СИЛОВАЯ ФЕРМА КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
LOAD-BEARING FRAME OF SPACE TELESCOPE

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано при создании различных ферменных и рамных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур.
Известна силовая ферма КТ, состоящая из продольных стержней, расположенных под углом к оси фермы, и поперечных стержней, соединенными с продольными в узлах. С целью уменьшения дефокусировки телескопа поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, чем продольные стержни (см. журнал «Полет» №6, стр.42, 2000 г., УКД 629.7 «Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размеростабильных силовых конструкций летательных аппаратов». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин).
Известна силовая ферма КТ, включающая продольные поперечные и диагональные стрежни, соединенные между собой в узлах пересечения, при этом поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, а длины и коэффициенты линейного расширения связаны между собой соответственно (см. журнал «Полет» №5, стр.51, 2001 г., УКД 629.78 «Проектирование размеростабильных конструкций повышенной жесткости, адаптивных к действию градиентов температур». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин) - прототип.
Известная силовая ферма, а также вышеописанная не обеспечивают достаточную стабильность линейных размеров от действия температур, так как для сохранения длины фермы - увеличивается ее поперечный размер, что приводит к дефокусировке космического телескопа.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. обеспечение стабильности как продольных, так и поперечных линейных размеров фермы в неравномерном поле температур с целью уменьшения дефокусировки телескопа.
Задача решается тем, что в силовой ферме КТ, состоящей из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом диагональные, продольные и поперечные цилиндрические стержни выполнены составными и соединены между собой биметаллическим кольцом, по его внешнему и внутреннему диаметрам, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями:
где L - суммарная длина каждого из составных цилиндрических стержней;
с - ширина биметаллического кольца;
b - наружный диаметр биметаллического кольца;
а - внутренний диаметр биметаллического кольца;
1
2
1
2
α, α - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца, α>α;
1
2
Н, Н - толщины активного и пассивного слоев материалов биметаллического кольца;
1
2
Е, Е - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;
ст
α - коэффициент линейного расширения материала составного цилиндрического стержня;
i
- длины продольных прорезей в составных цилиндрических стержнях шириной Ш;
i
где r - радиусы срединной поверхности составного цилиндрического стержня;
i
δ - толщины стенок составного цилиндрического стержня.
i=1, 2;
η≤1 - коэффициент, учитывающий упругость частей составных цилиндрических стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.
На фиг.1 изображен общий вид силовой фермы космического телескопа с высокой геометрической стабильностью по длине В и диаметру D при действии неравномерного поля температур.
На фиг.2 изображен общий вид составного цилиндрического стержня силовой фермы КТ.
На фиг.3, 4 изображен процесс деформирования составных цилиндрических стержней от действия положительного и отрицательного перепадов температур соответственно.
На фиг.5 изображено деформированное состояние биметаллического кольца при действии на него положительного перепада температур.
На фиг.6 изображено распределение усилий в биметаллическом кольце при действии на него положительного перепада температур.
Силовая ферма КТ состоит из продольных, поперечных и диагональных составных цилиндрических стержней 1, 2, 3, соединенных между собой в узлах пересечения 4.
1
2
1
2
1
2
1
2
При этом каждый из составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 состоит из двух частей 5, 6 длиной l, l, толщиной стенок δ, δ и радиусами срединной поверхности r, r соединенных между собой биметаллическим кольцом 7 с толщиной слоев Н, Н с внутренним и наружным диаметрами a, b.
1
1
2
2
1
2
Материал слоя толщиной Н имеет коэффициент линейного расширения α и превосходит коэффициент линейного расширения α материала слоя толщиной Н, поэтому слой толщиной Н является активным, а слой толщиной Н - пассивным.
В местах соединения с биметаллическим кольцом в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 выполнены продольные прорези 8, 9 на длину краевого эффекта, обеспечивающие упругое соединение в местах крепления к биметаллическому кольцу 7.
Отсутствие продольных прорезей 8, 9 в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 реализует жесткую заделку в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7, препятствующую повороту биметаллического кольца 7, а следовательно, уменьшает эффективность в целом силовой фермы.
0
0
0
1
2
1
2
1
2
При действии положительного или отрицательного (Т>Т или Т<Т) перепада температуры Δt=Т-T длины l, l каждого составного цилиндрического стержня 1, 2, 3 удлиняются (укорачиваются) на величины Δl, Δl, а биметаллическое кольцо 7, проворачиваясь на угол φ, перемещает свои края на величину ΔK в направлении, противоположном сумме удлинений ΔL=Δl+Δl.
1
2
Величины Δl, Δl зависят от действия температуры, длины, материала, геометрических характеристик поперечного сечения составных цилиндрических стержней 1, 2, 3. Величина ΔK зависит от действия температуры, геометрических размеров, материалов, физико-механических характеристик слоев биметаллического кольца 7 и упругости соединенных с ним частей 5, 6 составного цилиндрического стержня.
ΔK=η·c·sin φ ≈ η·c·φ,
где c=b-a - ширина биметаллического кольца;
η - коэффициент, учитывающий упругость составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7;
φ - угол поворота биметаллического кольца 7 (фиг.5).
i
Для составных цилиндрических стержней, имеющих прорези по образующей на величину, равную длине краевого эффекта , единичной ширины Ш (i=1, 2) - η=1, а при отсутствии прорезей по отношению к биметаллическому кольцу стержней, в приближенных расчетах можно принять η=0,5.
Для определения ΔK считаем форму биметаллического кольца 7 неизменной, тогда и сечение кольца можно считать недеформирующимся.
Возьмем точку О (см. фиг.5), расположенную на внутреннем радиусе  - в сечении биметаллического кольца 7. Тогда полное перемещение сечения кольца может быть представлено в виде последовательных перемещений точки О вдоль оси симметрии, перпендикулярно к ней и поворота на угол φ около точки О.
Перемещение биметаллического кольца 7 вдоль оси симметрии соответствует его перемещению как жесткого целого и не вызывает его деформаций. Поэтому это перемещение не рассматриваем. Составляющую перемещения перпендикулярную оси симметрии, обозначим через Δ и перемещения вследствие поворота сечения вокруг точки О - Δφ.
Δφ=у·φ.
Радиальное перемещение точки А равно
Δ+у·φ,
а окружное относительное удлинение
Окружное напряжение для активного слоя биметаллического кольца 7 равно
для пассивного слоя биметаллического кольца
Если разрезать биметаллическое кольцо 7 осевой диаметральной плоскостью и рассмотреть равновесие половины биметаллического кольца, то очевидно, что в сечениях биметаллического кольца (см. фиг.6) изгибающий момент М и нормальная сила N равны нулю, следовательно:
,
1
2
Подставляя в выражения N и М значения выражений σ и σ и исключая Δ, определяем
Очевидно, что φ будет наибольшим, если
Тогда
max
Подставляя в выражение для ΔK значение φ, определяем
max
ΔK=η·c·φ
При действии перепада температур Δt суммарные значения удлинения (укорочения) цилиндрических стержней равны
1
ст
2
ст
1
2
ст
ΔL=(l·α·Δt+l·α·Δt)=(l+l)αΔt
1
2
где l, l - длины составных цилиндрических стержней
ст
α - коэффициент линейного расширения материала стержней.
Приравниваем значения выражений
ΔL=ΔK
Определяем соотношение геометрических размеров составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 биметаллического кольца 7 и физико-механических характеристик применяемых материалов.
1
2
и, введя обозначение l+l=L, получаем окончательное выражение для определения потребной длины составного цилиндрического стержня, размеростабильного от действия температуры.
Учитывая, что силовая ферма состоит из множества размеростабильных от действия температуры составных цилиндрических стержней, то и в целом она будет размеростабильной по длине и по диаметру.
Предложенные техническое решение позволяет создать размеростабильную адаптивную к действию температур силовую ферму, обеспечивающую минимальную дефокусировку телескопа при действии температур.