Переходной отсек ракеты-носителя и ферма
CARRIER ROCKET TRANSIENT COMPARTMENT AND TRUSS

Изобретения относятся к космической технике, а именно к переходным отсекам ракет - носителей космических аппаратов и элементам их конструкции.
К числу проблем, решаемых при проектировании переходных отсеков ракет - носителей, является разработка конструкций переходных отсеков, обеспечивающих размещение полезной нагрузки под головным обтекателем с диаметром, большим диаметра последней ступени ракеты - носителя, в сочетании с обеспечением возможности выведения крупногабаритных полезных нагрузок.
Из уровня техники известен ряд примеров решения этой технической проблемы, в которых проблема соединения головного обтекателя с последней ступенью ракеты - носителя с меньшим диаметром решается за счет выполнения корпуса переходного отсека в виде усеченного конуса с диаметром, большим диаметра последней ступени ракеты - носителя.
В патенте РФ № 2478531 (МПК B64G 1/22, опубл. 10.04.2013) опорный шпангоут - нижний торцевой шпангоут корпуса переходного отсека, соединен с последней ступенью ракеты - носителя, на стыковочном шпангоуте - верхнем торцевом шпангоуте корпуса, закреплен как головной обтекатель, так и средство соединения корпуса с полезной нагрузкой, выполненное в виде двух конусов, последовательно соединенных друг с другом, на одном из которых закреплена нижняя часть полезной нагрузки. Недостатком рассмотренного решения является большая масса переходного отсека, так как корпус переходного отсека воспринимает инерционные нагрузки, как от головного обтекателя, так и от полезной нагрузки.
Снижение массы переходных отсеков ракет - носителей в патентах РФ № 2422335, патентах США № 5605308, 6345788, 8915472, 9394065, 9180984, 9643739 достигается за счет дополнения конического корпуса переходного отсека внутренним силовым элементом, выполненным в виде фермы или усеченного конуса, нижний торец которого соединен с нижним торцом корпуса. При этом головной обтекатель закреплен на корпусе, а нижняя часть полезной нагрузки соединена с внутренним силовым элементом. Передача инерционных усилий от полезной нагрузки на последнюю ступень ракеты - носителя происходит по внутреннему контуру - по внутреннему силовому элементу, а передача аэродинамических и инерционных усилий от головного обтекателя происходит по внешнему контуру - по корпусу переходного отсека. При этом отсутствует возможность частичной передачи поперечных нагрузок с одной ветви на другую, что может привести к недостаточной несущей способности переходного отсека при возможном возрастании массы и габаритов полезной нагрузки.
Несущая способность переходного отсека может быть повышена за счет введения в состав переходного отсека, включающего наружный конический корпус и внутреннюю проставку, силовых элементов, соединяющих верхние части корпуса и внутренней проставки (см. патенты РФ № 2661631, 2521078, 2569966, 2478532, 2424953).
Ближайшим аналогом заявляемого переходного отсека ракеты - носителя является техническое решение по патенту РФ № 2661631 (МПК B64G 1/22, опубл. 17.07.2018).
В соответствии с этим решением переходный отсек ракеты - носителя содержит выполненные в виде усеченных конусов корпус - внешнюю коническую оболочку, и проставку - внутреннюю коническую оболочку. При этом корпус содержит обшивку, стыковочный шпангоут, выполненный с обеспечением возможности крепления головного обтекателя, и опорный шпангоут, выполненный с обеспечением возможности крепления к ракете - носителю.
Проставка закреплена на опорном шпангоуте корпуса и включает верхний шпангоут, снабженный первым средством крепления полезной нагрузки. Первое средство крепления полезной нагрузки выполнено с обеспечением возможности соединения переходного отсека с нижней частью полезной нагрузки и с возможностью отделения полезной нагрузи от переходного отсека.
Стыковочный шпангоут корпуса и верхний шпангоут проставки жестко соединены между собой плоской фермой с треугольной решеткой.
За счет соединения внутреннего силового контура переходного отсека - внутренней конической проставки, и внешнего силового контура - внешнего конического корпуса, плоской фермой обеспечивается возможность частичной передачи поперечных нагрузок с одной силовой ветви на другую, что повышает несущую способность переходного отсека.
Однако, эффективно решая проблему по обеспечению крепления головного обтекателя с диаметром, большим диаметра последней ступени ракеты - носителя, несущая способность указанного технического решения переходного отсека является недостаточной для решения проблемы выведения крупногабаритных полезных нагрузок. К таким полезным нагрузкам могут быть отнесены полезные нагрузки, несущая способность нижних частей которых является недостаточной для восприятия нагрузок при выведении от верхних частей и передачи их на переходный отсек ракеты - носителя. Другим примером таких полезных нагрузок являются полезные нагрузки, центр масс которых находится на значительном удалении от их стыка с переходным отсеком ракеты - носителя. Использование этого решения для выведения таких крупногабаритных полезных нагрузок становится недостаточно эффективным, так как требует повышения несущей способности переходного отсека, что связано со значительным увеличением массы переходного отсека из-за увеличения динамических нагрузок вследствие увеличения габаритов полезной нагрузки вдоль продольной оси ракеты-носителя.
Анализ использования переходного отсека в соответствии с указанным патентом в сочетании с крупногабаритной полезной нагрузкой, содержащей разгонный блок «Фрегат» и систему двойного запуска (см., например, патент РФ № 2602873) с двумя космическими аппаратами, для выведения космических аппаратов на ракете-носителе «Союз-2» показывают возможность обеспечения запуска двух космических аппаратов с суммарной массой, не превышающей 3,5 т.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым переходным отсеком, является расширение функциональных возможностей конструкции переходного отсека для обеспечения выведения и безопасного отделения от переходного отсека крупногабаритных полезных нагрузок.
Заявляемым переходным отсеком техническая проблема решается следующим образом.
Как и ближайший аналог, переходной отсек ракеты - носителя содержит выполненные в виде усеченных конусов корпус и помещенную внутрь него проставку. Корпус содержит обшивку, стыковочный шпангоут, выполненный с обеспечением возможности крепления головного обтекателя, и опорный шпангоут, выполненный с обеспечением возможности крепления к ракете - носителю. Проставка закреплена на опорном шпангоуте корпуса и включает верхний шпангоут, снабженный первым средством крепления полезной нагрузки. Первое средство крепления полезной нагрузки выполнено с обеспечением возможности соединения переходного отсека с нижней частью полезной нагрузки и с возможностью отделения полезной нагрузки от переходного отсека. Как и в ближайшем аналоге, стыковочный шпангоут корпуса жестко соединен с верхним шпангоутом проставки плоской фермой с треугольной решеткой.
В заявляемом изобретении новым является то, что стыковочный шпангоут корпуса дополнительно соединен с верхним шпангоутом проставки поперечными балками, первые концы которых закреплены в узлах крепления плоской фермы к верхнему шпангоуту поставки, а вторые - закреплены на стыковочном шпангоуте корпуса. Кроме того, переходной отсек содержит продольные балки, размещенные между корпусом и проставкой, первые концы которых соединены с поперечными балками, а вторые концы - с опорным шпангоутом корпуса.
Кроме того, в изобретении новым является то, что переходной отсек содержит второе средство крепления полезной нагрузки, выполненное в виде пространственной фермы с треугольной решеткой.
Верхние концы стержней пространственной фермы жестко соединены друг с другом фитингами, выполненными с возможностью соединения с полезной нагрузкой на удалении от верхнего шпангоута проставки и отделения от полезной нагрузки. Нижние концы стержней пространственной фермы шарнирно закреплены в опорных узлах пространственной фермы, установленных на поперечных балках переходного отсека над местами крепления к поперечным балкам продольных балок.
В соответствии с изобретением опорные узлы пространственной фермы выполнены с обеспечением возможности поворота стержней фермы на острый угол и фиксации их в повернутом положении после отделения фитингов пространственной фермы от полезной нагрузки.
Предложенный переходной отсек за счет дополнения внутреннего контура передачи усилий от полезной нагрузки к последней ступени ракеты - носителя (нижняя часть полезной нагрузки - первое средство крепления полезной нагрузки - проставка - опорный шпангоут корпуса) вторым контуром передачи усилий (полезная нагрузка - второе средство крепления полезной нагрузки (ферма переходного отсека) - поперечные балки - продольные балки - опорный шпангоут) в сочетании с соединением стыковочного шпангоута корпуса с верхним шпангоутом проставки плоской фермой и поперечными балками обеспечивает возможность создания пространственной конструкции, обладающей высокой несущей способностью и жесткостью для выведения крупногабаритных полезных нагрузок при снижении динамических нагрузок, действующих на полезную нагрузку на участке выведения ракетой-носителем.
При расположении плоскости стыка пространственной фермы с полезной нагрузкой на удалении от плоскости стыка верхнего шпангоута протавки с нижней частью полезной нагрузки на 1,5…2,5 м пространственная ферма переходного отсека воспринимает от полезной нагрузки до 50% усилий при выведении, что значительно уменьшает величину усилий, воспринимаемых нижней частью полезной нагрузки. Это дает возможность, например, разместить в нижней части полезной нагрузки разгонный блок, не обладающий достаточной несущей способностью.
Анализ использования переходного отсека в соответствии с заявляемым изобретением в сочетании с крупногабаритной полезной нагрузкой, содержащей разгонный блок «Фрегат», размещенный в нижней части полезной нагрузки, и систему двойного запуска с двумя космическими аппаратами, размещенную в верхней части полезной нагрузки, показывают возможность при запуске на ракете-носителе «Союз-2» увеличить суммарную массу выводимых космических аппаратов до 4,5…5 т при обеспечении частоты первого тона поперечных колебаний на уровне 6 Гц и выше.
При этом второе средство крепления полезной нагрузки - пространственная ферма, фитинги верхних концов которой закреплены на удалении от верхнего шпангоута проставки, а нижние концы закреплены в опорных узлах пространственной фермы с обеспечением возможности поворота стержней фермы на острый угол и фиксации их в повернутом положении обеспечивают безопасное отделение полезной нагрузки.
Техническим результатом, достигаемым изобретением является возможность расширения функциональных возможностей переходного отсека в части выведения крупногабаритных полезных нагрузок за счет значительного уменьшения при выведении нагрузок, действующих на нижнюю часть полезной нагрузки от ее верхней части, с обеспечением возможности безопасного отделения полезной нагрузки от переходного отсека. Кроме того, переходной отсек обеспечивает возможность повышения жесткости конструкции головного блока ракеты - носителя в 1,5…2 раза и, соответственно, увеличения собственных поперечных частот в 1,2…1,4 раза.
Кроме того, в переходном отсеке продольные балки могут быть выполнены с изломом, причем их нижняя часть может быть соединена с обшивкой корпуса переходного отсека. Помимо этого, корпус отсека наиболее предпочтительно снабдить промежуточным шпангоутом, соединенным с продольными балками в местах их излома. Крепление нижних частей продольных балок с обшивкой корпуса обеспечивает передачу части продольной силы, действующей на балку, непосредственно на обшивку, что снижает нагрузку, действующую на опорный шпангоут. Промежуточный шпангоут, соединенный с продольными балками в местах их излома, воспринимает нормальную к обшивке корпуса составляющую продольной силы, возникающую в месте излома, что повышает локальную прочность переходного отсека. Это уменьшает массу переходного отсека.
Поперечные балки наиболее предпочтительно закрепить в каждом втором узле крепления плоской фермы к верхнему шпангоуту проставки, что обеспечивая симметричность нагружения переходного отсека и локальную прочность установки опорных узлов, также снижает массу переходного отсека.
В конструкции ракет - носителей и космических аппаратов используются переходные силовые элементы, соединяющие отсеки летательных аппаратов друг с другом. Как правило, такие переходные элементы выполняются в виде подкрепленных цилиндрических или конических оболочек или ферм (см., например, В. Грабин, «Основы конструирования ракет - носителей космических аппаратов», изд. «Машиностроение», М., 1991, стр. 211, рис. 6.3, стр. 303-305, рис. 8.1, 8.2.а). Во многих случаях один из отсеков выполнен отделяемым от переходного силового элемента.
В случаях соединения переходного силового элемента с возможностью отделения от него одного из смежных ему отсеков без ограничения общности при последующем изложении условимся обозначать такой отделяемый от силового переходного элемента отсек или элемент космической головной части термином «полезная нагрузка».
В патенте РФ № 2478533 переходной силовой элемент - промежуточный отсек, соединяющий ракету - носитель с космической головной частью, выполнен в виде цилиндрической оболочки, подкрепленной силовым набором. Нижняя часть промежуточного отсека соединена с ракетой - носителем. Верхний шпангоут промежуточного отсека соединен с полезной нагрузкой и снабжен средствами отделения полезной нагрузки. Соединение промежуточного отсека с полезной нагрузкой может быть выполнено с использованием пирозамков. В соответствии с этим изобретением для более полного использования полезного объема внутренней полости промежуточного отсека часть полезной нагрузки размещена во внутренней полости промежуточного отсека вне пределов зоны его хода при отделении от полезной нагрузки. Зона размещения полезной нагрузки внутри промежуточного отсека ограничена поперечными размерами верхнего шпангоута отсека, при этом часть полезной нагрузки, размещаемая внутри отсека, для исключения ее соударения с верхним шпангоутом должна быть размещена внутри конусообразной поверхности, что существенно снижает полезный объем для размещения части полезной нагрузки внутри переходного отсека.
Из уровня техники (см., например, патенты РФ № 2165379, 2422335, 2412088, США № 5605380, заявку Японии № H1250549, заявку Китая № 106347713), известны фермы, используемые в космических аппаратах, разгонных блоках и в переходных отсеках ракет - носителей в качестве силовых элементов соединения отсеков летательного аппарата.
Ближайшим аналогом заявляемого решения фермы является опорная ферма сопряжения разгонного блока с последней ступенью ракеты - носителя, известная из патента РФ № 2165379 (МПК B64G 1/00, опубл. 20.04.2001). Ферма в соответствии с этим решением (поз. 12 чертежа к указанному патенту) содержит составленную из стержней треугольную решетку. Как верхние, так и нижние концы смежных стержней решетки жестко соединены друг с другом фитингами. Фитинги, соединяющие нижние концы стержней, выполнены с обеспечением возможности крепления с последней ступенью ракеты - носителя. Фитинги, соединяющие верхние концы стержней решетки фермы, соединены с полезной нагрузкой - в рассматриваемом решении с ракетным разгонным блоком. При этом ферма выполнена с возможностью отделения от полезной нагрузки: фитинги, соединяющие верхние концы стержней, снабжены элементами разделения (поз. 13 чертежа к описанию патента), позволяющими отделить опорную ферму от кронштейнов (поз. 11 чертежа к описанию патента) разгонного блока. В этом техническом решении полезная нагрузка частично помещена во внутренний объем опорной фермы - часть торового бака горючего и ракетного двигателя размещены ниже стыка опорной фермы с разгонным блоком.
Недостатком рассмотренной фермы как силовой конструкции, соединенной с отделяемым от нее в ходе полета полезной нагрузкой, является недостаточное использование полезного объема внутренней полости фермы. Это определяется необходимостью обеспечения безопасного отделения полезной нагрузки от фермы, исключающего соударение ее части, расположенной внутри фермы, с верхней частью фермы - фитингами, соединяющими верхние концы стержней решетки фермы друг с другом, и элементами конструкции фермы. При этом зона внутреннего объема опорной фермы, прилегающая к решетке фермы, не используется, а полезный объем для размещения части полезной нагрузки внутри фермы составляет 50…65 процентов от внутреннего объема фермы.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка фермы с высокой степенью использования ее внутреннего объема для размещения внутри него части полезной нагрузки и ее безопасного отделения от фермы.
Техническая проблема заявляемой фермой решается следующим образом.
Ферма содержит составленную из стержней треугольную решетку. Верхние концы стержней каждой пары, составленной из нечетного и четного стержней, жестко соединены друг с другом фитингами. Фитинги выполнены с обеспечением возможности соединения с полезной нагрузкой и отделения от полезной нагрузки.
Нижние концы стержней фермы шарнирными соединениями закреплены в опорных узлах фермы, выполненных с обеспечением возможности поворота стержней относительно стенки опорного узла в разных плоскостях на острый угол и фиксации стержней фермы в повернутом состоянии.
Шарнирное соединение четного стержня фермы с каждым из опорных узлов выполнено соосным шарнирному соединению нечетного стержня одного соседнего опорного узла фермы, а соединение нечетного стержня фермы - соосно соединению четного стержня другого соседнего узла фермы.
За счет жесткого соединения верхних концов стержней фермы друг с другом фитингами в комбинации с шарнирным соединением нижних концов стержней фермы, допускающих поворот стержней фермы на острый угол, например, на угол до 20 градусов, обеспечивается увеличение диаметра проема - расстояния между диаметрально расположенными фитингами решетки фермы примерно на 40%, что позволяет решить поставленную техническую проблему.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является увеличение полезного объема для размещения части полезной нагрузки внутри фермы до 80…85 процентов от внутреннего объема фермы с обеспечением безопасного отделения полезной нагрузки от фермы.
Кроме того, нижние концы стержней фермы могут быть выполнены в виде снабженных отверстиями проушин, в которых установлены шарнирные подшипники, что позволяя скомпенсировать технологические отклонения углов установки осей проушин от осей отверстий в опорных узлах установки стержней фермы, сокращает время сборки переходного отсека.
8
8
Стержни фермы могут быть выполнены из углепластика как материала с высокой удельной жесткостью - Е/ρ (Е - модуль упругости, ρ - плотность материала), значение которого для углепластика составляет приблизительно 1,63⋅10 Н⋅м/кг, что значительно превышает, например, удельную жесткость сплава АМг6 - 0,25⋅10 Н⋅м/кг. Это уменьшает массу фермы.
Кроме того, каждый из опорных узлов фермы включает стенку, выполненную в виде гребенки, содержащей среднюю и две боковых проушины, причем средняя проушина выполнена изогнутой, что необходимо из условий прочности и жесткости и позволяет обеспечить поворот стержней в разных плоскостях относительно основания на угол до 20 градусов.
Помимо прочего, стенка каждого из опорных узлов может быть снабжена продольным ребром, размещенным на внутренней стороне стенки вдоль места ее перегиба, что повышает жесткость опорного узла.
Кроме того, каждый из опорных узлов фермы может содержать две пластинчатые пружины, первый конец каждой из которых жестко закреплен в нижней части стенки опорного узла, а второй конец в изогнутом состоянии пластинчатой пружины поджат к одному из указанных стержней фермы. При этом опорные узлы могут быть выполнены с обеспечением в изогнутом состоянии пластинчатых пружин возможности крепления фитингов фермы к полезной нагрузке, а при разгрузке пластинчатых пружин возможности поворота стержней относительно стенки опорного узла.
Пластинчатую пружину наиболее предпочтительно выполнить с равномерным уменьшением ее ширины при переходе вдоль пружины от первого к ее второго концу, что обеспечивает равнонапряженное состояние по всей длине пластины и повышает гибкость пластины в 1,5 раза.
Кроме того, нижние концы стержней фермы могут содержать опоры, снабженные продольными канавками. Опоры на проушинах стержней определяют направление силы упругости при перемещении точки контакта пластины с опорой, а продольные канавки определяют ориентированное перемещение точки контакта. При этом вторые концы пластинчатых пружин могут быть снабжены сферическими упорами, контактирующими со стержнями решетки и выполненными с обеспечением возможности перемещения вдоль указанных канавок. Сферические упоры обеспечивают направление силы упругости пружины, соответствующее максимальному моменту относительно оси вращения стержней, при этом обеспечивается минимальный разброс в величине моментов, действующих на раскрывающиеся элементы фермы.
В изобретении проушины стержней фермы и проушины стенки в наиболее предпочтительном варианте выполнения могут быть снабжены дополнительными отверстиями, выполненными сквозными в проушинах стержней фермы и боковых проушинах стенки, и глухими в средней проушине стенки. При этом указанные дополнительные отверстия в радиальном направлении целесообразно разместить на одинаковом расстоянии от осей шарнирных соединений, при этом в угловом направлении дополнительные отверстия проушин стержней фермы в изогнутом состоянии пластинчатой пружины целесообразно отвернуть от дополнительных отверстий проушин стенки опорного узла на угол поворота стержней фермы. Указанное расположение дополнительных отверстий в проушинах шарнирных соединений, обеспечивая совмещение центров дополнительных отверстий в проушинах стержней фермы и проушинах стенки в разгруженном состоянии пластинчатых пружин, обеспечивает возможность фиксации стержней фермы после их поворота на угол раскрытия.
Наиболее предпочтительно каждый из опорных узлов фермы снабдить двумя средствами фиксации стержней в повернутом состоянии, каждое из которых включает стопор и взаимодействующую со стопором пружину и выполнено с обеспечением в изогнутом состоянии пластинчатой пружины и в сжатом состоянии цилиндрической пружины возможности поджатия носовой части стопора каждого из устройств фиксации к проушине стержня решетки, а в разгруженном состоянии пружин через дополнительное отверстие проушины стержня возможности введения носовой части стопора в дополнительное отверстие средней проушины стенки опорного узла.
Кроме того, средство фиксации стержней в повернутом состоянии может содержать закрепленный на боковой проушине стенки соосно ее дополнительному отверстию корпус, первый торец которого выполнен открытым, а второй перекрыт крышкой, при этом упомянутые стопор и цилиндрическая пружина размещены внутри корпуса, причем цилиндрическая пружина размещена между стопором и крышкой.
Указанное выполнение средств фиксации стержней в повернутом состоянии минимизирует массу опорных узлов фермы. Такая конструкция опорного узла, сочетающего в одном конструктивном элементе средство раскрытия стержня и средство фиксации в повернутом состоянии, обеспечивает уменьшение массы фермы.
Носовые части каждого из стопоров средств фиксации и дополнительные отверстия средней проушины стенки могут быть выполнены в виде конусов с близкими углами уклонов, что, обеспечивая «заклинивание» стопоров в дополнительных отверстиях средних проушин стенок опорных узлов, повышает надежность фиксации стержня в повернутом положении.
Кроме того, проушина каждого из стержней фермы может быть снабжена демпфером, выполненным в виде втулки из полимерного материала и установленным в дополнительном отверстии проушины, что снижает динамические перегрузки и усилия, действующие на стопор в момент фиксации стержня.
Заявляемые изобретения иллюстрируются следующими материалами:
фиг. 1 - переходной отсек ракеты - носителя в аксонометрии (стержни фермы в исходном положении),
фиг. 2 - переходной отсек в плане (вид А с фиг. 1, стержни фермы в повернутом положении),
фиг. 3 - продольный разрез переходного отсека (разрез Б-Б с фиг. 2, стержни фермы в повернутом положении),
фиг. 4 - узел установки опорного узла фермы на корпусе, проставке (разрез В-В с фиг. 2),
фиг. 5 - продольная балка в аксонометрии,
фиг. 6 - продольная балка (вид сбоку),
фиг. 7 - поперечное сечение нижней части продольной балки (сечение С-С с фиг. 6),
фиг. 8 - поперечное сечение верхней части продольной балки (сечение Р-Р с фиг. 6),
фиг. 9 - узел соединения опорного узла фермы с корпусом и проставкой в аксонометрии (вид в аксонометрии с внешней стороны переходного отсека),
фиг. 10 - узел соединения опорного узла фермы с корпусом и проставкой в аксонометрии (вид в аксонометрии с внутренней стороны переходного отсека),
фиг. 11 - установка замка - толкателя в опорном узле плоской фермы на верхнем шпангоуте проставки в аксонометрии,
фиг. 12 - укрупненный вид узла установки опорного узла фермы на поперечной балке (выноска Г с фиг. 2),
фиг. 13 - ферма переходного отсека в аксонометрии (стержни фермы в повернутом положении),
фиг. 14 - схема фермы в исходном и повернутом положении,
фиг. 15 - схема соединения стержней фермы с опорными узлами и фитингами (вид П с фиг. 13),
фиг. 16 - фитинг соединения верхних концов стержней фермы в аксонометрии,
фиг. 17 - опорный узел фермы (фрагмент разреза Е-Е с фиг. 12),
фиг. 18 - опорный узел фермы (разрез К-К с фиг. 17),
фиг. 19 - опорный узел фермы, стержни решетки в повернутом положении (фрагмент разреза Ж-Ж с фиг. 12),
фиг. 20 - стенка опорного узла фермы, общий вид в аксонометрии сзади,
фиг. 21 - опорный узел фермы с частичным разрезом по оси шарнирного соединения и осям дополнительных отверстий в проушинах стенки (разрез Л-Л с фиг. 18, стержни решетки в исходном положении),
фиг. 22 - опорный узел фермы с частичным разрезом по оси шарнирного соединения и осям дополнительных отверстий в проушинах стенки (разрез Л-Л с фиг. 18, стержни решетки в повернутом положении),
фиг. 23 - схема устройства поворота стержня решетки фермы, пластинчатая пружина в изогнутом состоянии (условно показан один из стержней фермы),
фиг. 24 - схема устройства поворота стержня решетки фермы, пластинчатая пружина в разгруженном состоянии (условно показан один из стержней фермы),
фиг. 25 - узел взаимодействия пластинчатой пружины со стержнем фермы в аксонометрии,
фиг. 26 - узел взаимодействия пластинчатой пружины со стержнем фермы (разрез вдоль пластинчатой пружины),
фиг. 27 - схема устройства фиксации стержня в повернутом положении.
В приведенных чертежах элементы переходного отсека и фермы обозначены следующими позициями:
1 продольная ось системы,
2 полезная нагрузка,
10 корпус переходного отсека,
11 стыковочный шпангоут корпуса,
12 опорный шпангоут корпуса,
13 промежуточный шпангоут корпуса,
20 проставка,
21 верхний шпангоут проставки,
31 стержень плоской фермы,
32 опорный узел плоской фермы на верхнем шпангоуте проставки,
33 опорный узел плоской фермы на верхнем шпангоуте проставки, снабженный замком - толкателем,
34 опорный узел плоской фермы на стыковочном шпангоуте корпуса,
35 замок-толкатель,
36 поперечная балка,
40 продольная балка,
41 излом продольной балки,
50 пространственная ферма,
501…516 стержень решетки фермы,
52 накладка стержня,
53 фитинг верхних концов стержней решетки фермы с замком,
54 замок,
55 проушина стержня фермы,
554 шарнирный подшипник,
555 дополнительное отверстие проушины стержня решетки,
556 демпфер,
56 опора для пластинчатой пружины,
561 продольная канавка опоры пластинчатой пружины,
60 опорный узел фермы,
61 основание опорного узла,
62 стенка опорного узла,
621 продольное ребро стенки опорного узла,
63 ось шарнирного соединения стенки опорного узла со стержнем решетки,
631 отверстие шарнирного соединения в проушинах стержней и стенки опорного узла,
64 боковая проушина стенки опорного узла,
641 дополнительное отверстие боковой проушины стенки,
65 средняя проушина стенки,
651 дополнительное отверстие средней проушины стенки,
66 замыкающий элемент шарнирного соединения - болт, 68 пластинчатая пружина,
681 первый конец пластинчатой пружины,
682 второй конец пластинчатой пружины,
683 сферический упор,
80 Средство фиксации стержней в повернутом положении,
81 корпус,
82 крышка,
83 стопор,
84 цилиндрическая пружина,
85 шток,
86 носовая часть стопора,
87 хвостовая часть стопора,
88 глухое отверстие хвостовой части стопора.
Без ограничения общности при последующем изложении условимся терминами «внешний», «наружный», «внутренний» обозначать элементы, расположенные в поперечной плоскости космического аппарата - плоскости, перпендикулярной продольной оси 1 переходного отсека, дальше или ближе от продольной оси 1 переходного отсека, или поверхности, ориентированные в сторону от продольной оси 1 системы или в сторону к продольной оси 1 системы. Кроме того, термины «выше», «ниже», «сверху», «снизу», «верхний», «нижний», «верхний торец», «нижний торец», «верхняя сторона», «нижняя сторона» условимся трактовать в соответствии с расположением элементов относительно положительного направления продольной оси 1 переходного отсека (ось X, фиг. 3, 14, 17, 19).
Переходной отсек ракеты-носителя устроен следующим образом.
Как и ближайший аналог, переходной отсек ракеты - носителя содержит (см. фиг. 1-4) выполненные в виде усеченных конусов корпус 10 и помещенную внутрь него проставку 20.
Корпус 10 включает обшивку, стыковочный шпангоут 11, выполненный с обеспечением возможности крепления головного обтекателя (на чертежах условно не показан), и опорный шпангоут 12, выполненный с обеспечением возможности крепления к ракете - носителю (на чертежах условно не показана).
Проставка 20 включает обшивку, нижний шпангоут, закрепленный на опорном шпангоуте 12 корпуса 10, и верхний шпангоут 21.
Как и в ближайшем аналоге, стыковочный шпангоут 11 корпуса жестко соединен с верхним шпангоутом 21 проставки плоской фермой с треугольной решеткой, составленной из стержней 31, соединенных друг с другом в опорных узлах 32, 33 на верхнем шпангоуте 21 проставки и в опорных узлах 34 на стыковочном шпангоуте 11 корпуса.
Переходной отсек изобретения снабжен первым средством крепления полезной нагрузки, выполненным с обеспечением возможности соединения переходного отсека с нижней частью полезной нагрузки (на чертежах условно не показана) и с возможностью отделения от полезной нагрузки. Наиболее предпочтительно первое средство крепления полезной нагрузки выполнить, снабдив опорные узлы 33 плоской фермы на верхнем шпангоуте 21 проставки замками - толкателями 35 (см. фиг. 11). Замки - толкатели могут быть устроены, например, в соответствии с техническим решением, известным из патента РФ № 2093435. При использовании изобретения в переходном отсеке в составе ракеты - носителя «Союз-2» на верхнем шпангоуте 21 проставки целесообразно разместить 16 опорных узлов плоской фермы, при этом из них на восьми опорных узлах 33 могут быть размещены замки-толкатели 35.
В соответствии с изобретением переходной отсек дополнительно содержит поперечные балки 36 и продольные балки 40.
В соответствии с изобретением поперечные балки 36 (см. фиг. 2, 9, 10, 12) дополнительно соединяют стыковочный шпангоут 11 корпуса с верхним шпангоутом 21 проставки. Поперечные балки 36 ориентированы в поперечной плоскости вдоль диаметрального направления переходного отсека. Первые концы поперечных балок 36 закреплены на верхнем шпангоуте проставки в опорных узлах 33 плоской фермы, снабженных, как указывалось выше, элементами первого средства крепления полезной нагрузки - замками - толкателями. Как и замки-толкатели, в наиболее предпочтительном варианте выполнения переходного отсека, ориентированного на использование с ракетой - носителем «Союз-2», поперечные балки закреплены в каждом втором узле крепления плоской фермы к верхнему шпангоуту проставки. Закрепление первых концов балок 36 к опорным узлам 33 плоской фермы обеспечивает прочность и жесткость крепления, так как опорные узлы 33 способны воспринимать значительные нагрузки, действующие со стороны полезной нагрузки.
Вторые концы поперечных балок 36 закреплены на стыковочном шпангоуте 11 корпуса переходного отсека.
Продольные балки 40 размещены во внутреннем объеме переходного отсека между корпусом 10 и проставкой 20 (см. фиг. 3, 4). При этом первые концы продольных балок соединены с поперечными балками 36 на некотором удалении от их концов, как показано на фиг 4, 10. Вторые концы продольных балок наиболее предпочтительно закрепить на опорном шпангоуте 12 корпуса. Продольные балки целесообразно выполнить с изломом 41 (см. фиг. 5, 6), при этом верхние части продольных балок -части балок между местом крепления продольной балки 40 к поперечной балке 36 до излома 41, размещены между корпусом и внутренней проставкой. Нижние части - части от места излома 41 до опорного шпангоута 12, соединены с обшивкой корпуса. В наиболее предпочтительном варианте выполнения переходного отсека верхние части балок могут быть выполнены с поперечным сечением в виде двутавра, а нижние части - в виде П-образного профиля (см. фиг. 7, 8). Указанное выполнение поперечного сечения продольных балок 40 снижает величину эксцентриситета поперечного сечения балки и повышает ее прочность.
Обшивка корпуса переходного отсека может быть подкреплена промежуточным шпангоутом 13, соединенным с продольными балками в местах их излома 41.
В соответствии с изобретением переходной отсек содержит второе средство крепления полезной нагрузки, выполненное в виде пространственной фермы 50 с треугольной решеткой, образованной стержнями 501…516. При использовании переходного отсека с ракетой-носителем среднего класса «Союз-2» наиболее предпочтительно выполнить переходной отсек с фермой из 16 стержней. При использовании переходного отсека другими ракетами-носителями число стержней фермы может быть выбрано иным.
Верхние концы стержней пространственной фермы жестко соединены друг с другом фитингами 53, выполненными с возможностью крепления к полезной нагрузке на удалении от верхнего шпангоута проставки и с возможностью отделения от полезной нагрузки.
Нижние концы стержней пространственной фермы 50 шарнирно закреплены в опорных узлах 60 фермы. В соответствии с изобретением опорные узлы 60 закреплены на поперечных балках 36 переходного отсека над местами крепления к поперечным балкам 36 продольных балок 40, как показано на фиг. 4, 9, 10.
В соответствии с изобретением опорные узлы 60 выполнены с обеспечением возможности поворота стержней 501…516 фермы на острый угол и фиксации их в повернутом положении после отделения фитингов 53 от полезной нагрузки.
Наиболее предпочтительно пространственную ферму переходного отсека выполнить в соответствии с заявляемым в пунктах 5-17 формулы устройством фермы.
Заявляемая ферма устроена следующим образом.
В соответствии с изобретением ферма (см. фиг. 1, 2, 3, 13-16) содержит составленную из стержней 501...516 треугольную решетку, фитинги 53 и опорные узлы 60.
Наиболее предпочтительно стержни 501…516 фермы выполнить из углепластика, например, из углепластика на основе высокомодульной углеродной ленты Кулон-500/0,07 (СТО 75969440-007-2009). При этом соединение стрежней фермы с опорными узлами и фитингами и может быть выполнено с использованием накладок 52 (см., например, патент РФ 2292490). Накладки наиболее предпочтительно выполнить из сплава на основе титана.
Верхние концы каждой пары стержней фермы, составленной из нечетного и четного стержней, например, стержней 501 и 502, как показано на фиг. 1, 2, 13, жестко соединены друг с другом фитингами 53. Фитинги 53 фермы выполнены с обеспечением возможности соединения с полезной нагрузкой и отделения фитингов от полезной нагрузки - разъединения механической связи фитингов с полезной нагрузкой. Крепление фитингов 53 к полезной нагрузке 2 может быть осуществлено (см. фиг. 16) с использованием замков 54, принципиальное устройство которых может быть выполнено в соответствии с патентом РФ 2321527. Замки обеспечивает соединение фитингов с полезной нагрузкой и отделение фитингов от полезной нагрузки.
Нижние концы стержней 501…516 фермы в соответствии с изобретением закреплены в опорных узлах 60 фермы (см. фиг. 1, 17). В соответствии с изобретением опорные узлы 60 фермы выполнены с обеспечением возможности поворота двух стержней, соединенных с опорным узлом фермы, в различных плоскостях на острый угол и их фиксации в повернутом положении, как показано на фиг. 3, 13, 14.
В соответствии с изобретением возможность поворота стержней фермы относительно опорных узлов обеспечивается шарнирными соединениями «ухо-вилка», при этом каждый из опорных узлов шарнирно соединен с двумя стержнями фермы, причем, в соответствии с чередованием в решетке фермы стержней с нечетным номером и стержней с четным номером (см. фиг. 1, 2, 13, 15), каждый опорный узел шарнирно соединен с одним стержнем с нечетным номером и с одним стержнем с четным номером.
В соответствии с изобретением шарнирное соединение четного стержня фермы с каждым из опорных узлов фермы выполнено соосным шарнирному соединению нечетного стержня с соседним опорным узлом фермы, а соединение нечетного стержня фермы - соосно соединению четного опорного узла другого соседнего узла фермы (см. фиг. 15). Это в сочетании с жестким соединением друг с другом фитингами 53 верхних концов стержней фермы обеспечивает формирование из каждой пары смежных стержней фермы треугольной створки и возможность поворота стержней фермы в составе створок относительно опорных узлов.
Каждый из опорных узлов 60 фермы наиболее предпочтительно выполнить из основания 61 и стенки 62.
Шарнирные соединения стержней фермы и стенки 62 образованы одинарными проушинами 55, расположенными на концах каждого из стержней фермы, проушинами 64, 65, расположенными на стенке 62 опорного узла, и замыкающими элементами шарнирных соединений - болтами 66, (см. фиг. 18, 21, 22). При этом проушины 55, 64, 65 снабжены отверстиями 631 для размещения замыкающего элемента шарнирных соединений (см. фиг. 18, 20-22).
В отверстиях 631 проушин 55 стержней фермы могут быть установлены шарнирные подшипники 554 (см. фиг. 18, 21, 22), которые могут быть выполнены в соответствии с ГОСТ 3635-78.
В соответствии с изобретением стенку 62 каждого из опорных узлов фермы наиболее предпочтительно выполнить в виде гребенки (см. фиг. 18-20). Стенка содержит три проушины: две боковые 64 проушины и среднюю 65 проушину. Боковые проушины 64 каждого опорного узла размещены по боковым сторонам стенки и снабжены сквозными отверстиями 631 для замыкающего болта 66. Средняя 65 проушина выполнена изогнутой и с увеличенной в 3…4 раза толщиной в сравнении с толщиной боковых проушин 64 стенки. Отверстия 631, размещенные в отогнутых частях средней 65 проушины стенки, снабжены резьбой для замыкающего элемента шарнирного соединения - болта 66. Глубина отверстий 631 в средней проушине должна быть достаточной для передачи на среднюю проушину стенки возможно большей нагрузки от стержней фермы, что тем самым разгружает боковые проушины 64 стенки.
Для повышения жесткости опорного узла его стенку 62 целесообразно с внутренней стороны подкрепить продольным ребром жесткости 621, разместив его на внутренней стороне стенки 62 опорного узла вдоль места ее перегиба.
Опорные узлы 60 фермы снабжены средствами поворота стержней фермы, выполненными в виде пластинчатых пружин 68. В соответствии с заявляемым решением каждый из опорных узлов 60 фермы может быть снабжен двумя пластинчатыми пружинами 68 (см. фиг. 19, 23, 24). Первый конец 681 каждой из пластинчатых пружин жестко закреплен, например, винтовыми соединениями, в нижней части опорного узла, в наиболее предпочтительном варианте - в нижней части стенки 62. Второй конец 682 выполнен с обеспечением контакта с одним из стержней фермы и в изогнутом состоянии пластинчатой пружины поджат к стержню фермы. При разгрузке пластинчатой пружины 68 второй конец 682 выполнен с обеспечением возможности перемещения относительно стержня, например, как показано на фиг 23, относительно стержня 516. При этом под действием сил упругости пружин происходит поворот стержней фермы.
Наиболее предпочтительно каждую из пластинчатых пружин 68 изготовить из сплава ВТ-6, обладающего высокими деформационными характеристиками, и выполнить ее переменной ширины с равномерным - по линейному закону, уменьшением ширины пластинчатой пружины при переходе вдоль нее от первого 681 ко второму ее концу 682, как показано на фиг. 19. За счет этого обеспечивается равномерное по длине напряженное состояние пластинчатой пружины и в 1,5 раза большая гибкость пружины по сравнению с пружиной постоянной по длине ширины.
В месте действия силы упругости пластинчатой пружины 68 на верхнем ее конце 682 для снижения разброса в моменте раскрытия стержней решетки может быть установлен сферический упор 683 (см. фиг. 23-26), взаимодействующий с опорой 56, установленной на накладке 52 стержня.
Сферический упор 683 наиболее предпочтительно выполнить из стали, например, из стали 07X16H6, что уменьшает силу трения между упором и опорой 56 стержня фермы. Дополнительно опоры 56 каждого из стержней фермы целесообразно снабдить продольными направляющими - канавками 561 (см. фиг. 26), при этом упоры 683 пластинчатых пружин 68 выполнены с обеспечением возможности перемещения вдоль указанных канавок. Дополнительно контактную поверхность опоры 56 целесообразно ориентировать параллельно касательной к пластинчатой пружине в изогнутом состоянии в точке контакта сферического упора к пластинчатой пружине, что позволяет воздействовать на стержень в момент начала поворота с максимальным моментом.
Фиксация стержней в повернутом положении в соответствии с изобретением может быть выполнена в результате взаимодействия средств фиксации 80 стержней в повернутом положении с дополнительными отверстиями в проушинах стержней фермы и проушинах стенки опорного узла.
В соответствии с изобретением проушины 55 стержней фермы и проушины 64, 65 стенки 62 опорного узла снабжены дополнительными отверстиями 555, 641, 651. Дополнительные отверстия 555 в проушинах 55 стержней фермы и дополнительные отверстия 641 в боковых проушинах 64 стенки 62 опорного узла выполнены сквозными. Дополнительные отверстия 651 в средней проушине 65 стенки опорного узла выполнены глухими, а их поверхности выполнены конусными с небольшим углом уклона, например, равным 3 градусам.
В заявляемом изобретении наиболее предпочтительно дополнительные отверстия 555 проушин 55 стержней решетки снабдить демпферами 556, выполненными в виде втулок. Наиболее предпочтительно демпферы выполнить из полимерного материала с хорошими пластическими характеристиками и достаточной прочностью, например, из материала на основе фторопласта. Для обеспечения необходимых энергопоглощающих характеристик демпфера и снижения его размеров во втулку демпфера целесообразно дополнительно запрессовать радиальные стержни диаметром 2-4 мм и высотой соответствующей толщине втулки. Радиальные стержни могут быть выполнены из алюминиевого сплава, например, из сплава АМГ-5.
В соответствии с заявляемым решением дополнительные отверстия 555 в проушинах 55 стержней решетки, дополнительные отверстия 641 и 651 в боковых проушинах 64 и в средней проушине 65 стенки опорного узла в радиальном направлении размещены на одинаковом расстоянии R (см. фиг. 23, 24) от осей 63 шарнирных соединений стержней фермы со стенкой 62 опорного узла. При этом в изогнутом состоянии пластинчатых пружин 68 дополнительные отверстия 555 проушин стержней фермы отвернуты от дополнительных отверстий 641, 651 проушин стенки опорного узла на угол β - на необходимый угол поворота стержней решетки (см. фиг. 23). За счет этого при разгруженном состоянии пластинчатой пружины 68 в повернутом положении стержней фермы их дополнительные отверстия 555 занимают положение соосное относительно дополнительных отверстий 641 и 651 проушин стенки опорного узла.
При использовании опорного узла в ферме величина угла β равна величине угла поворота стержней 501-516 решетки фермы (см. фиг. 23, 24).
Каждый из устройств фиксации стержней фермы в повернутом состоянии содержит (см. фиг. 21, 22, 25) корпус 81, крышку 82, стопор 83 и цилиндрическую пружину 84.
В соответствии с изобретением каждый опорный узел может быть снабжен двумя устройствами 80 фиксации стержней фермы в повернутом состоянии, каждый из которых (см. фиг. 21, 22, 27) содержит корпус 81, крышку 82, стопор 83 и цилиндрическую пружину 84.
Корпус 81 каждого из устройств фиксации 80 выполнен в виде цилиндра и закреплен на боковой проушине 64 стенки опорного узла соосно дополнительному отверстию 641 боковой проушины (см. фиг. 21, 22), что может быть сделано с использованием винтов.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения опорного узла фермы корпус 81 устройства фиксации частично размещен внутри дополнительного отверстия 641 боковой проушины стенки, как показано на фиг. 21, 22.
Первый торец корпуса 81 - торец, обращенный в сторону проушины 55 стержня решетки, выполнен открытым. Второй торец корпуса 81 перекрыт крышкой 82, которая с использованием резьбового соединения навернута на корпус 81.
Стопор 83 помещен внутрь корпуса 81. Конструктивно стопор 83 наиболее предпочтительно выполнить из двух частей: носовой 86 части стопора, выполненной конической с небольшим углом уклона, и хвостовой 87 части, выполненной в форме цилиндра (см. фиг. 27).
Размеры внутреннего диаметра корпуса 81 и диаметра хвостовой части 87 стопора целесообразно выбрать с допусками, соответствующими скользящей посадке. Внутренний диаметр отверстия упомянутой выше втулки демпфера 556, установленного в дополнительном отверстии 555 проушины стержня фермы, наиболее целесообразно выбрать на небольшую величину большую диаметра хвостовой 87 части стопора, например, на 0,1…0,3 мм.
В соответствии с изобретением носовые 86 части стопоров и дополнительные отверстия 651 средней проушины стенки могут быть выполнены в виде конусов с близкими углами уклонов, в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения - с углом уклона равным 3 градусам.
В соответствии с изобретением внутри корпуса 81 между стопором 83 и крышкой 82 размещена цилиндрическая сжатая пружина 84, которую наиболее предпочтительно выполнить из стали.
Как показано на фиг. 27, на торце хвостовой части стопора 87 может быть выполнено глухое отверстие 88, соосное корпусу. При этом цилиндрическую сжатую пружину 84 целесообразно разместить в корпусе внутри стопора в указанном отверстии 88, зажав цилиндрическую пружину 84 между дном указанного глухого отверстия 88 и крышкой 82 корпуса, что уменьшает габариты устройства фиксации.
Кроме того, каждое из устройств фиксации стержней решетки в повернутом состоянии может дополнительно быть снабжено штоком 85, пропущенным через осевое отверстие крышки внутри витков сжатой цилиндрической пружины 84 и закрепленным внутри хвостовой части стопора (см. фиг. 27). Введение в устройство фиксации штока позволяет сократить время сборки и испытаний опорного узла фермы.
В соответствии с изобретением носовую часть 86 стопора каждого из устройств фиксации целесообразно пропустить через открытый торец корпуса 81, и ввести в дополнительное отверстие 641 боковой проушины стенки опорного узла. В изогнутом состоянии пластинчатой 68 и в сжатом состоянии цилиндрической пружины 84 носовая часть стопора поджата к проушине 55 стержня решетки (см. фиг. 21). В разгруженном состоянии пластинчатой пружины 68 и цилиндрической пружины 84 через втулку демпфера 556 проушины стержня носовая часть стопора введена в дополнительное отверстие 651 средней проушины стенки опорного узла (см. фиг. 22), за счет чего происходит фиксации стержней решетки фермы в повернутом состоянии.
Заявляемую ферму наиболее предпочтительно использовать в составе переходного отсека ракеты-носителя, выполненного в соответствии с пунктами 1-4 формулы изобретения, хотя заявляемая ферма может быть использована и в переходных отсеках другой конструкции, при этом опорные узлы 60 фермы жестко соединяются с элементами конструкции переходного отсека. Кроме того, заявляемая ферма может быть использована в составе ракет - носителей, при этом опорные узлы фермы могут быть жестко соединены с последней ступенью ракеты-носителя, а в ее внутреннем объеме размещена часть крупногабаритной полезной нагрузки ракеты-носителя. Ферма может быть использована и в составе космического аппарата, при этом опорные узлы фермы могут быть закреплены на его конструкции, а во внутреннем объеме фермы в качестве полезной нагрузки может быть размещена часть крупногабаритного блока, отделяемого от космического аппарата.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения, ориентированного для использования в ракете - носителе «Союз-2», угол поворота β (см. фиг. 23) может быть выбран из диапазона из диапазона от 15 до 20 градусов. Это, обеспечивая увеличение диаметра проема - расстояния между диаметрально расположенными фитингами 53 решетки фермы примерно на 40% (см. фиг. 14): с величины Dвф 3,5 м до величины D*вф 5,0 м в повернутом положении стержней на 15 градусов, позволяет повысить степень использования внутреннего объема фермы для размещения внутри него части полезной нагрузки и ее безопасного отделения от фермы.
При выведении ракетой - носителем космической головной части, включающей полезную нагрузку, головной обтекатель и переходной отсек, полезной нагрузки, аэродинамические и инерционные нагрузки от головного обтекателя передаются на стыковочный шпангоут корпуса переходного отсека. От полезной нагрузки за счет первого средства крепления инерционные нагрузки передаются по первому контуру передачи усилий на внутреннюю проставку, а за счет второго - по второму контуру на поперечные и дополнительные балки переходного отсека.
Поперечные балки и плоская ферма перераспределяют инерционные нагрузки между первым и вторым силовыми контурами в зависимости от отношения жесткости фермы с корпусом переходного отсека и нижней части полезной нагрузки, располагаемой внутри пространственной фермы, и проставки.
После сброса головного обтекателя и выведения полезной нагрузки головного блока на орбиту происходит отделение фитингов фермы от полезной нагрузки - разъединение жесткой связи фитингов фермы с полезной нагрузкой, после чего под воздействием пластинчатых пружин стержни фермы переводятся в повернутое положение с последующей фиксацией их в повернутом положении. Затем полезная нагрузка отделяется от переходного отсека ракеты - носителя.