Переходная ферма
TRANSITIONAL TRUSS

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к конструкции переходных ферм для соединения отсеков ракет - носителей и разгонных блоков с крупногабаритными космическими аппаратами, центр масс которых смещен относительно их продольной оси.
Из уровня техники известен ряд технических решений, решающих проблему парирования смещения центра масс полезной нагрузки относительно ее продольной оси в процессе выведения на ОИСЗ при работе двигателей ракеты - носителя, разгонного блока или двигателя космического аппарата.
В соответствии с изобретением по патенту РФ 2569966 задача обеспечения необходимых массово-центровочных характеристик головной части решается введением в конструкцию дополнительного отсека с балластным или балластно - балансировочным грузом. При этом космическая головная часть включает головной обтекатель, крупногабаритную полезную нагрузку, переходной отсек и дополнительный отсек с балластным или балластно - балансировочным грузом, размещенным между переходным отсеком и полезной нагрузкой. Высота и конфигурация дополнительного отсека, а также масса балансировочного груза выбираются с учетом характеристик выводимой полезной нагрузки, включая расположение ее центра масс относительно продольной оси ракеты - носителя. Предложенный способ парирования смещения центра масс полезной нагрузки от продольной оси ракеты - носителя уменьшает массу полезного груза.
В соответствии с изобретением по патенту РФ 2521078 задача выведения на ОИСЗ крупногабаритной нагрузки, центр масс которой смещен относительно ее продольной оси, решается за счет разработки специальной конструкции переходного отсека. В соответствии с этим решением полезная нагрузка закреплена на верхнем торцевом шпангоуте внутренней конической оболочки переходного отсека. Полка торцевого шпангоута выполнена переменной ширины - с постепенным ее уменьшением от наибольшего значения до ее минимального значения в диаметрально противоположном месте шпангоута, за счет чего обеспечивается возможность крепления на верхнем торцевом шпангоуте полезного груза со смещением относительно продольной оси переходного отсека. Центр масс полезного груза при этом располагается вдоль продольной оси переходного отсека, совпадающей с продольной осью ракеты - носителя. Верхний торцевой шпангоут отсека снабжен замками и толкателями для крепления и отделения полезной нагрузки, при этом его полка подкреплена дополнительным силовым набором. Недостатком решения является усложнение конструкции и массы переходного отсека, что заметно уменьшает массу полезного груза и увеличивает сроки его изготовления.
В соответствии с патентом РФ №2112712 космический аппарат содержит соединенные друг с другом фермой полезный груз и двигательную установку. Двигательная установка снабжена ракетным двигателем, установленном в кардановом подвесе с осями качения для изменения направления тяги. Геометрические центры опорных узлов поясов фермы совмещены с продольной осью двигательной установки. Продольная ось полезного груза смещена относительно оси двигательной установки, например на 50 мм, за счет чего центр масс всего космического аппарата в составе полезного груза и двигательной установки размещен между продольными осями полезного груза и двигательной установки. После запуска двигательной установки сопло ракетного двигателя, установленного в кардановом подвесе, с помощью рулевых приводов постоянно направлено в центр масс космического аппарата, за счет чего происходит парирование смещения центра масс всего космического аппарата относительно его продольной оси.
Рассмотренные средства парирования смещения масс космического аппарата относительно его продольной оси уменьшают массу космического аппарата или могут быть применимы только при использовании в двигательной установке ракетного двигателя, установленного в кардановом подвесе.
В предлагаемом техническом решении парирование смещения масс космического аппарата относительно его продольной оси предлагается достичь путем модификации переходной фермы, соединяющей космический аппарат и разгонный блок. При этом разработка конструкции переходной фермы для выведения перспективных крупногабаритных космических аппаратов с использованием разгонных блоков требует учета ряда требований:
- возможности смещения центра масс крупногабаритного космического аппарата относительно его продольной оси на величину от 75 до 100 мм,
- возможности крепления на переходной ферме космического аппарата с корпусом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в форме квадрата,
- превышение максимального габаритного размера корпуса космического аппарата в поперечной плоскости аналогичного размера разгонного блока,
- необходимости разворота опорных узлов верхнего пояса фермы относительно опорных узлов нижнего пояса фермы на угол 22,5 градусов.
Из уровня техники известны переходные фермы с треугольной решеткой (см., например, патенты РФ №2112712, 2624959, 2412088, 2422335, патенты США №5605308, 9758262, заявку Китая 106742064).
Например, из рассмотренного выше патента РФ 2112712 переходная ферма, соединяющая полезный груз и двигательную установку космического аппарата, снабжена треугольной решеткой: ферма содержит верхний и нижний пояса с одинаковым числом опорных узлов в поясах, при этом каждый из опорных узлов одного пояса фермы смещен в плане на угол 22,5 градуса относительно опорных узлов другого пояса фермы и соединен с опорными узлами другого пояса двумя наклонными раскосами. Опорные узлы верхнего пояса фермы соединены с цилиндрической проставкой полезного груза. Опорные узлы нижнего пояса фермы закреплены на шпангоуте торового бака горючего двигательной установки. Длина диагонали между диаметрально расположенными опорными узлами нижнего пояса фермы превышает длину диагонали между диаметрально расположенными опорными узлами верхнего пояса фермы. Геометрические центры опорных узлов поясов фермы совмещены с продольной осью двигательной установки.
Одинаковое число опорных узлов в верхнем и нижнем поясах в переходных ферм с треугольной решеткой, как в рассмотренном патенте, так и в других указанных патентах, обеспечивая смещение опорных узлов верхнего пояса фермы относительно опорных узлов нижнего пояса фермы, не дают возможности использования ферм этого типа для решения технической задачи по разработке конструкции переходных ферм для соединения космических аппаратов с корпусом в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в виде квадрата с разгонным блоком, имеющем, как правило, восемь опорных узлов.
Решение указанной задачи возможно путем использования фермы с конфигурацией 4×8 - фермы с четырьмя опорными узлами в верхнем поясе и восемью опорными узлами в нижнем поясе фермы. Из уровня техники известен ряд переходных ферм, выполненных в конфигурации 4×8 (см., например, патенты РФ 2105702, 2617162, патент США 5961078, заявку Китая CN 10656464619 или «Космическая корпорация «Энергия» имени СП. Королева», гл. ред. Ю.П. Семенов, 1996, рис. на стр. 481; или «Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных ситуаций и природных чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» с космическим аппаратом «Канопус-В-ИК», корп. НИИЭМ, М., 2017, стр. 13, рис. 1.3.2)
Наиболее близким аналогом переходной фермы является ферма, известная из патента РФ 2105702 «Разгонный блок» (см. фиг. 1 и 2, поз. 9 чертежей к патенту) и выполненная с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом, содержащем корпус в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в форме квадрата. В космической головной части переходная ферма размещена между космическим аппаратом (поз. 10) и тороидальным баком горючего (поз. 2) разгонного блока. В этом решении продольные оси фермы, космического аппарата и разгонного блока совмещены друг с другом.
Указанная ферма содержит восемь опорных узлов нижнего пояса фермы, совмещенных с вершинами правильного восьмиугольника, и четыре опорных узла верхнего пояса фермы, совмещенных с вершинами квадрата. Геометрические центры опорных узлов нижнего и верхнего поясов фермы в этом решении совмещены с продольной осью фермы. Опорные узлы верхнего пояса фермы в плане смещены относительно нижних опорных узлов на угол 22,5 градуса. Длина диагонали между верхними опорными узлами превышает длину диагонали между диаметрально противоположными опорными узлами нижнего пояса фермы. Верхние опорные узлы выполнены с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом. В указанной ферме в каждом из четырех нечетных пролетов фермы верхний опорный узел соединен с двумя нижними опорными узлами наклонными раскосами. Нечетные пролеты фермы наклонены наружу фермы. Четные пролеты фермы лишены силовых элементов. Высота фермы этого технического решения сопоставима с длиной диагонали между диаметрально противоположными опорными узлами нижнего пояса фермы.
Опорные узлы нижнего пояса фермы в этом решении не соединены поперечными силовыми элементами.
Ферма не обеспечивает возможности парирования смещения центра масс крупногабаритной полезной нагрузки относительно продольной оси разгонного блока.
Кроме этого, недостатком указанной фермы является значительная высота фермы, близкая длине диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы. Это:
- снижает функциональные возможности фермы, исключая возможность ее использования для выведения крупногабаритных полезных нагрузок в сочетании с головными обтекателями относительно небольших размеров, в частности с серийным головным обтекателем диаметром 4110 мм и длиной 11433 мм,
- определяет недостаточную жесткость фермы, что в конечном итоге определяет низкий уровень собственных частот поперечных колебаний головного блока ракеты-носителя,
- определяет недостаточную несущую способность фермы,
- определяет неравномерное распределение нагрузок в узлах стыка нижнего пояса с разгонным блоком, так как каждый из опорных узлов верхнего пояса фермы соединен только с двумя опорными узлами нижнего пояса фермы.
Технической проблемой, решаемой заявляемой переходной фермой, является разработка фермы с существенно меньшей высотой в сочетании с повышением ее несущей способности и жесткости, достаточными для ее использования при выведении на ОИСЗ крупногабаритных нагрузок с центром масс, смещенным относительно продольной оси космического аппарата.
Техническая проблема решается следующим образом.
Как и ближайший аналог, переходная ферма содержит восемь нижних опорных узлов, совмещенных с вершинами правильного восьмиугольника, и четыре верхних опорных узла, совмещенных с вершинами квадрата и в плане повернутых относительно нижних опорных узлов на угол 22,5 градусов. Длина диагонали между опорными узлами верхнего пояса фермы превышает длину диагонали между диаметрально расположенными опорными узлами нижнего пояса фермы.
Как и в ближайшем аналоге, в каждом из нечетных пролетов фермы опорный узел верхнего пояса фермы соединен с двумя нижними опорными узлами наклонными раскосами и выполнен с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом. Нечетные пролеты фермы отклонены наружу фермы.
В изобретении в отличие от ближайшего аналога геометрический центр опорных узлов верхнего пояса фермы смещен относительно геометрического центра опорных узлов нижнего пояса вдоль направления первой диагонали верхнего пояса фермы в сторону первого нечетного пролета фермы и дополнительно отклонен вдоль направления второй диагонали верхнего пояса фермы в сторону седьмого пролета фермы.
В заявляемом решении ферма выполнена с высотой, не менее чем в 4 раза меньшей длины диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы.
В отличие от ближайшего аналога в каждом из нечетных пролетов фермы нижние опорные узлы соединены друг с другом поперечным силовым элементом.
В отличие от ближайшего аналога в каждом из четных пролетов фермы размещены треугольная рама и два наклонных подкоса. Два угла рамы закреплены на опорных узлах нижнего пояса фермы. Первые концы указанных наклонных подкосов закреплены в опорных узлах верхнего пояса фермы, а их вторые концы соединены с третьим углом рамы.
В соответствии с изобретением первый, третий, пятый и седьмой пролеты фермы отклонены наружу фермы на углы, близкие 36, 28, 21 и 30 градусам соответственно, а второй, четвертый, шестой и восьмой пролеты фермы наклонены внутрь фермы на углы, близкие 4; 17; 15,5 и 2 градусам соответственно.
Смещение геометрического центра опорных узлов верхнего пояса фермы относительно геометрического центра опорных узлов нижнего пояса вдоль направления первой диагонали верхнего пояса фермы в сторону первого нечетного пролета и дополнительного его отклонения вдоль направления второй диагонали верхнего пояса фермы в сторону седьмого пролета фермы в сочетании с отклонением первого, третьего, пятого и седьмого пролетов фермы наружу фермы на углы, близкие 36, 28, 21 и 30 градусам соответственно, а второго, четвертого, шестого и восьмого пролетов фермы внутрь фермы на углы, близкие 4, 17, 15,5 и 2 градусам соответственно позволяет обеспечить возможность размещения на переходной ферме космического аппарата со смещенным центром масс относительной его продольной оси.
Введение в конструкцию четных пролетов фермы двух наклонных подкосов и треугольной рамы, обеспечивая соединение каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с четырьмя опорными узлами нижнего пояса фермы, позволяет разработать конструкцию фермы относительно небольшой массы с жесткостью и несущей способностью достаточными не только для восприятия опорными узлами верхнего пояса фермы нагрузок от космического аппарата большой массы и передачи ее на опорные узлы нижнего пояса фермы, но и для парирования воздействия дополнительного момента и перерезывающей силы, возникающих в результате смещения центра масс космического аппарата относительно его продольной оси на конструкцию фермы.
Кроме того, указанные особенности конструкции переходной фермы в сочетании с ее выполнением с высотой, не менее чем в 4 раза меньшей длины диагонали между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы, и соответственно увеличивая зону полезного груза головной части, позволяют не только расширить функциональные возможности фермы за счет возможности использования при запуске крупногабаритного космического аппарата головного обтекателя меньших габаритов, но и обеспечить повышение жесткости конструкции головного блока ракеты-носителя.
Благодаря соединению в каждом из нечетных пролетов фермы нижних опорных узлов фермы друг с другом поперечным силовым элементом и закреплением двух углов рамы с опорными узлами нижнего пояса фермы в четных пролетах фермы, позволяя выполнить нижний пояс фермы в виде замкнутого силового контура, в сочетании с соединением каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы с четырьмя опорными узлами нижнего пояса фермы дает возможность уменьшить уровень неравномерности нагрузок, действующих на опорные узлы нижнего пояса фермы, до 4…5 процентов.
При этом выполнение каждой из рам из балки основания и боковых балок, закрепленных в опорных узлах нижнего пояса фермы, обеспечивает упрощение конструкции нижних опорных узлов фермы, что сокращает массу конструкции фермы.
Техническим результатом использования предложенной фермы является возможность разработки фермы, обеспечивающей возможность выведения космического аппарата, центр масс которого смещен от его продольной оси на величину от 75 до 100 мм, с корпусом в виде прямого параллелепипеда с высотой до 6000 мм и с длиной диагонали между вершинами основания, превышающем на 15…25 процентов длину диагонали, соединяющую диаметрально расположенные опорные узлы нижнего пояса фермы. Это обеспечивает возможность размещения космического аппарата внутри серийного головного обтекателя с диаметром цилиндрической части 4110 мм и высотой 11433 мм. При этом обеспечивается повышение жесткости конструкции головного блока ракеты - носителя в 1,5…2 раза и, соответственно, увеличения частоты первого тона поперечных колебаний до 8 Гц и выше.
Наиболее предпочтительно силовые элементы фермы - наклонные раскосы, подкосы, раму и поперечные силовые элементы, выполнить из стали, что, обеспечивая дополнительное повышение жесткости и несущей способности фермы, позволяет использовать ее при запуске космических аппаратов массой до 4000...6000 кг и выше.
Помимо прочего, боковые балки каждой из рам могут быть выполнены в поперечном сечении в виде таврового профиля, полка которого выполнена с уменьшением толщины при переходе от вершины рамы к ее основанию, благодаря чему обеспечивается плавный переход от таврового профиля к тонкостенной трубе наклонного подкоса, что способствует более равномерному распределению продольной осевой нагрузки в опорном узле.
Кроме того, балку основания каждой из рам наиболее предпочтительно соединить с опорными узлами нижнего пояса фермы болтовым соединением, что упрощая конструкцию нижних опорных узлов фермы, уменьшает массу опорных узлов и сокращает время сборки фермы.
Наиболее предпочтительно длину диагонали, соединяющей диаметрально расположенные опорные узлы нижнего пояса фермы, выбрать из диапазона от 1950 до 2050 мм, что позволяет использовать ферму в составе космической головной части ракеты - носителя среднего класса «Союз-2» с серийным разгонным блоком «Фрегат».
На приводимых чертежах элементы конструкции фермы обозначены следующими позициями:
1, 3, 5, 7 - нечетные пролеты фермы,
2, 4, 6, 8 - четные пролеты фермы,
9 - геометрический центр опорных узлов нижнего пояса фермы,
10 - поперечный силовой элемент нижнего пояса фермы,
101 - опорная пластина опорного узла нижнего пояса фермы,
102 - опорная площадка опорного узла нижнего пояса фермы,
11-18 опорные узлы нижнего пояса фермы,
1115 - диагональ, соединяющая опорные узлы 11 и 15 нижнего пояса фермы,
1216 - диагональ, соединяющая опорные узлы 12 и 16 нижнего пояса фермы,
1317 - диагональ, соединяющая опорные узлы 13 и 17 нижнего пояса фермы,
1418 - диагональ, соединяющая опорные узлы 14 и 18 нижнего пояса фермы,
19 - наклонный раскос нечетного пролета фермы,
20 - геометрический центр опорных узлов верхнего пояса фермы,
21-24 опорные узлы верхнего пояса фермы,
2123 - первая диагональ, соединяющая опорные узлы 21 и 23 верхнего пояса фермы,
2224 - вторая диагональ, соединяющая опорные узлы 22 и 24 верхнего пояса фермы,
25 - пирозамок,
26 - толкатель,
27 - наклонный подкос четного пролета фермы,
28 - рама,
281 - первый угол рамы,
282 - второй угол рамы,
283 - третий угол рамы,
29 - балка основания рамы,
30 - боковая балка рамы,
31 - полка профиля боковой балки рамы,
32 - болтовое соединение углов рамы с опорными узлами нижнего пояса фермы,
40 - ферма,
41 - продольная ось фермы,
46 - космический аппарат,
47 - продольная ось космического аппарата,
48 - центр масс космического аппарата.
Устройство фермы иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид переходной фермы 40 в аксонометрии.
На фиг. 2, 3 приведены виды фермы сверху (вид А с фиг. 1) и снизу (вид Б с фиг. 1) соответственно. Фиг. 2 и 3 иллюстрируют смещение опорных узлов 21-24 верхнего пояса относительно опорных узлов 11-18 нижнего пояса фермы на угол α, размещение нечетных пролетов 1, 3, 5, 7 относительно четных пролетов 2, 4, 6, 8 фермы и смещение геометрического центра 20 опорных узлов 21-24 верхнего пояса фермы относительно геометрического центра 9 опорных узлов 11-18 нижнего пояса фермы.
На фиг. 4 представлен вид сбоку (вид В с фиг. 2) на нечетный пролет 1 и четные пролеты 2 и 8 фермы, иллюстрирующий отклонение нечетных пролетов наружу фермы.
На фиг. 5 представлен вид сбоку (вид Г с фиг. 2) на четный пролет 8 и нечетные пролеты 1 и 7 фермы, иллюстрирующий отклонение четных пролетов внутрь фермы.
На фиг. 6 приведен общий вид рамы 28 четного пролета фермы в сборе с опорными узлами 11 и 18 нижнего пояса фермы и наклонными подкосами 27 четного пролета фермы (выноска Д с фиг. 4).
На фиг. 7, 8 приведены профили поперечных сечений балки основания 29 рамы (сечение Е-Е с фиг. 6) и боковой балки 30 рамы (сечение Ж-Ж с фиг. 6).
На фиг. 9 приведен общий вид опорного узла 14 нижнего пояса фермы в аксонометрии (выноска И с фиг. 1) в сборе с поперечным силовым элементом 10 нижнего пояса фермы, наклонным раскосом 19 нечетного пояса фермы, боковой балкой 30 и балкой основания 29 рамы четного пролета фермы.
Фиг. 10 иллюстрирует устройство опорного узла верхнего пояса фермы в сборе с пирозамком 25 и толкателем 26.
Фиг. 11 иллюстрирует вариант использования фермы 40 с крупногабаритным космическим аппаратом 46, центр масс 48 которого смещен относительно его продольной оси 47.
На фиг. 12 представлен укрупненный вид (выноска К с фиг. 2) взаимного расположения геометрического центра 20 опорных узлов верхнего пояса фермы в смещенном положении относительно геометрического центра 9 опорных узлов нижнего пояса фермы.
Без ограничения общности при последующем изложении терминами «верхний» «нижний» условимся обозначать опорные узлы фермы или пояса фермы, расположенные выше или ниже относительно положительного направления продольной оси 41 фермы (ось X, фиг. 4, 5).
Ферма 40 устроена следующим образом.
Ферма 40 содержит восемь нижних опорных узлов 11-18, совмещенных с вершинами правильного восьмиугольника, и четыре верхних опорных узла 21-24, совмещенных с вершинами квадрата (см. фиг. 1-3). Верхние опорные узлы 21-24 в плане повернуты относительно нижних опорных узлов 11-18 на угол а равный 22,5 градусов (см. фиг. 2). Указанное геометрическое размещение опорных узлов фермы определяет в ферме наличие восьми пролетов:
первый пролет - между нижними опорными узлами 11, 12 и верхним опорным узлом 21,
второй пролет между нижними опорными узлами 12, 13 и верхними опорными узлами 21, 22,
третий пролет между нижними опорными узлами 13, 14 и верхним опорным узлом 22,
четвертый пролет между нижними опорными узлами 14, 15 и верхними опорными узлами 22, 23,
пятый пролет между нижними опорными узлами 15, 16 и верхним опорным узлом 23,
шестой пролет между нижними опорными узлами 16, 17 и верхними опорными узлами 23, 24,
седьмой пролет между нижними опорными узлами 17, 18 и верхним опорным узлом 24,
восьмой пролет между нижними опорными узлами 18, 11 и верхними опорными узлами 24, 21.
Верхние опорные узлы 21-24 фермы (см. фиг. 10) выполнены с обеспечением возможности соединения с космическим аппаратом 46. Верхние опорные узлы 21-24 фермы могут быть снабжены известными из уровня техники средствами крепления и отделения космического аппарата - пирозамками 25 (см. К.С. Колесников, «Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г., стр. 34-40) и пружинными толкателями 26 (там же, стр. 81-89).
Длина (D) диагонали 2123 между опорными узлами верхнего пояса фермы, например, между опорными узлами 21 и 23 верхнего пояса фермы, превышает длину (d) диагонали 1216 между диаметрально расположенными опорными узлами нижнего пояса, например, между опорными узлами 12 и 16, как показано на фиг. 3. Длина диагонали D между диаметрально расположенными опорными узлами верхнего пояса фермы превышает длину диагонали d между опорными узлами нижнего пояса фермы на 15…25 процентов.
Как и в ближайшем аналоге, нечетные пролеты фермы отклонены наружу фермы (см. фиг. 4). В каждом из нечетных пролетов фермы каждый из верхних опорных узлов 21-24 соединен с двумя нижними опорными узлами двумя наклонными раскосами 19. В соответствии с заявляемым решением в нечетных пролетах фермы каждая пара нижних опорных узлов 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18 соединены друг с другом поперечным силовым элементом 10.
В заявляемой ферме в каждом из четных пролетов 2, 4, 6, 8 фермы размещены два наклонных подкоса 27 и треугольная рама 28 (см. фиг. 1, 4, 5).
Наклонные раскосы 19 и поперечные силовые элементы 10 нечетных проемов фермы и наклонные подкосы 27 четных пролетов фермы наиболее предпочтительно выполнить в виде труб.
Каждая из треугольных рам 28 (см фиг. 6-9), выполненная в виде равнобедренного треугольника, содержит балку основания 29 и боковые балки 30. Балка основания 29 рамы соединена с боковыми балками 30 рамы в первом 281 и втором 282 углах рамы. Два угла рамы - первый 281 и второй 282 углы рамы, как показано, например, на фиг.6, закреплены на опорных узлах 11 и 18 нижнего пояса фермы. Первые концы наклонных подкосов 27 закреплены в опорных узлах 21-24 верхнего пояса фермы. Вторые концы наклонных подкосов 27 соединены с третьим углом 283 рамы (см. фиг. 1, 4-6).
Балки основания 29 и боковые 30 балки рам могут быть выполнены в виде таврового профиля (см. фиг. 7, 8). При этом полки 31 таврового профиля боковых балок 30 рам наиболее предпочтительно выполнить с уменьшением их толщины 8 при переходе от вершины рамы к ее основанию, как показано на фиг. 6, 8.
Два наклонных подкоса 27 и две боковые балки 30 рамы в месте их соединения в четном пролете фермы образуют узел, в котором каждая из балок, не только соосно соединена с одним из подкосов, но и подкрепляет в третьем угле 283 рамы другой наклонный подкос, что позволяет предотвратить потерю устойчивости этого наклонного подкоса при воздействии на него продольных сжимающих нагрузок от опорных узлов 21-24 верхнего пояса фермы - при потере устойчивости подкоса 27, переходящего в боковую балку 30, каждый из подкосов поддерживается симметрично расположенными боковыми балками 30 рамы. Введение в конструкцию каждого из четных пролетов фермы треугольной рамы также обеспечивает эффективное восприятие фермой поперечных нагрузок. Это позволяет уменьшить массу переходной фермы.
В соответствии с изобретением каждый из опорных узлов 11-18 нижнего пояса фермы (см. фиг. 1, 4-6) соединен с поперечным силовым элементом 10 нижнего пояса фермы, с наклонным раскосом 19 нечетного пролета фермы и с первой 281 или со второй 282 вершиной рамы - с концами балок основания 29 рамы, образуя замкнутый поперечный силовой контур нижнего пояса переходной фермы.
При этом каждый из опорных узлов 11-18 нижнего пояса фермы может быть снабжен опорной пластиной 101 и опорной площадкой 102 (см. фиг. 9). При этом выполненные в виде труб поперечные силовые элементы 10 нижнего пояса фермы могут быть снабжены законцовками, приваренными к опорным пластинам 101, а первые 281 и вторые 282 углы рам могут быть размещены на опорных площадках 102 опорных узлов нижнего пояса фермы и закреплены на них болтовыми соединениями 32. Это упрощает конструкцию опорных узлов нижнего пояса фермы и сокращает время сборки фермы.
В соответствии с заявляемым решением ферма выполнена с высотой Н, не менее чем в 4 раза меньшей длины диагонали d между диаметрально противоположными узлами нижнего пояса фермы (см. фиг. 3-4).
В соответствии с изобретением геометрический центр 20 опорных узлов верхнего пояса фермы смещен в плане относительно геометрического центра 9 опорных узлов нижнего пояса фермы вдоль направления первой диагонали 2123 верхнего пояса фермы в сторону первого нечетного пролета 1 фермы на величину ε (см. фиг. 2, 3, 12).
Кроме того, заявляемое решение переходной фермы позволяет дополнительно учесть возможные отклонения положения центра масс космического аппарата вдоль направления второй диагонали 2224 опорных узлов верхнего пояса фермы. При этом геометрический центр 20 опорных узлов верхнего пояса фермы дополнительно отклонен вдоль направления второй диагонали 2224 верхнего пояса фермы в сторону седьмого пролета фермы на величину δ (см. фиг. 12).
1
3
5
7
2
4
6
8
В изобретении первый, третий, пятый и седьмой пролеты фермы отклонены наружу фермы на углы β, β, β, β, близкие 36, 28, 21 и 30 градусам соответственно, а второй, четвертый, шестой и восьмой пролеты фермы наклонены внутрь фермы на углы β, β, β, β, близкие 4, 17, 15,5 и 2 градусам соответственно (см. фиг. 4, 5).
В случае необходимости выведения на ОИСЗ крупногабаритной полезной нагрузки массой до 4000…6000 кг и выше силовые элементы фермы - опорные узлы поясов фермы, наклонные раскосы, подкосы, рамы и поперечные силовые элементы могут быть изготовлены из стали, например, стали марки Ст20.
В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения длина диагонали, соединяющей диаметрально расположенные опорные узлы нижнего пояса фермы, может быть выбрана из диапазона от 1950 до 2050 мм, что позволяет использовать ферму совместно с разгонным блоком «Фрегат».
Проектно-конструкторские работы показывают, что в наиболее предпочтительном варианте выполнения переходной фермы при ее изготовлении из стали можно разработать конструкцию переходной фермы массой, не превышающей 250…275 кг, допускающей выведение космического аппарата массой 3500…5000 кг с использованием разгонного блока «Фрегат». Выбор высоты фермы в пределах от 470 до 490 мм и выполнении фермы с указанными выше углами наклонов пролетов фермы к продольной оси обеспечивает возможность смещения геометрического центра опорных узлов верхнего пояса 20 относительно геометрического центра 9 опорных узлов нижнего пояса фермы вдоль направления первой диагонали 2123 верхнего пояса фермы на величину е в пределах от 80 до 85 мм и смещения вдоль направления второй диагонали 2224 на величину 8 от 8 до 12 мм.
При изготовлении переходной фермы ее элементы соединяются между собой сваркой, балки основания рам соединяются с опорными узлами нижнего пояса фермы болтовыми соединениями. После сварки проводится механообработка верхних и нижних опорных узлов фермы с целью выполнения плоскостности и параллельности стыковочных отверстий и разделка по кондуктору стыковочных отверстий в верхних опорных узлах под замки и толкатели системы отделения космического аппарата и нижних опорных узлов для стыковки с разгонным блоком.
В процессе сборки космической головной части космический аппарат стыкуют с переходной фермой, располагая центр масс космического аппарата вблизи продольной оси переходной фермы - в плане вблизи геометрического центра опорных узлов нижнего пояса фермы, и соединяют опорные узлы верхнего пояса фермы с космическим аппаратом.
В процессе выведения космического аппарата на ОИСЗ ферма воспринимает от космического аппарата продольную и поперечную нагрузку и изгибающий момент, которые воспринимаются опорными узлами верхнего пояса фермы.
Через опорные узлы верхнего пояса фермы наклонные раскосы нечетных пролетов фермы и наклонные подкосы и боковые балки рам четных пролетов фермы нагружаются перерезывающими силами и сжимающими усилиями и передают их на опорные узлы нижнего пояса фермы, причем нагрузки от каждого из опорных узлов верхнего пояса фермы передаются при этом на четыре нижних опорных узла нижнего пояса фермы. Пересекающиеся в месте соединения наклонные подкосы и боковые балки рам фермы обеспечивают взаимную устойчивость наклонных подкосов от действия сжимающих усилий.
Поперечные силовые элементы нижнего пояса фермы и балки основания рам создают замкнутый контур нижнего стыка, что позволяет уменьшить поперечные нагрузки на опорные узлы разгонного блока.
После выведения космического аппарата на ОИСЗ космический аппарат отделяется от переходной фермы.