АДАПТЕР КОНИЧЕСКИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к сетчатым конструкциям из композиционных материалов и может быть использована в изделиях ракетно-космической техники.
Адаптер конический (АК) космического аппарата (КА) - конструктивный силовой элемент, соединяющий между собой КА и разгонный блок (РБ) и обеспечивающий требуемое распределение действия нагрузок между ними.
АК КА, должен иметь заданную несущую способность, обеспечивающую его целостность при внешних воздействиях, а также надежную фиксацию КА с РБ, т.е. обладать повышенной жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к АК КА, являются требования по обеспечению оптимальных значений основных параметров:
- высокой степени надежности;
- высокой степени унификации;
- высокой степени технологичности;
- размеростабильности;
- низкой себестоимости;
- низкой массы.
АК КА должен сочетать в себе оптимальные значения основных параметров, достижение баланса которых и является технической проблемой.
Следует отметить, что выбор конфигурации и типа сетчатой конструкции при проектировании зависит от воздействия комбинации статических и динамических нагрузок, а также от конструктивных особенностей АК и РБ, имеющих отличающиеся габариты, а, следовательно, и посадочные диаметры. Также действие нагрузок может приводить к возникновению локальных напряжений ребер сетчатой оболочки АК КА. Исходя из этих условий, определяют угол наклона и количество спиральных ребер, количество и шаг кольцевых ребер, которые задают боковую жесткость и придают свойство самостабилизации сетчатой оболочке АК КА. Параметры ребер подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции сетчатой оболочки. Таким образом, АК КА представляет собой оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой конической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер.
Из уровня техники также известны различные конструктивные исполнения АК, представленные в ряде описаний изобретений ниже.
- Патент №2483927 «Адаптер в виде подкрепленной оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов» Оболочка вращения конической формы, ограниченная верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, при этом угол при вершине конуса составляет более 85°, а адаптер дополнительно включает в себя оболочку с установленными на ее поверхности ребрам. Ребра располагаются как вдоль образующей конуса, так и под углом к ней, соединяя опорные места верхнего и нижнего фланца. Кольцевое ребро перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера. На верхний фланец при помощи клеемеханического соединения устанавливается металлический шпангоут.В отверстия нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические втулки. Оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий площадку для установки элементов навесного оборудования. Недостатками данного аналога являются несоответствие требуемым параметрам конфигурации заявляемого АК КА, а также отсутствие интеграции верхнего шпангоута в конструкцию, что приводит к потере прочности, жесткости конструкции, а также снижению надежности соединения ребер сетчатой оболочки со шпангоутом.
- Патент №2148496 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов» Оболочка вращения конической или гиперболической формы содержит набор из спиральных и кольцевых ребер, равномерно смещенных друг относительно друга. Ребра выполнены из лент однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим. При этом кольцевые ребра имеют профили поперечных сечений в форме параллелограмма или трапеции. Площадь сечений может возрастать с увеличением диаметра оболочки, а ребра могут быть снабжены внутренними кольцевыми выступами. Недостатком данного аналога является неравнопрочность сетчатой структуры, что объясняется равномерным распределением кольцевых ребер без учета воздействия наибольших локальных нагрузок в торцах.
- Патент №186237 «Адаптер в виде многогранной конической оболочки из композиционных материалов», включающий в себя конструкцию оболочечного типа, верхний и нижний концевые шпангоуты, скрепленные с конструкцией с помощью заклепочного соединения. Конструкция оболочечного типа представляет собой многогранную коническую оболочку, выполненную из композиционных тканевых заготовок, скрепленных полимерным связующим. Верхний концевой шпангоут выполнен с локальными интерфейсными и установочными площадками. Нижний концевой шпангоут выполнен в виде интерфейсных накладок, имеющих посадочную и опорную части. На многогранной конической оболочке между интерфейсными накладками выполнены краевые вырезы. Недостатком данного аналога является несоответствие требуемым параметрам конфигурации заявляемого АК КА, отсутствие возможности снижения массы изделия из-за особенностей схем армирования, когда коническая оболочка выполнена не сетчатой, а сплошной из композитных тканевых заготовок.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов», известный из описания изобретения к патенту РФ №2350818, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, при этом локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.
:
Недостатками прототипа являются
- низкая технологичность и неравнопрочность сетчатой структуры, что объясняется неравномерным распределением спиральных ребер, формирующим большое количество ячеек разных форм и размеров;
- высокая масса конструкции за счет большого количества спиральных ребер и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов;
- отсутствие мест и отверстий на верхней полке для стыковки с АК;
- отсутствие мест и отверстий для установки элементов устройства отделения (УО) на верхней полке;
- отсутствие мест и отверстий для стыковки с сопрягаемым РБ по нижней полке.
Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: АК КА, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, чтоАК КА представлен в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон; верхняя полка представляет собой верхний металлический шпангоут, а нижняя полка представляет собой нижний композитный шпангоут, которые выполнены с верхним и нижним интерфейсами. Верхний интерфейс представляет собой переходное металлическое кольцо, обеспечивающее стыковку АК с КА, имеющих отличающиеся посадочные диаметры; в переходном кольце верхнего интерфейса выполнены посадочные отверстия в местах крепления с КА и с АК, а также места и отверстия для установки оборудования УО. Нижний интерфейс представляет собой металлические хомуты и накладки, установленные с определенным шагом по окружности нижнего шпангоута в местах крепления с РБ, при этом, в нижнем шпангоуте и в нижнем интерфейсе в местах крепления с РБ выполнены посадочные отверстия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, показанными на фиг. 1 - 4:
- на фиг. 1 изображен общий вид АК КА;
- на фиг. 2 изображены конструктивные особенности АК КА;
- на фиг. 3 изображен вид А, показанный на фиг. 2;
- на фиг. 4 изображено сечение Б-Б, показанное на фиг. 3.
АК КА представляет собой сетчатую оболочку вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер 1, 2 из однонаправленных полимерных волокон. Верхняя полка представляет собой верхний металлический шпангоут 3, нижняя полка представляет собой нижний композитный шпангоут 4. Верхний и нижний шпангоуты 3, 4 выполнены с верхним и нижним интерфейсами 5, 6.
Верхний интерфейс 5 представляет собой переходное кольцо, обеспечивающее стыковку АК с КА, имеющих отличающиеся посадочные диаметры. В переходном кольце верхнего интерфейса 5 в местах крепления с КА и в местах крепления с АК с высокой точностью выполнены посадочные отверстия 7, а также места 8 и отверстия 9 для установки оборудования УО.
Нижний интерфейс 6 представляет собой хомуты и накладки, установленные с определенным шагом по окружности нижнего шпангоута 4 в местах крепления с РБ, с выполненными с высокой точностью посадочными отверстиями 11. Отверстия 11 могут быть использованы для монтажа такелажного оборудования.
Верхний и нижний интерфейсы 5, 6 могут быть соединены на шпангоутах 3, 4 посредством клея и закреплены при помощи металлического крепежного соединения 12. Рекомендуется выполнять верхний и нижний интерфейсы 5, 6 из металлических сплавов.
Сетчатая структура АК КА с верхним и нижним шпангоутами 3, 4 изготавливается с учетом требований к конструкции с использованием технологии изготовления методом «мокрой» намотки из углепластика на основе углеродного волокна, пропитанного эпоксидным связующим.
АК КА характеризуется следующими параметрами:
- высота спиральных ребер от 19 до 21,5 мм;
- высота кольцевых ребер от 21,4 мм;
- толщина спиральных ребер от 6,5 до 9,5 мм;
- толщина кольцевых ребер от 3,5 до 4,5 мм;
- угол ориентации спиральных ребер относительно образующей 20°15’;
- угол конусности 20°51'42''.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей.
Данный технический результат достигается за счет:
- обеспечение стыковки с КА за счет конструктивных особенностей верхнего интерфейса и организации в нем посадочных отверстий и поверхностей;
- организации мест и отверстий для установки элементов УО на верхнем металлическом шпангоуте;
- обеспечение стыковки с РБ, за счет организации в нижнем интерфейсе посадочных отверстий.