РАЗМЕРОСТАБИЛЬНАЯ ОБОЛОЧКА
STABLE-SIZE ENCLOSURE

Изобретение относится к конструкциям размеростабильных оболочек подкрепленного типа и может применяться в высокоточных космических и наземных системах, например, в качестве несущих корпусов телескопов и оптических приборов.
Степень разрешения космического телескопа определяется постоянством пространственного положения его оптической оси и точностью поддержания фокусного расстояния в условиях эксплуатации, то есть жесткостью и осевой размерной стабильностью (близкими к нулю осевыми перемещениями) несущего корпуса.
Известна конструкция тубуса космического телескопа в виде цилиндрической оболочки, содержащей обшивку из слоистого полимерного углепластика и торцевые шпангоуты из титанового сплава, соединенные с обшивкой посредством клея, причем обшивка выполнена с отрицательным продольным термическим коэффициентом линейного расширения для компенсации термических перемещений шпангоутов в осевом направлении (Jurcevich В.К., Bruner М.Е. Use of Graphite Epоху Composites in the Solar-A Soft X-Ray Telescope // Advances in Optical Structure Systems: SPIE Proceedings, 16-19 April 1990. - Vol.1303. - P. 406-415).
Такое техническое решение позволяет обеспечить осевую термонейтральность конструкции, однако, наряду с недостаточной конструктивной жесткостью, не в полной мере отвечает требованиям по размерной стабильности оболочки из-за десорбции в условиях вакуума летучих веществ, в том числе влаги, из органической матрицы углепластиковой обшивки. Например, десорбция влаги из полимерного композиционного материала на уровне 0,3%, определяемом исходным равновесным ее содержанием в материале при наземной эксплуатации, приводит к изменению линейных размеров 1 м погонного конструкции на величину порядка 0,1 мм, что сопоставимо с требованиями по геометрической точности, предъявляемыми к прецизионным изделиям. Кроме того, осаждение легкоконденсируемых продуктов газации органических материалов на оптических поверхностях недопустимо ухудшает оптические характеристики прибора.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является конструкция металлической оболочки корпуса космического аппарата, содержащей обшивку, продольные элементы жесткости (стрингеры) и кольцевые шпангоуты, при этом соединение конструктивных элементов производится механическим способом (Паничкин Н.И., Слепушкин Ю.В., Шинкин В.П., Яцынин Н.А. Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1986. - С.178.). Несмотря на высокую жесткость оболочки и отсутствие проблемы влажностной размерной нестабильности, конструкция характеризуется низкой геометрической точностью в условиях температурного нагружения, обусловленной высокими значениями термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металлов. Так, например, вариация температуры на 10°С приводит к изменению характерного размера конструкции, выполненной из алюминиевого сплава, на величину 0,25 мм/м. Использование специальных сплавов с пониженным значением ТКЛР (инвар или суперинвар) позволяет на порядок снизить термические перемещения, однако даже в этом случае для крупногабаритных конструкций, работающих в широком диапазоне изменения температуры эксплуатации (100°С и более), не удается достичь требуемой размерной точности, которая для современных космических оптических систем составляет величину менее 0,1 мм/м.
Целью изобретения является создание оболочки с высокой осевой размеростабильностью в условиях действия градиентов температуры и вакуума.
Для достижения этой цели в размеростабильной оболочке, выполненной в виде сборной конструкции с механическим соединением образующих ее элементов и содержащей металлическую обшивку цилиндрической формы, стрингеры, ориентированные вдоль продольной оси оболочки, и торцевые металлические шпангоуты, согласно предлагаемому изобретению обшивка имеет кольцевые П-образные гофры, а стрингеры выполнены из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, и расположены на внешней поверхности кольцевых П-образных гофров, при этом стрингеры имеют отрицательный термический коэффициент линейного расширения вдоль продольной оси оболочки и механически соединяются с обшивкой на участках их прилегания к кольцевым П-образным гофрам.
Стрингеры, выполняемые из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, могут иметь вид П-образных или трапециевидных профилей, при этом стенки каждого профиля образуются перекрестно армированными слоями волокнистого материала, а полка и лапки каждого профиля могут дополнительно содержать слои волокнистого материала, ориентированные вдоль продольной оси профиля.
Отношение суммы длин закрепленных на гофрах участков каждого стрингера к его длине может составлять величину от 0 до 0,5.
Обшивка и торцевые шпангоуты могут изготавливаться из специальных металлов и сплавов, например, инвара, алюминиевых и титановых сплавов. Для стрингеров может использоваться материал на основе углеродных, арамидных, стеклянных волокон или их комбинации и термореактивных связующих, например, эпоксидных, цианатных или полиэфирных. Соединение конструктивных элементов оболочки может выполняться посредством болтов, заклепок или другими видами механического крепежа.
Процесс получения размеростабильной оболочки состоит из следующих основных технологических операций: изготовление металлической обшивки из листовых заготовок гибкой и обтяжкой на оправке с последующим креплением по образующей, например сваркой, пайкой, болтами, заклепками; изготовление фрезеровкой шпангоутов; механическое соединение шпангоутов с обшивкой, например, посредством болтов; изготовление стрингеров из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, включающее раскрой и выкладку слоев материала на пуансонную матрицу в соответствии со схемой армирования, формование заготовок стрингеров автоклавно-вакуумным методом по заданному режиму отверждения с приложением давления и температуры, механическую обрезку контура заготовок; механическое крепление стрингеров к обшивке и шпангоутам, например, с помощью заклепок.
Наличие в обшивке кольцевых П-образных гофров повышает крутильную и кольцевую жесткости оболочки, а исполнение обшивки из металла или металлического сплава обеспечивает постоянство в условиях вакуума размеров корпусной оболочки в составе оптического прибора, поддержания фокусного расстояния и сохранения чистоты размещенных внутри оболочки оптических поверхностей.
Подкрепление металлической обшивки стрингерами из слоистого полимерного композиционного материала, ориентированными вдоль продольной оси оболочки и имеющими отрицательный продольный термический коэффициент линейного расширения, позволяет реализовать заданную осевую терморазмеростабильность оболочки за счет компенсации продольных термических перемещений обшивки обратными по знаку деформациями стрингеров и повысить продольную и изгибную жесткость конструкции. При этом могут применяться стрингеры как открытого (уголки, швеллеры, тавры, двутавры и т.п.), так и закрытого (П-образные, трапециевидные и т.д.) сечения. Форма сечения, геометрические и жесткостные параметры стрингеров, а также их необходимое количество определяются из условия требуемых значений жесткости оболочки, размерной точности (перемещений) конструкций, условий заделки стрингеров, технологических ограничений, компоновочных решений и заданных эксплуатационных нагрузок.
Расположение стрингеров из полимерного композиционного материала на внешней поверхности гофров обшивки позволяет, с одной стороны, увеличить внутренний полезный объем оболочки, а с другой, исключить непосредственный контакт органического материала с оптическими поверхностями внутри оболочки, и тем самым снизить влияние продуктов газации стрингеров на характеристики прибора.
Применение стрингеров закрытого сечения из полимерного композиционного материала, выполняемых в виде П-образных или трапециевидных профилей, обеспечивает высокие критические напряжения оболочки и уменьшает крутку стрингеров. Ориентация слоев волокнистого материала в элементах профилей, когда стенки профилей образованы перекрестно армированными слоями, а полка и лапки дополнительно содержат слои, ориентированные вдоль продольной оси профиля, позволяет увеличить момент инерции подкрепляющего элемента, рационально распределить массу материала по его сечению, и за счет рационального выбора угла армирования перекрестных слоев и соотношения перекрестие армированных и продольных слоев в полке и лапках получить отрицательное значение продольного термического коэффициента линейного расширения профиля, удовлетворяющее заданным требованиям по деформациям и жесткостным свойствам оболочки, то есть реализовать управление осевыми термическими перемещениями оболочки.
Соединение стрингеров с обшивкой на участках их прилегания к гофрам, в совокупности с признаком отрицательного продольного термического коэффициента линейного расширения стрингеров, также направлено на решение задачи достижения осевой размерной стабильности оболочки. Дискретность соединения стрингеров с обшивкой приводит к неоднородному термоупругому деформированию оболочки вдоль продольной оси и возможности реализации взаимной термокомпенсации перемещений элементов конструкции: на участках заделки стрингеров деформации оболочки определяются положительными перемещениями обшивки, а на участках между гофрами преобладает суммарная жесткость стрингеров, и деформации оболочки в этих зонах отрицательны. Это дает дополнительную возможность управления термическими деформациями оболочки посредством изменения длины заделки стрингеров на гофрах обшивки. Для достижения осевой размерной стабильности оболочки, в зависимости от значений ТКЛР и продольных суммарных моментов инерции обшивки со шпангоутами и стрингеров, отношение суммы длин закрепленных на гофрах участков каждого стрингера к его длине может составлять величину от 0 до 0,5, где значение 0 соответствует заделке стрингера на каждом гофре в одной точке, то есть одним крепежным элементом на каждой лапке стрингера, а значение 0,5 - заделке стрингера на всей длине каждого гофра.
На фиг.1 представлен общий вид размеростабильной оболочки, на фиг.2 - стрингеры в виде П-образных и трапециевидных профилей из полимерного композиционного материала и структура образующих их слоев, на фиг.3 - схема заделки стрингеров на обечайке.
Размеростабильная оболочка (фиг.1) выполнена в виде сборной конструкции с механическим соединением образующих ее элементов и содержит металлическую обшивку 1 цилиндрической формы, стрингеры 2, ориентированные вдоль продольной оси Х оболочки, и торцевые металлические шпангоуты 3. Обшивка 1 имеет кольцевые П-образные гофры 4, а стрингеры 2 выполнены из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, и расположены на внешней поверхности кольцевых П-образных гофров 4, при этом стрингеры 2 имеют отрицательный термический коэффициент линейного расширения вдоль продольной оси Х оболочки и механически соединены с ее обшивкой 1 на участках 5 их прилегания к кольцевым П-образным гофрам 4.
с
Стрингеры 2 (фиг.2) выполнены в виде П-образных или трапециевидных профилей, стенки 6 каждого профиля образованы перекрестно армированными слоями 7 волокнистого материала, а полка 8 и лапки 9 каждого профиля дополнительно содержат слои 10 волокнистого материала, ориентированные вдоль продольной оси Х профиля.
Отношение суммы длин ℓ (фиг.3) закрепленных на гофрах 4 участков каждого стрингера 2 к его длине L составляет величину от 0 до 0,5.
Примером использования предложенного технического решения является размеростабильная оболочка корпуса крупногабаритного космического телескопа, содержащая цилиндрическую обшивку толщиной 1 мм и наружным диаметром ~1900 мм с кольцевыми П-образными гофрами, изготовленную из алюминиевого сплава АМг3, торцевые шпангоуты в виде уголков из сплава АМг6 и шестнадцать стрингеров, расположенных на внешней поверхности гофров и выполненных из углепластика КМУ-4Л на основе ленты углеродной ЛУ-П/0.1А ГОСТ 28006-88 и эпоксидного связующего ЭНФБ ТУ 1-596-36-98 в виде трапециевидных профилей строительной высотой ~25 мм. Крепление шпангоутов к обшивке - болтовое, стрингеры соединяются с обшивкой и шпангоутами посредством заклепок. Общая длина корпуса телескопа составляет ~3600 мм.
-6
-6
При модулях упругости 70 ГПа и 95 ГПа и значениях термического коэффициента линейного расширения 24×101/°С и (-0,6…-0,8)×101/°С для обшивки со шпангоутами и профилей соответственно максимальные осевые перемещения корпуса в диапазоне рабочих температур составили 0,35-0,36 мм, что соответствует требованиям по размерной точности 0,1 мм/м, предъявляемым к прецизионным космическим конструкциям.
При этом установлено, что для данного конструктивного исполнения изменение коэффициента заделки стрингеров, то есть отношение суммы длин закрепленных на гофрах участков стрингера к его длине, в диапазоне от 0 (заделка в одной точке на гофре) до 0,5 (заделка по всей длине гофра) приводит к восьмикратному увеличению осевых термических перемещений оболочки.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет получать крупногабаритные оболочечные конструкции с высокой осевой размеростабильностью для прецизионных изделий космической и наземной техники.