СПОСОБ СБОРКИ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD FOR ASSEMBLY OF LOAD-BEARING STRUCTURE OF SMALL SPACECRAFT

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании малых космических аппаратов (МКА), запускаемым групповым и попутным способом.
Основными сегментами космического рынка являются телекоммуникация, навигация и дистанционное зондирование Земли. Для обеспечения телекоммуникацией и навигацией, чаще всего, используются космические аппараты (КА) среднего и тяжелого класса. Однако одним из наиболее перспективных считается рынок МКА, применение которых достаточно широко: сельское хозяйство, планирование строительства объектов, экологический контроль, лесное хозяйство, поиск природных ресурсов, а также другие области экономической деятельности.
Благодаря передовым научным, инженерно-техническим и технологическим решениям в мире, наряду с увеличением срока активного существования, наблюдается заметное снижение массы оборудования, устанавливаемого на КА. Кроме того, с развитием технологий, появилась возможность ретрансляции большого объема информации с помощью МКА.
Использование МКА позволяет получить преимущества перед аппаратами среднего и тяжелого класса: снижение затрат на запуск, возможность оперативного внедрения в практику передовых информационно-связных технологий, снижение времени создания и окупаемости, обеспечение гибкости в создании и поддержании группировок КА.
В связи с этим, появились возможности более эффективного применения МКА, с массой до 1 т. В свою очередь, уменьшение массы КА позволяет применить для их выведения ракеты-носители легкого класса или выводить их в качестве дополнительной (попутной) полезной нагрузки к основному КА, что увеличивает количество выводимых КА в год, а следовательно, способствует росту функционирующей орбитальной группировки.
Известен каркас сканера высокой разрешающей способности из углепластика для крепления оптических элементов и узлов КА, несущие стенки которого выполнены из углепластика для обеспечения термостабильности его конструкции, рассмотренного в сборнике научных трудов, выпуск 1 (73), 2013 г. «Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов», стр. 40-51. Конструкция каркаса КА состоит из композитного материала. Для закрепления стенок между собой используются титановые втулки, для обеспечения термического баланса используются втулки из теплоизоляционного материала.
Недостатком указанной конструкции является отсутствие элемента, обеспечивающего жесткость и прочность конструкции, а также отсутствие возможности многократной сборки-разборки конструкции.
Известна космическая платформа для МКА, защищенная патентом RU 132422 U1, в которой корпус выполнен в виде параллелепипеда из сотовых панелей. Термостабилизация конструкции достигается встроенными в состав сотопанелей тепловыми трубами. Оборудование располагается как внутри, так и снаружи корпуса платформы. Соединение сотопанелей выполнено винтовым.
Недостатком известной конструкции является применение сотовых конструкций, что влечет за собой технологическую сложность изготовления (наличие оборудования для изготовления сотопанелей, увеличенный цикл изготовления и прочее), использование для термостабилизации тепловых труб, приводящих к увеличению массы и усложнению процесса изготовления изделия.
Известная несущая конструкция корпуса оптико-электронного модуля из углепластика для КА, опубликованная в сборнике «Авиационная и ракетно-космическая техника», 2016 г., стр. 571-577, согласно которому корпус должен сохранять геометрические параметры в заданных пределах, быть прочным и жестким, обеспечивать стабильности угловых и линейных размеров. В качестве материала корпуса выбран композиционный материала с учетом низкой температурной деформации и высоким упруго-прочностными характеристикам.
Недостатками конструкции являются: сложность выполнения посадочных мест под оборудование (необходимость впекания элементов на этапе полимеризации), отсутствие возможности снятия излишнего тепловыделения оборудования, увеличение жесткости конструкции за счет увеличения толщины стенок и введения ребер жесткости конструкции, что влечет за собой увеличение массы изделия.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является патент RU 2651309 С1 «Космический аппарат дистанционного зондирования Земли микрокласса», согласно которому КА содержит корпус в форме параллелепипеда, состоящий из боковых панелей, закрепленных на шпангоуте служебной аппаратуры в виде фрезерованной плиты. На боковых и верхней панелях, а также на крышке камеры, со стороны нижней панели, установлены солнечные батареи. На плите смонтированы: блок питания и управления, антенны УКВ-диапазона, передатчик Ка-диапазона, гироскоп и звёздные датчики. Под плитой закреплены посредством шпангоута оптико-электронная система, двигатели-маховики и др. элементы. На верхней панели установлены GPS-антенна и антенны УКВ-приемопередатчика. Угловые ребра в стыках боковых панелей играют роль опорных направляющих при взаимодействии КА с транспортно-пусковым контейнером.
Описанный способ принят за прототип изобретения.
Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ сборки несущей конструкции МКА, заключающийся в том, что сборку корпуса проводят на основании, которое закрывают фрезерованными плитами, крепящимся к нему.
Недостатками известного способа являются: отсутствие жесткого основания из композитного материала для обеспечения жесткости конструкции на всех этапах эксплуатации КА, панели солнечных батарей, выполненные на базе многослойных печатных плит, - утяжеляют конструкцию, а наличие дополнительных подкреплений косынками - усложняет конструкцию.
Общим недостатком описанных выше способов является отсутствие унифицированной схемы последовательности сборки, обеспечивающей точный порядок действий на этапе изготовления КА.
В основу настоящего изобретения положена техническая проблема создания способа сборки МКА с совместным использованием композитных и металлических материалов, обладающего меньшим весом, высокой точностью взаимного расположения посадочных мест под оборудование, наряду с обеспечением тепловых связей между оборудованием, механической прочностью, жесткостью и многократной сборкой-разборкой изделия.
Поставленная техническая проблема решается способом сборки МКА, заключающимся в том, что сборку проводят на жестком композитном основании, являющимся составной частью КА, имеющим металлический шпангоут и плиту-основание, к которому крепятся при помощи титановых крепежных элементов алюминиевые плиты. Точность взаимного положения плит друг относительно друга, а так же возможность многократной сборки-разборки изделия обеспечивается за счет применения штифтов и последовательной взаимосвязанной механической обработки плоскостей изделия на каждом этапе монтажных операций. Оптимальные тепловые связи обеспечиваются за счет применения в составе конструкции разнородных материалов – металлов и неметаллов.
Таким образом, решением проблемы является выработка оптимизированной последовательности сборочных, монтажных работ, с целью обеспечения необходимых жесткостных параметров конструкции и механической обработки на каждом этапе сборки.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг. 1 – общий вид конструкции МКА;
- на фиг. 2 – расположение плит (составных сборочных единицы) конструкции МКА;
- на фиг. 3 – состав основания;
- на фиг. 4 – крепежный элемент (штифт) для однозначного положения плит друг относительно друга;
- на фиг. 5 – элементы крепежа конструкции.
Сборку конструкции МКА осуществляют последовательно. Вначале изготавливается основание (фиг. 3), состоящее из основного элемента – полого конуса 8, выполненного из композитного материала, закрепленных к конусу плиты-основания 9 и верхнего шпангоута 10, а также установочных кронштейнов 11. Элементы 9, 10, 11 выполнены из металла, например, алюминия. По завершению сборки основания производится механическая обработка базовой плоскости, находящейся на плите-основании 9, с целью получения требуемой точности базовой поверхности. Плита-основание 9 впоследствии становится установочной базой, относительно которой ведется вся последующая обработка сборочной единицы для установки плит. После этого, основание крепится к технологической оснастке базовой плоскостью, производится механическая обработка плоскостей и отверстий плиты-основания 9 и верхнего шпангоута 10 по осям ±Z. Основание закрывают фрезерованными плитами 2, 3 по осям ±Z (фиг. 2) и крепятся к нему при помощи крепежа 16, а позиционируются при помощи штифтов 14. Плиты выполнены в виде сборочных единиц, содержащих титановые резьбовые втулки для обеспечения собираемости конструкции, а также гайки металлизации.
По завершению монтажа плит по осям ±Z, производится механическая обработка поверхности и отверстий для установки плиты по оси –Y, посадочных поверхностей под оборудование, а также производится монтаж плиты 4, расположенной по направлению оси –Y.
После этого, производится механическая обработка всех оставшихся поверхностей и отверстий для монтажа плиты 7 и производится монтаж плиты 7, расположенной по направлению оси –X, с последующей механической обработкой посадочных поверхностей под оборудование.
На заключительном этапе производится установка кронштейнов 6 и сотопанели 5 по оси +X, обеспечивающих температурную развязку и взаимное положение элементов конструкции для достижения и обеспечения оптимальных тепловых связей между оборудованием, находящемся на сотопанели 5 и плитах 2, 3, 4, 7.
Для однозначного положения плит 12, 13 (фиг. 4) друг относительно друга, обеспечения высокой точности взаимного расположения посадочных мест под оборудование - предусмотрены штифты 14.
Для свинчивания изделия, обеспечения многократной сборки и разборки изделия в плитах предусмотрены резьбовые титановые втулки 15, которые стопорятся в плитах с помощью клеевой композиции. Закрепление плит осуществляется при помощи металлических крепежных элементов: титановых болтов 16, алюминиевой шайбы 17, стальной пружинной шайбы 18 (фиг. 5), тем самым достигается необходимая механическая прочность и жесткость изделия.
Конечным результатом сборки является прочная и жесткая конструкция МКА, выполненная из металлических и неметаллических материалов, что обеспечивает, наряду с механической прочностью и жесткостью минимальную массу изделия (фиг. 1).
Таким образом, предлагаемый способ сборки МКА, заключающийся в том, что сборку проводят на жестком композитном основании, являющимся составной частью КА, имеющим металлический шпангоут и плиту-основание, к которому крепятся при помощи титановых крепежных элементов с использованием штифтов алюминиевые плиты, механически обрабатываемые на каждом этапе монтажных операций позволяет достигнуть поставленной задачи – минимальную массу изделия, высокую точность взаимного расположения посадочных мест под оборудование, наряду с обеспечением тепловых связей между оборудованием, механической прочностью, жесткостью и многократной сборкой-разборкой изделия.