Аннотация. В условиях стремительного роста группировок малых космических аппаратов формата CubeSat проблема техногенного загрязнения околоземного космического пространства становится все более актуальной. Современные международные стандарты и инициативы космических агентств ужесточают требования к срокам сведения отработавших аппаратов с орбиты. Этим обуславливается необходимость разработки конструкций, сочетающих высокие эксплуатационные характеристики с возможностью утилизации после завершения срока активного существования. Целью работы является расчетно-аналитическое обоснование применения полимерного композиционного материала на основе арамидных волокон в несущем корпусе спутника формата CubeSat 12U. В исследовании предложена трехслойная структура стенки общей толщиной 2,0–3,0 мм, включающая внешний слой с наномодификаторами диоксида кремния или оксида алюминия, основной силовой слой на базе эпоксидного связующего и внутренний инициирующий слой, обеспечивающий фрагментацию конструкции после завершения целевой миссии. Для оценки долговечности разработана математическая модель линейного эрозионного износа в атомарном кислороде, основанная на данных специализированных орбитальных баз SPENVIS, моделей MET-V 2.0 и IRI2001, а также постполетных показателей миссий LDEF и MISSE. Прочностной анализ выполнен с применением критерия разрушения Цая – Ву, учитывающего анизотропию композита и комплексное воздействие факторов космической среды, включая термоциклирование, радиационное облучение, влагопоглощение и технологические дефекты производства. Введена система коэффициентов снижения прочности, общий коэффициент К_Σ принят равным 0,62. Расчет эрозионного износа показал, что унос толщины за пятилетний срок составляет 0,160 мм на высоте 500 км и 0,559 мм на высоте 400 км. Установлено, что работоспособность конструкции обеспечивается при начальной толщине стенки не менее 2,5 мм, при этом запас прочности по критерию Цая – Ву составляет 1,24–1,48. Арамидно-эпоксидный композит позволяет снизить массу конструкции на 25–32 % с учетом конструктивных ограничений по сравнению с алюминиевым сплавом В95. Экономическая оценка указывает, что, несмотря на увеличение производственной себестоимости композитного корпуса, совокупный экономический эффект за счет снижения массы полезной нагрузки и уменьшения объема систем активного сведения с орбиты составляет 928–1036 тыс. руб. Результаты подтверждают потенциальную техническую и экономическую целесообразность применения полимерных композитов в конструкциях CubeSat при соблюдении требований к надежности и международным требованиям.

Ключевые слова: малые космические аппараты, CubeSat, полимерные композиционные материалы, арамидно-эпоксидный композит, атомарный кислород, эрозионный износ, утилизация, космический мусор 

Для цитирования: Рычкова А. Д. Расчетно-аналитическая оценка эффективности применения полимерного композитного материала в конструкции CubeSat // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 2. С. 279–295. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-2-279-295; https://elibrary.ru/kkpflp

Библиографический список  

1. Ячменникова Н. «Роскосмос»: растущее число космического мусора размером от одного сантиметра на орбите несет угрозу доступу в космос // RG.RU. URL: https://rg.ru/2023/07/26/roskosmos-na-orbite-rastet-ugroza-iz-za-rosta-chisla-kosmicheskogo-musora-razmerom-ot-odnogo-santimetra.html (дата обращения: 29.10.2025).
2. Letizia F., Ventura S., Villar P., Lemmens S., Courson S., Soares T. Update of ESA’s space debris mitigation policy, requirements, and verification guidelines. 2024. Pp. 338–347. https://doi.org/10.52202/078360-0033
3. Weston T. S., Yost B., Clark C. (Eds.). State-of-the-Art Small Spacecraft Technology. NASA/TP–20210021263. Moffett Field, CA: NASA Ames Research Center, 2021. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20210021263 (дата обращения: 05.12.2025).
4. Новиков Л. С., Черник В. Н., Воронина Е. Н., Чирская Н. П. Моделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников Земли // Космические исследования. 2024. Т. 62, № 4. С. 372–384. https://doi.org/10.31857/S0023420624040075
5. Серенко О. А., Андропова У. С., Сапожников Д. А., Бузин М. И., Тебенева Н. А., Черник В. Н., Новиков Л. С., Воронина Е. Н., Кононенко А. В. Воздействие потока кислородной плазмы на полиимидные нанокомпозиты // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020. № 3. С. 71–76. https://doi.org/10.31857/S1028096020030164
6. Кулагина Г. С., Железина Г. Ф., Шульдешова П. М., Куршев Е. В. Структура и физико-механические свойства органопластика нового поколения на основе ткани из арамидного волокна марки Русар-НТ и расплавного связующего // Труды ВИАМ. 2022. Т. 116, № 10. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru, https://doi.org/10.18577/2307-6046-2022-0-10-55-65
7. Железина Г. Ф., Тихонов И. В., Черных Т. Е., Бова В. Г., Войнов С. И. Арамидные волокна третьего поколения Русар-НТ для армирования органотекстолитов авиационного назначения // Пластические массы. 2019. № 3–4. С. 43–46. https://doi.org/10.35164/0554-2901-2019-3-4-43-46
8. Groh K., Banks B. Atomic Oxygen Erosion Data from the MISSE 2-8 Missions. NASA/TM–2019-219982. Cleveland, OH: NASA Glenn Research Center. 2019. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20190025445 (дата обращения: 20.04.2026)
9. 9.        Черкашина Н. И., Павленко В. И., Сидельников Р. В., Беседин П. В. Исследование стойкости полимерного композита с кристаллическим диоксидом кремния к воздействию потока кислородной плазмы // Вестник Белгородского государственного технологического университета имени В. Г. Шухова. 2018. № 10. С. 110–118. https://doi.org/10.12737/article_5bd95a78957a23.58646223  
10. Dignam A., Wozniakiewicz P., Burchell M., Alesbrook L., Tighe A., Suliga A., Wessing J., Kearsley A., Bridges J., Holt J., Howie S., Peatman L., Fitzpatrick D. Palladium-coated kapton for use on dust detectors in low Earth orbit: performance under hypervelocity impact and atomic oxygen exposure // Frontiers in Space Technologies. 2022. Vol. 3, Art. 933664. https://doi.org/10.3389/frspt.2022.933664   
11. Mahmoud W. M., Elfiky D., Robaa S. M., Elnawawy M. S., Yousef S. Effect of atomic oxygen on LEO CubeSat // International Journal of Aeronautical and Space Sciences. 2021. Vol. 22, pp. 726–733. https://doi.org/10.1007/s42405-020-00336-w
12. Русланцев А. Н. Разработка моделей деформирования полимерных волокнистых слоев с различной укладкой: дис. … канд. техн. наук. Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. 172 с.
13. Карпычева Ю. С., Краснов А. И., Доронкина Ю. С., Кашаев В. А. Создание опытного производства мономера для арамидных волокон третьего поколения типа Русар-НТ для нужд ракетно-космической промышленности // Сборник научных трудов XIII Национальной научно-технической конференции (Москва, 09–10 ноября 2023 года). М: Союз машиностроителей России, 2024. № 1. С. 32–35. https://doi.org/10.24412/CL-35807-2024-1-32-35
14. Железина Г. Ф., Гуляев И. Н., Соловьева Н. А. Арамидные органопластики нового поколения для авиационных конструкций // Авиационные материалы и технологии. 2017. С. 368–378. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-368-378 15.      Yang F., Hu Z., Zhang R., Gao P., Xie Y. Study on aramid nanofibers-reinforced epoxy all-organic composites with enhanced thermal conductivity and suppressed thermal expansion // Polymer Composites. 2025. Vol. 47, no. 8 pp. 7510–7521. https://doi.org/10.1002/pc.70638
15. Chen J., Ding N., Li Z., Wang W. Organic polymer materials in the space environment // Progress in Aerospace Sciences. 2016. Vol. 83, pp. 37–56. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.02.008
16. Gouzman I., Grossman E., Verker R., Atar N., Bolker A., Eliaz N. Advances in polyimide-based materials for space applications // Advanced Materials. 2019. Vol. 31, no. 18. https://doi.org/10.1002/adma.201807738
17. Pastore R. Piergentili F., Delfini A., Marchetti M., Santoni F., Albano M., Vricella A. Outgassing effect in polymeric composites exposed to space environment thermal-vacuum conditions // Acta Astronautica. 2020. Vol. 170, pp. 466–471. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.02.019
18. Реутов А. И. Надежность изделий из полимерных композиционных материалов с учетом статистической изменчивости их характеристик // Известия ТПУ. 2010. Т. 317, № 2. С. 58–62 https://elibrary.ru/MWKXYN
19. Safety and Mission Assurance Acronyms, Abbreviations, and Definitions. NASA-HDBK-8709.22. Washington, DC: NASA, 2018. 132 p. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20180004878 (дата обращения: 23.05.2026).
20. Alanazi A., Straub J. Statistical Analysis of CubeSat Mission Failure // 32^nd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, Utah, August 6-9, 2018. SSC18-WKII-04.
21. Каблов Е. Н., Кулагина Г. С., Железина Г. Ф., Лонский С. Л., Куршев Е. В. Исследование микроструктуры однонаправленного органопластика на основе арамидных волокон Русар-НТ и эпоксидно-полисульфонового связующего // Авиационные материалы и технологии. 2020. Т. 61, № 4. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2020-0-4-19-26
22. Qi L., Wang K., Ge Z., Cao Z., Hu P., He Y., Yasin S., Shi J. Investigation of Cryogenic Mechanical Performance of Epoxy Resin and Carbon Fibre-Reinforced Polymer Composites for Cryo-Compressed Hydrogen Storage Onboard Gas Vessels // Polymers. 2025. Vol. 17, no. 17, Art. 2296. https://doi.org/10.3390/polym17172296
23. Борщев Ю. П., Сысоев В. К., Юдин А. Д. Анализ применения технологии селективного лазерного сплавления для изготовления структурных конструкций наноспутников CubeSat // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27, № 3. С. 219–228. https://doi.org/10.34759/vst-2020-3-219-228