Ферма
TRUSS

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к конструкции ферм для соединения отсеков ракет-носителей, разгонных блоков с космическими аппаратами и модулей космических аппаратов друг с другом.
Из уровня техники известно достаточное число технических решений для соединения указанных элементов друг с другом, в том числе достаточно примеров ферм для соединения разгонных блоков с полезной нагрузкой - космическим аппаратом. Следует отметить, что в основе конструктивно-компоновочных схем значительной части космических аппаратов использован корпус, выполненный в виде прямого параллелепипеда с основанием в виде квадрата. При этом решение задачи размещения спутников такой формы в космических головных частях ракет-носителей тяжелого класса с головными обтекателями с диаметром цилиндрической части от 4,5 до 5 м и выше, как правило, не требует поиска новых технических решений. Однако решение задачи размещения космических аппаратов большой массы (см., например, А.В. Крамлих, «Модульное проектирование микро/наноспутников», изд. Самарского государственного аэрокосмического университета, Самара, 2010, стр. 4-5) - массой 1500 кг и выше, с корпусом указанной формы в космических головных частях ракет-носителей среднего класса с диаметром цилиндрической части головного обтекателя от 3,5 до 4,1 м представляет определенные трудности.
Из уровня техники известны фермы с треугольной решеткой, снабженной дополнительными стойками, конструкции которых предусматривают совмещение в плане каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с опорным узлом нижнего пояса фермы, соединение их продольной стойкой и дополнительное соединение каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с двумя опорными узлами нижнего пояса фермы двумя наклонными раскосами. Фермы этого типа используются как для соединения полезной нагрузки с разгонным блоком, так и для соединения одного модуля космического аппарата с другим (см., например, патенты РФ на изобретения 2617162, 2052368, патент Китая CN 10656464619).
К указанному типу конструкций ферм также относится ферма крепления космического аппарата «Ямал» на разгонном блоке ДМ-01 (см. «Космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева», гл. ред. Ю.П. Семенов, 1996 г., рис. на стр. 481), которая обеспечивает восприятие в четырех опорных узлах нагрузки от космического аппарата и передачу нагрузки на восемь опорных узлов разгонного блока ДМ-01. При этом длина диагонали между опорными узлами верхнего пояса фермы равна длине диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы. Четыре опорных узла верхнего пояса фермы в плане совмещены с четырьмя опорными узлами нижнего пояса фермы и соединены друг с другом продольными стойками. Дополнительно каждый из опорных узлов верхнего пояса фермы соединен с двумя опорными узлами нижнего пояса фермы двумя наклонными раскосами. Указанная ферма ориентирована на использование в составе космической головной части в сочетании с ракетой-носителем тяжелого класса «Протон».
Из уровня техники также известны двухрешетчатые фермы с дополнительными стойками - фермы с одинаковым числом опорных узлов в верхнем и нижнем поясах, в плане совмещенных друг с другом. При этом каждый из пролетов фермы указанного типа перекрыт Х-образным силовым элементом, образованном двумя соединенными друг с другом наклонными подкосами. Кроме того, каждая пара опорных узлов верхнего и нижнего пояса дополнительно соединена продольной стойкой (см., например, патент США №4451017 или патент Китая 107804485).
Ферма, известная из патента США 4451017, использована для соединения между собой ступеней ракеты-носителя тяжелого класса и выполнена в виде цилиндрообразной формы - восемь опорных узлов нижнего и восемь опорных узлов верхнего пояса фермы размещены на одинаковом расстоянии от продольной оси ракеты-носителя. Кроме того, опорные узлы верхнего и нижнего поясов фермы совмещены в плане друг с другом и соединены друг с другом продольными стойками. Каждый из пролетов фермы дополнительно содержит X-образный силовой элемент, образованный двумя наклонными подкосами.
Как фермы, снабженные треугольной решеткой с дополнительными продольными стойками, так и двухрешетчатые фермы с дополнительными продольными стойками, могут быть использованы только в конструкции космических головных частей, в которых опорные узлы верхнего пояса фермы совмещены в плане с опорными узлами нижнего пояса фермы и не могут быть использованы в случае необходимости разворота опорных узлов космического аппарата относительно опорных узлов разгонного блока, что может быть вызвано, например, условиями соединения космического аппарата с разгонным блоком на технической позиции.
Из уровня техники известны пространственные фермы с треугольной решеткой, выполненные как в виде цилиндрообразной формы (см., например, патенты РФ 2422335, 2624959, заявку Китая CN 106742064, или И.Т. Беляков, «Технология сборки и испытаний космических аппаратов» изд. «Машиностроение», М., 1990 г., стр. 84, рис. 4.1), так и в виде конусообразной формы (см., например, патенты США 5605308, 9758262, патенты РФ 2412088, 2422335, 2624959 или Н.И. Паничкин, «Конструкция и проектирование космических аппаратов», изд. «Машиностроение», М., 1986 г., стр. 232, рис. 17.10а). Указанные фермы эффективно используются при соединении друг с другом ступеней ракет-носителей и в средствах соединения разгонного блока с космическим аппаратом и включают равное число опорных узлов в нижнем и верхнем поясах фермы.
Например, в изобретении по патенту РФ 2422335 средство крепления космического аппарата к разгонному блоку выполнено в виде сочетания фермы с треугольной решеткой и конического адаптера. Ферма содержит нижний пояс из восьми опорных узлов, соединенных с разгонным блоком, и верхний пояс из восьми опорных узлов, соединенных с адаптером. Опорные узлы поясов соединены друг с другом наклонными раскосами. Пролеты фермы отклонены внутрь фермы под углом 60…70 градусов. Использование адаптера, выполненного в виде конической оболочки, верхний торец которой соединен с космическим аппаратом, обеспечивает передачу распределенной нагрузки от космического аппарата на ферму в виде сосредоточенных нагрузок. Однако использование этого решения для крепления космического аппарата с корпусом в виде прямого параллелепипеда ведет к увеличению массы средства крепления космического аппарата к разгонному блоку.
Из уровня техники известны решения силовых конструкций, обеспечивающих восприятие внешних нагрузок опорными узлами, разнесенными по вершинам квадрата, и передачу нагрузок на восемь опорных узлов (см., например, патент США 5961078, патент РФ 2105702 или «Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных ситуаций и природных чрезвычайных ситуаций «Канопус - В» с космическим аппаратом «Канопус-В-ИК», корпорация ВНИИЭМ, М., 2017, стр. 13, рис. 1.3.2). При этом каждый из четырех верхних опорных узлов фермы соединен с двумя нижними опорными узлами двумя наклонными раскосами.
Наиболее близким аналогом фермы является ферма, известная из патента РФ 2105702 «Разгонный блок» (см. фиг. 1 и 2, поз. 9 чертежей к патенту). В космической головной части ферма размещена между космическим аппаратом (поз. 10) и тороидальным баком горючего (поз. 2).
Указанная ферма содержит восемь нижних опорных узлов и четыре верхних опорных узла Нижние опорные узлы совмещены с вершинами правильного восьмиугольника, четыре верхних опорных узла совмещены с вершинами квадрата. Верхние опорные узлы в плане смещены относительно нижних опорных узлов на угол 22,5 градуса. Длина диагонали между верхними опорными узлами фермы превышает длину диагонали между диаметрально противоположными опорными узлами нижнего пояса фермы. Верхние опорные узлы выполнены с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом. В указанной ферме в каждом из четырех нечетных пролетов фермы верхний опорный узел соединен с двумя нижними опорными узлами наклонными раскосами. Опорные узлы нижнего пояса фермы в этом решении закреплены на тороидальном баке разгонного блока. Нечетные пролеты фермы наклонены наружу фермы. Высота фермы этого технического решения сопоставима с длиной диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы.
Недостатком указанной фермы является значительная высота фермы, близкая длине диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы. Это:
- снижает функциональные возможности фермы, ограничивая ее использование для выведения полезных нагрузок большой массы, в том числе крупногабаритных полезных нагрузок, в сочетании с серийными головными обтекателями, например, с головным обтекателем диаметром 3715 мм и длиной 8450 мм или с головным обтекателем с диаметром цилиндрической части 4110 мм и высотой 11433 мм,
- определяет недостаточную жесткость фермы, что в конечном итоге определяет низкий уровень собственных частот поперечных колебаний головного блока ракеты-носителя,
- определяет недостаточную несущую способность фермы,
- определяет неравномерное распределение нагрузок в узлах стыка нижнего пояса с разгонным блоком, так как каждый из опорных узлов верхнего пояса фермы соединен только с двумя опорными узлами нижнего пояса фермы.
Технической проблемой, решаемой заявляемой фермой, является разработка фермы с существенно меньшей высотой в сочетании с повышением ее несущей способности и жесткости.
Техническая проблема решается следующим образом.
Как и ближайший аналог, ферма содержит нижний и верхний пояса. Опорные узлы нижнего пояса фермы совмещены с вершинами правильного восьмиугольника. Опорные узлы верхнего пояса фермы совмещены с вершинами квадрата с длиной диагонали, превышающей длину диагонали между диаметрально расположенными опорными узлами нижнего пояса фермы.
Как и в ближайшем аналоге, опорные узлы верхнего пояса фермы в плане смещены относительно нижних опорных узлов на угол 22,5 градуса. Нечетные пролеты фермы отклонены наружу фермы, причем в каждом из нечетных пролетов фермы верхний опорный узел соединен с двумя нижними опорными узлами наклонными раскосами.
В отличие от ближайшего аналога ферма выполнена с высотой, меньшей длины диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы.
В отличие от ближайшего аналога в каждом из четных пролетов фермы размещен Х-образный силовой элемент, содержащий два наклонных подкоса, которые соединены друг с другом в месте их пересечения. Верхние концы подкосов закреплены в опорных узлах верхнего пояса фермы, а нижние - в опорных узлах нижнего пояса фермы.
В заявляемом решении фермы нечетные пролеты фермы отклонены наружу фермы под углом к продольной оси фермы, меньшим 35 градусов.
Введение в каждый четный пролет фермы Х-образного силового элемента из двух наклонных подкосов, соединенных друг с другом в месте их пересечения, верхние концы которых закреплены в опорных узлах верхнего пояса фермы, а нижние - в опорных узлах нижнего пояса фермы, обеспечивая соединение каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с четырьмя опорными узлами нижнего пояса фермы и повышая устойчивость фермы от действия сжимающих усилий, позволяет разработать конструкцию фермы относительно небольшой массы с несущей способностью и жесткостью, достаточными для восприятия опорными узлами верхнего пояса фермы нагрузок от космического аппарата большой массы и передачи ее на опорные узлы нижнего пояса фермы. Кроме того, соединение каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с четырьмя опорными узлами нижнего пояса фермы обеспечивает и снижение неравномерности нагрузок на разгонный блок.
Кроме того, указанные особенности конструкции фермы в сочетании с выполнением ее с высотой, меньшей длины диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы, уменьшая высоту фермы, и, тем самым, увеличивая зону полезного груза головной части, в сочетании с отклонением нечетных пролетов наружу фермы под углом, меньшим 35 градусов, позволяет расширить функциональные возможности фермы за счет возможности использования ее при запуске космических аппаратов головных обтекателей меньших габаритов.
При отклонении нечетных узлов фермы относительно ее продольной оси наружу фермы под углами, большими 35 градусов, существенно возрастает масса фермы.
Техническим результатом является возможность разработки фермы с высотой, меньшей в 2…4 раза длины диагонали между опорными узлами нижнего пояса фермы, и несущей способностью, обеспечивающей выведение на ОИСЗ космических аппаратов массой 1500…3000 кг, а при соответствующем выборе материала фермы до 4500…5000 кг и выше.
Это обеспечивает, кроме того, возможность размещения внутри серийного головного обтекателя с диаметром цилиндрической части 3750 мм и высотой 8450 мм и серийного головного обтекателя с диаметром цилиндрической части 4110 мм и высотой 11433 мм космических аппаратов с корпусом в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в форме квадрата, длина диагонали которого превышает длину диагонали между опорными узлами нижнего пояса фермы на 20…40 процентов. Кроме того, ферма в сочетании с последним из указанных обтекателей обеспечивает возможность выведения на ОИСЗ космического аппарата высотой до 6000…7000 мм.
Кроме того, при этом обеспечивается повышение жесткости конструкции головного блока ракеты-носителя в 1,5…2 раза и, соответственно, увеличения частоты первого тона поперечных колебаний до 6 Гц и выше.
Кроме того, в каждом пролете фермы опорные узлы нижнего пояса фермы могут быть соединены друг с другом поперечным силовым элементом, благодаря чему повышается жесткость нижнего стыка фермы в плоскости крепления и обеспечивается возможность уменьшения поперечной нагрузки в узлах стыка на разгонный блок.
Помимо прочего, наклонные раскосы Х-образного силового элемента могут быть соединены друг с другом через опорную пластину, что упрощая сборку фермы, сокращает время ее изготовления.
Наиболее предпочтительно длину диагонали, соединяющей диаметрально расположенные опорные узлы нижнего пояса фермы, выбрать из диапазона от 1950 до 2050 мм, что позволяет использовать ферму в составе космической головной части ракеты-носителя среднего класса «Союз-2» с серийным разгонным блоком «Фрегат».
На приводимых чертежах элементы конструкции фермы обозначены следующими позициями:
1 - нечетный пролет фермы,
2 - четный пролет фермы,
10 - нижний опорный узел,
101 - косынка опорного узла нижнего пояса фермы,
11 - верхний опорный узел фермы,
12- наклонный раскос нечетного пролета фермы,
13 - наклонный подкос X-образного силового элемента,
14 - место соединения наклонных подкосов 13 X-образного силового элемента,
141 - косынка X-образного силового элемента,
15 - поперечный силовой элемент нижнего пояса фермы,
20 - ферма,
21 - продольная ось фермы,
22 - разгонный блок,
23 - космический аппарат,
24 - головной обтекатель.
Устройство фермы иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид фермы 20 в аксонометрии.
На фиг. 2 приведен вид фермы на виде снизу (вид А с фиг. 1), иллюстрирующий смещение опорных узлов 11 верхнего пояса относительно опорных узлов 10 нижнего пояса фермы и размещение нечетных пролетов 1 относительно четных пролетов 2 фермы.
На фиг. 3 представлен вид сбоку на нечетный пролет 1 фермы (вид В с фиг. 2), иллюстрирующий отклонение нечетных пролетов 1 относительно продольной оси 21 фермы в продольной плоскости наружу фермы.
На фиг. 4 представлен вид сбоку на четный пролет 2 фермы (вид Г с фиг. 2), иллюстрирующий отклонение четных пролетов 2 относительно продольной оси 21 фермы в продольной плоскости внутрь фермы.
Фиг. 5 иллюстрирует место соединения 14 наклонных подкосов X -образного силового элемента четных пролетов фермы с использованием косынки 141.
На фиг. 6 приведен общий вид опорного узла 10 нижнего пояса фермы в аксонометрии (выноска Б с фиг. 1).
Фиг. 7 иллюстрирует возможное использование фермы в сочетании с разгонным блоком «Фрегат» и головным обтекателем с диаметром цилиндрической части 3750 мм и высотой 8450 мм.
Фиг. 8 иллюстрирует возможное использование фермы в сочетании с разгонным блоком «Фрегат» и головным обтекателем с диаметром цилиндрической части 4110 мм и высотой 11433 мм.
Без ограничения общности при последующем изложении терминами «верхний» и «нижний» условимся обозначать элементы в соответствии с их расположением относительно положительного направления продольной оси 21 фермы (ось X, фиг. 3, 4). Терминами «верхний опорный узел» и «нижний опорный узел» условимся обозначать опорные узлы верхнего и нижнего поясов фермы соответственно. Термином «диагональ нижнего пояса фермы» условимся обозначать длину диагонали между противоположно расположенными опорными узлами нижнего пояса фермы.
Ферма 20 устроена следующим образом.
Ферма 20 содержит восемь опорных узлов 10 нижнего пояса фермы, совмещенных с вершинами правильного восьмиугольника, и четыре опорных узла 11 верхнего пояса фермы, совмещенных с вершинами квадрата (см. фиг. 1-2). Опорные узлы 11 верхнего пояса фермы в плане смещены относительно опорных узлов нижнего пояса фермы на угол α равный 22,5 градусов, как показано на фиг. 2. Указанное расположение опорных узлов фермы определяет наличие в ферме восьми пролетов: четырех нечетных пролетов 1 - между двумя смежными нижними опорными узлами 10 и одним верхним опорным узлом 11, чередующихся с четырьмя четными пролетами 2 между двумя смежными нижними опорными узлами 10 и двумя смежными верхними опорными узлами 11 фермы.
Опорные узлы 11 верхнего пояса фермы могут быть выполнены с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом 23 (см. фиг. 7, 8). При этом опорные узлы 11 верхнего пояса фермы могут быть снабжены известными из уровня техники средствами крепления и отделения космического аппарата (см. К.С. Колесников, «Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г., стр. 34-71).
Длина диагонали D между опорными узлами 11 верхнего пояса фермы превышает длину диагонали d между диаметрально расположенными опорными узлами 10 нижнего пояса, как показано на фиг. 2. В наиболее предпочтительном варианте использования фермы длина диагонали D между опорными узлами 11 верхнего пояса фермы на 20…40 процентов превышает длину диагонали d между диаметрально расположенными опорными узлами 10 нижнего пояса фермы.
Как и в ближайшем аналоге, нечетные пролеты 1 фермы отклонены от продольной оси 21 наружу фермы (см. фиг. 3). В каждом из нечетных пролетов фермы верхний опорный узел 11 соединен с двумя нижними опорными узлами 10 двумя наклонными раскосами 12.
В заявляемой ферме в каждом из четных пролетов 2 фермы размещен Х-образный силовой элемент. Х-образный силовой элемент содержит два наклонных подкоса 13 (см. фиг. 1, 3, 4).
В каждом пролете фермы опорные узлы 10 нижнего пояса наиболее предпочтительно соединить друг с другом поперечным силовым элементом 15. При этом нижние опорные узлы 10 фермы целесообразно снабдить косынками 101 и сваркой закрепить на них поперечные силовые элементы 15.
Наклонные раскосы 12, поперечные силовые элементы 15, а также наклонные подкосы 13 четных пролетов фермы наиболее предпочтительно выполнить в виде труб.
Первые концы наклонных подкосов 13 четного пролета фермы закреплены в опорных узлах 11 верхнего пояса фермы. Вторые концы наклонных раскосов 13 четного пролета соединены с опорными узлами 10 нижнего пояса фермы (см. фиг. 1, 3, 4, 6).
Наклонные подкосы 13 каждого X-образного силового элемента соединены друг с другом в месте их пересечения 14 (см. фиг. 1, 3, 4).
В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения (см. фиг. 1, 3, 4) первый из наклонных подкосов X-образного силового элемента может быть выполнен зацело. Второй наклонный подкос может быть при этом выполнен из двух частей - верхней и нижней, которые в месте пересечения 14 подкосов под углом соединены сваркой с первым наклонным подкосом (см. фиг. 1, 3, 4). Это повышает несущую способность фермы.
Подкосы 13 X-образного силового элемента друг с другом могут быть соединены через косынку 141 (см. фиг. 5), размещенную в месте пересечения подкосов. В этом случае наклонные подкосы 13 могут быть выполнены из двух частей - верхней и нижней, которые в месте пересечения подкосов сваркой закреплены на косынке 141. Это упрощает сборку фермы. Выполнение X-образного силового элемента четного пролета фермы из двух наклонных подкосов обеспечивает устойчивость X-образного силового элемента четного пролета фермы от действия сжимающих усилий, так как соединенные друг с другом наклонные подкосы подкрепляют друг друга в месте их пересечения.
В соответствии с изобретением ферма выполнена с высотой Н, меньшей длины диагонали d между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы, при этом нечетные пролеты фермы отклонены наружу фермы под углом β к продольной оси фермы, значение которого выбрано меньшим 35 градусов. При этом четные пролеты фермы в зависимости от высоты фермы и отношения длин диагоналей между верхними и нижними опорными узлами могут быть отклонены как внутрь фермы на угол γ, как показано на фиг. 4, так и наружу фермы.
В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения длина диагонали, соединяющей диаметрально расположенные опорные узлы нижнего пояса фермы, может быть выбрана из диапазона от 1950 до 2050 мм, что позволяет использовать ферму совместно с разгонным блоком «Фрегат».
При этом ферма (см. фиг. 7), выполненная с высотой, в 2…3 раза меньшей длины диагонали между опорными узлами нижнего пояса фермы с отклоненными наружу фермы нечетными пролетами под углом от 15 до 25 градусов, в сочетании с разгонным блоком 22 и с серийным обтекателем 24 с диаметром цилиндрической части 3750 мм и высотой 8450 мм обеспечивает возможность выведения на ОИСЗ космического аппарата 23 массой до 3000 кг, длина диагонали корпуса которого на 20…40 процентов превышает длину диагонали между нижними опорными узлами фермы. Проектно - конструкторские работы показывают, что при выполнении фермы из сплава на основе алюминия масса фермы при этом не превышает 75 кг.
Ферма (см. фиг. 8), выполненная с высотой, в 3…4 раза меньшей длины диагонали между опорными узлами нижнего пояса фермы с отклоненными наружу фермы нечетными пролетами под углом от 30 до 35 градусов, обеспечивает в сочетании с разгонным блоком 22 и с серийным обтекателем 24 с диаметром цилиндрической части 4110 мм и высотой 11433 возможность выведения на ОИСЗ крупногабаритного космического аппарата 23 высотой до 6000…7000 мм и массой до 5000 кг, длина диагонали корпуса которого на 20…25 процентов превышает длину диагонали между нижними опорными узлами фермы. Проектно - конструкторские работы показывают, что при выполнении фермы из стали масса фермы при этом не превышает 220 кг.
После изготовления отдельных элементов фермы производится сборка фермы с использованием известных из уровня техники способов (см., например, И.Т. Беляков, «Технология сборки и испытаний космических аппаратов», изд. «Машиностроение», М., 1990 г., стр. 83-89). При этом сначала производится фиксация опорных узлов фермы 10 и 11 в сборочном приспособлении, потом производится подгонка и установка наклонных раскосов 12 нечетных пролетов фермы и наклонных подкосов 13 четных пролетов фермы и установка поперечных силовых элементов нижнего пояса фермы 15 с последующей временной фиксацией электродуговой сваркой. Затем производится окончательная сварка элементов фермы в сборочном приспособлении. После этого выполняется механическая обработка опорных узлов фермы для обеспечения заданной плоскостности и параллельности плоскостей фермы. Затем производится разделка стыковочных отверстий опорных узлов фермы.
В процессе выведения космического аппарата на ОИСЗ ферма воспринимает продольную и поперечную нагрузку и изгибающий момент.
Через опорные узлы верхнего пояса фермы наклонные раскосы нечетных пролетов фермы и наклонные подкосы X-образного силового элемента четных пролетов фермы воспринимают перерезывающие силы и сжимающие усилия и передают их на опорные узлы нижнего пояса фермы. При этом нагрузки от каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы передаются на четыре нижних опорных узла нижнего пояса фермы. Наклонные раскосы четных пролетов фермы, пересекающиеся друг с другом в местах их соединения с третьими углами рам, обеспечивают устойчивость X-образного силового элемента четных пролетов фермы от действия сжимающих усилий.
Поперечные силовые элементы нижнего пояса фермы и балки основания рам создают замкнутый контур нижнего стыка, что позволяет уменьшить поперечные нагрузки на опорные узлы разгонного блока.
После выведения разгонного блока с фермой и космическим аппаратом на ОИСЗ космический аппарат отделяется от фермы.