СИЛОВОЙ КОРПУС КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
SPACE TELESCOPE MAIN FRAME

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано при создании различных корпусов, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур.
Известен корпус КТ в виде фермы, состоящий из продольных стержней, расположенных под углом к оси фермы, и поперечных стержней, соединенных с продольными в узлах. С целью уменьшения дефокусировки телескопа поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, чем продольные стрежни (см. журнал «Полет» №6, стр.42, 2000 г., УДК 629.7 «Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размерностабильных силовых конструкций летательных аппаратов.» Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин).
Известен силовой корпус КТ в виде фермы, включающий продольные поперечные и диагональные стержни, соединенные между собой в узлах пересечения, при этом поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, а длины и коэффициенты линейного расширения связаны между собой соответственно (см. журнал «Полет» №5, стр.51, 2001 г. Проектирование размерностабильных конструкций повышенной жесткости, адаптивных к действию градиентов температур. Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин). - прототип.
Известный силовой корпус в виде фермы, а также вышеописанный, не обеспечивает достаточную стабильность линейных размеров от действия температур, так как для сохранения длины корпуса - увеличивается его поперечный размер, что приводит к увеличению дефокусировки космического телескопа.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, то есть обеспечение стабильности продольных и поперечных линейных размеров корпуса КТ в неравномерном поле температур с целью уменьшения дефокусировки телескопа.
Задача решается тем, что в силовом корпусе КТ, состоящем из продольных, поперечных и диагональных пластин, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом диагональные, продольные и поперечные пластины выполнены в виде криволинейных биметаллических пластин, причем геометрические размеры каждой из пластин и физико-механические характеристики применяемых для пластин материалов связаны соотношениями:
;
1
2
1
2
где α, α - коэффициенты линейного расширения материалов слоев биметаллических пластин, α>α;
1
2
h, h - толщины слоев материалов слоев биметаллических пластин;
K - коэффициент, учитывающий упругость пластин в местах их соединения в узлах;
0
R - радиус кривизны каждой из биметаллических пластин (по спаю слоев);
β - угол полураствора каждой из криволинейных биметаллических пластин;
1
2
E, E - модули упругости первого рода материалов слоев биметаллических пластин.
На фиг.1, 2 изображен общий вид силового корпуса космического телескопа с высокой геометрической стабильностью по длине А к ширине Б при действии неравномерного действия температур.
Силовой корпус состоит из продольных, поперечных и диагональных биметаллических пластин 1, 2, 3, соединенных между собой в узлах пересечения 4.
На фиг.3 изображен общий вид размерностабильной биметаллической пластины силового корпуса КТ.
На фиг.4, 5 изображен процесс деформирования размерностабильных биметаллических пластин от действия положительного и отрицательного перепадов температур соответственно.
x
На фиг.6, 7 изображен элементарный участок длиной d криволинейной биметаллической пластины.
1
1
2
2
0
0
0
Слой каждой биметаллической пластины 1, 2, 3 толщиной h имеет коэффициент линейного расширения α (например, алюминиевый сплав АК4-1), называется активным в отличие от инертного слоя толщиной h с меньшим коэффициентом линейного расширения α (например, титановый сплав ОТ-4.). При действии положительного или отрицательного (T>T или T<T) перепада температуры t=Т-Т на биметаллическую пластину, она изгибается или расправляется изменяя нормальную кривизну поверхности  (фиг.3, 4, 5).
x
При этом ее края удлиняются или укорачиваются по оси Х на величину ΔX. Проекция деформации слоя спая от действия перепада температур равна ΔC и направлена в противоположную сторону и может быть равной по величине значению ΔX.
x
x
Для определения значений ΔX и ΔC выделим из криволинейной биметаллической пластины элементарный участок длиной d и начальной кривизной  (см. фиг.6).
0
Относительное удлинение волокна, отстоящего на расстоянии У от поверхности спая, складывается из двух величин. Из удлинения в спае ε и удлинения, обусловленного изгибом пластины
где  - новая кривизна.
Таким образом суммарное относительное удлинение волокна равно
1
Напряжения от действия температуры t, действующие в волокне, расположенном на расстоянии У от поверхности спая, для активного слоя толщиной h пластины равно
2
для инертного слоя толщиной h пластины равно
1
2
где E, E - модули упругости первого рода материалов слоев биметаллических пластин.
Нормальное усилие N и изгибающий момент M в сечении биметаллической пластины, подверженной только тепловому воздействию, равны нулю. Поэтому
здесь b - ширина биметаллической пластины.
1
2
Подставляя в выражение для N и М выражение для σ и σ и интегрируя, получим:
0
Исключая ε, определим изменение кривизны биметаллической пластины:
Очевидно, что изменение кривизны будет наибольшим, если
.
Биметаллические пластины 1, 2, 3, удовлетворяющие этому условию, называются нормальными.
Тогда наибольшее изменение кривизны для нормальной биметаллической пластины 1, 2, 3 равно
Зная изменение кривизны, определим перемещение края пластины (точка С) (фиг.4, 5) за счет ее изгиба, с помощью интеграла Мора.
1
где M - изгибающий момент от единичной нагрузки, приложенной в направлении искомого перемещения точки С,
0
l - длина биметаллической пластины по дуге радиуса R.
Подставляя в выражение для ΔХ выражение наибольшего изменения кривизны получим:
0
здесь β - угол полураствора криволинейной биметаллической пластины радиусом R.
Интегрируя данное выражение, определим:
Проекция деформации слоя спая на ось Х при действии температуры t равна
и направлена в противоположную сторону перемещения биметаллической пластины за счет ее изгиба (перемещение ΔX).
Таким образом из условия
определим соотношение геометрических размеров нормальных биметаллических пластин и физико-механические характеристики применяемых материалов обеспечивающее равенство нулю перемещение краев пластин:
;
где K - коэффициент, учитывающий упругость пластин корпуса в местах их соединения в узлах.
Для шарнирного соединения пластин можно принять .