СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к сетчатым конструкциям из композиционных материалов и может быть использована в изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Силовая конструкция корпуса (СКК) космического аппарата (КА) предназначена для крепления модулей КА с бортовой и целевой аппаратурой, крыльев солнечной батареи, баков хранения рабочего тела, а также, элементов системы отделения и стыковки с попутным КА при парном запуске.
СКК КА должна иметь заданную несущую способность, обеспечивающую ее целостность при внешних воздействиях, т.е. обладать высокой жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к СКК КА, являются требования по обеспечению оптимальных значений основных параметров:
– высокой степени надежности;
– высокой степени унификации;
– высокой степени технологичности;
– размеростабильности;
– низкой себестоимости.
При производстве КА значительную роль играет срок изготовления его составных частей. Применение технической унификации при изготовлении СКК КА позволяет сократить время на адаптацию под конкретный КА, способствует реализации возможности более широкого применения СКК при создании КА различного целевого назначения.
На данный момент, как в отечественном, так и зарубежном производстве КА негерметичного типа, применяется модульный принцип построения, при котором КА состоит из нескольких конструктивно и функционально обособленных модулей, например модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки, которые крепятся к одному каркасу. Основные варианты исполнения СКК КА могут быть представлены в виде:
– конструкции из сотовых сэндвич-панелей (обшивок с сотовым заполнителем между ними);
– монолитной конструкции, без применения сотового заполнителя;
– оболочки вращения имеющей сетчатую структуру.
Известно, что из представленных выше вариантов исполнения оптимальными параметрами 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 СКК КА в виде цилиндра, способствует равномерному распределению нагрузки на конструкцию в целом, а также позволяет осуществить попутное выведение нескольких КА одновременно, при этом выполняя соответствие условию размещения КА соосно с осью симметрии ракеты-носителя.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов в качестве материала изготовления СКК КА позволяет снизить массу конструкций 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 размеростабильность конструкции, при воздействии широкого спектра температур в условиях космической среды. СКК КА является интегральной – соединение ребер между собой, а также с другими элементами конструкции реализуется в процессе полимеризации связующего композиционного материала. В настоящее время ребра СКК КА, 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.
СКК КА должна сочетать в себе оптимальные значения основных параметров. Технической проблемой при производстве СКК КА является достижение баланса оптимальных значений основных параметров.
Следует отметить, что выбор при проектировании конфигурации и типа сетчатой конструкции зависит от воздействия комбинации статических и динамических нагрузок на конструкцию конкретного КА в целом и на его положение при выведении на орбиту и последующего функционирования. Нагрузки, действующие на СКК КА, переменны по высоте и являются минимальными на верхнем торце и максимальными на нижнем торце. Различие в нагрузках на торцах может достигать несколько десятков раз. Минимизация массы СКК КА при подобном распределении нагрузок может быть реализована переменным количеством ребер по высоте конструкции. Также действие нагрузок может приводить к возникновению локальных напряжений ребер сетчатой оболочки СКК КА. Исходя из этих условий, подбирают оптимальное количество продольных и при необходимости дополнительных продольных ребер, повышающих осевую жесткость сетчатой оболочки, определяют угол наклона и количество спиральных ребер, которые задают боковую жесткость. Наличие кольцевых ребер и при необходимости дополнительных кольцевых ребер придает свойство самостабилизации сетчатой оболочке СКК КА. Все ребра подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции сетчатой оболочки. Конфигурация сетчатой оболочки определяется специальным расчетом, при этом сетчатая оболочка СКК КА может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Таким образом, СКК КА представляет собой оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных, кольцевых, продольных и дополнительных ребер с формированием ячеек нескольких типоразмеров, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы, один из которых имеет локальные зоны усиления, выполненные с реализацией возможности интеграции ребер, образующих сетчатую структуру в зоне усиления, а на другом усиливающем элементе установлены хомуты различных типов.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструктивные исполнения СКК КА сетчатой конструкции, которые могут быть использованы при изготовлении изделий авиационной техники, с близкой совокупностью признаков по конфигурации сетчатой структуры:
– Патент РФ № 2475412 «Оболочка отсека герметичного фюзеляжа магистрального самолета из полимерного композиционного материала и способ ее изготовления», выполнена в виде слоистой обшивки с сеткой подкрепляющих ребер. Сетка подкрепляющих ребер содержит винтовые ребра с боковыми поверхностями в виде поверхностей прямого геликоида правого хода с разворотом указанных ребер в области торца отсека и их переходом в винтовые ребра левого хода и наоборот, а также продольные ребра с их U-образным разворотом в зонах торцов отсека. Ребра равномерно распределены по поверхности отсека, сформированы послойно и выполнены непрерывными. Ребра состоят из слоев однонаправленных прядей волокон полимерного композиционного материала, скрепленных полимерным связующим. На сетке подкрепляющих ребер сформирована наружная слоистая обшивка из полимерного композиционного материала. Недостатком данного аналога является отсутствие усиливающих элементов на торцах сетчатых конструкций, например металлических шпангоутов с профилируемыми пазами под ребра сетчатой оболочки.
Необходимость усиления торцов вызвана тем, что композиционные материалы обладают меньшей прочностью при восприятии локальных нагрузок по сравнению с материалами из металла. Шпангоуты необходимы, например, для крепления КА к адаптеру разгонного блока с одной стороны СКК КА и стыковки с попутным КА с другой, что предполагает наличие посадочных мест и отверстий в корпусе шпангоута.
– Патент РФ № 176806 «Изогридная (сетчатая) хвостовая балка вертолета, изготовленная из композиционных материалов», которая образована из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и продольных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и продольные ребра. Усиливающие шпангоуты состоят из слоев композиционного материала и слоев металлической фольги. На торцевом усиливающем шпангоуте, расположенном в районе хвостового оперения, установлена оболочка из композиционных материалов. Недостатком данного аналога является наличие дополнительных промежуточных усиливающих шпангоутов, а также хвостовой оболочки, существенно повышающих массу конструкции.
Из уровня техники также известны различные конструктивные исполнения СКК сетчатой конструкции, которые предназначены для крепления элементов конструкции КА и представлены в ряде описаний изобретений:
– Патент РФ № 2392122 «Сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов», образована из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра. Дополнительные ребра ориентированы в продольном направлении. Дополнительные ребра короче длины образующей и неравномерно распределены по длине и периметру. Недостатком известной конструкции является отсутствие усиливающих элементов на торцах сетчатых конструкций.
– Патент США № 20100065717 «METHOD AND SYSTEM FOR FORMING COMPOSITE GEOMETRIC SUPPORT STRUCTURES». Опорная конструкция представляет собой сетчатую оболочку трехмерной конфигурации полой цилиндрической формы из композиционного материала, которая образована посредством пересечения между собой спиральных, продольных, кольцевых и/или боковых поперечных ребер (опор) с образованием множества узлов. Торцы опорной конструкции могут быть оснащены шпангоутами, имеющими аэродинамический профиль. Недостатком данного аналога является отсутствие интеграции шпангоута в конструкцию в целом, связанной с отсутствием пазов для ребер сетчатой оболочки в корпусе шпангоута, что приводит к потере прочности, жесткости конструкции, а также снижению надежности соединения ребер сетчатой оболочки со шпангоутом.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана «Силовая конструкция платформы космического аппарата», известная из описания изобретения к патенту РФ № 2622304, которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой 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 с однородными свойствами. Недостатком ближайшего аналога является низкая несущая способность изогридной сетчатой оболочки, обусловленная отсутствием кольцевых, продольных и дополнительных ребер, что снижает надежность СКК КА при одновременном выведении попутных КА (приложение осевой нагрузки к СКК КА) и может привести к разрушению ребер сетчатой оболочки. Также обозначенные усиливающие элементы сетчатой конструкции прототипа не имеют локальных зон усиления.
Для обеспечения прочности и жесткости СКК КА целесообразно наличие кольцевых, продольных ребер, а также нескольких дополнительных ребер в соответствии с переменным характером действующих комбинированных нагрузок. Кроме того, преобладающие усилия в рассматриваемых конструкциях, предназначенных для закрепления элементов конструкции КА, а также для попутного выведения КА ориентированы вдоль продольной оси симметрии и наиболее эффективно воспринимаются продольными, а не спиральными ребрами. При этом компенсация локальных напряжений ребер сетчатой оболочки вблизи наибольшей концентрации, образующейся возле шпангоута для крепления к адаптеру позволит предотвратить деформацию и разрушение сетчатой структуры СКК КА.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение являются: совершенствование конструкции СКК КА, повышение надежности, технологичности и степени унификации.
Поставленные задачи решаются за счет того что СКК КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных, кольцевых, продольных, дополнительных кольцевых и продольных ребер, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы – шпангоуты, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, один из которых имеет профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры и локальные зоны усиления, а на другом установлены хомуты различных типов.
Спиральные ребра могут быть 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 вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки и соединяют шпангоуты 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.
Продольные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов, соединяют шпангоуты между собой и расположены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки группами с неравным шагом друг от друга.
Дополнительные кольцевые ребра образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов и расположены между шпангоутами, с различным расстоянием, при этом, данные ребра сопряжены с торцами дополнительных продольных ребер различной длины.
Дополнительные продольные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с неравным шагом друг от друга, при этом их длина короче продольных ребер, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом с локальными зонами усиления, другие торцы сопряжены с дополнительным кольцевым ребром, расположенным ближе к шпангоуту с хомутами.
Дополнительные продольные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с равным шагом друг от друга, при этом их длина имеет среднюю величину среди других дополнительных продольных ребер, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом с локальными зонами усиления, другие торцы сопряжены с кольцевым ребром, расположенным ближе к центру.
Дополнительные продольные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с равным шагом друг от друга, при этом их длина короче других дополнительных продольных ребер, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом с локальными зонами усиления, другие торцы сопряжены с дополнительным кольцевым ребром, расположенным около шпангоута с локальными зонами усиления.
Шпангоут с локальными зонами усиления может выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки.
На шпангоуте с локальными зонами усиления могут быть установлены накладки, при помощи клея и болтового соединения, выполненные из металлических сплавов.
Накладки могут быть установлены на каждой локальной зоне усиления или с равным шагом друг от друга.
Шпангоут с хомутами может быть выполнен из композиционных материалов, а шпангоут с локальными зонами усиления – из металлических сплавов.
Хомуты шпангоута могут быть выполнены из металлических сплавов с посадочными отверстиями и расположены с равным шагом друг от друга.
Шпангоут с локальными зонами усиления может быть выполнен с посадочными местами и отверстиями.
Локальные зоны усиления имеют треугольную форму и выполнены с отверстиями прямоугольной формы.
Сетчатая структура выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Техническими результатами при использовании СКК КА с приведенной совокупностью признаков являются:
– достижение баланса оптимальных значений основных параметров СКК КА в соответствии с современными требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам;
– компенсация локальных напряжений ребер сетчатой оболочки вблизи наибольшей концентрации, образующейся возле шпангоута для крепления к адаптеру;
– реализация возможности применения универсальных узлов крепления для размещения элементов конструкции и оборудования КА;
– реализация возможности размещения элементов конструкции и оборудования КА как на внешней, так и на внутренней поверхности СКК КА;
– реализация возможности одновременного выведения на орбиту нескольких КА.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными фигурами 1–8, где:
– на фиг. 1 изображен вид общий СКК КА;
– на фиг. 2 изображен вид спереди СКК КА;
– на фиг. 3 показана структура сетчатой оболочки СКК КА;
– на фиг. 4 отображены хомуты различных типов (для крепления приборной панели);
– на фиг. 5 показано сечение Д-Д, указанное на фиг. 4;
– на фиг. 6 изображена локальная зона усиления;
– на фиг. 7 показано сечение К-К, указанное на фиг. 6;
– на фиг. 8 показаны выступающие посадочные площадки шпангоута с локальными зонами усиления.
СКК КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных, кольцевых, продольных, дополнительных кольцевых и продольных ребер 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 соответственно при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы – шпангоуты 9, 10, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, один из которых имеет профилирующие пазы под ребра 1, 2, 3, 6, 7, 8 сетчатой структуры и локальные зоны усиления 11, а на другом установлены хомуты 12 различных типов.
Спиральные ребра 1 могут быть образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 9, 10, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки и соединяют шпангоуты 9, 10 между собой.
Кольцевые ребра 2 образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 9, 10 и расположены между шпангоутами 9, 10, с равным шагом друг от друга.
Продольные ребра 3 образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов 9, 10, соединяют шпангоуты 9, 10 между собой и расположены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки группами с неравным шагом друг от друга.
Дополнительные кольцевые ребра 4, 5 образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 9, 10 и расположены между шпангоутами 9, 10, с различным расстоянием, при этом, данные ребра сопряжены с торцами дополнительных продольных ребер 6, 8 различной длины.
Дополнительные продольные ребра 6 образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов 9, 10 и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с неравным шагом друг от друга, при этом их длина короче продольных ребер 3, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом 10 с локальными зонами усиления 11, другие торцы сопряжены с дополнительным кольцевым ребром 4, расположенным ближе к шпангоуту 9 с хомутами 12.
Дополнительные продольные ребра 7 образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов 9, 10 и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с равным шагом друг от друга, при этом их длина имеет среднюю величину среди других дополнительных продольных ребер 6, 8, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом 10 с локальными зонами усиления 11, другие торцы сопряжены с кольцевым ребром 2, расположенным ближе к центру.
Дополнительные продольные ребра 8 образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов 9, 10 и распределены вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки с равным шагом друг от друга, при этом их длина короче других дополнительных продольных ребер 6, 7, а также одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом 10 с локальными зонами усиления 11, другие торцы сопряжены с дополнительным кольцевым ребром 5, расположенным около шпангоута 10 с локальными зонами усиления 11.
Шпангоут 10 с локальными зонами усиления 11 может выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки.
На шпангоуте 10 с локальными зонами усиления 11 могут быть установлены накладки 13, при помощи клея и болтового соединения, выполненные из металлических сплавов.
Накладки 13 могут быть установлены на каждой локальной зоне усиления 11 или с равным шагом друг от друга.
Шпангоут 9 с хомутами 12 может быть выполнен из композиционных материалов, а шпангоут 10 с локальными зонами усиления 11 – из металлических сплавов.
Хомуты 12 шпангоута 9 могут быть выполнены из металлических сплавов с посадочными отверстиями и расположены с равным шагом друг от друга.
Шпангоут 10 с локальными зонами усиления 11 может быть выполнен с посадочными местами и отверстиями.
Локальные зоны усиления 11 могут иметь треугольную форму и выполнены с отверстиями прямоугольной формы.
СКК 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 поэтому экономически выгодный метод укладки армирующего мате-риала;
– недорогие материалы.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной кон-фигурации.
Ребра сетчатой оболочки СКК КА выполнены из углепластика на основе углеродного волокна M46J или M55J, пропитанного эпоксидным связующим.
СКК КА характеризуется следующими параметрами:
– высота ребер от 15 до 16 мм;
– толщина спиральных ребер от 3 до 4 мм;
– толщина кольцевых рёбер от 3 до 4 мм;
– толщина продольных ребер от 4 до 5 мм;
– угол наклона спиральных ребер 29°45’.
Применение унификации при изготовлении данной СКК КА также дает технико-экономические преимущества, выраженные в снижении издержек и сроков производства посредством применения типовых технологических процессов при создании ряда модификаций СКК для КА тяжелого класса различного целевого назначения.