Метод снижения массы ферменных конструкций космического аппарата

Проектирование элементов летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов

2026. Т. 33. № 3. С. 140-151.

Авторы

Руденко М. С.1, Гирн А. В.1, Быстров Н. Д.2*, Орешкин Д. И.1

1. Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, проспект им. газеты Красноярский рабочий, 31, Красноярск, 660037, Россия
2. Самарский университет, Московское шоссе, д. 34, г. Самара, Россия

*e-mail: bystrof-nd@yandex.ru

Аннотация

Представлен метод снижения массы ферменных конструкций космических аппаратов путем повышения адгезионной прочности клеевых соединений «титан – углепластик» за счет лазерного текстурирования поверхности титановых законцовок. Показано, что слабым звеном соединения является граница «титан – клей» с прочностью 5–12 МПа из-за наличия пассивирующей оксидной пленки рутила. Теоретически обоснован выбор наносекундного лазерного излучения, обеспечивающего одновременно механическое формирование регулярного микрорельефа и химическую активацию поверхности. Экспериментально подтверждено повышение адгезионной прочности до 30 МПа, что позволяет пропорционально сократить длину зоны вклеивания титановой втулки в углепластиковую трубку при сохранении несущей способности. Выполнена количественная оценка массовой эффективности для ферменной конструкции рефлектора космического аппарата с 216 узлами: снижение массы составило 176 г, что составляет 5,1% от массы фермы. Расчетные оценки для других типоразмеров конструкций подтверждают устойчивость эффекта в диапазоне 4,5–5,0%, что свидетельствует о воспроизводимости и практической значимости предложенного технического решения.

Ключевые слова:

ферменные конструкции космических аппаратов, клеевые соединения, лазерное текстурирование титана

Список источников

  1. Zhou S, Yang Z, Zhang K, et al. Rigid-flexible-thermal coupling dynamic modeling and attitude control of large spaceborne deployable parabolic truss antenna. Advances in Space Research. 2026;77(4):5364–5381. DOI: 10.1016/j.asr.2025.12.026

  2. Liu Z, Liu Y, Yang D, et al. A double-ring deployable truss structure for super-large spaceborne mesh antennas: Dynamic modeling, multi-objective optimization, and experimental validation. Engineering Structures. 2025;344:121367. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.121367

  3. Li S, Zhao Y, Liu E, et al. Design and performance investigation of a novel tetrahedral-based high stiffness truss deployable antenna support mechanism. Acta Astronautica. 2026;238 Part B:289–306. DOI: 10.1016/j.actaastro.2025.10.015

  4. Li S, Chen W, Hu J, et al. Structural design and compression-bending test of ultra-lightweight carbon-fiber-reinforced polymer truss structures. Composite Structures. 2023;313:116909. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.116909

  5. Сибилева С.В., Каримова С.А. Обработка поверхности титановых сплавов для обеспечения адгезионных свойств (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2013. № S2. С. 25–35.

  6. Shirasu K, Mizuno T, Hoshikawa T, et al. Experimental and numerical evaluation of the interfacial adhesion properties of additively manufactured carbon-fiber-reinforced thermoplastic/64 titanium hybrids. Composites Science and Technology. 2025;271:111338. DOI: 10.1016/j.compscitech.2025.111338

  7. Min J, Wan H, Carlson BE, et al. Application of laser ablation in adhesive bonding of metallic materials: A review. Optics and Laser Technology. 2020;128:106188. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106188

  8. Wang H, Deng D, Zhai Z, et al. Laser-processed functional surface structures for multi-functional applications - a review. Journal of Manufacturing, 2024;116:247-283. DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.02.062

  9. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.:Машиностроение, 1989. 304 с.

  10. Udaya Kumar G, Suresh S, Sujith Kumar CS, et al. A review on the role of laser textured surfaces on boiling heat transfer. Applied Thermal Engineering. 2020;174:115274. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115274

  11. Wan H, Min J, Lin J, et al. Effect of laser spot overlap ratio on surface characteristics and adhesive bonding strength of an Al alloy processed by nanosecond pulsed lase. Journal of Manufacturing Processes. 2021;62:555-565, DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.12.055

  12. Руденко М.С., Гирн А.В., Михеев А.Е. и др. Метод лазерного текстурирования тел вращения для повышения адгезионной прочности титанового сплава // Инженерный журнал: наука и инновации. 2025. № 11(167).

  13. Руденко М.С., Гирн А.В., Михеев А.Е. и др. Влияние лазерного текстурирования поверхности титанового сплава на адгезионную прочность клеевых соединений // Сибирский аэрокосмический журнал. 2024. Т. 25, № 3. С. 391–403. DOI: 10.31772/2712-8970-2024-25-3-391-403

  14. Гирн А.В., Руденко М.С., Тайгин В.Б. и др. Влияние лазерной обработки поверхности титановых образцов на адгезионую прочность клеевых соединений // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6. № 2(40). С. 90-101. DOI 10.26732/j.st.2022.2.03

  15. Savsani VJ, Tejani GG, Patel VK, et al. Modified Meta-Heuristics Using Random Mutation for Truss Topology Optimization with Static and Dynamic Constraints. Journal of Computational Design and Engineering. 2017;4(2): 106–130. DOI: 10.1016/J.JCDE.2016.10.002

  16. Xu K, Zhuang X, Su Z, et al. A novel stiffness optimization model of space telescopic boom based on locking mechanism. Frontiers of Mechanical Engineering. 2024;19(18). DOI: 10.1007/s11465-024-0789-z

  17. Mindermann P, Acker D, Wegner R, et al. Long-span fiber composite truss made by coreless filament winding for large-scale satellite structural systems demonstrated on a planetary sunshade concept. Scientific Reports. 2024(14):8190. DOI: 10.1038/s41598-024-58513-w

  18. Zhang H, Li F, Li D, et al. The impact of joint stiffness on the mechanical properties of FRP truss girder: Experimental and theoretical study. Structures. 2025;78:109323. DOI: 10.1016/j.istruc.2025.109323

  19. Liu Z, Ding Y, Quan C, et al. Optimization of a novel, bidirectional, double-ring, deployable mesh antenna with a super-large aperture. Acta Astronautica. 2024;214:202-215. DOI: 10.1016/j.actaastro.2023.10.031

  20. Филина Е.К., Голубев Е.С., Михайловский К.В. и др. Разработка схемы подкрепления отражающей обшивки рефлектора методами параметрической и топологической оптимизации // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2019. Т. 20. №. 4. С. 276-284. DOI: 10.22363/2312-8143-2019-20-4-276-284

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026