Устройство для группового запуска спутников
DEVICE FOR GROUP LAUNCHING OF SATELLITES

Техническое решение относится к космической технике, а именно к средствам группового запуска спутников.
Из патента РФ на полезную модель №148483 (МПК B64G 1/10, опубл. 07.07.2014) известно устройство для выведения спутников, включающее ферму и закрепленные на ней средства крепления запускаемых спутников.
В соответствии с этим решением устройство содержит восьмигранную ферму, включающую восемь продольных стоек, размещенных параллельно продольной оси устройства, верхний и нижний пояса с опорными узлами и поперечными силовыми элементами и диагональные раскосы, размещенные между продольными стойками в проемах фермы за исключением одного проема. При этом концы продольных стоек, поперечных силовых элементов поясов фермы и диагональных раскосов соединены с опорными узлами фермы. Кроме того, пара диагональных раскосов, размещенных в проеме фермы между смежными стойками, соединена друг с другом вблизи их середин в узле пересечения.
В соответствии с этой полезной моделью диагональные раскосы выполнены из двутаврового профиля, при этом геометрические размеры их профилей в решении выбраны постоянными по длине раскосов. В наиболее предпочтительном варианте использования этой полезной модели поперечные силовые элементы выполнены в поперечном сечении с профилем виде уголка.
Спутники, отделяемые в боковых направлениях, в этом решении закреплены на адаптерах, выполненных в виде прямоугольных каркасов, закрепленных на диагональных раскосах силовой фермы. Каркасы адаптеров выполнены с длиной боковой стороны - стороны, перпендикулярной диагональным раскосам, в 2…2,5 раза меньшей длины стороны основания каркаса. Это обеспечивает размещение в адаптерах запускаемых спутников их средств крепления и отделения.
Кроме того, в соответствии с полезной моделью устройство для запуска спутников также включает средство запуска спутника, отделяемого в боковом направлении, размещенного на прямоугольной платформе, закрепленной на продольных стойках фермы в пролете фермы без диагональных раскосов, и средство крепления спутника, размещенного внутри фермы и отделяемого в осевом направлении.
Рассмотренное устройство выведения спутников ориентировано для попутного выведения спутников совместно с основной полезной нагрузкой большой массы, устанавливаемой на опорных узлах верхнего пояса фермы. Опорные узлы нижнего пояса фермы соединены с последним блоком ракеты - носителя.
Рассмотренное устройство выведения спутников дает возможность установить на ферме до 8…16 попутных нагрузок небольшой массы, которые могут отличаться геометрией посадочных мест для крепления с фермой и направлением их отделения от фермы. Однако, это решение устройства для выведения спутников становится неэффективным в случае решения задачи по выведению идентичных или близких по геометрическим характеристикам спутников в течение значительного календарного срока за несколько пусков ракет - носителей. Это является актуальным, например, при решении задачи по формированию спутниковых систем связи, состоящей из 100 и более спутников и требующих их выведения в течение 2…5 лет с использованием нескольких пусков ракет - носителей.
Из уровня техники (см, например, патенты США №5884866, 6138951, 6276639, 6416018, патент РФ №2156212) известны устройства, обеспечивающие групповой запуск 12…20 спутников с близкими или идентичными геометрическими характеристиками. Это обеспечивается использованием в устройстве группового запуска спутников в качестве основного несущего элемента удлиненной вдоль продольной оси устройства колонны, на боковой поверхности которой в несколько ярусов размещены средства крепления запускаемых спутников с обеспечением возможности их отделения в боковом направлении.
Ближайшим аналогом заявляемого решения является устройство для группового выведения спутников, известное из патента США №6138951 (МПК B64G 1/00, опубл. 31.10.2000).
В соответствии с патентом США 6138951 устройство для группового запуска спутников включает удлиненную в продольном направлении колонну, составленную из соединенных друг с другом одинаковых по конструкции секций, снабженных средствами крепления запускаемых спутников и отделения спутников.
Секции колонны включают продольные стойки, продольные и поперечные панели.
В этом изобретении продольные стойки выполнены в поперечном сечении в виде небольших размеров квадратов и ориентированы вдоль продольной оси устройства. Концы продольных стоек секций совмещены с вершинами правильного четырехугольника и снабжены нижними и верхними опорными узлами, при этом верхние опорные узлы продольных стоек каждой из секций соединены с нижними опорными узлами последующей секции. Нижние опорные узлы первой секции колонны соединены со смежным блоком ракеты -носителя. Кроме того, продольные стойки снабжены средствами крепления и отделения запускаемых спутников и размещены вблизи их концов.
Поперечные панели, обеспечивающие повышение устойчивости устройства при отделении спутников, выполнены в форме кругов, размещены по торцам секций устройства и соединены с продольными стойками секций.
Между поперечными панелями секций размещены продольные панели: панели первой группы размещены вдоль продольной оси устройства с образованием центрального силового элемента с поперечным сечением в форме небольшого по размерам квадрата, а панели второй группы ориентированы в радиальном направлении и соединены с продольными стойками и с центральным силовым элементом.
Запускаемые спутники размещены во внутреннем объеме секций устройства, ограниченном по высоте поперечными панелями и по бокам продольными панелями и головным обтекателем. Для их обслуживания в собранном с секцией устройства положении в поперечных панелях и в центральном силовом элементе секций выполнены небольшие по размерам эксплуатационные вырезы.
Размещение запускаемых спутников во внутреннем объеме секций устройства в сочетании с небольшим размером эксплуатационных вырезов в панелях затрудняет монтаж спутников на устройстве и их обслуживание, что определяет большой срок монтажа запускаемых спутников и проверки их работоспособности в собранном с секциями устройства виде. Размещение на небольшом удалении от концов продольных стоек как средств крепления, так и средств отделения запускаемых спутников также увеличивает время сборки всего устройства.
Другим недостатком рассмотренного устройства группового запуска спутников является большая масса устройства, что определяется выбранной конструктивно - силовой схемой секций устройства, включающей продольные стойки и поперечные и продольные панели. При этом четырехточечное крепление спутников к продольным силовым элементам в условиях «открытого» внешнего контура ведет к нагружению конструкции спутников значительными внутренними усилиями.
Технической проблемой, решаемой заявляемым решением, является уменьшение массы конструкции устройства группового запуска спутников в сочетании с сокращением времени сборки устройства.
Заявляемым решением техническая проблема решается следующим образом.
Как и ближайший аналог, устройство группового запуска спутников выполнено в виде колонны из соединенных друг с другом одинаковых секций.
В соответствии с заявляемым решением секции выполнены в виде четырехгранных ферм. Фермы содержат четыре продольные стойки, верхние и нижние пояса с опорными узлами, соединенными с продольными стойками, поперечными силовыми элементами и диагональными раскосами. Диагональные раскосы выполнены в поперечном сечении с профилем в виде двутавра и размещены в каждом из проемов фермы между продольными стойками и скреплены друг с другом вблизи их середин.
Кроме того, секции снабжены рамами, балки которых выполнены в поперечном сечении в виде швеллера с поясами, ориентированными наружу рамы. При этом внешние пояса рам выполнены с обеспечением крепления запускаемых спутников, а внутренние пояса закреплены на диагональных раскосах.
Места стыка балок опорной рамы друг с другом снабжены опорными площадками, которые соединены с внутренними поясами стыкуемых балок, подкреплены стенками балок, продленными за место стыка балок, и выполнены с обеспечением возможности размещения на указанных площадках элементов крепления рамы к диагональным раскосам.
Выполнение конструктивно - силовой схемы секций заявляемого решения в виде четырехгранной фермы с пролетами, перекрытыми диагональными раскосами, и размещение на последних рам, соединенных с запускаемыми спутниками, обеспечивая передачу поперечных нагрузок как между секциями, так и от запускаемых спутников через рамы и диагональные раскосы к опорным узлам секций и устраняя силовые элементы конструкции ближайшего аналога - поперечные и продольные панели, размещенные внутри секций устройства, позволяет уменьшить массу конструкции устройства.
Выполнение диагональных раскосов с поперечным сечением в виде двутавра, имеющего максимальное значение момента сопротивления изгибу и момента инерции, по сравнению с другими формами, также уменьшает массу устройства равной прочности и жесткости.
Наличие в местах стыка балок рам опорных площадок, соединенных с внутренними поясами балок и подкрепленных стенками балок, продленными за место стыка балок, и выполнение указанных опорных площадок с обеспечением возможности размещения на них элементов крепления рамы к диагональным раскосам позволяет снизить изгибающие моменты в раскосах и увеличить жесткость и собственные частоты спутников на раскосах без увеличения массы раскосов.
Выполнение рам с обеспечением возможности крепления на них запускаемых спутников, включающих их адаптеры со средствами крепления и отделения спутников, позволяя исключить из общей сборки устройства операций по проведению трудоемкого монтажа средств отделения спутников на их адаптерах, сокращает общее время сборки устройства. Сокращение времени сборки устройства обеспечивается также за счет обеспечения доступа к запускаемым спутникам и их системам как снаружи ферм, так и изнутри ферм секций.
Техническим результатом использования заявляемого решения является уменьшение массы устройства группового запуска спутников на 4…7 процентов в сочетании с сокращением времени его сборки.
Выполнение поперечных силовых элементов в виде круглых стержней трубчатого сечения обеспечивает их более высокую прочность и жесткость, особенно на кручение, в сравнении, например, с профилями углового сечения, что в частности предотвращает их потерю устойчивости, что особенно важно при несимметричном нагружении конструкции.
Продольные стойки секций наиболее предпочтительно выполнить из углепластика, что также уменьшает массу устройства.
Помимо этого, пояса диагональных раскосов могут быть выполнены с уменьшением ширины при переходе от места соединения диагональных раскосов друг с другом к опорным узлам, что обеспечивает распределение напряжений в поясах, близкое к равномерному и упрощает крепление раскосов к вертикальным стойкам устройства. Это дополнительно уменьшает массу устройства, как за счет уменьшения массы диагональных раскосов, так и за счет уменьшения массы опорных узлов.
Помимо прочего, в нише, ограниченной поясами и стенками балок рам, могут быть размещены поперечные ребра, что позволяет повысить жесткость рам и дополнительно уменьшить массу устройства.
Заявляемое решение поясняется следующими материалами:
фиг. 1 - общий вид устройства группового запуска спутников в аксонометрии,
фиг. 2 - общий вид секции устройства в аксонометрии,
фиг. 3 - боковая грань секции устройства (вид А с фиг. 2),
фиг. 4 - общий вид опорной рамы в аксонометрии,
фиг. 5 - поперечный разрез опорной рамы (вид Б-Б с фиг. 4),
фиг. 6 - узел соединения смежных балок опорной рамы в сборе с диагональным раскосом фермы (выноска В с фиг. 2).
Без ограничения общности при последующем изложении условимся обозначать терминами «внешний» и «внутренний» элементы, размещенные соответственно дальше или ближе к продольной оси устройства в поперечной плоскости.
Устройство для группового запуска спутников (см. фиг. 1) выполнено в виде колонны 10, выполненной из соединенных друг с другом секций 20.
Каждая секция 20 (см. фиг. 2) устройства выполнена в виде четырехгранной фермы, содержащей четыре продольные стойки 21, параллельные продольной оси 1 устройства (см. фиг. 3), верхние и нижние пояса и диагональные раскосы 22, размещенные в каждом из проемов фермы между продольными стойками 21 и скрепленными друг с другом вблизи их середин. Концы продольных стоек секций совмещены с вершинами правильного четырехугольника. Концы продольных стоек 21, поперечных силовых элементов 23 верхнего и нижнего поясов фермы и диагональных раскосов 22 соединены, как показано на фиг. 1-3, друг с другом в опорных узлах 24 нижнего пояса фермы и в опорных узлах 25 верхнего пояса фермы.
Продольные стойки 21 целесообразно выполнить в виде труб из углепластика, например, из углепластика на основе высокомодульной углеродной ленты Кулон-500/0,07 (СТО 75969440-007-2009). При этом соединение стрежневых элементов фермы, выполненных из углепластика, с элементами, выполненными из металлических материалов, может быть выполнено с использованием накладок (см., например, патент РФ 2292490).
Поперечные силовые элементы 23 верхнего и нижнего поясов целесообразно выполнить из круглых стержней.
В соответствии с заявляемым решением диагональные раскосы 22 наиболее предпочтительно выполнить из заготовок с профилем в виде двутавра, пояса которого выполнены с переменной шириной - с уменьшением ширины его поясов при переходе от места соединения диагональных раскосов друг с другом к опорным узлам (см. фиг. 1-3). В наиболее предпочтительном варианте использования предлагаемого решения ширина поясов диагональных раскосов вблизи их мест соединения с рамами может быть выбрана в пределах от 85 до 105 мм, а при переходе к опорным узлам уменьшена до 35…50 мм.
В соответствии с заявляемым решением устройство группового запуска спутников снабжено рамами 30, составленными из соединенных друг с другом под прямым углом балок 31 (см. фиг. 4, 5). Балки 31 опорных рам выполнены в поперечном сечении в виде швеллера с поясами, ориентированными наружу рам. В нише, ограниченной поясами 32, 33 и стенками 38 балок, могут быть размещены поперечные ребра 34. Наиболее предпочтительно высоту стенки швеллера выбрать из диапазона от 65 до 75 мм, а ширину поясов - от 30 до 45 мм.
Внешние пояса 33 балок - пояса профиля, ориентированные наружу фермы, выполнены с обеспечением возможности крепления на них запускаемых спутников, и, как показано на фиг. 5, 6, снабжены отверстиями 35 для разъемных соединений.
Углы рам 30 закреплены на диагональных раскосах 22 фермы (см. фиг. 1, 2, 3, 6). При этом вблизи углов рамы снабжены опорными площадками 37, соединенными с внутренними поясами 32 балок. Кроме того, опорные площадки 37 подкреплены стенками 38 смежных балок, продленными за место стыка балок. Опорные площадки 37 выполнены с обеспечением возможности размещения на площадках элементов 36 крепления рам к диагональным раскосам. Наиболее предпочтительно элементы 36 крепления рам к диагональным раскосам ориентировать вдоль раскосов, как показано на фиг. 6, что снижает изгибающие моменты в раскосах.
Опорные узлы 24 нижнего пояса одной из секций колонны устройства через переходную ферму 40 (см. фиг. 1) соединены со смежным блоком головной части ракеты - носителя (условно не показан).
В наиболее предпочтительном варианте использования технического решения колонна 10 устройства, ориентированная на использование в составе ракеты- носителя «Союз-2», может быть составлена из двух секций 20 (см. фиг. 1) с высотой каждой из секций от 1500 до 1750 мм и длиной поперечных силовых элементов от 900 до 1100 мм, что облегчает доступ к запускаемым спутникам из внутреннего объема фермы и обеспечивает возможность монтажа бортовой кабельной сети внутри фермы. Опорные рамы при этом могут быть выполнены из балок длиной от 450 до 550 мм и высотой стенки профиля 65 мм… 75 мм, то есть с высотой стенки балки в 6…7,5 раза меньшей длины балки. При этом длина диагональных подкосов может быть выбрана из диапазона от 1700 до 1850 мм, а элементы крепления 36 опорных рам к диагональным раскосам закреплены на удалении от опорных узлов фермы на расстоянии от 400 до 500 мм.
Секции фермы могут быть изготовлены из сплавов на основе алюминия с использованием известных способов механической обработки и сборки. Как указывалось выше, продольные стойки наиболее предпочтительно выполнить из углепластика. Опорные рамы наиболее предпочтительно изготовить зацело в виде одной детали на фрезерных станках с числовым программным управлением. Сборка секций в колонну может быть проведена с использованием разъемных соединений.
На первом этапе сборки проводится сборка секций устройства с запускаемыми спутниками, которую наиболее предпочтительно проводить параллельно для секций. При этом запускаемые спутники в сборе с адаптерами, снабженными системами отделения спутников, крепятся на внешних поясах рам каждой из секций устройства. После этого проводится общая сборка колонны из секций с предварительно установленными на них запускаемыми спутниками. Первая из секций соединяется с переходной фермой для крепления колонны устройства на разгонном блоке ракеты носителя.
На участке выведения со стороны спутников на рамы действуют результирующие инерционные нагрузки: нормальная сила, перпендикулярная плоскости крепления спутников, две составляющие боковых сил, действующие в плоскости крепления спутников, и две составляющие изгибающего момента (крутящим моментом пренебрегаем).
Все эти составляющие инерционных сил от адаптеров с запускаемыми спутниками через опорные рамы воспринимаются в точках крепления опорных рам к диагональным раскосам в виде нормальных усилий, действующих нормально к поясам раскосов, и касательных сил, действующих в плоскости поясов раскосов.
В результате в раскосах возникают осевые и перерезывающие силы и изгибающие моменты.
Силы, действующие на раскосы, уравновешиваются реакциями в точках их крепления к продольным стойкам реакциями сил вдоль продольных стоек и вдоль поперечных элементов.
Указанные усилия суммируются по продольным стойкам и в горизонтальных плоскостях вдоль поперечных элементов и в плоскости крепления колонны к ферме 40 уравновешиваются реакциями возникающими в ферме 40.
После выведения устройства на опорную орбиту разгонный блок ракеты - носителя переводит устройство на рабочие орбиты и спутников, по достижению которых запускаемые спутники отделяются от устройства.