СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к сетчатым конструкциям из композиционных материалов и может быть использована в изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Силовая конструкция корпуса (СКК) космического аппарата (КА) предназначена для крепления модулей КА с бортовой и целевой аппаратурой, крыльев солнечной батареи, баков хранения рабочего тела, а также, элементов системы отделения и стыковки с попутным КА.
СКК КА должна иметь заданную несущую способность, обеспечивающую ее целостность при внешних воздействиях, т.е. обладать повышенной жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к СКК КА, являются требования по обеспечению оптимальных значений основных параметров:
– высокой степени надежности;
– высокой степени унификации;
– высокой степени технологичности;
– размеростабильности;
– низкой себестоимости.
При производстве КА значительную роль играет срок изготовления его составных частей. Применение технической унификации при изготовлении СКК КА позволяет сократить время на адаптацию под конкретный КА, способствует реализации возможности более широкого применения СКК при создании КА различного целевого назначения.
На данный момент, как в отечественном, так и зарубежном производстве КА негерметичного типа, применяется модульный принцип построения, при котором КА состоит из нескольких конструктивно и функционально обособленных модулей, например модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки, которые крепятся к одному каркасу. Основные варианты исполнения СКК КА могут быть представлены в виде:
– конструкции из сотовых сэндвич-панелей (обшивок с сотовым заполнителем между ними);
– монолитной конструкции, без применения сотового заполнителя;
– оболочки вращения имеющей сетчатую структуру.
Известно, что из представленных выше вариантов исполнения оптимальными параметрами с учетом требований, указанных выше обладают оболочки вращения, имеющие сетчатую структуру, несущими элементами которой являются ребра, обеспечивающие одновременно мембранную и изгибную жесткость конструкции. Также сетчатые оболочки, при наличии кольцевых ребер, обладают свойствами самостабилизации. Геометрическая форма СКК в виде полого цилиндра, способствует равномерному распределению нагрузки на конструкцию в целом, а также позволяет осуществить попутное выведение нескольких КА одновременно, при этом выполняя соответствие условию размещения КА соосно с осью симметрии ракеты-носителя.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов в качестве материала изготовления СКК КА позволяет снизить массу конструкций в среднем на 15–30 % по сравнению с металлическими конструкциями, помимо этого современные композиционные материалы (например, углепластики) превосходят алюминиевые сплавы по удельной жесткости в 2–3 раза, а по удельной прочности в 5–6 раз. Низкий коэффициент температурного расширения полимерных композиционных материалов, обеспечивает размеростабильность конструкции, при воздействии широкого спектра температур в условиях космической среды. СКК КА является интегральной – соединение ребер между собой, а также с другими элементами конструкции реализуется в процессе полимеризации связующего композиционного материала. В настоящее время ребра СКК КА, изготовленные в промышленных условиях из высокомодульных углепластиков имеют модуль упругости 185 ГПа, т.е. приближенный к модулю стали при плотности в 5,2 раза меньшей.
СКК КА должна сочетать в себе оптимальные значения основных параметров. Технической проблемой при производстве СКК КА является достижение баланса оптимальных значений основных параметров.
Следует отметить, что выбор при проектировании конфигурации и типа сетчатой конструкции зависит от воздействия комбинации статических и динамических нагрузок на конструкцию конкретного КА в целом и на его положение при выведении на орбиту функционирования. Конфигурация сетчатой оболочки определяется специальным расчетом, при этом сетчатая оболочка может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Таким образом, СКК КА представляет собой оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер с формированием ячеек двух типоразмеров, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструктивные исполнения СКК сетчатой конструкции с анизотропными свойствами, которые предназначены для крепления элементов конструкции КА и представлены в ряде описаний изобретений к патентам РФ:
– Патент № 2392122 «Сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов», образованная из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра. Дополнительные ребра ориентированы в продольном направлении. Дополнительные ребра короче длины образующей и неравномерно распределены по длине и периметру. Недостатком известной конструкции является наличие продольных и дополнительных ребер, а также неравномерное распределение кольцевых, продольных и дополнительных ребер, что в совокупности формирует сетчатую структуру с большим количеством ячеек разных форм и размеров, что в дальнейшем приводит к высокой трудоемкости при проектировании, изготовлении и монтаже закладных элементов СКК КА.
– Патент № 2384460 «Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов», содержит спиральные и кольцевые ребра, образованные из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами равномерно смещены друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях и выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Вершины зигов примыкают к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно на концах оболочки. Недостатком указанного аналога является наличие защитного слоя – обшивки, значительно утяжеляющей конструкцию. Кроме того при установке закладных элементов на подобную конструкцию требуется выполнять механическую обработку обшивки (сверление отверстий, фрезерование окон в ячейках), непрозрачность которой увеличивает риск повреждения ребер сетчатой структуры.
Общим недостатком указанных выше аналогов, является отсутствие усиливающих элементов на торцах сетчатых конструкций, например металлических шпангоутов с профилируемыми пазами под ребра сетчатой оболочки. Необходимость усиления торцов вызвана тем, что композиционные материалы обладают меньшей прочностью при восприятии локальных нагрузок по сравнению с материалами из металла. Шпангоуты необходимы, например, для крепления КА к адаптеру разгонного блока с одной стороны СКК и стыковки с попутным КА с другой, что предполагает наличие посадочных мест и отверстий в корпусе шпангоута.
Также известен зарубежный аналог анизогридной сетчатой конструкции, которая может быть использована в изделиях аэрокосмической техники. Зарубежный аналог представлен в описании изобретения к патенту США № 20100065717 «METHOD AND SYSTEM FOR FORMING COMPOSITE GEOMETRIC SUPPORT STRUCTURES». Опорная конструкция представляет собой сетчатую оболочку трехмерной конфигурации полой цилиндрической формы из композиционного материала, которая образована посредством пересечения между собой спиральных, продольных, кольцевых и/или боковых поперечных ребер (опор) с образованием множества узлов. Торцы опорной конструкции могут быть оснащены шпангоутами, имеющими аэродинамический профиль. Недостатком данного аналога является отсутствие интеграции шпангоута в конструкцию в целом, связанной с отсутствием пазов для ребер сетчатой оболочки в корпусе шпангоута, что приводит к потере прочности, жесткости конструкции, а также снижению надежности соединения ребер сетчатой оболочки со шпангоутом. Помимо этого в данной опорной конструкции имеются продольные ребра, что приводит к увеличению массы.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана «Силовая конструкция платформы космического аппарата», известная из описания изобретения к патенту РФ № 2622304, которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой ребер, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы (в виде шпангоутов, которые изображены на чертежах прототипа). Сетчатая конструкция в данном случае имеет изогридный тип, характеризующийся ячейками одного типоразмера с равномерным размещением их по всему объему оболочки с однородными свойствами. Недостатком ближайшего аналога является низкая несущая способность изогридной сетчатой оболочки, обусловленная отсутствием кольцевых ребер, что снижает гарантию надежности СКК при одновременном выведении попутных КА (приложение осевой нагрузки к СКК КА) и может привести к разрушению ребер сетчатой оболочки.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение являются: совершенствование конструкции СКК КА, повышение надежности, технологичности и степени унификации.
Поставленные задачи решаются за счет того что СКК КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер с формированием ячеек двух типоразмеров. При этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы – шпангоуты, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и имеют профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры.
Спиральные ребра могут быть образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра расположены с равным угловым шагом вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки и соединяют шпангоуты между собой.
Кольцевые ребра, могут быть образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно оси симметрии сетчатой оболочки и расположены между шпангоутами, с равным шагом друг от друга.
Сетчатая структура может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Один из шпангоутов (который крепится к адаптеру), может выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки.
Шпангоуты могут быть выполнены с посадочными местами и технологическими отверстиями, из металлических сплавов или из композиционных материалов, а также иметь включения элементов выполненных из металлических сплавов.
Техническими результатами при использовании СКК КА с приведенной совокупностью признаков являются:
– достижение баланса оптимальных значений основных параметров СКК КА в соответствии с современными требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам;
– сокращение сроков проектирования, изготовления и наземной экспериментальной отработки посредством формирования сетчатой структуры с минимальным количеством ячеек разных форм и размеров;
– обеспечение гарантии целостности СКК КА при стыковке с сопрягаемыми конструкциями, посредством организации усиления торцевых кольцевых ребер шпангоутами с посадочными местами и технологическими отверстиями;
– реализация возможности одновременного выведения на орбиту нескольких КА.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными фигурами 1–4, где:
– на фиг. 1 изображен вид общий СКК КА;
– на фиг. 2 изображены конструктивные особенности СКК КА;
– на фиг. 3 изображен вид сверху на СКК КА (шпангоут для крепления попутной полезной нагрузки);
– на фиг. 4 изображен вид снизу на СКК КА (шпангоут для крепления к адаптеру).
СКК КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер 1, 2 с формированием ячеек двух типоразмеров 3 и 4 соответственно. При этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы – шпангоуты 5 и 6, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и имеют профилирующие пазы под ребра 1 и 2 сетчатой структуры.
Спиральные ребра 1 могут быть образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 5 и 6, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки и соединяют шпангоуты 5 и 6 между собой.
Кольцевые ребра 2, могут быть образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно оси симметрии сетчатой оболочки и расположены между шпангоутами 5 и 6, с равным шагом друг от друга.
Сетчатая структура может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Один из шпангоутов 6 (который крепится к адаптеру), может выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки.
Шпангоуты 5 и 6 могут быть выполнены с посадочными местами 7 для установки силовых замков при креплении к адаптеру и технологическими отверстиями 8 и 9 для крепления с сопрягаемыми конструкциями, также могут быть из металлических сплавов или из композиционных материалов, при этом иметь включения элементов 10 (накладок), выполненных из металлических сплавов.
СКК КА изготавливается с учетом требований к конструкции с использованием технологии изготовления методом «мокрой» намотки угольной нити, пропитанной эпоксидным связующим.
Намотка – процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма которых определяется вращением произвольных образующих. При этом способе армирующий материал (угольная нить) укладывается по заданной траектории на вращающуюся оправку, которая определяет внутреннюю геометрию изделия.
Методом намотки формируют изделия, работающие в специфических условиях нагружения, таких как внутреннее или наружное давление, сжимающие или крутящие нагрузки. Изделия проектируются и изготавливаются с высокой степенью точности.
Полученные при намотке углепластиковые конструкции имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. В первую очередь это высокая прочность при малом собственном весе, что позволяет добиться оптимального соотношения массы конструкции и полезной нагрузки. Другими преимуществами метода намотки являются:
– быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки армирующего материала;
– недорогие материалы.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной конфигурации.
Ребра сетчатой оболочки выполнены из углеродной нити марки M46J и связующего ЭХД-МД. СКК КА характеризуется следующими параметрами:
– высота ребер 21 мм;
– толщина спиральных ребер от 5 до 6 мм;
– толщина кольцевых ребер от 2 до 3 мм;
– угол ориентации спиральных ребер относительно образующей 14°.
Применение унификации при изготовлении данной СКК КА также дает технико-экономические преимущества, выраженные в снижении издержек и сроков производства посредством применения типовых технологических процессов при создании ряда модификаций СКК для КА различного целевого назначения.