ХРУПКАЯ МАЧТА
FRAGILE MAST

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к мачтовым сооружениям, в частности к антенно-мачтовым устройствам, и может использоваться в установках и оборудовании аэропортов, таких как радиомаячные системы (РМС) посадки формата ILS (Instrument Landing System) для инструментального обеспечения захода на посадку и посадки самолетов и другом аэродромном оборудовании, которое из-за особенностей функционирования должно размещаться в зоне полетов. Курсовые радиомаяки (КРМ), входящие в упомянутые системы, формируют зону курса, предназначенную для управления самолетом в горизонтальной плоскости. КРМ размещается на расстоянии 400-1000 м на продолжении оси взлетно-посадочной полосы (ВПП). Глиссадные радиомаяки (ГРМ) формируют зону глиссады, предназначенную для управления самолетом в вертикальной плоскости. ГРМ размещается в точке, отстоящей от оси ВПП на расстоянии 150-180 м и 300-400 м от торца ВПП.
Поскольку антенны КРМ и ГРМ расположены вблизи взлетно-посадочной полосы, то при нештатных ситуациях во время взлета или посадки самолетов антенны КРМ и ГРМ являются препятствиями на пути движения самолета. При столкновении самолета с жесткими, прочными антенно-мачтовыми устройствами в нештатных ситуациях самолету может быть нанесен существенный ущерб. Применение хрупкой мачты в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить безопасное движение самолета в момент столкновения и после столкновения с антенно-мачтовым устройством КРМ или ГРМ или с другим аэродромным оборудованием, которое из-за особенностей функционирования должно размещаться в зоне полетов.
Уровень техники
Известна первая хрупкая мачта в составе глиссадного радиомаяка (ГРМ) радиотехнической системы обеспечения инструментального захода самолетов на посадку (US 6,344,822 B1, 2002). При этом антенны ГРМ размещены на двух трубах из стеклопластика, имеющих диагональное крепление из двух стеклопластиковых труб, при помощи которого можно изменять угол наклона мачтового устройства.
Недостатком первого известного мачтового устройства являются большие габариты, обусловленные большими размерами конструкции диагонального крепления из двух стеклопластиковых труб. Другим недостатком первой известной хрупкой мачты являются большие затраты на ее изготовление по сравнению затратами на изготовление аналогичных конструкций, выполненных из металла. Большие затраты обусловлены высокой стоимостью компонентов для изготовления хрупких композитных материалов. Другим недостатком первой известной хрупкой мачты является то, что она требует сложных специальных устройств для крепления антенн на мачте и для крепления мачты к фундаменту.
Известна вторая мачта (US 7,443,361 B2, 2008), состоящая из кронштейна, первого и второго передвижных соединительных элементов, пружинистого элемента и основания. Первый передвижной соединительный элемент прикреплен к основанию, второй - к кронштейну. Концы пружинистого элемента закреплены на регулируемых элементах при помощи сил трения. Таким образом, получается опора для антенны. В случае если нагрузки на одном из концов пружинистого элемента превышают допустимое значение, пружинистый элемент расцепляется с передвижным соединительным элементом. Вторая известная мачта не содержит хрупких элементов, однако выполняет функцию, аналогичную функции хрупкой мачты: обеспечить транспортному средству возможность продолжить движение при столкновении с мачтой.
Недостатком второй известной мачты является то, что в случае большой высоты подвеса антенны требуется дополнительная опора для ее установки. Если (в случае большой высоты подвеса антенны) такое крепление для антенны будет самостоятельным устройством, без дополнительных конструкций, и расположено вне помещений, то размеры крепления потребуются слишком большие для обеспечения достаточной прочности и жесткости в условиях воздействия метеорологических факторов, таких как, например, ветровые нагрузки, либо потребуется применение дорогих высокопрочных материалов, что противоречит предназначению изобретения.
Известна третья хрупкая мачта (http://www.exelcomposites.com/enus/english/products/airportproducts/frangiblelocalizersupportsandgptowers.aspx), состоящая из N, где N - целое число (N≥1), нижних опор, N верхних опор, фундамента и элементов крепления нижних опор к фундаменту, содержащая при N≥3 распорки и раскосы. При N=1 упомянутая хрупкая мачта представляет собой трубчатую мачту, выполненную из двух опор с фланцевым соединением между собой, устанавливаемую на фундаменте с помощью элементов крепления. При N≥3 упомянутая хрупкая мачта представляет собой решетчатую мачту, образованную N нижними трубчатыми опорами и N верхними трубчатыми опорами, соединенными между собой распорками и раскосами. Причем для удобства изготовления и транспортирования опоры выполнены в виде секций-ферм. Нижние и верхние опоры, распорки и раскосы выполнены из хрупкого композитного материала. Нижние опоры крепятся анкерными болтами к фундаменту. Секции-фермы соединены между собой при помощи кронштейнов. В том случае, когда хрупкая мачта предназначена служить опорой для антенн, то антенны крепятся на предназначенные для этого кронштейны.
Недостатком известной третьей хрупкой мачты является большие затраты на ее изготовление, обусловленные превышением стоимости изделий из композитных материалов над стоимостью тех же изделий из металлических сплавов практически на порядок. Другим недостатком упомянутой мачты является необходимость применения сложного кронштейна для крепления антенны на мачте и сложного фланца для крепления мачты к фундаменту. Этот недостаток обусловлен тем, что для соединения металлического кронштейна с композитным материалом в последнем должны быть предусмотрены закладные металлические элементы. Кроме того, вследствие различия коэффициентов температурного расширения металла и композитного материала со временем образуются зазоры в местах их соприкосновения, что приводит к быстрому разрушению конструкции.
Известна четвертая хрупкая мачта (http://www.exelcomposites.com/enus/english/products/airportproducts/frangiblelocalizersupportsandgptowers.aspx), предназначенная для курсового радиомаяка, состоящая из нескольких пар решетчатых опор или труб (в зависимости от высоты подвеса антенн) из композитного материала, имеющих переходной фланец для крепления антенны на мачте и элементов крепления к фундаменту. Решетчатые опоры или трубы закреплены к фундаменту при помощи анкерных болтов, стоят вертикально, параллельно друг другу в два ряда, сверху на них закреплена антенна. В случае удара по мачте воздушным судном композитный материал, из которого сделаны трубы, перегородки, решетчатые опоры мачты, разрушается, а воздушное судно не теряет управления и не получает существенных повреждений.
Недостатком известной четвертой хрупкой мачты является большие затраты на ее изготовление по сравнению затратами на изготовление мачтовых устройств из более распространенных, чем композиты, материалов, таких как, например, алюминиевые сплавы. Другим недостатком является то, что конструкции из композитных материалов требуют применения сложных специальных креплений к фундаменту и сложных специальных кронштейнов для крепления антенны, что также повышает затраты на изготовление мачты.
Известна пятая хрупкая мачта в составе курсового радиомаяка системы обеспечения инструментального захода самолетов на посадку СП-90 (СП-90, радиомаяк курсовой (РМК). Техническое описание ИЦРВ.461512.019ТО, НИИИТ-РТС, 1996-1999), представляющая собой 16 параллельно расположенных пар вертикально стоящих на некотором расстоянии друг от друга опор. На опорах закреплены логопериодические антенны перпендикулярно к обеим опорам. Опоры состоят из двух алюминиевых труб одинакового круглого сечения, скрепленных между собой фланцевым соединением. Нижняя труба опор имеет шарнирное соединение с основанием. Пары опор скреплены между собой парой алюминиевых труб, расположенными перпендикулярно опорам. Опоры каждой пары скреплены между собой двумя тонкими стальными растяжками так, что каждая растяжка соединяет середину верхней трубы одной стойки с основанием другой стойки. Этими растяжками к опорам задается их вертикальное расположение, а также обеспечивается складывание конструкции в случае удара по ней самолетом. В случае удара растяжки рвутся и стойки падают вместе с антеннами, не создавая далее препятствие для движения самолету.
Недостатком известной пятой хрупкой мачты является ее большие габариты и масса. Другим недостатком является то, что растяжки, при помощи которых достигается складываемость мачты, при ударе самолета не разрушаются мгновенно. Будучи выполненными не из хрупкого материала, а из текучего материала, они разрушаются замедленно. В результате известная пятая хрупкая мачта будет оказывать большее воздействие на самолет, чем хрупкая мачта, выполненная из действительно хрупкого материала.
Авторы принимают в качестве прототипа третью известную хрупкую мачту.
Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является:
- упрощение конструкции крепления антенн на хрупкой мачте и крепления хрупкой мачты на фундаменте,
- повышение надежности крепления антенн на хрупкой мачте и хрупкой мачты на фундаменте
Поставленные задачи достигаются благодаря тому, что хрупкая мачта, состоящая из N, где N - целое число (N≥1), нижних опор, N верхних опор, дополнительно содержит N эквидистантных оболочек из хрупкого материала, N упругоподатливых прослоек, при этом нижние опоры жестко закреплены на фундаменте, нижние и верхние опоры попарно расположены соосно друг другу с образованием между ними зазора, эквидистантные оболочки из хрупкого материала опоясывают каждую пару опор в области зазора, упругоподатливые прослойки заполняют в каждой паре внутреннюю область между оболочкой и нижней и верхней опорами с образованием парами опор единой пространственной конструкции ствола мачты.
Введение в состав хрупкой мачты дополнительно N эквидистантных оболочек из хрупкого материала решает задачу создания более дешевой, более простой в изготовлении хрупкой мачты. Введение оболочек, как указано выше, позволяет применять в качестве материала нижней и верхней опор более дешевые и распространенные материалы такие как, например, алюминиевые сплавы, и, таким образом, снижает затраты на изготовление хрупкой мачты. Применение в качестве материала нижней и верхней опор алюминиевого сплава позволяет ввести типовые элементы крепления нижних опор к фундаменту и типовой кронштейн для крепления антенны, что позволяет упростить технологию изготовления хрупкой мачты и повышает надежность крепления антенн на хрупкой мачте и хрупкой мачты на фундаменте.
Решение этих и других задач поясняется далее текстом и рисунками на фигурах. При обозначении элементов конструкции мачты будем пользоваться терминами, примененными в книге Г.А. Савицкого "Антенно-мачтовые сооружения" [Савицкий, Г.А. Антенно-мачтовые сооружения. - М.: Связьиздат, 1962. - 230 стр.].
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена хрупкая мачта в соответствии с настоящим изобретением при N=1.
На упомянутой фиг. 1 указаны следующие устройства:
1 - нижняя опора;
2 - верхняя опора;
3 - эквидистантная оболочки из хрупкого материала;
4 - элементы крепления нижней опоры к фундаменту;
5 - косынки;
6 - фланец;
7 - болтовые соединения;
8 - зазор между нижней и верхней опорами.
9 - упругоподатливая прослойка.
Повторяющиеся устройства на последующих фигурах имеют одинаковое обозначение с обозначениями на фиг. 1.
На фиг. 2 представлена хрупкая мачта с разными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор. Хрупкая мачта на фиг. 2, по сравнению с хрупкой мачтой, представленной на фиг. 1, не содержит упругоподатливой прослойки 9.
На фиг. 3 представлена хрупкая мачта с равными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор.
На фиг. 4 представлена хрупкая мачта с равными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор, не содержащая упругоподатливой прослойки 9.
На фиг. 5 представлена хрупкая мачта с кронштейном для крепления антенны. На упомянутой фиг. 5 дополнительно к устройствам на фиг. 1 и фиг. 2 указаны:
10 - кронштейн;
11 - антенна;
12 - рефлектор.
На фиг. 6 представлено хрупкая мачта по настоящему изобретению при N=3, состоящая из секций-ферм 13.
На фиг. 7 показан вид сверху на хрупкую мачту, показанную на фиг. 6. На фиг. 7 указаны:
14 - распорки.
На фиг. 8 показан вид Б на хрупкую мачту, представленную на фиг. 6.
На фиг. 9 показан вид Б на хрупкую мачту, представленную на фиг. 6. Каждый пояс хрупкой мачты на фиг. 9, по сравнению с поясом хрупкой мачты, представленной на фиг. 8, не содержит упругоподатливой прослойки 9.
На фиг. 10 представлена хрупкая мачта, состоящая из секций-ферм 13, с равными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор.
На фиг. 11 представлена хрупкая мачта, состоящая из секций-ферм 13, с равными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор, не содержащая упругоподатливой прослойки 9.
На фиг. 12 представлена хрупкая мачта, состоящая из секций-ферм 13, с четырьмя кронштейнами 10 для крепления четырех антенн 11.
На фиг. 13 показан вид В с одним кронштейном 10 для одной антенны 11 на хрупкой мачте, показанной на фиг. 10.
На фиг. 14 представлена модель хрупкой мачты, использованной для моделирования воздействия ветровых и ударных нагрузок. На фиг. 14 указаны:
1
15 - точка приложения силы F;
2
16 - точки приложения силы F.
На фиг. 15 приведен вид сбоку на мачту, деформированную в результате воздействия ветровых нагрузок, по данным моделирования. На фиг. 15 указана:
17 - точка максимального напряжения.
На фиг. 16 представлена хрупкая мачта с разрушенным поясом 3 в результате воздействия на нее ударной нагрузки. На фиг. 16 указано:
18 - тело, воздействующее на хрупкую мачту.
Осуществление изобретения
Обратимся к фиг. 1, на которой представлена хрупкая мачта в соответствии с настоящим изобретением при N=1.
Хрупкая мачта содержит нижнюю опору 1, верхнюю опору 2, эквидистантную оболочку 3 из хрупкого материала, элементы крепления 4 нижней опоры 1 к фундаменту, косынки 5, фланца 6, болтовые соединения 7. Цифрой 8 указан зазор между нижней и верхней опорами. Внутреннюю область между оболочкой и нижней и верхней опорами заполняет упругоподатливая прослойка 9.
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры имеют форму цилиндра круглого поперечного сечения, изготовлены из металла, такого как, например, алюминиевый сплав, или композитного или другого конструкционного материала. Эквидистантная оболочка 3 имеет в поперечном сечении форму, эквидистантную форме поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор. При этом под эквидистантной оболочкой 3 мы понимаем такую оболочку, все точки внутренней поверхности которой равноудалены от поверхности нижней 1 и верхней 2 опор на некоторую величину d, называемую высотой эквидистантности, а все точки внешней поверхности равноудалены от поверхности нижней 1 и верхней 2 опор на величину d+t, где t - толщина оболочки 3. Оболочка 3 выполнена из хрупкого материала такого как, например, композитный материал. Внутренние размеры поперечного сечения оболочки 3 на 1-10 мм большие внешних размеров поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор.
Элементы крепления 4 нижней опоры 1 к фундаменту состоят из косынок 5, фланца 6 и болтового соединения 7. Косынки 5 имеют треугольную форму или форму многоугольника. Фланец 6 имеет форму квадрата или круга. Косынки 5 и фланец 6 выполнены из того же материала, что и нижняя опора 1. Болтовые соединения 7 - стандартные.
В качестве материала упругоподатливой прослойки применен, например, полиуретановый клей. Упругоподатливая прослойка 9 заполняет промежуток между оболочкой 3 и нижней 1 и верхней 2 опорами.
Нижняя опора 1 жестко закреплена на фундаменте при помощи элементов крепления 4 нижней опоры 1. Фланец 6 приварен к нижней опоре 1. Косынки 5 приварены к фланцу 6 и к нижней опоре 1. Болтовые соединения 7 жестко закрепляют фланец 6 на фундаменте.
Верхняя опора 2 расположена соосно с нижней опорой с образованием зазора 8 между ними. Расстояние между кромками нижней опоры 1 и верхней опоры 2 равно 1-10 мм. Эквидистантная оболочка 3 из хрупкого материала имеет поперечное сечение с внутренними размерами на 1-10 мм большими внешних размеров поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор. Упругоподатливая прослойка 9 заполняет промежуток между оболочкой 3 и нижней 1 и верхней 2 опорами. Хрупкая мачта с упругоподатливой прослойкой 9 предназначена для эксплуатации ее в районах с резко континентальным климатом, в которых температура воздуха изменяется в широких пределах, например, в пределах от минус 60 до плюс 70 град. При перепаде температур упругоподатливая прослойка 9 за счет изменения своих размеров компенсирует разницу в линейных расширениях опоры и оболочки, обусловленную различием коэффициентов линейного температурного расширения алюминиевого сплава и материала оболочки 3. [Маликов Д.А. Температурные напряжения в защитном слое бипластмассовых конструкций с упругоподатливой прослойкой в силовой оболочке. Кандидатская диссертация, 2001.]
Мачта работает следующим образом. Размеры поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор и оболочки 3 с учетом их физических свойств таковы, что хрупкая мачта выдерживает статические и медленно изменяющиеся нагрузки, такие как, например, ветровые нагрузки. В случае воздействия на хрупкую мачту быстро изменяющихся ударных нагрузок, например, при ударе самолета, оболочка 3, быстро разрушится. Верхняя опора 2 с закрепленной на ней антенной 12 или иным устройством упадет. Таким образом, хрупкая мачта в виде двух соосных опор, соединенных между собой оболочкой из хрупкого материала, является легко преодолимым препятствием. Как следует из приводимых ниже результатов моделирования, самолет при ударе об упомянутую хрупкую мачту не получит существенных повреждений.
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры могут также иметь форму цилиндра прямоугольного поперечного сечения, при этом в остальном хрупкая мачта изготовлена и работает как мачта, указанная на фиг. 1.
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры могут быть изготовлены из фасонного профиля, при этом в остальном хрупкая мачта изготовлена и работает как мачта, указанная на фиг. 1.
Обратимся теперь к фиг. 2, на которой представлена хрупкая мачта с разными размерами поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор. Упомянутая мачта, по сравнению с представленной на фиг. 1, не содержит упругоподатливой прослойки 9, а внутренние размеры поперечного сечения оболочки 3 равны внешним размерам поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор.
На фиг. 3 представлена хрупкая мачта с нижней 1 и верхней 2 опорами равного поперечного сечения. Соответственно поперечное сечение оболочки 3, упругоподатливой прослойки 9 имеют в пределах оболочки одни и те же размеры. Толщину упругоподатливой прослойки 9 выполняют в пределах от 1 до 10 мм.
На фиг. 4 представлена хрупкая мачта с нижней 1 и верхней 2 опорами равного поперечного сечения без упругоподатливой прослойки 9 между нижней 1, верхней 2 опорами и оболочкой 3.
На фиг. 5 представлена хрупкая мачта с кронштейном 10 для крепления антенны 11 с рефлектором 12. Упомянутая мачта применена в качестве опоры рефлектора 12 и излучающего элемента антенной решетки курсового радиомаяка радиотехнической системы обеспечения инструментальной посадки самолетов.
2
2
2
В качестве материала оболочки 3 применен хрупкий материал. В случае воздействия на хрупкую мачту быстро изменяющихся ударных нагрузок, при котором в большей степени проявляется свойство хрупкости материалов, чем свойство пластичности материалов, оболочка 3 разрушается. Хрупкость - это свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Для таких материалов относительное удлинение при разрыве не превышает 2…5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов. - 10-е изд. перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, с. 86]. Хрупкость материала при ударных нагрузках характеризует ударная вязкость. Известно, что ударная вязкость алюминиевого сплава АД31 равна 500 кДж/м. Свойства композитного материала подобраны таким образом, чтобы его ударная вязкость была ниже, чем у алюминиевого сплава, из которого сделаны нижняя 1 и верхняя 2 опоры. Например, для стеклопластика Дюростон UPMS16 в соответствии со стандартами N.E.M.A. LI 1 - GPO-3 ударная вязкость равна 80 кДж/м [Стеклопластик/ под ред. Моргана Ф.; пер. с англ. Я.Д. Абрасина. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961, с. 349]; для углепластика на основе углеволокна и полиэфира ударная вязкость равна 64 кДж/м [Справочник по композиционным материалам / под ред. Любина Дж.; пер. с англ. А.Б. Геллера и М.М Гельмонта. - М.: Машиностроение, 1988, с. 314]. Таким образом, материал оболочки 3 после удара разрушится быстрее, чем материал нижней 1 и верхней 2 опоры.
Размеры нижней 1 и верхней 2 опоры и оболочки 3 подобраны таким образом, чтобы выдерживать статические и медленно изменяющиеся нагрузки, такие как, например, ветровые нагрузки. В случае воздействия на хрупкую мачту быстро изменяющихся ударных нагрузок, например, удара самолета, проявится свойство хрупкости материала оболочки 3, и она быстро разрушится. Верхняя опора 2 с закрепленной на ней антенной 11 упадет, в результате хрупкая мачта не создаст препятствие для дальнейшего движения самолета, не повредит самолет.
Упругоподатливая прослойка 9 применена в хрупкой мачте с целью снижения температурных напряжений, обусловленных тем, что материал оболочки 3 и материал нижней 1 и верхней 2 опор имеют разные величины температурных коэффициентов линейного расширения. В случае отклонения температуры окружающего воздуха от нормальной и изменения размеров нижней 1 и верхней 2 опор и оболочки 3 упругоподатливая прослойка 9 сжимается или расширяется и тем самым предотвращает возникновение температурных напряжений между нижней 1 и верхней 2 опорами и оболочкой 3.
Обратимся к фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8, на которых представлено мачтовое устройство по настоящему изобретению, состоящее из трех нижних опор 1 и секций-ферм 13, трех оболочек 3 из хрупкого материала и трех упругоподатливых прослоек 9.
Каждая секция-ферма 13 содержит верхние опоры 2, распорки 14 и раскосы (на фиг. не показаны).
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры имеют форму цилиндра круглого поперечного сечения, изготовлены из металла, такого как, например, алюминиевый сплав, или композитного или другого материала. Оболочки 3 имеют поперечное сечение, эквидистантное поперечному сечению нижних опор 1 и верхних опор 2 секций-ферм 13, изготовлены из хрупкого материала такого, как, например, композитный материал. Распорки 14 и раскосы имеют форму конуса или цилиндра круглого, прямоугольного или иного поперечного сечения, изготовлены из металла, такого как, например, алюминиевый сплав, или композитного или другого материала.
Нижние опоры 1 жестко закреплены на фундаменте. Верхние опоры 2 секций-ферм 13 расположены так, чтобы в поперечном сечении секций-ферм 13 верхние опоры 2 были расположены в вершинах равностороннего треугольника. Верхние опоры 2 секций-ферм 13 между собой скреплены распорками 14 и раскосами. Нижние опоры 1 расположены соосно с верхними опорами 2 секций-ферм 13, с образованием зазора 8 между нижними 1 и верхними 2 опорами.
Оболочки 3 из хрупкого материала имеют поперечное сечение, эквидистантное поперечному сечению нижних опор 1 и верхних опор 2 секций-ферм 13, внутренние размеры поперечного сечения больше на 1-10 мм внешних размеров поперечного сечения нижних опор 1 и верхних опор 2 секций-ферм 13. Упругоподатливая прослойка 9 заполняет промежуток между оболочкой 3 и нижней 1 и верхней 2 опорами. В качестве материала упругоподатливых прослоек применен, например, полиуретановый клей.
Упомянутая хрупкая мачта работает аналогично работе хрупкой мачте, представленной на фиг. 1.
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры могут также иметь форму цилиндра прямоугольного поперечного сечения, при этом в остальном хрупкая мачта изготовлена и работает как мачта, указанная на фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8.
Нижняя 1 и верхняя 2 опоры могут быть изготовлены из фасонного профиля, при этом в остальном хрупкая мачта изготовлена и работает как мачта, указанная на фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8.
Обратимся теперь к фиг. 9, на которой представлена хрупкая мачта по настоящему изобретению, которая отличается от хрупкой мачты, представленной на фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 тем, что не содержит упругоподатливые прослойки 9. Внутренние размеры поперечного сечения оболочек 3 равны внешним размерам поперечного сечения нижних опор 1 и верхних опор 2 секций-ферм 13.
На фиг. 10 представлена хрупкая мачта с нижними 1 и верхними 2 опорами равного поперечного сечения и упругоподатливой прослойкой 9 между нижними 1, верхними 2 опорами и оболочками 3. Соответственно поперечное сечение оболочек 3, упругоподатливых прослоек 9 имеют в пределах оболочки одни и те же размеры. Толщину упругоподатливой прослойки выполняют в пределах от 1 до 10 мм.
На фиг. 11 представлена хрупкая мачта с нижними 1 и верхними 2 опорами равного поперечного сечения без упругоподатливой прослойки 9. Соответственно поперечное сечение оболочек 3 имеет в пределах оболочек одни и те же размеры.
На фиг. 12 и фиг. 13 представлена хрупкая мачта с кронштейнами 10 для крепления антенн 11. Упомянутая мачта применена в качестве опоры антенной системы глиссадного радиомаяка радиотехнической системы обеспечения инструментальной посадки самолетов. Упомянутая мачта работает аналогично работе мачты на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. При быстро изменяющихся ударных нагрузках в виде удара самолета проявится свойство хрупкости материала оболочек 3 и они быстро разрушатся. Хрупкая мачта упадет, не создаст препятствие для дальнейшего движения самолета, не повредит самолет.
Упругоподатливые прослойки 9 применены для уменьшения стесненности температурных деформаций опор и оболочек 3 в радиальном направлении. В случае отклонения температуры мачтового устройства от нормальной и изменения размеров цилиндрических оболочек 3 и нижних 1 и верхних 2 опор секций-ферм 13 упругоподатливые прослойки 9 сжимаются или расширяются и тем самым предотвращают возникновение температурных напряжений между оболочками 3, нижними опорами 1 и верхними опорами 2 секций-ферм 13.
Моделирование ветровых и ударных нагрузок
Обратимся к фиг. 14, на которой приведена расчетная модель хрупкой мачты, представленной на фиг. 2. Хрупкая мачта состоит из нижней опоры 1 и верхней опоры 2, образующих между собой зазор 8, и оболочки 3 из хрупкого материала. Нижняя 1 и верхняя 2 опоры имеют цилиндрическую форму. Поперечное сечение цилиндров имеет вид прямоугольника. Толщина стенок 4 мм. Опоры изготовлены из алюминиевого сплава АД31Т1 со следующими характеристиками:
3
- плотность - 2700 кг/м;
- модуль Юнга - 71 ГПа;
- коэффициент Пуассона - 0,33;
- предел текучести при растяжении - 147 МПа;
- предел прочности при растяжении - 196 МПа;
2
- ударная вязкость - 500 кДж/м.
Оболочка 3 имеет также цилиндрическую форму. Изготовлена из стеклопластика Дюростон UPMS16 со следующими характеристиками:
3
- плотность - 1850 кг/м;
- модуль Юнга - 24 ГПа;
- коэффициент Пуассона - 0,3;
- предел прочности при растяжении - 185 МПа;
2
- ударная вязкость - 80 кДж/м.
Зазор 8 между нижней 1 и верхней 2 опорами равен 1 мм.
Нижняя опора жестко закреплена снизу. Верхняя опора 2 расположена соосно с нижней опорой 1 с образованием зазора 8 между ними. Оболочка 3 из хрупкого материала имеет внутренние размеры поперечного сечения, равные внешним размерам поперечного сечения нижней 1 и верхней 2 опор, и опоясывает вплотную нижнюю 1 и верхнюю 2 опоры в области зазора 8, при этом оболочка расположена симметрично относительно зазора. Оболочка 3 имеет ограничение по перемещению вниз.
На фиг. 15 приведен вид сбоку на мачту, деформированную в результате воздействия ветрового потока со скоростью 50 м/с на мачту, представленную на фиг. 14.
При моделировании воздействия ветровых нагрузок на хрупкую мачту использовались следующие допущения:
1
1
- на хрупкой мачте на высоте 2350 мм расположена антенна с обтекателем антенны 11. Воздействие ветрового потока на обтекатель антенны моделируется воздействием силы F в точке 15. Сила F найдена по формуле:
1
2
где S=0,4 м - наветренная площадь обтекателя;
P=2116 Па - нормативный напор ветрового потока при скорости ветра 50 м/с;
1
C=0,8 - аэродинамический коэффициент,
1
F=677 H;
2
- с противоположной антенне 11 стороны расположены 13 трубок рефлектора 12 антенны 11. Воздействие ветрового потока на 13 трубок рефлектора 12 моделируется воздействием силы F в 13 точках 16:
2
2
где S=0,04 м - наветренная площадь трубки рефлектора 12;
2
C=1,2 - аэродинамический коэффициент.
2
F=102 H.
Для целей расчета ветровых нагрузок найдено численное решение системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, описывающих поведение жидкостей и газов во всей расчетной области. Такая задача решена методом конечных элементов, реализованным в программном пакете CFX в программной среде ANSYS Workbench.
Для определения напряжений и перемещений в деформируемом под действием ветровых нагрузок мачтовом устройстве получено решение задач теории упругости и теории пластичности. Такие задачи решены методом конечных элементов в программном пакете Static Structural в программной среде ANSYS Workbench.
Под действием ветрового потока хрупкая мачта изгибается. Максимальное напряжение возникает в точке 17 нижней опоры 1 и равно 140 МПа, что не превышает предела текучести для алюминиевого сплава АД31Т1, равного 147 МПа, и предела прочности стеклопластика Дюростон UPMS16, равного 180 МПа. Таким образом, хрупкая мачта, представленная на фиг. 14, не разрушится при воздействии ветрового потока со скоростью 50 м/с.
На фиг. 16 представлена хрупкая мачта с разрушенным поясом 3 в результате воздействия на нее ударной нагрузки. При моделировании были использованы следующие допущения:
- самолет моделируется телом 18, схожим по форме с носом пассажирского самолета Боинг 737, массой 60 т и двигающимся в горизонтальном направлении со скоростью 100 км/ч.
Для моделирования удара самолета и разрушения оболочки 3 хрупкой мачты найдено решение задач нестационарной нелинейной динамики явным методом при использовании метода конечных элементов, реализованном в программном пакете Explicit Dynamics STR в программной среде ANSYS Workbench.
Анализ результатов моделирования показал, что непосредственно во время удара в области с наибольшей кривизной поверхности оболочки 3 возникают трещины, оболочка разрушается, в результате верхняя опора 2 высвобождается из оболочки 3, совершает сложное движение: вращательное относительно нижнего торца опоры и поступательное в направлении приложения силы удара. При этом тело 18, изготовленное также из алюминиевого сплава, не получает остаточных деформаций. В результате разрушения хрупкой мачты обеспечивается свободный проход воздушному судну так, чтобы воздушное судно могло совершить успешную посадку или продолжить взлет.
Таким образом, хрупкая мачта, представленная на фиг. 14, выдерживает требуемые ветровые нагрузки, однако разрушается при ударе самолета, не нанося ему значительных повреждений.