Шпангоут
FORMER

Изобретение относится к конструкции летательных аппаратов, а именно к конструкции шпангоутов, обеспечивающих восприятие распределенных и сосредоточенных нагрузок в узлах стыка отсеков летательных аппаратов с различными поперечными размерами.
Из патентов РФ №2522538, 2472670, 2472671, США №6378805 известны технические решения сборных шпангоутов - шпангоутов, собранных из стандартных профилей различных типов, и используемых в самолетостроении в узлах крепления гермошпангоутов к обшивке фюзеляжа и в узлах стыков отсеков фюзеляжа самолета. Из-за того, что нагрузки, действующие на опорные шпангоуты переходных отсеков ракет-носителей, превышают нагрузки, действующие на гермошпангоуты и узлы стыка отсеков самолета, указанные решения затруднительно использовать в конструкции опорных шпангоутов головных частей космического назначения ракет-носителей космических аппаратов.
Использование в конструкции стыковочных шпангоутов, выполненных в виде уголковых прямоугольных профилей (см., Б.В. Грабин, «Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов», изд. «Машиностроение», М., 1991, рис. 10.4, 10.7, 10.20а) не обеспечивает возможность выполнения стыковочных узлов для соединения отсеков летательного аппарата с различными геометрическими размерами.
Как правило, конструкция стыковочных узлов для соединения отсеков летательного аппарата с различными геометрическими размерами предусматривает использование стыковочных шпангоутов, один из элементов поперечного профиля которых выполнен наклонным к продольной оси летательного аппарата. Например, торцевые шпангоуты адаптера переходного отсека по патенту РФ 2209162 выполнены в виде L-образной формы. Одна из полок профиля наклонена к продольной оси летательного аппарата и выполнена с обеспечением возможности передачи распределенной нагрузки на обшивку отсека, а другая ориентирована в поперечной плоскости летательного аппарата и является элементом фланцевого стыка отсеков.
Опорный шпангоут адаптера SCA для крепления космического аппарата на ступени ракеты-носителя (см., Туманов А.В., «Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2017, стр. 503-509, рис. 9.41) выполнен в виде Y-образного профиля. Первая полка профиля ориентирована вдоль продольной оси летательного аппарата, за счет стягивания ее торца ленточным хомутом со шпангоутом космического аппарата шпангоут воспринимает распределенную инерционную нагрузку от космического аппарата. Вторая полка профиля ориентирована в поперечной плоскости аппарата, а третья - расположена под углом к продольной оси летательной аппарата и передает нагрузку на последнюю ступень ракеты-носителя.
Опорный шпангоут адаптера, используемый в ракетах-носителях Ариан (см., «Разработка систем космических аппаратов», ред. П. Фортескью пер. с англ., изд. Альпина Паблишер, М., 2016, стр. 290, рис. 8.4), в поперечном сечении выполнен в виде двутаврообразного профиля. Стенка шпангоута ориентирована под углом к продольной оси летательного аппарата. Верхний пояс шпангоута за счет его стягивания зажимной лентой со шпангоутом космического аппарата воспринимает распределенную инерционную нагрузку от космического аппарата, через стенку и нижний пояс шпангоута инерционная нагрузка передается на последнюю ступень ракеты-носителя.
Использование наклонных стенок в профилях указанных шпангоутов позволяет разработать узлы летательных аппаратов, соединяющих между собой части летательных аппаратов с различными габаритными размерами. Однако рассмотренные технические решения шпангоутов обеспечивают возможность восприятия инерционной нагрузки, как правило, носящей распределенный характер, только от одного смежного элемента конструкции летательного аппарата и передачи ее на один смежный элемент конструкции летательного аппарата.
Опорный шпангоут в соответствии с патентом США №9180984 (см. фиг. 21 описания патента) в поперечном сечении выполнен в виде L-образного профиля, содержащего вертикальную и горизонтальные полки и снабженного дополнительной полкой, размещенной между вертикальной и горизонтальной полками. Вертикальная полка профиля обеспечивает возможность соединения шпангоута с первым смежным элементом конструкции летательного аппарата - с цилиндрической оболочкой головного обтекателя, которая выполнена из трехслойного материала. Дополнительная полка профиля шпангоута выполнена с обеспечением возможности соединения со вторым смежным элементом конструкции летательного аппарата - с коническим адаптером для крепления полезной нагрузки. Горизонтальная полка шпангоута выполнена с обеспечением возможности крепления с третьим смежным элементом конструкции летательного аппарата - с последней ступенью ракеты-носителя. Это решение шпангоута рассчитано на восприятие дополнительной полкой шпангоута относительно невысокой нагрузки от второго смежного элемента конструкции. Использование этого решения для более массивных полезных нагрузок неэффективно, так как дополнительная полка шпангоута требует значительного его усиления. При необходимости восприятия вертикальной стенкой нагрузок, действующих под углом к вертикали, например, от головного обтекателя с диаметром цилиндрической части, большим диаметра последней ступени ракеты-носителя, требует усиления и вертикальная полка шпангоута
Наиболее близким аналогом заявляемого шпангоута является решение торцевого шпангоута, раскрытого в патенте РФ №2424953 (МПК B64G 1/00, опубл. 27.07.2011, см. фиг. 5 описания). В соответствии с этим изобретением шпангоут, воспринимающий инерционные нагрузки от двух смежных элементов конструкции летательного аппарата (обшивки корпуса переходного отсека и обшивки проставки переходного отсека), выполнен составным, образованным жестко соединенными друг с другом торцевыми шпангоутами корпуса и внутренней проставки. Первые полки профилей шпангоутов, наклоненные к продольной оси переходного отсека, выполнены с обеспечением возможности восприятия распределенных нагрузок: внешний L-образный шпангоут воспринимает распределенную нагрузку от оболочки корпуса, а внутренний L-образный шпангоут - от оболочки проставки. Вторые полки профилей шпангоутов наложены друг на друга и ориентированы в поперечной плоскости летательного аппарата, при этом сверху на поперечной полке торцевого шпангоута корпуса размещена поперечная полка шпангоута простаки. Снизу к торцевому шпангоуту корпуса присоединен третий смежный элемент конструкции летательного аппарата - торцевой шпангоут последней ступени ракеты-носителя.
Использование рассмотренного устройства, ориентированного на восприятие и передачу распределенных нагрузок, в шпангоуте для восприятия внешних нагрузок, одна из которых носит сосредоточенный характер, приводит к заметному увеличению массы конструкции. Это определяется значительным расстоянием между местом соединения торцевого шпангоута проставки и местом крепления торцевого шпангоута корпуса к последней ступени ракеты-носителя, выполнением наклонной полки шпангоута корпуса из двух конических поясов с накладкой и выполнением второй полки шпангоута корпуса с постоянной формой поперечного сечения в виде прямоугольника. Кроме того, крепление рассмотренной конструкции к шпангоуту последней ступени ракеты -носителя требует большого количества болтов с дополнительным использованием футорок, что ведет к увеличению массы и времени проведения сборочных работ.
Технической проблемой, решаемой шпангоутом, является снижение массы шпангоута в сочетании с обеспечением возможности восприятия инерционных нагрузок от двух смежных элементов конструкции летательного аппарата, одна из которых носит сосредоточенный характер, и передачи сосредоточенной нагрузки на третий смежный элемент конструкции летательного аппарата.
Заявляемым решением проблема решается следующим образом.
Шпангоут содержит стенку, выполненную в виде усеченного конуса, и верхний пояс, выполненный в форме кольца, снабженного элементами крепления с первым смежным элементом конструкции летательного аппарата.
В заявляемом решении нижний пояс шпангоута выполнен в виде плоской рамы. Рама составлена из планок, соединенных под углом друг с другом, и снабженной опорными узлами, размещенными в углах рамы и выполненными с обеспечением возможности соединения шпангоута со вторым и третьим смежными элементами конструкции летательного аппарата. Стык стенки с нижним поясом вблизи опорных узлов смещен к внутреннему торцу рамы, а вблизи середин планок смещен к внешнему торцу рамы.
Плоская рама нижнего пояса шпангоута обеспечивает передачу осевой инерционной нагрузки непосредственно на третий смежный отсек конструкции летательного аппарата. Благодаря тому, что перерезывающая сила, воспринимаемая каждым из опорных узлов шпангоута, в каждом опорном узле уравновешивается силами сжатия - растяжения, ориентированными вдоль планок рамы, планки рамы работают в основном только на растяжение - сжатие, за счет этого значительно уменьшаются напряжения в нижнем поясе шпангоута и уменьшается масса шпангоута. Кроме того, это повышает жесткость шпангоута, за счет чего обеспечивается возможность повышения собственных частот колебаний летательного аппарата.
Техническим результатом использования указанных признаков является уменьшение на 15…20 процентов массы шпангоута в сочетании с обеспечением возможности восприятия инерционных нагрузок от двух смежных элементов конструкции летательного аппарата, одна из которых носит сосредоточенный характер, и передачи сосредоточенной нагрузки на третий смежный элемент конструкции летательного аппарата.
Кроме того, рама нижнего пояса шпангоута может быть выполнена в виде правильного многоугольника, что обеспечивает симметричное нагружение опорных узлов рамы и симметричное нагружение узлов соединения третьего смежного элемента конструкции летательного аппарата.
Раму нижнего пояса шпангоута наиболее предпочтительно выполнить в виде правильного восьмиугольника, что соответствует конфигурации узлов крепления используемых ракет-носителей среднего класса и разгонных блоков.
Помимо прочего, на нижней стороне каждой из планок рамы между внутренним торцом рамы и стенкой шпангоута может быть выполнена выемка в виде кругового сегмента с радиусом, меньшим радиуса нижнего торца стенки.
Кроме того, на верхней стороне каждой из планок рамы может быть выполнена выемка, размещенная между внешним торцом рамы, стенкой шпангоута и опорными узлами рамы.
Выполнение на нижней и верхней сторонах каждой из планок выемок позволяет дополнительно уменьшить массу шпангоута.
Заявляемое решение шпангоута иллюстрируется следующими материалами:
фиг. 1 - общий вид шпангоута в аксонометрии,
фиг. 2 - вид шпангоута сверху (вид А с фиг. 1),
фиг. 3 - вид шпангоута снизу (вид Б с фиг. 1),
фиг. 4 - поперечный разрез шпангоута по опорным узлам рамы нижнего пояса шпангоута (сечение В-В с фиг. 2),
фиг. 5 - поперечный разрез шпангоута вблизи середин планок рамы нижнего пояса шпангоута (сечение Г-Г с фиг. 2),
фиг. 6 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (вид на шпангоут снизу в аксонометрии),
фиг. 7 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (общий вид шпангоута с выемками на нижних сторонах планок, вид Е с фиг. 6),
фиг. 8 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (фрагмент общего вида шпангоута с выемками на верхних сторонах планок в аксонометрии),
фиг. 9 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (соединение выемки на верхней стороне планки с опорным узлом рамы, разрез Д-Д с фиг. 7),
фиг. 10 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (поперечное сечение шпангоута по опорному узлу рамы, сечение Ж-Ж с фиг. 7),
фиг. 11 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (поперечное сечение шпангоута вблизи  длины планки, сечение И-И с фиг. 7),
фиг. 12 - шпангоут в наиболее предпочтительном варианте использования (поперечное сечение шпангоута вблизи 1/2 длины планки, сечение 3 -3 с фиг. 7).
В представленных материалах элементы шпангоута обозначены следующими позициями:
1 - продольная ось летательного аппарата,
10 - шпангоут,
11 - стенка шпангоута,
111 - нижний торец стенки
12 - верхний пояс шпангоута,
121 - элемент соединения шпангоута с первым смежным элементом конструкции летательного аппарата,
13 нижний пояс шпангоута,
131 - планка рамы шпангоута,
132 - элемент соединения шпангоута со вторым смежным элементом конструкции летательного аппарата,
133 - элемент соединения шпангоута с третьим смежным элементом конструкции летательного аппарата,
134 - внутренний торец рамы,
135 - внешний торец рамы,
137 - выемка на верхней стороне планки,
138 - выемка на нижней стороне планки,
141, 142, … 148 - опорные узлы рамы.
Без ограничения общности при последующем изложении условимся терминами «верхний» и «нижний» обозначать элементы, расположенные соответственно выше или ниже относительно продольной оси 1 летательного аппарата, положительное направление которой обозначено на чертежах. Терминами внешний и внутренний будем обозначать элементы или их поверхности, расположенные в поперечном направлении соответственно дальше или ближе от продольной оси 1 летательного аппарата.
Заявляемый шпангоут (см. фиг. 1) устроен следующим образом.
Шпангоут 10 содержит стенку 11 и соединенные с ней верхний 12 и нижний 13 пояса.
Стенка 11 шпангоута выполнена в виде усеченного конуса, образующая которого наклонена к продольной оси 1 летательного аппарата под острым углом, В наиболее предпочтительном варианте выполнения шпангоута угол полураствора конуса может быть выбран меньшим 45 градусов.
Верхний пояс 12 шпангоута выполнен в форме кольца (см. фиг. 2, 4, 5) с поперечным сечением с формой, близкой к форме прямоугольника. Верхний пояс шпангоута снабжен элементами крепления, например, как показано на фиг. 4, 5, отверстиями 121, допускающими возможность разъемного соединения, например, с использованием болтов, с первым смежным элементом конструкции летательного аппарата и восприятия от него распределенных инерционных нагрузок.
В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения верхний торец стенки 11 шпангоута целесообразно соединить с внешним торцом верхнего пояса 12 шпангоута, как показано на фиг. 4, 5.
В соответствии с изобретением нижний пояс 13 шпангоута 10 выполнен в виде плоской многоугольной рамы, как показано на фиг. 3. Каркас рамы выполнен из планок 131, соединенных под углом друг с другом. В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения ширину S планок рамы целесообразно выбрать одинаковой вдоль всего периметра рамы.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения шпангоута рама нижнего пояса шпангоута может быть выполнена в виде правильного восьмиугольника. При использовании шпангоута в головных частях космического назначения отечественных ракет-носителей среднего класса, включающих разгонный блок «Фрегат», раму нижнего пояса 13 шпангоута целесообразно выполнить в виде правильного восьмиугольника.
Вблизи углов рамы размещены опорные узлы 141-148 рамы с элементами крепления, выполненными с обеспечением возможности соединения шпангоута со смежными элементами конструкции летательного аппарата. Элементы крепления 133, которые могут быть выполнены, например, в виде отверстий, могут быть использованы для крепления на шпангоуте при помощи винтовых соединений второго смежного элемента летательного аппарата, например фермы. Это обеспечивает восприятие шпангоутом сосредоточенной нагрузки от второго смежного элемента конструкции летательного аппарата. Элементы крепления 132, которые могут быть, например, выполнены в виде отверстий, могут быть использованы для установки шпангоута с помощью болтовых соединений на третьем смежном элементе конструкции летательного аппарата, что обеспечивает передачу сосредоточенной нагрузки от шпангоута, например, на разгонный блок.
Как показано на фиг. 1-2 внешний торец 135 рамы вблизи ее опорных узлов 141…148 целесообразно выполнить подрезанным, а внутренние торцы смежных планок рамы плавно соединенными друг с другом, как показано на фиг. 3.
Нижний торец 111 стенки соединен с нижним поясом шпангоута. В соответствии с изобретением нижний торец 111 стенки в опорных узлах рамы вблизи ее опорных узлов 141-148 смещен к внутреннему торцу 134 рамы, как показано на фиг. 4. Вблизи середин длин планок нижний торец 111 стенки смещен к внешнему торцу 135 рамы нижнего пояса шпангоута, как показано на фиг. 5.
Для уменьшения массы шпангоута планки рамы могут быть выполнены с переменной толщиной за счет выполнения на верхней и нижней сторонах каждой из планок рамы выемок 137, 138.
При этом каждая из планок рамы может быть снабжена выемкой 138, в плане выполненной в форме сегмента круга (см. фиг. 6-7, 10-12) с радиусом Rв (см. фиг. 8), не превышающим радиус нижнего торца стенки Rк (см. фиг. 12), и высотой Нвн, значение которой заключено в пределах от 40 до 60 процентов от толщины планки Нп (см. фиг. 10-12). Выемки 138 наиболее предпочтительно выполнить на нижней стороне каждой из планок рамы между внутренним торцом 134 рамы и нижним торцом 111 стенки 11 шпангоута.
На верхней стороне каждой из планок выемка 137 (см. фиг. 8-12) может быть размещена вдоль радиального направления между внешним торцом 135 рамки и нижним торцом 111 стенки 11 шпангоута, а вдоль контура рамы - между смежными опорными узлами рамы. При этом выемку наиболее предпочтительно выполнить с глубиной Нвв, со значением, не превышающим 50 процентов от толщины планки Нп.
Шпангоут работает следующим образом.
1
1
1
2i
xi
ri)
Верхний пояс шпангоута от первого смежного элемента конструкции воспринимает (см. фиг. 13) осевую силу (N), перерезывающую силу (Q) и изгибающий момент (M), которые в виде распределенных нагрузок прикладываются по периметру верхнего пояса шпангоута. Эти нагрузки передаются конической стенкой шпангоута на нижний пояс шпангоута. Кроме того, на опорные узлы 141-148 шпангоута действуют сосредоточенные силы P от второго смежного элемента конструкции, i - индекс опорного узла шпангоута. Нагрузки, действующие на шпангоут, уравновешиваются сосредоточенными силами, действующими на шпангоут в его опорных узлах - осевыми силами (R), радиальными силами (R, касательными силами (Rτi ), действующими на i - опорный узел шпангоута со стороны третьего смежного элемента конструкции.
Под действием этих нагрузок шпангоут подвергается действию изгибающих моментов, перерезывающих и осевых сил. В шпангоуте возникают нормальные и касательные напряжения, которые определяют напряженно-деформированное состояние шпангоута.
1
ri
τi
r1,
τ3
1
3
ri
τi
В соответствии с направлением действия перерезывающей силы Q, показанного на фиг. 13, максимальные значения радиального усилия Rприходятся на опорные узлы 141 и 145, а максимальные значения касательных усилий R приходятся на узлы 143 и 147. Как видно из фиг. 14, где показано разложение радиального усилия R действующего в опорном узле 141, и касательного усилия R, действующего в опорном узле 143, на силы S и S по направлениям осей планок. Радиальные (R) и касательные (R) силы воспринимаются прямолинейными планками рамы без изгиба. Тем самым значительно снижается общий уровень изгибающих моментов в конструкции шпангоута, которые являются основным силовым фактором в напряженно-деформированном состоянии конструкции, по сравнению со шпангоутом с нижним поясом, выполненным в виде кольца. В результате повышается жесткость конструкции и снижается масса шпангоута на 15÷20%.