Шпангоут адаптера конического для космического аппарата легкого класса

Полезная модель относится к космической отрасли и может быть использована в качестве силового элемента (шпангоута) для изготовления адаптера конического (АК) из композиционных материалов, усиления и защиты композитной структуры АК, а также обеспечения его стыковки с космическим аппаратом (КА) преимущественно легкого класса.
Известно, что АК из композиционных материалов обладают оптимальными параметрами:
- высокая степень надежности;
- высокая степень унификации;
- высокая степень технологичности;
- азмеростабильность;
- низкая себестоимость.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов в качестве материала изготовления АК 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.
АК из композиционных материалов нашли широкое применение в современных КА.
АК КА - конструктивный силовой элемент, имеющий форму усеченного конуса, промежуточное звено, соединяющее между собой КА и разгонный блок (РБ), передающее нагрузки между ними. Изготавливается методом «мокрой» намотки высокомодульного углеродного волокна на оснастку. Представленный шпангоут является несъемной оснасткой. Шпангоут выполнен из металла.
АК КА, должен иметь заданную грузоподъемность (несущую способность), обеспечивающую его целостность при внешних воздействиях, а также надежную фиксацию КА с РБ, то есть обладать повышенной жесткостью и прочностью.
В зависимости от массы КА, можно условно выделить следующие группы:
- КА легкого класса - до 2000 кг;
- КА среднего класса - до 3500 кг;
- КА тяжелого класса - до 4500 кг;
- КА сверхтяжелого класса - до 5000 кг.
На основании вышеизложенного, представленный шпангоут АК для КА легкого класса должен обеспечивать:
- заданную несущую способность (не менее 2000 кг);
- надежное соединение с композитной структурой АК;
- равномерное распределение нагрузки на композитную структуру АК;
- стыковку АК с КА и при необходимости с устройством отделения;
- высокую точность интерфейса крепления и возможность его доработки;
- минимальную массу конструкции.
Из существующего уровня техники известны конструкции шпангоутов, представленные в ряде описаний патентов на изобретения РФ:
- Патент РФ 2623054 «Подкрепляющий шпангоут для тонкостенных оболочек из композиционных материалов и способ его изготовления», представляющий собой ребро жесткости с контактными поверхностями по форме подкрепляемой оболочки по наружному диаметру и с кольцевым утолщением по внутреннему, отличающийся тем, что в нем ребро жесткости выполнено плоским или выпукло-вогнутым двойным сложением расчетного числа слоев ткани с перегибом в зоне утолщения и разведением каждой половины слоев в стороны с образованием развитых контактных поверхностей, а кольцевое утолщение образовано заполнением расчетным количеством нити конструктивного объема в зоне перегиба ткани. Недостатком указанного шпангоута является то, что его применение возможно только для тонкостенных оболочек, несущая способность которых, как правило, ограничена.
- Патент РФ 2355575 «Способ изготовления оболочечной конструкции из композиционных материалов», с размещенными на ней металлическими шпангоутами, включающий намотку на оправку жгутов или лент, пропитанных связующим, и установку шпангоутов, отличающийся тем, что намотку производят до получения посадочного диаметра шпангоутов, разрезают шпангоуты, концы их растягивают и протягивают разрезанные шпангоуты на неполимеризованную оболочку до мест их установки, закрепляют на оболочке винтами или дюбелями, производят дальнейшую намотку оболочки с одновременной примоткой шпангоутов до получения заданного диаметра и после полимеризации связующего концы шпангоутов соединяют планками. Существенным недостатком указанной конструкции является нарушение целостности конструкции шпангоута, и как следствие, снижение несущей способности.
- Патент РФ 2694486 «Шпангоут», содержит стенку, выполненную в виде усеченного конуса, верхний пояс, выполненный в форме кольца, снабженного элементами крепления с первым смежным элементом конструкции летательного аппарата, и нижний пояс, выполненный в виде плоской рамы, составленной из планок, соединенных под углом друг с другом, и снабженной опорными узлами, размещенными в углах рамы и выполненными с обеспечением возможности соединения шпангоута со вторым и третьим смежными элементами конструкции летательного аппарата, при этом стык стенки с нижним поясом вблизи опорных узлов смещен к внутреннему торцу рамы, а вблизи середин планок смещен к внешнему торцу рамы. Соединение указанного шпангоута с сопрягаемыми конструкциями выполняется посредством крепежных элементов. Недостаток приведенной конструкции заключается в низкой надежности мест крепления, по причине формирования локальных зон напряжения в местах крепления, что ограничивает, при высоких нагрузках, применение конструкций из композиционного материала в качестве сопрягаемых. Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана конструкция данного шпангоута.
Общим недостатком всех указанных конструкций является невозможность их применения для сопряжения с ребрами сетчатой структуры АК.
Техническими проблемами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение являются: низкая надежность соединения с композитной структурой АК, неравномерное распределение нагрузки на композитную структуру АК, отсутствие высокой точности интерфейса крепления и возможности его доработки.
Техническим результатом при использовании шпангоута АК для КА легкого класса с приведенной совокупностью признаков является обеспечение высокой надежности соединения с композитной структурой АК за счет равномерного распределения нагрузки на композитную структуру АК, высокой точности интерфейса крепления и возможности его доработки.
Технические проблемы решаются, а результат достигается тем, что шпангоут АК для КА легкого класса представляет собой усеченный конус, выполненный в форме кольца, отличающийся тем, что образован замкнутым по окружности профилем сложной формы, имеющим наружную и внутреннюю поверхности, а также плоскость между ними, имеющую отверстия для стыковки АК с сопрягаемой конструкцией и образующую вершину шпангоута, наружная сторона шпангоута имеет одну кольцевую канавку и Х-образные спиральные канавки прямоугольной формы для укладки углеродного волокна при формировании ребер сетчатой структуры АК, при этом кольцевая канавка выполнена по всей окружности шпангоута параллельно плоскости на его вершине, а Х-образные спиральные канавки ориентированы под углом к плоскости на вершине шпангоута, расположены с равным угловым шагом относительно друг друга, имеют одинаковый по форме и размерам профиль.
Плоскость на вершине шпангоута имеет припуск материала для выполнения высокоточной механической обработки на изготовленном АК. Шпангоут выполнен из металла.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными фигурами 1-3, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид шпангоута АК для КА легкого класса;
- на фиг. 2 изображен вид сверху шпангоута АК для КА легкого класса;
- на фиг. 3 изображены конструктивные особенности шпангоута АК для КА легкого класса;
Шпангоут АК для КА легкого класса представляет собой усеченный конус, образованный замкнутым по окружности профилем сложной формы, выполненным в форме кольца, имеющим наружную и внутреннюю поверхности 1 и 2, а также плоскость 3 между ними, имеющую отверстия 4 для стыковки АК с сопрягаемой конструкцией и образующую вершину шпангоута. Наружная сторона шпангоута 1 имеет одну кольцевую 5 и Х-образные спиральные канавки 6. Оба вида канавок имеют профиль прямоугольной формы для укладки углеродного волокна при формировании ребер сетчатой структуры АК. В данном варианте исполнения предусмотрено формирование структуры, состоящей из одной кольцевой и 48 (сорока восьми) Х-образных спиральных канавок. Количество канавок определяется и выбирается расчетным путем из условий обеспечения требуемой несущей способности и требований к прочностным характеристикам АК.
Шпангоут изготавливают из металла, например, алюминиевого сплава В95пчТ2 (по ТУ1-92-161-90), который обладает низкой плотностью - низкой конечной массой, легкостью механической обработки - снижается конечная стоимость шпангоута, приемлемыми прочностными характеристиками, а также возможностью применения в космической технике.
При этом кольцевая канавка 5 выполнена по всей окружности шпангоута 1 параллельно плоскости 3 на его вершине, а Х-образные спиральные канавки 6 ориентированы под углом к плоскости 3 на вершине шпангоута 1, расположены с равным угловым шагом относительно друг друга, имеют одинаковый по форме и размерам профиль.
Кроме того, на вершине шпангоута имеется припуск материала для того, чтобы в дальнейшем выполнить высокоточную механическую обработку посадочной поверхности в составе АК.
Заявленный шпангоут изготавливают методом точения и фрезерования.
Заявленный шпангоут используется для изготовления АК КА методом намотки композитного волокна, предварительно пропитанного связующим, в Х-образные канавки шпангоута.
Работа заявленного шпангоута в составе АК КА заключается в надежном закреплении КА на поверхности шпангоута АК КА и равномерной передаче напряжений от шпангоута на ребра АК КА.