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 целевой и бортовой аппаратурой (БА), крыльев солнечной батареи, баков хранения рабочего тела, а также, элементов системы отделения.
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 характеристик основных параметров:
высокой степени надежности;
высокой степени унификации;
высокой степени технологичности;
размеростабильности;
низкой себестоимости;
низкой массы.
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, 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, достижение баланса которых и является технической проблемой.
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. Исходя из этих условий, определяют угол наклона и количество спиральных ребер, количество и шаг кольцевых ребер, которые задают боковую жесткость, а также придают свойство самостабилизации оболочке вращения СКК. Параметры ребер подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции оболочки. Конфигурация сетчатой оболочки определяется специальным расчетом, учитывая также размещение оборудования, при этом сетчатая оболочка может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана «Силовая конструкция корпуса космического аппарата» известная из описания полезной модели к патенту РФ № 196913, которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы – шпангоуты, образованные замкнутыми по окружности профилями, причем один из шпангоутов имеет профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры.
Недостатками прототипа являются
несоответствие требуемым параметрам конфигурации заявляемой СКК КА;
отсутствие дополнительных кольцевых ребер для установки бака рабочего тела, а также БА.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является совершенствование конструкции СКК КА в соответствии с требуемыми параметрами конфигурации.
Поставленная задача решается тем, 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, при этом на торцах оболочки вращения закреплены усиливающие элементы – шпангоуты, образованные замкнутыми по окружности профилями, причем один из шпангоутов имеет профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры. При этом сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительные кольцевые ребра различных типов, а шпангоуты выполнены с нижним и верхним интерфейсами.
Спиральные ребра образованы профилями, ориентированными под углом к плоскости шпангоутов, и пересекаются между собой, при этом спиральные ребра расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра образованы замкнутыми по окружности профилями, ориентированными параллельно плоскости шпангоутов, и расположены между шпангоутами с равным шагом друг от друга.
Сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительное кольцевое ребро первого типа, образованное замкнутым по окружности профилем, которое ориентировано параллельно плоскости шпангоутов, расположено в центре сетчатой структуры оболочки вращения и предназначено для крепления бака рабочего тела.
Сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительные усиленные кольцевые ребра второго типа, образованные замкнутыми по окружности профилями, которые ориентированы параллельно плоскости шпангоутов, расположены парно с равным шагом друг от друга в количестве шести штук ближе к шпангоуту с нижним интерфейсом и предназначены для крепления БА.
Шпангоут с нижним интерфейсом может быть выполнен из металлических сплавов.
Шпангоут с нижним интерфейсом может иметь включения элементов, выполненных из металлических сплавов.
Шпангоуты с нижним и верхним интерфейсами выполнены с посадочными местами и технологическими отверстиями.
На шпангоуте с верхним интерфейсом расположены с равным угловым шагом хомуты различных типов, выполненные из металлических сплавов с резьбовыми вставками.
Оболочка вращения выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Техническими результатами при использовании СКК КА с приведенной совокупностью признаков являются
реализация возможности крепления модулей КА с целевой и бортовой аппаратурой, крыльев солнечной батареи, баков хранения рабочего тела, а также, элементов системы отделения;
достижение баланса оптимальных значений основных параметров СКК КА в соответствии с современными требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-8:
фиг. 1 – общий вид СКК;
фиг. 2 – вид спереди СКК;
фиг. 3 – выносной элемент А – сетчатая структура оболочки вращения;
фиг. 4 – вид Б – вид сверху (шпангоут с верхним интерфейсом);
фиг. 5 – вид В – вид снизу (шпангоут с нижним интерфейсом);
фиг. 6 – вид Д – особенности конструкции шпангоута с верхним интерфейсом;
фиг. 7 – вид Г – особенности конструкции шпангоута с нижним интерфейсом;
фиг. 8 – сечение Е-Е.
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 3, 4, при этом на торцах оболочки вращения закреплены усиливающие элементы – шпангоуты 1, 2, образованные замкнутыми по окружности профилями, причем один из шпангоутов 2 имеет профилирующие пазы под ребра 3, 4 сетчатой структуры. При этом сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительные кольцевые ребра 5, 6 различных типов, а шпангоуты 1, 2 выполнены с нижним и верхним интерфейсами.
Спиральные ребра 3 образованы профилями, ориентированными под углом к плоскости шпангоутов 1, 2, и пересекаются между собой, при этом спиральные ребра 3 расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов 1, 2 и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра 4, образованы замкнутыми по окружности профилями, ориентированными параллельно плоскости шпангоутов 1, 2, и расположены между шпангоутами 1, 2 с равным шагом друг от друга.
Сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительное кольцевое ребро 5 первого типа, образованное замкнутым по окружности профилем, которое ориентировано параллельно плоскости шпангоутов 1, 2, расположено в центре сетчатой структуры оболочки вращения и предназначено для крепления бака рабочего тела.
Сетчатая структура оболочки вращения имеет дополнительные усиленные кольцевые ребра 6 второго типа, образованные замкнутыми по окружности профилями, которые ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 1, 2, расположены парно с равным шагом друг от друга в количестве шести штук ближе к шпангоуту 2 с нижним интерфейсом и предназначены для крепления БА.
Шпангоут 2 с нижним интерфейсом может быть выполнен из металлических сплавов.
Шпангоут 2 с нижним интерфейсом может иметь включения элементов 13, выполненных из металлических сплавов.
Шпангоуты 1, 2 с нижним и верхним интерфейсами выполнены с посадочными местами 10 и технологическими отверстиями 9, 11, 12.
На шпангоуте 1 с верхним интерфейсом расположены с равным угловым шагом хомуты 7, 8 различных типов, выполненные из металлических сплавов с резьбовыми вставками.
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 оболочки вращения 2600 мм;
диаметр оболочки вращения 1196 мм;
высота ребер 16 мм;
толщина спиральных ребер 5мм;
толщина кольцевых ребер 4 мм;
толщина дополнительного кольцевого ребра первого типа 4 мм;
толщина дополнительных усиленных кольцевых ребер второго типа 25 мм;
угол ориентации спиральных ребер относительно образующей 7,5.
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.