Министерство образования и науки Российской Федерации.

Федеральное агентство образования

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики.

Кафедра «ПР-6»

Текст лекций

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 200204

(Оптические технологии и материалы)

МОСКВА 2007.

Введение

История авиационной техники наглядно свидетельствует об усилении роли прозрачных элементов в конструкциях летательных аппаратов.

На заре авиации, в начале 20-го века, когда скорости первых самолетов были небольшими (до 200 км/час) и высота полета до 1000 м защитного остекления не было. В лучшем случае летчик надевал защитные очки. Во время первой мировой войны самолеты стали использовать в виде штурмовой или бомбардировочной авиации. При этом для успешного ведения боевых действий необходимо было увеличивать скорости самолетов. Увеличение скорости привело к увеличению воздушного скоростного напора, от которого необходимо было защищать летчика. При высоте полета до 1000 м достаточно было установить на аэроплане небольшой прозрачный щиток или колпак для защиты пилота от набегающего потока воздуха. Основным материалом для него служил целлулоид (нитроцеллюлоза). Однако уже во время первой мировой войны выявились существенные недостатки нитроцеллюлозы - ограниченная прозрачность и высокая склонность к горению. В боевой авиации основное правило – кто первый увидел противника, тот и имеет преимущество, а нитроцеллюлоза этому не способствовала. Второй недостаток – при обстреле самолета, даже если пули не попадали в летчика, то они легко могли поджигать нитроцеллюлозу, что приводило к потере самолета.

(Пример самолет один из первых самолетов – МГУПИ/Лек-1- фото\первые самолеты

В 30-е годы, когда скорости самолетов увеличились до 400-700 км/час и высота полета возросла до 4000-6000 м возник вопрос защиты экипажа от внешних воздействий при рабочих температурах за бортом от минус 30 до +60°С. Экипаж стал размещаться в закрытой кабине самолета.

Пример №2 (Ил-4 МГУПИ/Лек-1- фото IMG_0610 закрытая кабина

При этом возникли вопросы обеспечения достаточного обзора, прочности и надежности остекления. Нитроцеллюлоза не позволяла обеспечить данные параметры.

Поэтому к началу второй мировой войны во многих странах, в том числе и в СССР, были проведены работы по созданию органических стекол на основе полиметилметакрилата, который был лишен недостатков, свойственных целлулоиду. Егo прозрачность была высокой (90%), а горение медленным, вполне допустимым для успешной эксплуатации.

Однако и оргстекло имело недостатки и пределы своего использования. Оно обледеневало в условиях полета, легко царапалось, было склонно к старению, покрываясь сеткой мелких трещин - "серебром", что значительно снижало оптические параметры остекления.

Несмотря на негорючесть и абразивостойкость, хорошие оптические характеристики силикатное стекло не находило применения в авиации из-за своей хрупкости, невысокой прочности и вдвое большей, чем у оргстекла, плотности, кроме того, при разрушении, оно давало опасные осколки.

Разработанная в 30-е годы технология воздушной закалки силикатного стекла, позволившая повысить его прочность в 3 раза, а создание безопасного стекла-триплекса, сделали возможным применение силикатного стекла для остекления кабин пассажирских и транспортных самолетов.

В период Великой Отечественной войны для защиты экипажа самолетов-штурмовиков от пуль была создана прозрачная броня на основе композиций из нескольких листов силикатного стекла, склеенных прослойками поливинилбутиральной ("бутафоль") пленки.

Пример №2 (Ил-4 МГУПИ/Лек-1- фото IMG_0610 закрытая кабина и первая броня, /фото самол/самолеты Ан-3.jpg )

При необходимости повышения потолка до 10000 м (Бомбардировщики во время войны, перелет Молотова в Лондон) летчикам требовались кислородные маски и очень теплые комбинезоны.

Повышение скорости полета до Ml (порядка 900 км/час), а потолка полета до 10 км и более потребовало создания герметичных кабин и улучшения противообледенительных свойств остекления. Эти вопросы были решены развитием технологии триплексов на основе упрочненного стекла с применением электрообогревных устройств в виде тонкой проволоки или электропроводящего покрытия на склеиваемой поверхности внешнего стекла. Создание герметичных кабин привело к возникновению избыточного давления, что потребовало увеличение прочности и надежности остекления фонаря самолета.

(Пример №3: кингст/ фото самолетов/самолеты Ил-22.jpg, Ан-30.jpg, МГУПИ / Лек-1- фото /Боинг 777 –РС270073, Ан-12- PC270075 или Ту334 – /IMG_0604 )

Создание реактивных самолетов потребовало повышения теплостойкости остекления, способного выдерживать аэродинамический нагрев выше 100^оС. В остеклении стали возникать большие напряжения от внутрикабинного избыточного давления, аэродинамических нагрузок и перепада температур в процессе эксплуатации.

Пример №4 МГУПИ /Лек-1- фото /истребители Су-30МКИ IMG_0607, F-15 PC270072 (теплостойкая органика), /МиГ – (термостойкое стекло с электрообогревом 0322, 0324)

Высокие аэродинамические характеристики сверхзвуковых самолетов повлекли за собой уменьшение углов установки лобовых стекол относительно оси самолета, или повышение угла между линией визирования и нормалью к поверхности. Это, в свою очередь, значительно повысило требования по оптике остекления, так как при этом значительно увеличивались угловые отклонения линии визирования и коэффициент отражения света.

Пример №4/ фото самолетов/самолеты (normal_32.jpg (Ту-160), normal_412379.jpg (МиГ-25))

Особую остроту приобрели вопросы прочности остекления из-за столкновений скоростных самолетов с птицами. Как показывает статистика, до 20% этих опасных инцидентов приходится на остекление (F/МГУПИ/Лекц-1-фото/птица) (история с ТСК-167.06, история с МиГ-29К (1100 км/час)). (Фото Ту-160 – баланс оптика-птица)

С учетом изложенных обстоятельств остекление стало важным силовым элементом конструкции летательного аппарата, обеспечивающим эффективность и безопасность полетов.

Начиная с 60-х годов запуск автоматических и пилотируемых космических аппаратов потребовал их оснащения высоконадежными оптическими иллюминаторами для визуального наблюдения и работы с бортовыми приборами, что значительно расширило круг применяемых материалов и разрабатываемых конструкций остекления.

Фото иллюминатора (Папка Космос/Окно и Окно 1)

Таким образом, к настоящему времени изделия авиационного и космического остекления превратились в изделия конструкционной оптики (ИКО), представляющие собой сложные оптические системы с высоким уровнем прочности и надежности, достигаемым на основе композиций из различных неорганических и органических прозрачных материалов, пленок и покрытий, герметиков и металлических материалов.

Успехи, достигнутые в области конструкций и материалов, применяемых в авиационном и космическом остеклении, все шире используются в области судовой и глубоководной техники, при создании химических аппаратов и энергетических установок, в строительстве, автомобилестроении, медицинской промышленности и других отраслях техники.

1. Основные требования к изделиям и типовые конструкции

Изделие конструкционной оптики (ИКО) - это пластина или оболочка, состоящая из одного или нескольких слоев прозрачных для электромагнитного излучения материалов, являющаяся несущим элементом конструкции летательного аппарата (ЛА) и обеспечивающая необходимые оптические параметры в заданных условиях внешних воздействий. Отсюда вытекают 2 группы основных требований к ИКО:

а) конструкционная прочность и устойчивость к внешним воздействиям;

б) оптические показатели и их сохранение, в условиях эксплуатации.

Удовлетворение первой группы требований достигается путем создания конструкции ИКО c применением достаточно прочных материалов или их композиций (триплексы, многослойные блоки), способами крепления и герметизации, обеспечивающей оптимальную схему нагружения ее элементов.

Вторая группа требований удовлетворяется применением материалов с необходимой прозрачностью в заданном диапазоне, обеспечением заданной формы прозрачного элемента, мерами по ее сохранению в условиях эксплуатации.

ИКО летательных аппаратов могут быть классифицированы различными способами, например:

по назначению: самолеты, вертолеты, космические аппараты; (показать на примере самолетов и вертолетов, /фото самол/ самолеты и / вертолеты// МГУПИ/Лек-1-фото/ Ми-28Н бел, Ми-24 bmp точечный рисунок)

по оптической точности: визуальные, приборные; (// МГУПИ/Лек-1-фото / (границы-зон-опт) с указанием приборной, взлетно-посадочной и визуальной зоны, показать на примере /фото самол/ вертолеты/камов/Ка50_4.jpg, и фото самол /МиГ- истребители МиГ-29)

по типу конструкции: фонари (/фото самол/ самолеты/Як-130.jpg) , иллюминаторы (МГУПИ/Лек-1- фото PC270076 (Су-25 ), колпаки (/фото самол/ МиГ);

по форме поверхности: плоские (Фото/IMG_0786-Бе-200), гнутые (фото самол /МиГ- истребители МиГ-29) , Фото/Ту-334 IMG_0785 или 0787- Ан-148);

по стойкости к механическим воздействиям: птицестойкие (все лобовое остекление фонарей), пулестойкие ((МГУПИ/Лек-1- фото PC270076 (Су-25, Ми-24, Ми-28, МГУПИ/фото самол/ самолеты/Ка50_4.jpg, и др.)

по спектральному диапазону: работающие в видимой (остекление фонарей, оптические иллюминаторы), инфракрасной части спектра (колпаки ТСК 194) (PRESIDENT-S), в совмещенном диапазоне (ТСК 293, ТСК292, Атолл);

по типу композиции: однослойные (((МГУПИ/Лек-1- фото PC270076 (Су-25 фото самол)), многослойные (остекление фонарей), камерные /космос/(космические иллюминаторы);

по наличию противообледенительного обогрева: обогревные (лобовое и не всегда боковое остекление фонарей (МиГ-29, Лек-1фото, Ту-334 IMG_0604-Лек-1фото)), необогревные (форточки, иногда оптические иллюминаторы и передняя часть фонаря (МГУПИ/фото самол/ самолеты/Су-33 палубный.jpg), МГУПИ/Лек-1- фото PC 270072 – F-16;);

по типу прозрачного материала: силикатные ((МиГ-29, Лек-1фото), органические (Су-33 палубный.jpg), PC 270072 – F-16;), гетерогенные (Ту-334 IMG_0604-Лек-1фото), кварцевые (космос, ТСК 308), керамические (из лейкосапфира, Атолл, «испанка» - MgF₂).

Авиационные ИКО, предназначенные для остекления кабин, должны обеспечивать пилотам незатененный, неискаженный, достаточно широкий обзор, сохраняющий удобства пилотирования при всех маневрах и режимах в условиях эксплуатации, (МГУПИ/Лек-1- фото обзор пилот ).

Для дозвуковых самолетов ( Боинг 777 – МГУПИ/Лек-1- фото РС270073, Ту334 – IMG_0604 или Ан-12- PC270075) угол установки лобового остекления между нормалью к плоскости стекла и осью фюзеляжа составляет 50-55°, а для сверхзвуковых 60-65° Пример №4 (МГУПИ/фото самол/ самолеты/normal_32.jpg (Ту-160), normal_412379.jpg (МиГ-25). Деформация изображения при этом не должна превышать 10 угл. мин. на базе 200 мм.

Важнейшие требования к ИКО для кабин самолетов и вертолетов.

1. Детали ИКО должны выдерживать кратковременные и длительные статические, а также динамические нагрузки, соответствующие требованиям, предъявляемым к конкретному летательному аппарату (ЛА), с высокой надежностью и ресурсом, сопоставимым с ресурсом планера.

2. Коэффициент светопропускания должен быть в пределах 60-85%, светорассеяние не должно превышать 2,5%. Остекление должно исключать недопустимые изломы линии горизонта, приближение и удаление, деформацию и игру изображения (нарушение пропорций частей рассматриваемых объектов), не должно пропускать излучения, вредно действующие на организм человека (особенно актуально для космических аппаратов – случай с космонавтом Е. Леоновым, МГУПИ/фото самол/ самолеты/Ан-21.jpg (авакс)).

3. Поверхность остекления должна быть абразивостойкой, то есть устойчивой к царапанию и воздействию абразивных частиц, вызывающих снижение пропускания и увеличение светорассеяния, выдерживать дождевую эрозию, град.

4. Остекление не должно запотевать и обледеневать, для чего должен быть предусмотрен электрообогревающий элемент.

5. Рабочие температуры в зависимости от типа ЛА могут меняться от минус 60 до +200 °С и выше.

6. Остекление должно быть как можно более легким.

Требования стойкости к внешним воздействиям - это стойкость к механическим факторам, синусоидальной и случайной широкополосной вибрациям, механическим ударам одиночного и многократного действия, линейному ускорению, акустическим шумам.

Все авиационные ИКО, попадающие в аэродинамический поток, должны быть стойкими к соударению с птицей массой 1,8 кг при всех скоростях полета на высотах до 2500 метров. В соответствии с требованиями РИАТ при столкновении остекление должно сохранять неразрушенным внутреннее стекло, обращенное в кабину; или не должно происходить его опасного разрушения, потери герметичности, недопустимых нарушений видимости. FAR-25 допускает разрушение тыльного стекла ИКО, даже допускает прогиб изделия до 52 мм при отсутствии опасных осколков тыльного стекла и потери герметичности фонаря.

(Привести пример требований РИАТа и FAR-25, Привести фотографию ТСК-195 после испытаний на птицестойкость Папка МГУПИ/ТСК/фото отчет ТСК 195 и испытания на птицестойкость)

Рис.2. Фонарь кабины экипажа пассажирского самолета:

1-лобовые стекла с электрообогревом; 2-боковые стекла; 3-рамки каркаса фонаря; 4-прокладки; 5-рамки крепления стекол; б- элементы герметизации стекол

(Привести фотографии фонарей пассажирских самолетов Боинга, Ту-334, Ан-12, и др.)

Для остекления боевых самолетов и вертолетов, наземной техники используются многослойные пулестойкие ИКО (прозрачная броня), конструкция которой зависит от заданных защитных свойств (калибр и скорость пули, угол встречи).

(Привести фотографии Су-25, Миг-29К, Су-27, Ми-28 и образец композиции. Папка МГУПИ/динамика, папка F/работа/проект-ТЗ, МГУПИ\ТСК\краткая характеристика ИКО)

Показать эволюцию остекления фонарей.

А-А

Рис. 3 . Фонарь кабины летчика на истребителе(папка Лек-1-фото/Фон-МиГ-21 – центральная часть ПЧФ - броня)

1- переднее стекло; 2- боковые стекла; 3- каркас; 4,5,6, 8,9- элементы герметизации; 7-сдвижная часть фонаря; 10- ручка замка; 11 - замок

Основными климатическими факторами, стойкость к которым должна быть обеспечена, являются атмосферное пониженное давление, повышенная и пониженная температура, повышенная влажность, соляной морской туман, роса и пыль, общее солнечное и ультрафиолетовое облучение.

А-А

Рис.4. Беспереплетное переднее стекло фонаря кабины летчика на истребителе (Cу- или МиГ-23 не птицестойкое)

1. лобовое стекло; 2- детали каркаса; 3- сдвижная часть фонаря; 4- элементы герметизации; 5- тыльный слой, полиуретан; 6- стеклоблок; 7- полиуретан в качестве тыльного слоя, склейки и обрамления

((Привести фотографии (лек-1-фото) Су-25 – PC_270076 , МиГ-29 Су-30 МКИ – IMG_0607 ,Ми-24, Ми-28 и образец композиции.)

Для защиты от обледенения в конструкцию ИКО вводится электронагревательный элемент, обогревающий наружное стекло. Защищенный от обледенения участок изделия должен перекрывать взлетно-посадочные и приборные зоны ИКО. Температура нагрева регулируется с помощью встроенного в конструкцию ИКО термодатчика. При питании переменным током под напряжением 200/115 В электронагревательный элемент выполняется в виде пленки на стекле. При питании постоянным током 27 В задача решается с помощью тонкой молибденовой проволоки, сетка из которой помещается между стеклами и не препятствует наблюдению через стекло. При средней удельной мощности свыше 0,5 Вт/см² электронагревательные элементы должны иметь не менее двух ступеней регулировки обогрева. При наличии противообледенителя нормативное светопропускание изделия должно быть не менее 60%.

Показать конкретные примеры ТЗ гражданского самолета и истребителя (RRJ , Boeing 787, Т-50)

Основные виды остекления самолетов и вертолетов представлены на рис.2-5.

.

а) б)

Рис.5. Остекление вертолетов; а) Кабина вертолета Ми-24; б) Кабина вертолета Ми-8. (Привести фотографии Ми-24 (папка фото самол/папка Ми 24), Ми-28 (папка МГУПИ/Лек-1-фото/Ми-28Н бел), Ка-50 (папкаМГУПИ/фото самол/самолеты\ka50_4, normal_20050820.RBI.09), Апач (папка МГУПИ\фото самол\РС270069)

Требования к ИКО, работающим с бортовыми оптическими приборами, задаются с учетом оптических параметров конкретной аппаратуры и ее расположения относительно ИКО. При этом задается фокусное расстояние, светопропускание (88-92%), разрешающая способность, допустимые аберрации (искажения).

Кроме плоских пластин круглой или близкой к прямоугольной формы для работы бортовых оптических систем применяются объемные складчатые или полусферические прозрачные элементы (рис.6).

а) б)

Рис.6. ИКО объемной конфигурации, а) сферический обтекатель, стекло ТСМ 209; б) оптический люк для аэрофотосъемки, стекло К-8.

Договор по «Открытому небу», целью которого является содействие укреплению доверия между государствами-участниками через совершенствование механизмов контроля за военной деятельностью и за соблюдением действующих договоров в области контроля над вооружениями путем обеспечения возможности совершать облеты территорий друг друга, был подписан 27 государствами ОБСЕ в Хельсинки 24 марта 1992 г. Российская Федерация ратифицировала Договор 26 мая 2001 г. К настоящему времени к нему присоединились уже 34 государства.

Для выполнения инспекционных полетов наша страна до сих пор использовала два типа самолетов: Ту-154М-ЛК1 (для полетов над Северной Америкой) и Ан-30Б (над Европой). В состав специального оборудования наблюдения обеих машин входят аэрофотоаппараты различных типов. Для более эффективного решения задач контроля по Договору «Открытое небо» ОАО «Туполев» было поручена разработка специальной модификации пассажирского лайнера Ту-214, оснащенного многофункциональным современным бортовым комплексом авианаблюдения, созданным концерном «Вега». Согласно официальной информации разработчика такого комплекса, Ту-214-ОН «является первым среди самолетов 34 государств – участников Договора, оборудованным всеми разрешенными Договором средствами наблюдения: четырьмя аэрофотоаппаратами, тремя телевизионными камерами, радиолокатором с синтезированной апертурой антенны и инфракрасным устройством линейного сканирования».

(Показать на МиГ-29М2 – Лек-1-Фото- МиГ-29М2 -_ IMG-0606; Су-30 МКИ – IMG_0607 (ТСК 548-549 Су-25 – подвесной контейнер, или фотолюк Су-25 – PC_270076; F/МГУПИ/ТСК/чистое небо)

Стойкость к внешним воздействиям, работоспособность и эксплуатационная надежность ИКО зависят от конструкции крепления (заделки) прозрачного элемента к фюзеляжу (корпусу) летательного аппарата. Конструкция заделки должна передавать на крепежную раму статические и динамические нагрузки, приходящиеся на прозрачный элемент, разгружая наиболее напряженную его краевую зону, и в то же время демпфировать нагрузки, возникающие при деформации каркаса. Конструктивный узел " край прозрачного элемента-обрамление-рамка" может быть выполнен различными способами (рис.7) (Папка МГУПИ\Лек-1-фото\Заделка-1 Заделка-2):

• жесткое закрепление (защемление) кромки (рис. 7а),

• свободное шарнирно-подвижное опирание кромки (рис.7в).

В зависимости от упругих свойств (эластичности) обрамления реализуются промежуточные варианты этих способов (рис. 76).

в)

Рис.7. Варианты конструкций заделки стекла: а) в жесткой раме; б) с применением гибкой прокладки;

1- внешнее стекло; 2- уплотнение; 3- токопроводящее покрытие; 4- промежуточный склеивающий слой из поливинилбутираля и полиуретана; 5- герметик; 6- рама с Z -образным сечением (по периметру); 7- прозрачный элемент; 8- внешнее крепление; 9-внутрсннсс крепление (гибкая прокладка); 10- герметизирующая заделка; 11-клеевая прокладка; 12- эластичная прокладка; 13-дистационный вкладыш.

Свободное шарнирно-подвижное закрепление разгружает краевую зону прозрачного элемента от нагрузок, возникающих при деформации опорного контура из-за разницы теплового расширения стекла и рамы или из-за неравномерного нагрева прозрачного элемента. (В настоящее время заделка по способу мембраны. Рассказать, почему стала возможной, сделать и привести фотографию ТСК-195)

F|Гидрофобные покрытия/структурно нагруженные стекла

Жесткая заделка не освобождает от перечисленных нагрузок, однако возможность ее использования для крепления прозрачных элементов любых габаритов и формы вызвало ее широкое распространение.

Для заделки органического стекла используется жесткое болтовое крепление через отверстие или зажим без сверления отверстий. Возможны различные комбинации этих способов. Во избежание монтажных напряжений используются эластичные прокладки. (Папка МГУПИ\Лек-1-фото\Орг-заделка)

\

б)

в)

■ 9 6

Рис.8. Варианты крепления органического стекла

а) - мягкое крепление; б) - заклепочное крепление с применением распорных втулок; в) - болтовое крепление без распорных втулок.

1 - органическое стекло; 2 - крепежная лента; 3 - металлический прижим; 4- каркас; 5 - герметик, 6 - эластичная прокладка; 7-металлический стержень; 8-крепежный элемент; 9-распорная втулка.

На борту самолетов и вертолетов ИКО используются также в качестве колпаков для сигнальных и аэронавигационных огней. К ним предъявляются требования по прочности и светотехническим характеристикам. Конструкция светильника, установленного на крыле, фюзеляже или хвостовом оперении, должна обладать необходимыми аэродинамическими характеристиками, а материал оболочки светильника должен обеспечивать отчетливый и резкий световой сигнал заданного спектрального состава (цвета) с наибольшим коэффициентом пропускания.

ИКО, предназначенные для работы на борту космического аппарата, должны иметь высокие оптические характеристики (например, угловое отклонение 10-20 угл. с), сохраняя герметичность; выдерживать большие перепады давлений, механические удары капель дождя и града, микрометеоритов и частичек "космического мусора"; выдерживать воздействия плазмы, образующейся на поверхности аппарата при вхождении в плотные слои атмосферы; вибрации и ускорения; грозовые разряды; поток солнечного излучения; отрицательные температуры; сохранять оптические характеристики при облучении космической ионизирующей радиацией. Особо сложные условия эксплуатации и специфические внешние воздействия возникают при работе изделий на космических аппаратах, предназначенных для спуска и посадки на другие планеты.

В зависимости от назначения иллюминаторы космических аппаратов могут быть визуальными, предназначенными для наблюдения, и приборными (прецизионными), работающими в системе с оптическими приборами различного типа. Прецизионные иллюминаторы отличаются повышенными оптическими характеристиками и их стабильностью в условиях полета.

в)

В зависимости от типа космического аппарата количество прозрачных элементов в одном иллюминаторе колеблется от 1 до 3 (рис. 9).

Рис.9. Взлетно-посадочный иллюминатор космического корабля

многоразового применения а) двухстекольная камерная конструкция; б) термоэкран; в) иллюминатор для наблюдения при работе с полезным грузом.

1,3 - прижимное кольцо; 2- обойма; 4- прозрачный элемент; кварцевое стекло, 5- герметизирующая прокладка; 6- прозрачный элемент, термостойкое стекло; 7- крышка технологическая ; 8- склеиваю­щая пленка

Одностекольные иллюминаторы используются, главным образом, для работы c оптической и телевизионной аппаратурой на искусственных спутниках Земли и автоматических космических аппаратах, внося минимум оптических искажений в работу аппаратуры (рис.10 а).

Двухстекольные иллюминаторы в качестве визуальных или приборных применяются на пилотируемых космических аппаратах, обеспечивая высокую надежность и безопасность полета. Такие иллюминаторы устанавли­ваются на орбитальных станциях, средствах доставки космонавтов на орбиту, спускаемых аппаратах (рис.10 б) (папка МГУПИ-2\Иллюм-космос, папка МГУПИ\космос)

При наличии высоких температур на поверхности корпуса корабля (свыше 200° С) используются трехстекольные иллюминаторы. На воздушно-космическом аппарате многоразового применения "Буран", на грузовых транспортных кораблях «Союз» устанавливают двух- и трехстекольные изделия. (При выходе на орбиту иллюминаторы защищены обтекателем, который отстреливается при выходе в стратосферу вместе с двигателями второй ступени. При подходе к орбитальной станции космонавты из рабочего отсека через иллюминаторы наблюдают за стыковкой). В двухстекольных иллюминаторах прозрачные элементы либо соединены общей обоймой, образуя камеру (рис.9а), заполненную сухим газом под пониженным давлением, или склеены в триплекс (рис.9в). В трехстекольных ИКО наружное стекло (рис.9б ) заключается в отдельную обойму и служит термоэкраном для защиты остальных стекол от перегрева и предотвращения теплового потока внутрь кабины. (На спускаемом аппарате корабля «Союз» установлены трехстекольные иллюминаторы. В момент раскрытия парашюта защитный термоэкран отстреливается, так как при прохождении плотных слоев атмосферы он значительно снижает свою прозрачность, и космонавты могут оценить обстановку приземления (поле, лес, вода) и подготовиться к ней).

Соединение прозрачных элементов с обоймой осуществляется болтами с применением герметизирующих прокладок (резина, пластичные металлы) или пайкой мягкими припоями.

а)

б)

Рис. 10. Прецизионный иллюминатор для работы с оптической аппаратурой, а) одностекольный; б) двухстекопьный.

1-прозрачный элемент, оптическое стекло ; 2- обойма; 3- прижимное кольцо; 4-5 - герметизирующие прокладки; 6 -технологические крышки;

Наряду с прозрачными элементами, встроенными в оболочку космического аппарата и служащими для наблюдения за окружающей обстановкой, на борту космического аппарата могут использоваться светильники, навигационные огни, выносные приборы и другие устройства, требующие применения прозрачных материалов, работоспособных, при всех режимах полета и внешних воздействиях. Кроме плоских прозрачных элементов (пластин), - круглых или близких к прямоугольной форме в плане - созданы объемные прозрачные элементы: цилиндр, цилиндр с полусферическим дном (колпак) например, для использования в панорамных приборных иллюминаторах спускаемых аппаратов межпланетных станций серии "Венера" (рис. 11) (Папка МГУПИ\Лек-1-фото\Косм-навиг).

б)

в)

Рис. 11. Панорамные иллюминаторы.

а) спускаемого аппарата межпланетной станции "Венера-1"; б) межпланетного космического аппарата "Венера- комета Галлея"; в) прозрачный элемент иллюминатора межпланетной станции "Венера-3"

1- корпус; 2- прозрачный элемент, кварцевое стекло; 3-кольцо прижимное, титановый сплав; 4,5- прокладка, герметизирующая резина; 6- уплотнение металлическое, медь; 7- технологическая крышка.

2. Расчеты ико

2.1. Основные принципы расчета прозрачного элемента на прочность.

Изделие из стекла, как составной элемент конструкции летательного аппарата, влияет на напряженно-деформированное состояние этого объекта и в свою очередь, состояние объекта влияет на напряжения в стекле.

Чтобы рассчитать напряжения в стекле, необходимо знать реальные граничные условия, которые определяются нагрузками, передающимися от корпуса аппарата через арматуру на стекло.

С другой стороны, во многих случаях при расчетах на прочность нет возможности учесть все реальные граничные условия для пластин сложной формы. Отсюда следует важность испытаний ИКО в условиях эксплуатации или на стендах с замером деформаций и напряжений как на контуре остекления, так и в его внутренних областях. Кроме усилий, передающихся на стекло через контур, на него непосредственно действуют нагрузки, вызываемые перепадом давления между кабиной и окружающей средой; аэродинамический напор; ударные нагрузки; в нем действуют тепловые напряжения. Помимо наиболее полной информации о нагрузках, действующих на прозрачный элемент, для прочностных расчетов необходимы исходные данные о свойствах материалов, в т.ч. кратковременная и длительная прочность, термический коэффициент линейного расширения, характеристики упругости.

Разнообразие геометрических форм прозрачных элементов и структурного состава их композиций требуют типизации расчетных схем и введение ряда допущений и приближений.

При расчете прозрачного элемента его прочность оценивается путем сравнения расчетных напряжений с минимальным пределом прочности материала с целью создания некоторого запаса прочности.

Теоретический путь оптимального проектирования можно считать наиболее экономичным при наличии достаточно надежных программ машинного расчета изделий и достоверных исходных данных о физико-механических свойствах используемых материалов, а также о внешних нагрузках в условиях эксплуатации. Как правило, выполняемый расчет подкрепляется экспериментальными исследованиями варианта конструкции. Но решающую роль в оценке работоспособности изделия играют испытания.

Спецификой вопросов прочности прозрачных элементов является то, что используемые материалы являются хрупкими, не имеют пластических деформаций, в результате чего становятся опасными любые концентраторы напряжений. Во избежание последнего основным способом крепления прозрачного элемента является заделка с помощью пластичных материалов.

При расчете прозрачных элементов в виде плоских пластин используются схемы свободного опирания или жесткой заделки. Схема свободного опирания допустима при расчете круглых пластин, находящихся в условиях осесимметричного нагружения при нагреве, но для стекла иной, например, прямоугольной формы эта схема может привести к значительным расчетным погрешностям.

Наиболее используемыми типовыми схемами в статических задачах расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) в прозрачных элементах ИКО являются следующие;

1. Расчет изгибных напряжений и деформаций в равномерно нагруженных и неравномерно нагретых однослойных пластинах прямо- или косоугольных очертаний, свободно опертых на жесткий контур.

2. То же с учетом податливости опорного контура.

3. Расчет НДС равномерно нагруженных прямоугольных слоистых пластин с различными свойствами слоев.

4. Расчет НДС в тонких пластинах круглого очертания при осесимметричном изгибе под равномерной нагрузкой, в том числе свободно опертых, жестко закрепленных по контуру, или с опорой на упругий контур.

5. Расчет НДС дисков, в том числе неравномерно нагретых по толщине, с радиальным распределением температур и с произвольным распределением температур.

6. Расчет НДС равномерно нагруженных толстых круглых и прямоугольных плит, шарнирно опертых или жестко закрепленных по контуру.

7. Расчет температурных напряжений на внешних и внутренних поверхностях в неравномерно нагретом по толщине многослойном остеклении с электрообогревом.

8. Расчет на динамическую прочность элементов остекления летательных аппаратов при столкновении с птицей, или при воздействии жестких высокоскоростных инденторов (пули).

В основу расчетов положены решения системы дифференциальных уравнений, вытекающих из гипотезы Кирхгофа, методы решения задач теплопроводности, соотношений закона Гука и других теоретических принципов прочности и оптимизации слоистых пластин и оболочек, при этом используются безразмерные прогибы или температурные кривые, рассчитанные для различных соотношений толщины и габаритов пластины и сведенные в таблицы.

Элементы остекления летательных аппаратов рассматриваются как однослойные и многослойные структуры, находящиеся под действием статических и динамических силовых и температурных нагрузок. Напряженно-деформированное состояние многослойных стеклоблоков исследуется на основе теорий многослойных пластин и оболочек с высокой степенью аппроксимации. Применяемые математические модели остекления относятся к дискретно-структурному классу теорий многослойных конструкций.

В случае сложного плана элементов остекления их контур описывается системой дуг, окружностей и прямых.

Используемая в программах усовершенствованная модель удара птицей основана на гидродинамической теории удара и экспериментальных данных.

Более ранние расчетные программы были реализованы в среде DOS Windows.

В связи с отсутствием до настоящего времени точной теории расчета прочности хрупких тел при динамическом нагружении при конструировании пулестойких ИКО основная роль принадлежит испытаниям экспериментальных образцов прозрачных композиций и опытных образцов натурных изделий.

Привести примеры расчета слоистой композиции расчеты на пулю (Кингстон/МГУПИ/Расчет-модель-пуля-карт), на птицу ((ТСК-195)/Расчет-модель-птица-карт)

Вставить: СИМПЛЕКС/Расчет-модель-пуля; СИМПЛЕКС/Расчет-модель-птица

(Кингстон/МГУПИ/Лек-1-фото/динамика (пуля-осколок)

(Кингстон/МГУПИ/ТСК/испытание на птицестойкость.; Кингстон/2010/производство/Испытание на птицу

2.2. Оптические расчеты

Прозрачный элемент летательного аппарата (остекление кабины, иллюминатор) является составной частью бортовой оптической системы, обеспечивая наблюдение, регистрацию излучения или изображения в различных диапазонах спектра, ориентацию в пространстве и т.п.

К нормируемым оптическим показателям ИКО относятся 2 группы параметров;

• светотехнические - диапазон и коэффициент пропускания, насыщенность цвета, контраст закалочных пятен, светорассеяние,

• оптотехнические - угол отклонения луча визирования, деформация изображения, двулучепреломление, нерезкость изображения.

Для выполнения оптического расчета необходимы следующие исходные данные;

• назначение изделия,

• схема размещения изделия в объекте и положения глаз наблюдателя,

• для гнутого изделия с криволинейной поверхностью - теоретическая форма, линия центров радиуса вращения,

(привести рисунок – схему линии визирования Т-50 (папка МГУПИ\Лек-1-фото\Задан-расч-опт))

• для приборных ИКО - основные характеристики прибора (принципиальная схема, увеличение, фокусное расстояние, диаметр входного зрачка, поле зрения), размещение его относительно ИКО, при необходимости перемещения прибора или линии визирования относительно изделия - диапазон угловых или линейных перемещений, - свойства используемых прозрачных материалов ( показатель преломления, термооптическая постоянная, коэффициент пропускания, оптическая однородность).

Основная задача оптического расчета состоит в:

а) проектировании конструкции оптической системы, удовлетворяющей заданным требованиям,

б) прогнозировании изменений ее оптических параметров в процессе изготовления, испытания и эксплуатации.

Важнейшей оптотехнической характеристикой ИКО служит угловое отклонение луча визирования. Величина углового отклонения является сложной функцией многих величин, в частности свойств материалов, используемых для изготовления ИКО (стекло, металл, защитные, просветляющие и токопроводящие покрытия, элементы герметизации и т.п.), геометрических параметров конструкции изделия (исходная форма, толщины, радиусы кривизны, расстояния между элементами композиции и т.д.). Необходимо эту функцию максимально приблизить к заданной функции, выражающей оптические требования к ИКО.

_i ( x₁,x₂, х_n)= _оi

где _оi- заданные значения аберраций

_i - искомые значения аберраций

Решение системы нелинейных уравнений сводится к отысканию минимальной суммы среднеквадратических отклонений

=^m_i=1(_i - _оi)²

где m – количество рассматриваемых лучей x_1…х_n - корректируемые параметры.

(Физический смысл проводимых расчетов при определении углового отклонения линии визирования заключается в определении сторон треугольников в соответствии с уравнением: привести расчеты по ТСК 195/ МГУПИ/угл-откл)

Спроектированная на основании оптического расчета "идеальная" оптическая система, как правило, не может быть полностью реализована при изготовлении. Кроме того, она неизбежно изменяет свои оптические характеристики в условиях эксплуатации.

На оптические характеристики ИКО влияют следующие факторы;

- изменение показателя преломления оптической среды, возникающее в процессе производства прозрачного элемента (варка, формование и отжиг стекла, упрочнение деталей) или в результате температурных градиентов в изделии,

-изменение исходной формы прозрачного элемента и ее отклонение от теоретической, возникающее в технологических процессах формообразования, механической обработки, упрочнения, склейки, сборки и испытаний,

-деформация при избыточном давлении и температурных градиентах, возникающих в условиях эксплуатации,

- рефракция воздуха.

Рассматривая каждый из перечисленных факторов независимо друг от друга, можно подсчитать суммарные систематические ошибки, определяющие точность измерений и наблюдений, осуществляемых через ИКО. Эти ошибки необходимо учитывать при эксплуатации, вводя алгоритм их вычисления в бортовую ЭВМ, либо заранее принимать меры по их уменьшению при конструировании и изготовлении изделий.

К числу таких мер относится выбор оптического материала высокой однородности (показатель преломления во всех частях заготовки должен быть одинаковым). В зависимости от вида оптической аппаратуры, дня работы с которой предназначено ИКО, требования к однородности различаются. Так, для зрительных труб большого увеличения требуется стекло иллюминатора с однородностью 2-3-й категории, а для фотообъективов - 3-4-й категории.

Потери на отражение увеличиваются по мере возрастания угла падения света (табл.1).

Таблица 1.

Угол падения, град	0-30	40	50	55	60	65
Коэффициент отражения	0,04	0,047	0,06	0,07	0,09	0,12

(Привести таблицу МГУПИ/Лек-1-Фото/угол отражения)

Чем больше показатель преломления оптической среды, тем выше потери при отражении на границе раздела.

Рассеяние света зависит от наличия в стекле неоднородностей (свилей, нитей, слоев, полос), отличающихся показателем преломления. Наличие пузырей в стекле, также как и царапины, точки, выколки на поверхности могут уменьшить контраст изображения.

Плоские поверхности оптического элемента должны быть параллельными. Клиновидность вызывает децентровку и угловое отклонение пучка лучей. С увеличением угла падения лучей на клиновидный элемент его оптические характеристики резко ухудшаются.

Напряженно-деформированное состояние, возникающее при изготовлении или под действием эксплуатационных нагрузок, вызывает отклонение показателя преломления оптической среды и изменение геометрии преломляющих поверхностей ИКО. Неравномерные температурные поля также вызывают оптические искажения, величина которых зависит от термооптической постоянной стекла, определяющей температурные изменения показателя преломления.

Проведение оптических расчетов является первым этапом проектирования изделий конструкционной оптики (ИКО). Вторым этапом является проверка полученных в расчетах оптических характеристик (углов отклонения, деформации и нерезкости изображения, углов двоения, коэффициентов светопропускания и др. параметров) с применением соответствующих методик испытаний, разработанных в ОАО «НИТС», с использованием оптической установки ОК-1.

Наибольшие угловые отклонения возникают в пластинах, свободно опертых по контуру, минимальные - в жестко защемленных.

В целях минимизации оптических искажений, возникающих в условиях эксплуатации, в оптическую систему вводят различного рода компенсаторы. Например, деформация круглых пластин под действием избыточного давления компенсируется сферическим мениском в виде дополнительного разгруженного элемента ИКО, насадочной линзы на объектив прибора или путем коррекции одной из поверхностей рабочего элемента ИКО, т.е. созданием первоначальной кривизны определенного знака. Для ИКО неплоской формы (сферическая, цилиндрическая или любая другая поверхность) рассчитывается компенсатор соответствующей формы из материала с отличающимся показателем преломления, располагаемым на некотором расстоянии от прозрачного элемента.