СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к сетчатым конструкциям из композиционных материалов и может быть использована в изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Силовая конструкция корпуса (СКК) космического аппарата (КА) предназначена для крепления модулей КА с бортовой и целевой аппаратурой, крыльев солнечной батареи, баков хранения рабочего тела, а также, элементов системы отделения.
СКК КА должна иметь заданную несущую способность, обеспечивающую ее целостность при внешних воздействиях, т.е. обладать высокой жесткостью и прочностью. Другими требованиями, предъявляемыми к СКК КА, являются требования по обеспечению оптимальных значений основных параметров:
- высокой степени надежности;
- высокой степени унификации;
- высокой степени технологичности;
- размеростабильности;
- низкой себестоимости;
- низкой массы.
При производстве КА значительную роль играет срок изготовления его составных частей. Применение технической унификации при изготовлении СКК КА позволяет сократить время на адаптацию под конкретный КА, способствует реализации возможности более широкого применения СКК при создании КА различного целевого назначения.
На данный момент, как в отечественном, так и зарубежном производстве КА негерметичного типа, применяется модульный принцип построения, при котором КА состоит из нескольких конструктивно и функционально обособленных модулей, например, модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки, которые крепятся к одному каркасу СКК. Основные варианты исполнения СКК КА могут быть представлены в виде:
- конструкции из сотовых сэндвич-панелей (обшивок с сотовым заполнителем между ними);
- монолитной конструкции, без применения сотового заполнителя;
- оболочки вращения имеющей сетчатую структуру.
Известно, что из представленных выше вариантов исполнения оптимальными параметрами с учетом требований, указанных выше обладают оболочки вращения, имеющие сетчатую структуру, несущими элементами которой являются ребра, обеспечивающие одновременно мембранную и изгибную жесткость конструкции. Геометрическая форма СКК КА в виде цилиндра, способствует равномерному распределению нагрузки на конструкцию в целом.
Также известно, что применение полимерных композиционных материалов в качестве материала изготовления СКК КА позволяет снизить массу конструкций в среднем на 15-30 % по сравнению с металлическими конструкциями, помимо этого современные композиционные материалы (например, углепластики) превосходят алюминиевые сплавы по удельной жесткости в 2-3 раза, а по удельной прочности в 5-6 раз. Низкий коэффициент температурного расширения полимерных композиционных материалов, обеспечивает размеростабильность конструкции, при воздействии широкого спектра температур в условиях космической среды. СКК КА является интегральной - соединение ребер между собой, а также с другими элементами конструкции реализуется в процессе изготовления и полимеризации связующего композиционного материала. В настоящее время ребра СКК КА, изготовленные в промышленных условиях из высокомодульных углепластиков, имеют модуль упругости 185 ГПа, т.е. приближенный к модулю стали при плотности в 5,2 раза меньшей.
СКК КА должна сочетать в себе оптимальные значения основных параметров, достижение баланса которых и является технической проблемой.
Следует отметить, что выбор конфигурации и типа сетчатой конструкции при проектировании зависит от воздействия комбинации статических и динамических нагрузок. Также действие нагрузок может приводить к возникновению локальных напряжений ребер сетчатой оболочки СКК КА. Исходя из этих условий, подбирают оптимальное количество и размер продольных ребер, повышающих осевую жесткость сетчатой оболочки; определяют угол наклона и количество спиральных ребер, количество и шаг кольцевых ребер, которые задают боковую жесткость, а также придают свойство самостабилизации сетчатой оболочке СКК КА. Параметры ребер подбираются с обеспечением условия минимальной массы, а также необходимой прочности и жесткости конструкции сетчатой оболочки. Конфигурация сетчатой оболочки определяется специальным расчетом, при этом сетчатая оболочка СКК КА может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Таким образом, СКК КА представляет собой оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных, кольцевых и продольных ребер, с формированием ячеек нескольких типоразмеров. При этом спиральные ребра расположены парно, а торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными усиливающими элементами - шпангоутами, имеющими нижний и верхний интерфейсы.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструктивные исполнения СКК сетчатой конструкции:
- Патент РФ № 2475412 «Оболочка отсека герметичного фюзеляжа магистрального самолета из полимерного композиционного материала и способ ее изготовления», выполнена в виде слоистой обшивки с сеткой подкрепляющих ребер. Сетка подкрепляющих ребер содержит винтовые ребра с боковыми поверхностями в виде поверхностей прямого геликоида правого хода с разворотом указанных ребер в области торца отсека и их переходом в винтовые ребра левого хода и наоборот, а также продольные ребра с их U-образным разворотом в зонах торцов отсека. Ребра равномерно распределены по поверхности отсека, сформированы послойно и выполнены непрерывными. Ребра состоят из слоев однонаправленных прядей волокон полимерного композиционного материала, скрепленных полимерным связующим. На сетке подкрепляющих ребер сформирована наружная слоистая обшивка из полимерного композиционного материала. Недостатком данного аналога является отсутствие усиливающих элементов на торцах сетчатых конструкций, например, шпангоутов, интегрированных в структуру сетчатой оболочки.
Необходимость усиления торцов вызвана обеспечением целостности ребер сетчатой оболочки, а также реализацией возможности крепления элементов конструкции или средств выведения, что предполагает наличие интерфейсов с поверхностями и посадочными отверстиями.
- Патент РФ № 176806 «Изогридная (сетчатая) хвостовая балка вертолета, изготовленная из композиционных материалов», которая образована из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и продольных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и продольные ребра. Усиливающие шпангоуты состоят из слоев композиционного материала и слоев металлической фольги. На торцевом усиливающем шпангоуте, расположенном в районе хвостового оперения, установлена оболочка из композиционных материалов. Недостатком данного аналога является наличие дополнительных промежуточных усиливающих шпангоутов, а также хвостовой оболочки, существенно повышающих массу конструкции.
Из уровня техники также известны различные конструктивные исполнения СКК сетчатой конструкции, которые предназначены для крепления элементов конструкции КА и представлены в ряде описаний изобретений ниже.
Патент РФ № 2622304«Силовая конструкция платформы космического аппарата», которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных ребер, при этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы (в виде шпангоутов, изображенных на чертежах прототипа). Сетчатая конструкция в данном случае имеет изогридный тип, характеризующийся ячейками одного типоразмера с равномерным размещением их по всему объему оболочки. Недостатком аналога является низкая несущая способность изогридной сетчатой оболочки, обусловленная отсутствием кольцевых и продольных ребер, что может привести к разрушению ребер сетчатой оболочки.
Для обеспечения прочности и жесткости СКК КА помимо спиральных ребер целесообразно наличие кольцевых, а также продольных ребер, расположенных в соответствии с переменным характером действующих комбинированных нагрузок. Кроме того, преобладающие усилия в рассматриваемых конструкциях, предназначенных для закрепления элементов конструкции КА, ориентированы вдоль продольной оси СКК КА и наиболее эффективно воспринимаются продольными, а не спиральными ребрами. Локальные напряжения ребер в данном случае могут быть компенсированы продольными ребрами, что позволит предотвратить деформацию и разрушение сетчатой структуры СКК КА. Также следует отметить, что парное расположение спиральных ребер позволит обеспечить более высокую несущую способность сетчатой структуры.
Наличие кольцевых и продольных ребер в СКК указано в описании изобретений:
- Патент РФ № 2392122 «Сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов», образована из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра. Дополнительные ребра ориентированы в продольном направлении. Дополнительные ребра короче длины образующей и неравномерно распределены по длине и периметру. Недостатками известной конструкции являются:
- низкая степень технологичности;
- необходимость дополнительного усиления конструкции в зоне размещения нижнего шпангоута;
- необходимость организации дополнительных интерфейсов для стыковки с сопрягаемыми элементами.
- Патент США № 20100065717 «METHOD AND SYSTEM FOR FORMING COMPOSITE GEOMETRIC SUPPORT STRUCTURES». Опорная конструкция представляет собой сетчатую оболочку трехмерной конфигурации полой цилиндрической формы из композиционного материала, которая образована посредством пересечения между собой спиральных, продольных, кольцевых и/или боковых поперечных ребер (опор) с образованием множества узлов. Торцы опорной конструкции могут быть оснащены шпангоутами, имеющими аэродинамический профиль. Недостатком данного аналога является отсутствие интеграции шпангоута в конструкцию в целом, что приводит к потере прочности, жесткости конструкции, а также снижению надежности соединения ребер сетчатой оболочки со шпангоутом.
Исходя из назначения и наиболее близкой совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана «Силовая конструкция корпуса космического аппарата», известная из описания полезной модели к патенту РФ № 196913, которая содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую анизогридную сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер с формированием ячеек двух типоразмеров. При этом на торцах сетчатой оболочки закреплены усиливающие элементы - шпангоуты, которые образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и имеют профилирующие пазы под ребра сетчатой структуры.
Недостатками прототипа являются низкая несущая способность и недостаточная жесткость сетчатой оболочки, обусловленная отсутствием продольных и парных спиральных ребер, что является необходимым для соответствия требованиям при проектировании конфигурации структуры заявляемой СКК.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение являются: совершенствование конструкции СКК КА, повышение надежности, технологичности и степени унификации.
Поставленные задачи решаются тем, что силовая конструкция корпуса космического аппарата, содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер, при этом торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными усиливающими элементами - шпангоутами. Сетчатая оболочка выполнена с продольными ребрами, а спиральные ребра расположены парно, при этом шпангоуты выполнены с нижним и верхним интерфейсами.
Спиральные ребра образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов и расположены между шпангоутами с равным шагом друг от друга.
Продольные ребра могут быть выполнены различной длины, но короче длины образующей сетчатой оболочки, образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов и распределены по цилиндрической поверхности сетчатой оболочки парно, с равным шагом друг от друга, при этом одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом, на котором установлен нижний интерфейс, а другие торцы сопряжены с кольцевыми и/или спиральными ребрами.
Шпангоуты, образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и могут выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки. Также шпангоуты могут быть выполнены из композиционного материала.
Нижний интерфейс состоит из накладок, расположенных на шпангоуте с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом, и ответных накладок, обеспечивающих фиксацию нижнего интерфейса при помощи клея и крепежного соединения, при этом накладки нижнего интерфейса выполнены с отверстиями, посадочными местами и бобышками.
Верхний интерфейс состоит из хомутов, расположенных на шпангоуте с равным шагом друг от друга, выполненных с возможностью сопряжения со шпангоутом, имеющих отверстия, посадочные места и бобышки, при этом фиксация хомутов на шпангоуте осуществляется при помощи клея и крепежного соединения. Также нижний и верхний интерфейсы могут быть выполнены из металлических сплавов.
Сетчатая оболочка может быть выполнена из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна, методом «мокрой» намотки.
Техническими результатами при использовании СКК КА с приведенной совокупностью признаков являются:
- достижение баланса оптимальных значений основных параметров СКК КА в соответствии с требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам;
- достижение повышенной несущей способности, осевой и боковой жесткости сетчатой оболочки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, показанными на фиг. 1 - 11:
- фиг. 1 - общий вид ССК КА;
- фиг. 2 - главный вид ССК КА;
- фиг. 3 - вид А, показанный на фиг. 2 (общий вид установки верхнего интерфейса СКК КА);
- фиг. 4 - вид Б, показанный на фиг. 2 (общий вид установки нижнего интерфейса СКК КА);
- фиг. 5 - вид В, показанный на фиг. 4;
- фиг. 6 - вид Г, показанный на фиг. 4;
- фиг. 7 - выносной элемент Д, показанный на фиг. 4;
- фиг. 8 - вид К, показанный на фиг. 3;
- фиг. 9 - сеч. Ж-Ж, показанное на фиг. 7;
- фиг. 10 - сеч. И-И, показанное на фиг. 7;
- фиг. 11 - сеч. Е-Е, показанное на фиг. 7.
Силовая конструкция корпуса космического аппарата, содержит оболочку вращения, выполненную из композиционного материала полой цилиндрической формы, имеющую сетчатую структуру, образованную посредством пересечения между собой спиральных и кольцевых ребер 1, 2, при этом торцы сетчатой оболочки выполнены с интегрированными усиливающими элементами - шпангоутами 4, 5. Сетчатая оболочка выполнена с продольными ребрами 3, а спиральные ребра 1 расположены парно, при этом шпангоуты 4, 5 выполнены с нижним и верхним интерфейсами 6, 7.
Спиральные ребра 1 образованы профилями прямоугольного сечения, одна половина которых ориентирована под углом к плоскости шпангоутов 4, 5, а вторая половина ориентирована зеркально первой половине, при этом спиральные ребра 1 расположены с равным угловым шагом по окружности шпангоутов 4, 5 и соединяют их между собой.
Кольцевые ребра 2 образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения, ориентированы параллельно плоскости шпангоутов 4, 5 и расположены между шпангоутами 4, 5 с равным шагом друг от друга.
Продольные ребра 3 могут быть выполнены различной длины, но короче длины образующей сетчатой оболочки, образованы профилями прямоугольного сечения, ориентированы перпендикулярно плоскости шпангоутов 4, 5 и распределены по цилиндрической поверхности сетчатой оболочки парно, с равным шагом друг от друга, при этом одни торцы данных ребер сопряжены со шпангоутом 4, на котором установлен нижний интерфейс 6, а другие торцы сопряжены с кольцевыми и/или спиральными ребрами 2, 1.
Шпангоуты 4, 5, образованы замкнутыми по окружности профилями прямоугольного сечения и могут выступать за плоскость цилиндрической поверхности сетчатой оболочки. Также шпангоуты 4, 5 могут быть выполнены из композиционного материала.
Нижний интерфейс 6 состоит из накладок, расположенных на шпангоуте 4 с равным шагом друг от друга, имеющих П-образный профиль, выполненный с возможностью сопряжения со шпангоутом 4, и ответных накладок, обеспечивающих фиксацию нижнего интерфейса 6 при помощи клея и крепежного соединения, при этом накладки нижнего интерфейса 6 выполнены с отверстиями, посадочными местами и бобышками 8.
Верхний интерфейс 7 состоит из хомутов, расположенных на шпангоуте 5 с равным шагом друг от друга, выполненных с возможностью сопряжения со шпангоутом 5, имеющих отверстия, посадочные места и бобышки 9, при этом фиксация хомутов на шпангоуте 5 осуществляется при помощи клея и крепежного соединения.
Также нижний и верхний интерфейсы могут быть выполнены из металлических сплавов.
СКК КА 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 методе 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 повышенная прочность при малой собственной массе, что позволяет добиться оптимального соотношения массы конструкции и полезной нагрузки. Другими преимуществами метода намотки являются:
- быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки армирующего материала;
- недорогие материалы.
«Мокрая» намотка обеспечивает повышенную формуемость изделий, поэтому преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной конфигурации.
Ребра сетчатой оболочки СКК КА выполнены из углепластика на основе углеродного волокна M46J или M55J, пропитанного эпоксидным связующим.
СКК КА характеризуется следующими параметрами:
- высота ребер от 14 до 18 мм;
- толщина спиральных ребер от 3,5 до 5,5 мм;
- толщина кольцевых ребер от 2 до 4 мм;
- толщина продольных ребер от 5 до 7 мм;
- угол наклона спиральных ребер 21°.
Применение унификации при изготовлении данной СКК КА также дает технико-экономические преимущества, выраженные в снижении издержек и сроков производства посредством применения типовых технологических процессов при создании ряда модификаций СКК для КА тяжелого класса различного целевого назначения.