Адаптер для выведения нескольких космических аппаратов

Полезная модель относится к космической технике и, в частности к адаптерам космических аппаратов, выводимых ракетой-носителем. Такой адаптер может быть использован на любом типе ракеты-носителя при необходимости одновременно транспортировать несколько тяжелых космических аппаратов посредством их расположения вблизи друг друга под головным обтекателем одной и той же ракеты-носителя.
Известен адаптер для попутного выведения полезных нагрузок, силовая ферма и опорный узел силовой фермы RU №148483, содержащий силовую ферму, средство крепления осевой полезной нагрузки и, по крайней мере, одно средство крепления боковой полезной нагрузки. Силовая ферма включает верхний и нижний пояса, восемь стоек, размещенных параллельно продольной оси адаптера, опорные узлы и диагональные раскосы, которые размещены между парами смежных стоек.
Недостатком этого устройства является невозможность размещения на нем более чем одной осевой полезной нагрузки, что делает невозможным применение такого адаптера для вывода на орбиту не менее двух однотипных полезных нагрузок.
Также известна космическая головная часть для одиночного и группового запуска спутников (RU №2293689), которая содержит переходной отсек для стыковки с последней ступенью ракеты, адаптер для установки спутников и головной обтекатель. Адаптер для установки спутников выполнен в виде кольцевой платформы и расположен в верхней части разгонного блока вокруг его приборного отсека. На кольцевой части адаптера выполнены посадочные отверстия для установки спутников вокруг разгонного блока, а в районе приборного отсека разгонного блока на этом адаптере выполнены посадочные отверстия для установки адаптера одиночного спутника, расположенного над разгонным блоком. Кольцевой адаптер содержит стыковочный шпангоут, при помощи которого он закреплен на верхнем стыковочном шпангоуте переходного отсека, а разгонный блок подвешен внутри переходного отсека при помощи узлов, закрепленных на приборном отсеке разгонного блока и на переходном отсеке.
К недостаткам данного устройства-аналога относится большая масса разгонного блока (особенно при увеличении количества полезных нагрузок, выводимых одной ракетой-носителем) и, как следствие, увеличение конструкционной массы элементов крепления и переходного отсека. Также недостатком является малая зона для размещения полезных нагрузок из-за больших габаритных размеров топливных баков маршевого двигателя разгонного блока, что приводит к сокращению количества полезных нагрузок при групповом запуске.
В качестве ближайшего аналога-прототипа выбран двухконусный адаптер для запуска блока трех космических аппаратов (А.А. Хахленкова. Двухконусный адаптер для запуска блока трех космических аппаратов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2016. Т. 17, №3. С. 748-759.), состоящий из двух сетчатых конических углепластиковых оболочек, имеющих один общий шпангоут для соединения с ракетой-носителем, и несущей панели, представляющей собой трехслойную пластину с двумя жесткими обшивками и скрепляющим их легким сотовым заполнителем. На несущей панели имеются места для закрепления полезных нагрузок и различных механических устройств для разделения адаптера и полезных нагрузок.
К недостаткам прототипа относится высокая масса конструкции адаптера в целом из-за неравнопрочности несущей панели. На Фиг. 1 (рис. 14 статьи) показана первая собственная форма колебаний адаптера; отчетливо видны большие деформации несущей панели в зоне установки космических аппаратов, в то время как большая часть панели не включена в колебания. Следовательно, незадействованные части панели могут быть вырезаны для снижения массы. Тогда общая жесткость адаптера останется практически неизменной, а снижение массы составит от 15% до 20%.
Для ракет-носителей в качестве полезной нагрузки выступают космические аппараты с сопутствующим оборудованием: адаптерами, механическими устройствами и др. Чем лучше соотношение массы космических аппаратов к общей массе полезной нагрузки ракеты-носителя, тем эффективнее могут быть выполнены задачи миссии. Соответственно, адаптер должен иметь как можно меньшую массу, и при этом обладать высокими прочностью и жесткостью. Таким образом, задачей полезной модели является снижение массы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в адаптере для выведения нескольких космических аппаратов, включающем две сетчатые конические углепластиковые оболочки, имеющих один общий шпангоут для соединения с ракетой-носителем, несущую панель, представляющую собой трехслойную пластину с двумя жесткими обшивками и скрепляющим их легким сотовым заполнителем, согласно заявленному техническому решению, несущая панель в наименее нагруженных участках имеет вырезы, а конические оболочки, в зоне установки космических аппаратов, имеют локальные усиления.
Техническим результатом является снижение массы адаптера при сохранении его механических характеристик за счет наличия в несущей панели вырезов в зонах, наименее нагружаемых при эксплуатации.
На Фиг. 3 представлен общий вид адаптера для выведения нескольких космических аппаратов. Адаптер для выведения нескольких космических аппаратов (Фиг. 4) состоит из двух конических углепластиковых оболочек - внешней 1 и внутренней 2, представляющих собой набор перекрещивающихся спиральных и кольцевых ребер одинакового поперечного сечения, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях. Конические оболочки имеют локальные усиления 10 в зоне соединения адаптера и космических аппаратов (Фиг. 5). Конические углепластиковые оболочки имеют один общий нижний металлический шпангоут 4 для соединения с ракетой-носителем. В верхней части конических оболочек расположена скрепленная с ними несущая панель 3.
Несущая панель 3 представляет собой трехслойную пластину (Фиг. 6) с верхней 5 и нижней 6 жесткими обшивками и скрепляющим их легким заполнителем 7. Жесткие обшивки 5, 6 небольшой толщины могут быть выполнены из композиционного материала, например, углепластика. Легкий заполнитель 7 - алюминиевый сотовый заполнитель. На несущей панели 4 организованы места 8 под крепление космических аппаратов, места для установки механических устройств отделения полезных нагрузок от адаптера (на фигуре не показаны) и места 9 для крепления верхних шпангоутов 11 конических оболочек. На несущей панели 3 в зоне между верхними шпангоутами 11 конических оболочек имеются сквозные вырезы 12. Наличие вырезов обусловлено тем, что в зоне между коническими оболочками на некотором расстоянии от точек установки космических аппаратов несущая панель нагружается незначительно. Согласно расчетам, вырезы в этих зонах позволяют уменьшить общую массу адаптера на величину от 15% до 20%. Форма вырезов определятся предварительным расчетом методом конечных элементов с использованием программных средств.
Описанный выше адаптер для выведения нескольких космических аппаратов работает следующим образом. По результатам проектирования космических аппаратов определяется их зона расположения под головным обтекателем ракеты-носителя и точки соединения с ракетой-носителем. На основании расположения этих точек проектируются конические оболочки 1 и 2: определяются диаметры верхних шпангоутов 11 (подбираются таким образом, чтобы зоны установки космических аппаратов располагались максимально близко к шпангоутам), а также участки для локальных усилений 10.
Сетчатые конические оболочки 1 и 2 изготавливаются из углепластикового материала методом непрерывной намотки и с помощью болтового соединения крепятся к общему нижнему металлическому шпангоуту 4, служащему для соединения адаптера с ракетой-носителем.
Затем по технологии сэндвич-панелей изготавливается несущая панель 3. В несущую панель вклеиваются закладные элементы 9, служащие для соединения с коническими оболочками, и элементы 8, необходимые для соединения с космическими аппаратами и их отделения. По результатам предварительных расчетов адаптера определяются наименее нагруженные зоны панели. В этих зонах в панели осуществляют сквозные вырезы 12.
Изготовленную несущую панель 3 монтируют на конические оболочки 1 и 2. Полученная сборка представляет собой адаптер для выведения нескольких космических аппаратов. На этот адаптер устанавливаются космические аппараты; адаптер с космическими аппаратами соединяется с ракетой-носителем.