Экспериментальная база прочности и динамики ФГУП ЦНИИмаш

Экспериментальная база прочности и динамики ЦП ФГУП ЦНИИмаш г. Королев

Наземная экспериментальная отработка − одна из главных составляющих процесса создания изделий ракетно-космической техники, основа обеспечения их надёжности и безопасности. Она включает в себя широкий круг экспериментальных исследований модельных и натурных узлов, отсеков, блоков и полностью собранных изделий.

Важным звеном наземной отработки является крупнейшая в стране, универсальная по своим возможностям, экспериментальная база прочности и динамики ФГУП ЦНИИмаш.

Ее стенды и установки, многие из которых не уступают лучшим зарубежным аналогам, позволяют проводить в одном месте, на одной промышленной площадке, все необходимые прочностные испытания конструкций РКТ, в том числе крупногабаритных, а также конструкций гражданского назначения.

Типы испытательных стендов и установок экспериментальной базы определяются потребностью воспроизведения (имитации, моделирования) в лабораторных условиях нагружения, которому могут подвергаться изделия в процессе их эксплуатации, например при транспортировке к месту старта наземным и воздушным транспортом, старте и выведении на орбиту, разделении ступеней, стыковке, функционировании на орбите и возвращении с нее.

По характеру нагружение может быть статическим, тепло- и криогенно-статическим, вибрационным, ударным. Соответственно этому созданные в ЦНИИмаш средства прочностных испытаний позволяют проводить статические, комплексные температурностатические, вибрационные и ударные испытания изделий. В состав экспериментальной базы входят также стенды и установки для исследования конструкционной прочности материалов, определения динамических характеристик изделий, исследования колебаний жидкости в топливных баках, испытания демпферов для гашения колебаний.

Основными заказчиками испытаний являются предприятия ракетно-космической промышленности: ГКНПЦ имени М.В.Хруничева, РКК «Энергия» имени С.П.Королёва», НПО имени С.А.Лавочкина, ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко» и другие.

Статические испытания

Характеристики испытательных стендов

Максимальные размеры объекта испытаний:

• высота 20 м
• диаметр 16 м
• Суммарная осевая сила до 200 МН
• Изгибающий момен тдо 60 МН∙м

Основным элементом экспериментальной базы статических испытаний являются два универсальных переналаживаемых стенда (УПС-1 и УПС-2), которые по возможностям создания силовых нагрузок не уступают лучшим мировым аналогам. Более мощный из них (УПС-1) включает силовую плиту диаметром 18,5 м и силовую стену высотой 21,5 м.


Лабораторный зал статических испытаний. На переднем плане стенд УПС-2, на заднем − УПС-1


Статические испытания стыковочного модуля ОК «Буран»

Комплексные температурностатические испытания

Характеристики испытательных стендов (боксов)

Максимальные размеры объекта испытаний:

• высота 30 м
• длина 20 м
• диаметр (ширина) 8 м
• Суммарная осевая сила до 60 МН
• Изгибающий момент до 160 МН∙м
• Давление, создаваемое внутри объекта до 250 МПа
• Диапазон рабочих температурот - 196 °С до + 1200 °С
• Максимальная энергоёмкость объектов, нагружаемых внутренним давлением 3000 МДж

Основным элементом базы комплексных температурностатических испытаний являются три уникальных крупногабаритных железобетонных гидропневмобокса (толщина стены до 1,5 м), обеспечивающие возможность нагружать испытываемые объекты до разрушения, в том числе внутренним давлением. При этом боксы выдерживают воздействие струй жидких рабочих тел, избыточного внутреннего давления, а также осколков, образующихся при разрушении объекта испытаний.


Лабораторный зал комплексных температурностатических испытаний. Слева − испытательные боксы, справа − межбаковый отсек центрального блока РН «Энергия» перед установкой его в бокс


Надувное тормозное устройство для РБ «Фрегат» в гидропневмобоксе после испытаний статическим давлением (вид сверху)

Вибрационные испытания

Характеристики испытательных стендов

Максимальные размеры объекта испытаний:

• высота 25 м
• диаметр 6 м

Возбуждающее усилие в диапазоне частот:

• 1 - 160 Гц - до 200 кН
• 5 - 2000 Гц - до 280 кН

Масса объекта испытаний до 100 т

Основной частью экспериментальной базы вибрационных испытаний являются четыре электрогидравлических вибростенда фирмы «Инстрон» (Германия) с толкающим усилием 200 кН каждый и три электродинамических вибростенда фирмы «Линг» (Англия), наиболее мощный из которых создаёт толкающее усилие 280 кН.


Лабораторный зал вибрационных испытаний


Вибропрочностные испытания модуля «Звезда» МКС


Вибропрочностные испытания двигательного отсека второй ступени РН «Протон»


Испытания на сейсмостойкость шиберной задвижки нефтепровода «Восточная Сибирь − Тихий океан»

Динамические испытания

Характеристики испытательных стендов

Стенд для испытаний натурных элементов и КПМ
Максимальная высота подвешенного объекта	16 м
Масса объекта	до 20 т
Частотный диапазон	1 − 500 Гц
Диапазон возбуждающих усилий	2 −1000 Н
Диапазон измеряемых ускорений	2 − 200 м/с2
Стенд для гидравлических испытаний баков
Частотный диапазон	0,5 − 40 Гц
Амплитуда перемещений	до 100 мм
Возбуждающее усилие	до 25 кН

Фрагмент лабораторного зала динамических испытаний


Конструктивно подобная модель РН "Союз" (М 1:5)


Конструктивно подобная модель МТКС «Энергия»-«Буран» (М 1:10)

Ударные испытания

Характеристики испытательных стендов и установок

Максимальные размеры объекта испытаний: - высота - диаметр	10 м 6 м
Удельный импульс давления	50 −2000 Па∙с
Продолжительность удельного импульса	1 − 10 мкс
Амплитуда воспроизводимых перегрузок	1 − 30000 g
Длительность ударной перегрузки	0,2 − 10 мс
Скорость метания имитатора высокоскоростной частицы: - баллистической установкой ствольного действия - метательной установкой кумулятивного действия	до 5 км/с до 14 км/с

Основной частью базы являются три уникальные железобетонные камеры, наибольшая из которых имеет в высоту 12 м и диаметр 18 м (толщина стены 1,2 м). Ударное воздействие создаётся путём подрыва штатных пиротехнических средств или специально изготовленного заряда взрывчатого вещества массой до 10 кг.


Корпус ударных испытаний


Виброударный стенд


Толкающий стенд взрывного действия

Исследования конструкционной прочности материалов

Характеристики испытательного оборудования

Диапазон создаваемых статических нагрузок	0,1 − 1000 кН
Частотный диапазон циклического нагружения	0,1 − 100 Гц
Температурный диапазон испытаний	от - 196 °С до + 3200 °С
Временной интервал испытаний	от 0,001 секунды до 10 лет
Максимальные габариты испытываемых элементов конструкций	0,5 х 1,0 х 1,0 м
Виды напряженного состояния образцов материала и элементов конструкций	одноосное, плоское, объемное
Виды нагружения	простое и сложное с поворотом и без поворота главных осей
Материалы испытываемых образцов и элементов конструкций	металлы, высокопрочные пластики, теплозащитные покрытия, наполненные полимеры и др.

В состав экспериментальной базы исследований конструкционной прочности материалов входят испытательные машины, стенды, установки, копры и другое оборудование.


Стенд для испытаний образцов материалов на длительную прочность


Универсальная испытательная машина TIRAtest - 2300 с приспособлением для испытания низкомодульных теплозащитных материалов на сжатие


Испытательная машина EUS - 20 для усталостных испытаний с испытываемым фрагментом вафельной обечайки топливной емкости

Математическое моделирование при создании и обработке РКТ

Центр прочности ФГУП ЦНИИмаш проводит математическое моделирование процессов деформирования и расчёт запасов прочности конструктивных элементов РН, КА, ДУ, а также объектов народно-хозяйственного назначения.

Базой для проведения этих работ являются мощные вычислительные средства предприятия (производительность более 2 TFlops) и Центра прочности (1Tb оперативной памяти, 8хIntel Xeon 8C Processor Model X7560 130W 2.27GHz/24MB, производительность ~0,5 TFlops), лицензированные коммерческие программные комплексы (SIMULIA/Abaqus, MSC/Nastran, ANSYS, Matlab, MathCAD), а также программные пакеты собственной разработки и пакеты расширения, реализующие отечественные методологии расчета прочности в коммерческих САЕ пакетах.

Обязательному математическому моделированию подлежат статические, комплексные температурностатические, вибрационные и ударные процессы нагружения изделий РКТ. Для повышения качества проведения испытаний выполняется предыспытательное моделирование НДС и расчёт запасов прочности наиболее опасных мест объектов испытания.

1. Математическое моделирование при отработке статической прочности


Предыспытательная конечно-элементная модель КА

2. Математическое моделирование при отработке ДУ


Модель ДУ

3. Математическое моделирование при исследовании конструкционной прочности материалов


Методология и модель материала разработки Центра прочности
 

Показать Скрыть карту