СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА МОДУЛЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ 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) модуля полезной нагрузки (МПН) космического аппарата (КА) предназначена для крепления панелей корпуса МПН КА с бортовой и целевой аппаратурой и для стыковки с модулем служебных систем (МСС) КА.
СКК МПН КА должна иметь заданную несущую способность, обеспечивающую ее целостность при внешних воздействиях, т.е. обладать высокой жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к СКК МПН КА, являются требования по обеспечению оптимальных значений основных параметров:
– высокой степени надежности;
– высокой степени унификации;
– высокой степени технологичности;
– размеростабильности;
– низкой себестоимости;
– минимизации массовых характеристик.
При производстве КА значительную роль играет срок изготовления его составных частей. Применение технической унификации при изготовлении СКК МПН 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, МСС и МПН. Варианты исполнения модулей могут быть различны, с применением СКК и без.
Известно, что максимально удовлетворяют требования, предъявляемые к СКК оболочки вращения, имеющие сетчатую структуру, несущими элементами которой являются ребра, обеспечивающие одновременно мембранную и изгибную жесткость конструкции. Геометрическая форма СКК МПН КА в виде конуса, способствует равномерному распределению нагрузки на конструкцию МПН КА.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов в качестве материала изготовления СКК МПН 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 МПН 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 МПН 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 МПН КА должна сочетать в себе оптимальные значения основных параметров. Технической проблемой при производстве СКК МПН 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 и последующего функционирования. Нагрузки, действующие на данную СКК МПН КА конической формы, переменны по высоте и будут выражены минимально на верхнем торце и максимально на нижнем. Различие в нагрузках на торцах может достигать несколько десятков раз. Конфигурация конической сетчатой оболочки позволяет разместить дополнительное целевое оборудование в зоне полезного груза ракеты-носителя. Угол наклона ребер для данной СКК – это габаритный размер, необходимый для определения возможного количества размещаемого оборудования. В зависимости от требуемых нагрузок, а также прочности и боковой жесткости конструкции при проектировании СКК МПН КА подбирают оптимальное количество спиральных ребер, которые задают боковую жесткость. Наличие кольцевых ребер придает свойство самостабилизации сетчатой оболочке СКК МПН КА. Параметры ребер подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции сетчатой оболочки. Конфигурация сетчатой оболочки определяется специальным расчетом, при этом сетчатая оболочка СКК КА может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Таким образом, СКК МПН КА представляет собой оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой конической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер, с формированием ячеек нескольких типоразмеров, размер которых увеличивается по направлению к основанию. При этом торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными в структуру усиливающими элементами – шпангоутами, образованными замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и имеющими нижний и верхний интерфейсы.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструктивные исполнения адаптеров сетчатой конструкции, выполненной из композиционного материала полой конической формы, которые могут быть использованы при изготовлении изделий авиационной и ракетно-космической техники, с близкой совокупностью признаков по конфигурации сетчатой структуры:
– Патент РФ № 2148496 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов». Оболочка вращения конической или гиперболической формы содержит набор из спиральных и кольцевых ребер. 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.
– Патент РФ № 2189907 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов». Предлагаемый адаптер конической формы образован множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент. Ленты снабжены однонаправленными высокомодульными нитями, а слои скреплены полимерным связующим. При этом оболочка адаптера снабжена меридиональными широкими тонкослойными элементами, равномерно распределенными по 3-4 локальным зонам вдоль ее окружности. Эти элементы расположены между указанными слоями ленточных ребер друг над другом и с перекрытием ячеек между ребрами и скреплены полимерным связующим.
– Патент РФ № 2350818 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов». Адаптер содержит верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных 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, локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий Q, и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем это расстояние для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.
Недостатком указанных аналогов является несоответствие требуемым расчетным параметрам конфигурации заявляемой СКК МПН КА.
Из предшествующего уровня техники также известны различные конструктивные исполнения СКК КА сетчатой конструкции, выполненной из композиционного материала полой цилиндрической формы, которые могут быть использованы при изготовлении изделий авиационной техники, с близкой совокупностью признаков по конфигурации сетчатой структуры:
– Патент РФ № 2475412 «Оболочка отсека герметичного фюзеляжа магистрального самолета из полимерного композиционного материала и способ ее изготовления», выполнена в виде слоистой обшивки с сеткой подкрепляющих ребер. Сетка подкрепляющих ребер содержит винтовые ребра с боковыми поверхностями в виде поверхностей прямого геликоида правого хода с разворотом указанных ребер в области торца отсека и их переходом в винтовые ребра левого хода и наоборот, а также продольные ребра с их U-образным разворотом в зонах торцов отсека. Ребра равномерно распределены по поверхности отсека, сформированы послойно и выполнены непрерывными. Ребра состоят из слоев однонаправленных прядей волокон полимерного композиционного материала, скрепленных полимерным связующим. На сетке подкрепляющих ребер сформирована наружная слоистая обшивка из полимерного композиционного материала.
– Патент РФ № 2392122 «Сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов», образована 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 данных аналогов является отсутствие усиливающих элементов на торцах сетчатых конструкций, например, шпангоутов с интерфейсами, интегрированных в структуру сетчатой оболочки.
Необходимость усиления торцов вызвана обеспечением целостности ребер сетчатой оболочки, а также реализацией возможности стыковки с МСС КА, что предполагает наличие интерфейсов с посадочными местами и отверстиями.
Из предшествующего уровня техники также известны различные конструктивные исполнения СКК сетчатой конструкции, которые предназначены для крепления элементов конструкции КА и представлены в описании ниже.
Патент РФ № 2622304 «Силовая конструкция платформы космического аппарата», 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 (выполнены в виде шпангоутов, изображены на чертежах прототипа). Сетчатая конструкция в данном случае имеет изогридный тип, характеризующийся ячейками одного типоразмера с равномерным размещением их по всему объему оболочки.
Недостатком аналога является низкая несущая способность изогридной сетчатой оболочки, обусловленная отсутствием кольцевых ребер, что снижает надежность.
Для обеспечения прочности и жесткости СКК МПН КА целесообразно наличие кольцевых ребер в соответствии с переменным характером действующих комбинированных нагрузок.
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 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.
Недостатками прототипа являются цилиндрическая, а не коническая форма сетчатой оболочки, обусловленная требованиями при проектировании конфигурации к заявляемой СКК МПН КА, а также не соответствующие габаритным размерам интерфейсы.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение являются: совершенствование конструкции СКК МПН КА, повышение надежности, технологичности и степени унификации.
Поставленные задачи решаются за счет того, что СКК МПН КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер, с формированием ячеек нескольких типоразмеров, при этом торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными в структуру усиливающими элементами – шпангоутами, образованными замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения. Сетчатая оболочка имеет коническую форму, а шпангоуты выполнены с нижним и верхним интерфейсами, при этом размер ячеек увеличивается по направлению к шпангоуту с интерфейсом нижним.
Спиральные ребра 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 по окружности шпангоутов и соединяют их между собой, причем расстояние между спиральными ребрами увеличивается по направлению к шпангоуту с интерфейсом нижним.
Кольцевые ребра образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов и расположены между шпангоутами с неравным шагом друг от друга с увеличением расстояния по направлению к шпангоуту с интерфейсом нижним.
Шпангоуты выполнены с отверстиями.
Интерфейс нижний выполнен в виде накладок, расположенных с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом и фиксацией при помощи клея, при этом накладки выполнены с отверстиями.
Интерфейс верхний представлен в виде хомутов, расположенных на шпангоуте с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом посредством прижимов, при этом хомуты выполнены с отверстиями и бобышками.
Интерфейс верхний содержит два дополнительных хомута, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом при помощи клея и болтового соединения.
Сетчатая оболочка выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Техническими результатами при использовании СКК МПН КА с приведенной совокупностью признаков являются:
– достижение баланса оптимальных значений основных параметров СКК МПН КА в соответствии с современными требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам;
– реализация возможности размещения дополнительного целевого оборудования в зоне полезного груза ракеты-носителя посредством конфигурации данной конической сетчатой оболочки;
– достижение оптимальной конструктивной схемы для крепления сотовых панелей и других элементов конструкции, посредством конической формы СКК МПН КА.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными фигурами 1–7, где:
– на фиг. 1 изображен вид общий СКК МПН КА;
– на фиг. 2 изображен вид спереди СКК МПН КА;
– на фиг. 3 изображен выносной элемент А, показанный на фиг. 2 (общий вид интерфейса нижнего СКК МПН КА);
– на фиг. 4 отображен выносной элемент Б, показанный на фиг. 2 (общий вид интерфейса верхнего СКК МПН КА);
– на фиг. 5 изображен разрез В-В, показанный на фиг 3;
– на фиг. 6 отображен разрез Г-Г, показанный на фиг. 4;
– на фиг. 7 изображен разрез Д-Д, показанный на фиг. 4.
СКК МПН КА содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер 1, 2, с формированием ячеек нескольких типоразмеров, при этом торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными в структуру усиливающими элементами – шпангоутами 3, 4, образованными замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения. Сетчатая оболочка имеет коническую форму, а шпангоуты 3, 4 выполнены с нижним и верхним интерфейсами, при этом размер ячеек увеличивается по направлению к шпангоуту 4 с интерфейсом нижним.
Спиральные ребра 1 образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 3, 4, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов 3, 4 и соединяют их между собой, причем расстояние между спиральными ребрами 1 увеличивается по направлению к шпангоуту 4 с интерфейсом нижним.
Кольцевые ребра 2 образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 3, 4 и расположены между шпангоутами 3, 4 с неравным шагом друг от друга с увеличением расстояния по направлению к шпангоуту 4 с интерфейсом нижним.
Шпангоуты 3, 4 выполнены с отверстиями.
Интерфейс нижний выполнен в виде накладок 5, расположенных с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом 4 и фиксацией при помощи клея, при этом накладки 5 выполнены с отверстиями.
Интерфейс верхний представлен в виде хомутов 6, расположенных на шпангоуте 3 с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом 3 посредством прижимов 7, при этом хомуты 6 выполнены с отверстиями и бобышками.
Интерфейс верхний содержит два дополнительных хомута 8, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом 3 при помощи клея и болтового соединения.
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 методе 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 повышенная прочность при малой собственной массе, что позволяет добиться оптимального соотношения массы конструкции и полезной нагрузки. Другими преимуществами метода намотки являются:
– быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки армирующего мате-риала;
– недорогие материалы.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной кон-фигурации.
Ребра сетчатой оболочки выполнены из углеродной нити марки M46J и связующего ЭХД-МД. СКК КА характеризуется следующими параметрами:
– высота ребер 15 мм;
– толщина спиральных, кольцевых, продольных, дополнительных кольцевых и продольных ребер  – от 3 до 5 мм;
– угол ориентации спиральных ребер относительно образующей варьируется от 40 до 75°.
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.