СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к сетчатым конструкциям из композиционных материалов и может быть использована в изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Силовая конструкция (СК) для бортовой аппаратуры (БА) космического аппарата (КА) устанавливается на астроплате (базовой панели) КА и используется в качестве опорной башни для крепления БА системы ориентации и стабилизации (СОС).
СК должна иметь заданную несущую способность, обеспечивающую ее целостность при внешних воздействиях, т.е. обладать высокой жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к СК, являются требования по обеспечению оптимальных характеристик основных параметров:
- высокой степени надежности;
- высокой степени унификации;
- высокой степени технологичности;
- размеростабильности;
- низкой себестоимости;
- низкой массы.
Также при размещении оптических приборов, входящих в состав БА СОС, необходимо обеспечить требуемые условия их эксплуатации и допустимые поля зрения.
На данный момент основные варианты исполнения СК для БА КА могут быть представлены в виде:
- конструкции из сотовых сэндвич-панелей (обшивок с сотовым заполнителем между ними);
- оболочки вращения, имеющей сетчатую структуру.
Применение сотовых панелей в изготовлении данной СК значительно увеличивает массу, поэтому оптимальными характеристиками основных параметров с учетом требований, указанных выше, обладают оболочки вращения, имеющие сетчатую структуру, несущими элементами которой являются ребра, обеспечивающие одновременно мембранную и изгибную жесткость конструкции. Геометрическая форма СК, выполненная в виде цилиндра, способствует равномерному распределению нагрузки на конструкцию в целом.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов при изготовлении СК позволяет снизить массу в среднем на 15-30% по сравнению с металлическими конструкциями, помимо этого современные композиционные материалы (например, углепластики) превосходят алюминиевые сплавы по удельной жесткости в 2, 3 раза, а по удельной прочности в 5, 6 раз. Низкий коэффициент температурного расширения полимерных композиционных материалов обеспечивает требуемую размеростабильность конструкции, при воздействии широкого спектра температур в условиях космической среды. СК является интегральной, при этом соединение ребер между собой реализуется в процессе изготовления и полимеризации связующего композиционного материала. В настоящее время ребра СК, изготовленные в промышленных условиях из высокомодульных углепластиков, имеют модуль упругости 185 ГПа, т.е. приближенный к модулю стали при плотности, в 5,2 раза меньшей.
СК должна сочетать в себе оптимальные значения основных параметров, достижение баланса которых и является технической проблемой.
Следует отметить, что выбор конфигурации и типа сетчатой конструкции при проектировании зависит от воздействия комбинации статических и динамических нагрузок. Исходя из этих условий определяют угол наклона и количество спиральных ребер, количество и шаг кольцевых ребер, которые задают боковую жесткость, а также придают свойство самостабилизации оболочке СК. Параметры ребер подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции оболочки. Конфигурация сетчатой конструкции определяется специальным расчетом, при этом оболочка может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Из уровня техники известны различные конструктивные исполнения оболочек сетчатой структуры, которые предназначены для крепления элементов конструкции КА и представлены в ряде описаний результатов интеллектуальной деятельности ниже.
Патент РФ № 2622304 «Силовая конструкция платформы космического аппарата», которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных ребер, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы (в виде шпангоутов, изображенных на чертежах прототипа). Сетчатая конструкция в данном случае имеет изогридный тип, характеризующийся ячейками одного типоразмера с равномерным размещением их по всему объему оболочки. Недостатком аналога является низкая несущая способность изогридной сетчатой конструкции, обусловленная отсутствием кольцевых ребер, что может привести к разрушению ребер оболочки.
Для обеспечения прочности и жесткости СК помимо спиральных ребер целесообразно наличие кольцевых ребер, расположенных в соответствии с характером действующих комбинированных нагрузок.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана «Силовая конструкция корпуса космического аппарата», известная из описания полезной модели к патенту РФ № 196913, которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер с формированием ячеек двух типоразмеров. При этом на торцах оболочки вращения закреплены усиливающие элементы - шпангоуты, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и имеют профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры.
Недостатками прототипа являются повышенная сложность при изготовлении СК методом «мокрой» намотки, при которой шпангоуты, имеющие профили прямоугольного сечения и профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры, интегрировались в структуру оболочки вращения. Также процесс изготовления данных шпангоутов требует больших затрат и является менее технологичным по сравнению с изготовлением шпангоутов, имеющих L-образные профили, применяемых в заявляемом техническом решении. Помимо этого заявляемая СК не предназначена для значительных нагрузок по сравнению с прототипом и, следовательно, процесс намотки целесообразно упростить, исключив интеграцию шпангоутов в сетчатую структуру оболочки вращения, тем самым повысить степень технологичности, уменьшить себестоимость, не ухудшая характеристики других параметров. При этом шпангоуты крепятся на торцах оболочки вращения посредством заклепок и клея, уже после намотки оболочки вращения (на готовое изделие).
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение, являются: совершенствование СК для размещения БА КА, повышение технологичности, уменьшение себестоимости, не ухудшая характеристики других параметров.
Поставленные задачи решаются тем, что СК для БА КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер, с формированием ячеек двух типоразмеров, при этом на торцах оболочки вращения закреплены усиливающие элементы - шпангоуты, которые крепятся посредством заклепок и клея с накладками, при этом шпангоуты выполнены с нижним и верхним интерфейсами и представляют собой замкнутые по окружности L-образные профили, которые устанавливаются по внутреннему диаметру оболочки вращения, а накладки представляют собой тонкостенные пластины, которые устанавливаются по внешнему диаметру оболочки вращения.
Спиральные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов и расположены между шпангоутами с равным шагом друг от друга.
Шпангоуты, выполненные с нижним и верхним интерфейсами, имеют посадочные места, канавки, бобышки, отверстия и пазы для стыковки с сопрягаемыми элементами конструкции КА и точного позиционирования.
В СК посредством шпангоутов, выполненных с нижним и верхним интерфейсами, реализована возможность стыковки с астроплатой КА с одной стороны и креплением панели-основания для установки БА СОС с другой.
Торцы оболочки вращения, шпангоуты и накладки имеют соосные отверстия для установки заклепок.
Шпангоуты и накладки выполнены из металлических сплавов.
Оболочка вращения выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Техническими результатами при использовании СК для БА КА с приведенной совокупностью признаков являются:
- реализация возможности стыковки с сопрягаемыми элементами конструкции КА для размещения БА;
- достижение баланса оптимальных значений основных параметров СК в соответствии с требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-7:
- фиг. 1 - общий вид СК;
- фиг. 2 - вид спереди СК;
- фиг. 3 - выносной элемент А - сетчатая структура и ячейки двух типоразмеров;
- фиг. 4 - сечение Б-Б - крепление шпангоута с верхним интерфейсом и накладок на оболочке вращения;
- фиг. 5 - сечение В-В - крепление шпангоута с нижним интерфейсом и накладок на оболочке вращения;
- фиг. 6 - вид Г - вид снизу (нижний интерфейс);
- фиг. 7 - вид Д - вид сверху (верхний интерфейс);
- фиг. 8 - сечение Ж-Ж - крепление заклепкой.
СК для БА КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер 1, 2, с формированием ячеек 3, 4 двух типоразмеров, при этом на торцах оболочки вращения закреплены усиливающие элементы - шпангоуты 5, 6, которые крепятся посредством заклепок 8 и клея (не показан на чертежах, наносится на все контактирующие с сетчатой структурой поверхности шпангоутов 5, 6 и накладок 7) с накладками 7, при этом шпангоуты 5, 6 выполнены с нижним и верхним интерфейсами и представляют собой замкнутые по окружности L-образные профили, которые устанавливаются по внутреннему диаметру оболочки вращения, а накладки 7 представляют собой тонкостенные пластины, которые устанавливаются по внешнему диаметру оболочки вращения.
Спиральные ребра 1 образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 5, 6, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов 5, 6 и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра 2 образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 5, 6 и расположены между шпангоутами 5, 6 с равным шагом друг от друга.
Шпангоуты 5, 6, выполненные с нижним и верхним интерфейсами, имеют посадочные места, канавки, бобышки, отверстия и пазы для стыковки с сопрягаемыми элементами конструкции КА и точного позиционирования.
В СК посредством шпангоутов 5, 6, выполненных с нижним и верхним интерфейсами, реализована возможность стыковки с астроплатой КА с одной стороны и креплением панели-основания для установки БА СОС с другой.
Торцы оболочки вращения, шпангоуты 5, 6 и накладки 7 имеют соосные отверстия для установки заклепок 8.
Шпангоуты 5, 6 и накладки 7 выполнены из металлических сплавов.
Оболочка вращения СК для БА КА изготавливается с учетом требований к конструкции с использованием технологии изготовления методом «мокрой» намотки угольной нити, пропитанной эпоксидным связующим.
Намотка - процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. При этом методе армирующий материал (угольная нить) укладывается по заданной траектории на вращающуюся оправку, которая определяет внутреннюю геометрию изделия.
Методом намотки формируют изделия, работающие в специфических условиях нагружения, таких как внутреннее или наружное давление, сжимающие или крутящие нагрузки. Изделия проектируются и изготавливаются с высокой степенью точности.
Полученные при намотке углепластиковые конструкции имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. В первую очередь, это повышенная прочность при малой собственной массе, что позволяет добиться оптимального соотношения массы конструкции и полезной нагрузки. Другими преимуществами метода намотки являются:
- быстрый и экономически выгодный метод укладки армирующего материала;
- недорогие материалы.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении оболочек сложной конфигурации.
Ребра оболочки СК выполнены из углепластика на основе углеродного волокна M46J или M55J, пропитанного эпоксидным связующим.
СК характеризуется следующими параметрами:
- диаметр внутренний 300 мм;
- диаметр внешний 308 мм;
- толщина и высота ребер 4 мм;
- шаг между ребрами равномерный;
- угол наклона спиральных ребер 21.
Высота оболочки СК может быть различной в зависимости от конфигурации КА.
Применение унификации при изготовлении данной СК также дает технико-экономические преимущества, выраженные в снижении издержек и сроков производства посредством применения типовых технологических процессов при создании ряда модификаций СК для КА различного целевого назначения.