементов. Во многих конструкциях элементы из сплавов с ЭПФ используются непосредственно в качестве исполнительных элементов устройства. Здесь, как и в описанном выше примере стопора, используется двунаправленный ЭПФ. Регулируя нагрев подходящим способом, добиваются вращательного или возвратно-поступательного движения исполнительных элементов. Нагрев часто осуществляется пропусканием электрического тока, встречаются и другие способы: с помощью потока воды, обдува горячим воздухом, инфракрасного излучения и др.
В качестве примера на рис. 1.31 представлено устройство для перемещения образца в электронном микроскопе. Исполнительные элементы в виде спиральных пружин I и II выполнены из сплава с ЭПФ.
Тепловые приводы и двигатели. Сплавы с эффектом п а-
мяти формы могут применяться в качестве рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую [5].
Рис. 1.31. Устройство для перемещения образца в электронном микроскопе [6]
45