АДАПТЕР КОНИЧЕСКИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛЕГКОГО КЛАССА

Полезная модель относится к космической отрасли, в частности к силовым конструкциям сетчатого типа, и может быть использована в космических аппаратах.
Адаптер конический (АК) космического аппарата (КА) легкого класса - конструктивный силовой элемент, промежуточное звено, соединяющее между собой КА и разгонный блок (РБ), передающее нагрузки между ними.
АК КА должен иметь заданную грузоподъемность (несущую способность), обеспечивающую его целостность при внешних воздействиях, а также надежную фиксацию КА с РБ, т.е. обладать повышенной жесткостью и прочностью.
В зависимости от массы КА можно условно выделить следующие группы:
- КА легкого класса - до 2000 кг;
- КА среднего класса - до 3500 кг;
- КА тяжелого класса - до 4500 кг;
- КА сверхтяжелого класса - до 5000 кг.
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.
Из существующего уровня техники известны конструкции адаптеров, представленные в ряде описаний изобретений к патентам РФ:
- Патент № 2483927 «Адаптер в виде подкрепленной оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов».
- Патент № 2148496 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов».
- Патент № 186237 «Адаптер в виде многогранной конической оболочки из композиционных материалов».
- Патент № 2350818 «Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов».
Также известен зарубежный аналог адаптера, который может быть использован в изделиях аэрокосмической техники. Зарубежный аналог представлен в описании изобретения к патенту США № 3940891 «Сonical structure».
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран «Адаптер конический космического аппарата», известный из описания полезной модели к патенту РФ № 212849, выполненный в виде сетчатой оболочки вращения конической формы, содержит верхнюю и нижнюю полки, образован пересечением множества спиральных и кольцевых ребер, спиральные ребра расположены с одинаковым шагом друг от друга, формируя ячейки треугольной и шестиугольной формы, и соединяют верхнюю и нижнюю полки между собой. Верхняя полка представляет собой верхний металлический шпангоут имеющий форму кольца, в пазы которого интегрированы кольцевые и спиральные ребра. Нижняя полка представляет собой нижний композитный шпангоут, на который в местах крепления с разгонным блоком установлены металлические накладки. На верхнем металлическом шпангоуте, в местах крепления с космическим аппаратом, выполнены посадочные отверстия, а на нижнем композитном шпангоуте и металлических накладках, в местах крепления с разгонным блоком, выполнены посадочные отверстия.
Недостатком прототипа является низкая надежность конструкции верхнего и нижнего шпангоута, обусловленная отсутствием элементов крепления на верхнем шпангоуте, а также недостаточно равномерным распределением нагрузки по нижнему шпангоуту.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности конструкции АК КА.
Поставленная задача решается за счет того, что АК КА легкого класса, в виде сетчатой оболочки вращения конической формы, содержит верхнюю и нижнюю полки, образован пересечением множества спиральных и кольцевых ребер, при этом спиральные ребра расположены с одинаковым шагом друг от друга, формируют ячейки треугольной и шестиугольной формы и соединяют верхнюю и нижнюю полки между собой. Верхняя полка представляет собой верхний металлический шпангоут, имеющий форму кольца, в пазы которого интегрированы кольцевые и спиральные ребра. Нижняя полка представляет собой нижний композитный шпангоут, на который в местах крепления с разгонным блоком установлены металлические накладки. На верхнем металлическом шпангоуте, в местах крепления с космическим аппаратом, выполнены посадочные отверстия, а на нижнем композитном шпангоуте и металлических накладках, в местах крепления с разгонным блоком, выполнены посадочные отверстия. Металлические накладки на нижнем композитном шпангоуте имеют два типоразмера. Посадочные отверстия на верхнем металлическом шпангоуте выполнены сквозными, в данные отверстия, со стороны стыковки с космическим аппаратом, установлены шпильки с буртиком, закрепленные гайками с шайбами с обратной стороны верхнего шпангоута.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является гарантия целостности АК КА (для КА легкого класса массой до 2000 кг) при стыковке с сопрягаемыми конструкциями, за счет организации на верхнем металлическом шпангоуте посадочных сквозных отверстий, в которые установлены шпильки с шайбами и гайками, а также за счет равномерного усиления нижнего композитного шпангоута металлическими накладками двух типоразмеров.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными фигурами 1-4, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид АК КА легкого класса;
- на фиг. 2 изображены конструктивные особенности АК КА легкого класса;
- на фиг. 3 изображены конструктивные особенности верхнего металлического шпангоута АК КА легкого класса;
- на фиг. 4 изображены конструктивные особенности нижнего композитного шпангоута АК КА легкого класса с металлическими накладками двух типоразмеров.
АК КА легкого класса представляет собой оболочку вращения полой конической формы, выполненную из композиционного материала, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер 1 и 2, с формированием ячеек двух типоразмеров 3 и 4 соответственно. При этом на верхнем торце сетчатой оболочки закреплен усиливающий элемент - верхний металлический шпангоут 5, который образован замкнутым по окружности профилем со спиральными и кольцевым профилирующими пазами под спиральные ребра 1 и кольцевое ребро 2 сетчатой структуры. Нижний торец сетчатой структуры образован нижним композитным шпангоутом 6, на который в местах крепления с РБ установлены металлические накладки двух типов 7 и 8.
Спиральные ребра 1 могут быть образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 5, 6, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом вдоль цилиндрической поверхности сетчатой оболочки и соединяют шпангоуты 5 и 6 между собой.
Кольцевые ребра 2 могут быть образованы замкнутым по окружности профилем прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно оси симметрии сетчатой оболочки и расположено между шпангоутами 5 и 6.
На верхнем металлическом шпангоуте 5 в местах крепления с КА могут быть выполнены посадочные сквозные отверстия 9, в которые, со стороны стыковки с космическим аппаратом, установлены шпильки 10 с буртиком 11, закрепленные гайками 12 с шайбами 13 с обратной стороны верхнего металлического шпангоута 5.
На нижнем композитном шпангоуте 6 и металлических накладках 7 и 8, в местах крепления с РБ, могут быть выполнены посадочные отверстия 14 и 15 соответственно.
АК КА легкого класса 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;
- возможность применения недорогих отечественных материалов.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной конфигурации.
Ребра сетчатой оболочки выполнены из углеродной нити марки M46J (отечественный аналог UMT430) и связующего ЭХД-МД. АК КА легкого класса характеризуется следующими параметрами:
- количество кольцевых ребер на верхнем шпангоуте - 1 шт.;
- количество спиральных ребер - 96 шт.;
- высота ребер от 20 до 21 мм;
- толщина спиральных ребер - от 5 до 9 мм;
- толщина кольцевых ребер - от 4 до 5 мм;
- угол ориентации спиральных ребер относительно образующей 15°.
Применение унификации при изготовлении данной АК КА также дает технико-экономические преимущества, выраженные в снижении издержек и сроков производства посредством применения типовых технологических процессов при создании ряда модификаций АК для КА легкого, среднего тяжелого и сверхтяжелого класса.