Узел усиления силовой сетчатой конструкции космического аппарата

Полезная модель относится к области усиления конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), применяемых в различных отраслях, например космической, в частности для локального усиления высоконагруженных мест крепления силовых сетчатых конструкций космического аппарата (ССК КА).
Известно, что наиболее нагруженными местами ССК, выполненной из ПКМ, являются зоны стыка КА с разгонным блоком (РБ), а именно, места установки замков устройства отделения (УО) но нижнему шпангоуту ССК из ПКМ. В связи с этим к нижнему шпангоуту ССК предъявляются повышенные требования по прочности и жесткости.
Из существующего уровня техники известен, изготовленный из композитного материала, фланец с механически обрабатываемой частью (патент RU 2481950), имеющий конструктивную часть, усиленную основной волокнистой структурой, и первую механически обрабатываемую часть, усиленную первой волокнистой структурой, которая отличается от основной волокнистой структуры, при этом матрицы конструктивной части и первой механически обрабатываемой части идентичны; при этом первая, механически обрабатываемая часть располагается на части, по меньшей мере, основной поверхности конструктивной части и механически обрабатывается по первой механически обрабатываемой поверхности; при этом пересечение первой механически обрабатываемой поверхности с волокнами основной волокнистой структуры равно нулю.
Недостатками известной конструкции являются сложность изготовления и низкая технологичность. Сложность изготовления характеризуется необходимостью предварительного формования кольцевых заготовок, устанавливаемых с противоположных сторон фланца, имеющих сложную геометрическую форму. Низкая технологичность обусловлена применением композитного материала заготовок, использование которого целесообразно только для замкнутых кольцевых форм и не позволяет выполнить локальное усиление, например полчетверти кольца. Кроме того композитный материал не позволяет получить высокое качество поверхности фланца, так как характеризуется низкой устойчивостью к механическим воздействиям.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является узел усиления шпангоута силовой сетчатой конструкции корпуса из полимерных композиционных материалов (варианты) (патент RU 2733309), по второму варианту состоящий из накладки и контрнакладки, скрепленных со шпангоутом ССК, выполненным из ПКМ при помощи клея и соединенных между собой крепежными элементами. Накладка представляет собой П-образный профиль, повторяющий наружный профиль шпангоута ССК, выполненного из ПКМ, устанавливается на шпангоут ССК со стороны стыковки с сопрягаемой конструкцией, а контр накладка представляет собой пластину, при необходимости разделенную на несколько частей, устанавливается на шпангоут ССК с противоположной от накладки стороны. Кроме того имеется дополнительная накладка с площадкой и бобышками с отверстиями для стыковки с сопрягаемой конструкцией, которая устанавливается на шпангоут ССК с противоположной от накладки стороны. Между накладкой и контр накладкой, дополнительной накладкой устанавливается набор шайб для обеспечения гарантированного зазора требуемой величины, при этом отверстия в накладке, контр накладке и дополнительной накладке для их соединения друг с другом, расположены за границами шпангоута ССК. Плоскость стыковки накладок с сопрягаемой конструкцией подвергается механической обработке, а в накладке, шпангоуте ССК и контр накладке выполняются сквозные отверстия для стыковки с сопрягаемой конструкцией. Данное техническое решение принято за прототип полезной модели.
Недостатками известной конструкции являются:
установка узла в обхват шпангоута ССК, выполненного из ПКМ, что приводит к увеличению габарита ССК по высоте на толщину накладки, а также к увеличению внутреннего и наружного диаметров ССК;
необходимость выполнения механической обработки узла после его установки на шпангоут, выполненный из ПКМ,  что снижает технологичность и увеличивает трудоемкость сборочных работ;
наличие трех типов накладок увеличивает номенклатуру деталей, усложняет и утяжеляет конструкцию КА;
установка узла осуществляется на шпангоут, выполненный из ПКМ, что не дает возможности установки узла на поздних этапах сборки.
Для заявленного устройства выявлены следующие общие существенные признаки: узел усиления силовой сетчатой конструкции космического аппарата, выполненной из ПКМ, состоящий из накладки, установленной на шпангоут ССК и скрепленной с ним при помощи клея и крепежных элементов.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является возможность сохранения габаритов ССК, выполненной из ПКМ, снижения массогабаритных характеристик КА, повышения степени технологичности (универсальности) узла ССК со шпангоутом и установки узла на поздних этапах сборки, а также сокращение трудоемкости.
Указанные проблемы решаются тем, что узел усиления ССК КА, выполненной из ПКМ, состоит из металлической, например, титановой накладки в форме пластины. Пластина имеет разные толщины стенок, выполненных ступенчато, для обеспечения равномерного распределения нагрузок от замка УО и вырезы для установки пластины в профилирующий паз и в места установки замков УО, обеспечивающие установку узла по внешней поверхности шпангоута. Накладка фиксируется при помощи клея, штифтов и болтового соединения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, показанными на фиг. 1, 2:
фиг. 1 - общий вид узла усиления ССК КА, выполненной из ПКМ, с алюминиевым шпангоутом;
фиг. 2 - общий вид установки узла усиления ССК КА, выполненной из ПКМ, с алюминиевым шпангоутом.
Узел усиления ССК, выполненной из ПКМ, состоит из металлической (например, титановой) накладки 1 в форме пластины, установленной по внешнему диаметру алюминиевого шпангоута 2 например, П-образного (на фиг. не показано), образованного замкнутым по окружности профилем прямоугольного сечения, имеющего профилирующие пазы под ребра ССК, выполненной из ПКМ, и локальные зоны усиления в местах установки замков 3 УО. Накладка 1 имеет вырезы, по которым она установлена в профилирующий паз алюминиевого шпангоута 2, а также в места установки замков 3 УО для обеспечения целостности алюминиевого шпангоута 2, при действии на него нагрузок от замков 3 УО. Разные толщины стенок накладки 1, выполненные ступенчато, обеспечивают равномерное распределение нагрузок от замка 3 УО. В накладке 1 выполнены отверстия разных диаметров для установки на алюминиевый шпангоут 2 при помощи штифтов 4 и болтового соединения 5, а также на клей.
Узел усиления ССК из ПКМ устанавливается на внешний диаметр алюминиевого шпангоута в профилирующий паз и в местах установки замков УО на клей, затем зажимается штифтами по нижнему ряду, далее гладкие отверстия, имеющиеся в накладке, рассверливают до отверстий большего диаметра для фиксации при помощи болтового соединения.
Работа заявленного узла усиления ССК из ПКМ заключается в повышении локальной прочности алюминиевого шпангоута в местах установки замков УО, за счет равномерного перераспределения нагрузок от замка УО по поверхности шпангоута контактирующей с узлом.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение технологичности узла усиления ССК КА за счет возможности локальной установки на шпангоут по внешней поверхности в профилирующий паз в места установки замков УО, что приводит к уменьшению массы конструкции по сравнению с усилением всего шпангоута, а также возможности установки на любом этапе сборки за счет отсутствия необходимости выполнения механической обработки после его установки.