ТРЕХСЛОЙНАЯ ПАНЕЛЬ
SANDWICH PANEL

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть применено в ракетно-космической технике. Преимущественная область использования изобретения - сверхлегкие каркасы солнечных батарей и элементы конструкций космических аппаратов.
Создание сверхлегкой панели, способной выполнять задачи, предъявляемые к каркасам солнечных батарей на этапах их транспортировки, выведения на орбиту и длительной эксплуатации в условиях космического пространства, является технически сложной задачей. К панелям каркасов солнечных батарей предъявляются требования по прочности, жесткости и при этом минимально возможной массе. Все перечисленные требования в совокупности являются трудновыполнимыми и противоречивыми, а создание панели, отвечающей подобным требованиям, представляет определенный компромисс.
Известна сверхлегкая трехслойная панель, применяемая в качестве каркаса солнечной батареи космического аппарата, состоящая из обшивок, отформованных из однонаправленных углеродных волокон и приклеенных к алюминиевому сотовому заполнителю при помощи эпоксидного клея (патент Японии №04-215599, опубликованный 06.08.1992).
Эта конструкция может использоваться в качестве панелей интерьера, перегородок или конструкционных элементов спутника или космической станции.
3
Однако известная панель, вследствие достаточно высокой плотности используемого алюминиевого сотового заполнителя, имеет значительную собственную массу, так как размер ячеек не более 10-12 мм и плотность не менее 50 кг/м. Это делает неэффективным использование известной конструкции в качестве каркаса солнечных батарей.
Известна также трехслойная панель, применяемая как конструкционный элемент искусственного спутника или космической станции, состоящая из тонких обшивок из пластика на основе угольных или стеклянных или органических волокон, соединенных с поверхностями сотового заполнителя, изготовленного из алюминия или бумаги Nomex или углепластика (патент США №6743497, опубликованный 01.06.2004).
Недостатком известной конструкции панели является использование сотового заполнителя, имеющего относительно высокую плотность, что обуславливает значительную массу панели.
Задачей изобретения является создание трехслойной панели, обладающей требуемой прочностью и жесткостью при минимально возможной массе.
Сущность изобретения заключается в том, что в трехслойной панели, содержащей тонкие верхнюю и нижнюю обшивки и расположенный между ними ячеистый заполнитель, соединенные между собой, согласно предлагаемому изобретению ячеистый заполнитель представляет собой каркас, состоящий из соединенных между собой плоских элементов, расположенных вертикально на расстоянии 20-200 мм друг от друга и образующих замкнутые ячейки треугольной, прямоугольной или квадратной формы, а обшивки соединены с каркасом по торцам ячеек.
Обшивки трехслойной панели как верхняя, так и нижняя могут быть выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика.
Обшивки трехслойной панели могут быть выполнены как сплошными, так и с вырезами, подобными ячейкам каркаса.
Углы вырезов, выполненных в верхней и/или нижней обшивках трехслойной панели, могут иметь округления.
Верхняя и/или нижняя обшивки трехслойной панели могут иметь локальные накладки.
Локальные накладки обшивок могут быть выполнены из тонкого углепластика, стеклопластика или органопластика.
Локальные накладки обшивок могут иметь вырезы, подобные ячейкам каркаса.
Плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса, могут быть выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или материала на основе полимерной бумаги Nomex.
В плоских элементах, образующих замкнутые ячейки каркаса, могут быть выполнены вырезы круглой, прямоугольной или квадратной формы.
Углы вырезов прямоугольной или квадратной формы, выполненных в плоских элементах, образующих замкнутые ячейки каркаса, могут иметь скругления.
Выполнение ячеистого заполнителя в виде каркаса с ячейками размером 20-200 мм позволяет изготовить трехслойную панель с меньшей массой по сравнению с аналогичной панелью, включающей сотовый заполнитель. Размер ячеек и их форма (треугольная, прямоугольная или квадратная) выбираются исходя из прочностных требований, предъявляемых к трехслойной панели.
Толщины обшивок и плоских элементов, образующих замкнутые ячейки каркаса, расстояния между плоскими элементами, высота каркаса определяются требованиями, предъявляемыми к трехслойной панели по прочности и жесткости.
Выбор материала обшивок из ряда: алюминий, углепластик, стеклопластик или органопластик обуславливается предъявляемыми к трехслойной панели требованиями по прочности, массе, стойкости к агрессивной среде, дешевизне, ударной прочности, простоте изготовления (в том числе обработки).
Конструкция трехслойной панели со сплошными обшивками - это самый простой и дешевый вариант, используемый в случае, когда нет требований максимально возможно уменьшить массу, либо когда в силу конструктивных особенностей трехслойной панели, как правило, связанных с назначением ее использования, необходимы сплошные обшивки.
Изготовление трехслойной панели с обшивками, имеющими вырезы, подобные ячейкам каркаса, позволяют максимально облегчить трехслойную панель при сохранении требуемых прочностных характеристик.
Выполнение углов вырезов в обшивках со скруглениями позволяет исключить концентраторы напряжений и, следовательно, повысить прочность при нагрузках.
Локальные накладки на обшивках трехслойной панели играют роль усилений, необходимых для повышения ее прочности в определенных местах, например в местах установки приборов или местах крепления к силовому каркасу спутника.
Выбор материала локальных накладок из ряда углепластик, стеклопластик или органопластик определяется задачей, которую они должны решать. Как правило, материал локальных накладок является таким же, как и материал, из которого изготовлены обшивки трехслойной панели.
Выполнение локальных накладок, как и обшивок, с вырезами, подобными ячейкам каркаса, позволяет максимально снизить массу трехслойной панели при обеспечении требуемых прочностных характеристик.
Выполнение плоских элементов, образующих замкнутые ячейки каркаса, из алюминия, углепластика, стеклопластика или материала на основе полимерной бумаги Nomex позволяет изготавливать трехслойную панель различной массы, прочности, стойкости к удару, долговечности, технологичности, трудоемкости изготовления, стоимости в зависимости от требований, предъявляемых к панели.
Выполнение в плоских элементах, образующих замкнутые ячейки каркаса, вырезов круглой, прямоугольной или квадратной формы позволяет максимально снизить массу трехслойной панели при сохранении ее прочностных характеристик.
Выполнение углов в прямоугольных и квадратных вырезах плоских элементов, образующих замкнутые ячейки каркаса, со сокруглениями позволяет исключить концентраторы напряжений и, следовательно, повысить прочность при нагрузках.
На фиг.1 представлен общий вид трехслойной панели со сплошными обшивками.
На фиг.2 изображена трехслойная панель, обшивки которой имеют квадратные вырезы.
На фиг.3 изображена трехслойная панель с верхней обшивкой и локальными накладками, имеющими вырезы.
На фиг.4 изображена трехслойная панель с вырезами в верхней обшивке и плоских элементах, образующих замкнутые ячейки каркаса.
На фиг. 5 изображена трехслойная панель, в которой плоские элементы образуют замкнутые ячейки каркаса разного размера и разной формы.
На фиг.6 изображен разрез трехслойной панели, в которой плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса, имеют круглые вырезы.
На фиг.7 изображен разрез трехслойной панели, в которой плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса, имеют прямоугольные вырезы со скругленными углами.
На фиг.8 изображен разрез трехслойной панели, в которой плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса, имеют квадратные вырезы со скругленными углами.
Трехслойная панель представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из соединенных между собой тонкой сплошной верхней обшивки 1, ячеистого заполнителя 2, представляющего собой каркас, выполненный в виде ячеек, образованных соединенными между собой плоскими элементами 3 из отвержденного пластика или алюминия и расположенными вертикально на расстоянии 20-200 мм друг от друга, и тонкой нижней обшивки 4.
Для снижения массы трехслойной панели верхняя обшивка 1 выполнена с вырезами 5 и/или нижняя обшивка выполнена с вырезами 6, подобными ячейкам каркаса. Форма вырезов может быть квадратной, прямоугольной или треугольной. Возможно также сочетание вырезов различной формы на одной обшивке.
На отдельных участках панели на обшивку 5 и/или обшивку 6 могут быть наклеены локальные накладки 7 из тонкого углепластика, стеклопластика или органопластика, имеющего вырезы, подобные ячейкам каркаса.
Для получения трехслойной панели с минимально возможной массой плоские элементы 3, образующие замкнутые ячейки каркаса, выполнены с вырезами 8.
Плоские элементы 3, образующие замкнутые ячейки каркаса, могут быть установлены на разных расстояниях и образовывать каркас с ячейками различного размера и формы: 9, 10 - квадратные ячейки разного размера, 11 - прямоугольные ячейки, 12 - треугольные ячейки.
Вырезы в плоских элементах 3, образующих замкнутые ячейки каркаса, могут быть круглыми 13, прямоугольными 14 или квадратными 15.
Реализация предложенного технического решения позволяет получить сверхлегкую трехслойную панель, обладающую требуемой прочностью и жесткостью при минимально возможной массе.
Изготовления трехслойной панели происходит за несколько этапов. Вначале формуются и вырезаются обшивки и плоские элементы каркаса, размеры которых определяются чертежом панели. Обшивки и плоские элементы каркаса по длине вырезаются с технологическим припуском. На втором этапе происходит сборка каркаса, которая заключается в склейке плоских элементов, образующих замкнутые ячейки каркаса. На третьем этапе происходит склейка обшивок с каркасом по торцам ячеек. И на четвертом, заключительном, этапе происходит размерная обработка трехслойной панели (обрезка технологического припуска).
Наилучшие массовые характеристики трехслойной панели были получены при использовании для обшивок одно- и двухслойного пластика на основе угольной ткани и связующего на основе эпоксидной смолы. Причем верхняя обшивка и локальные накладки имели вырезы, подобные ячейкам каркаса, а сами ячейки каркаса были образованы плоскими элементами, имеющими прямоугольные вырезы со скругленными углами, установленными на разном расстоянии и образующими каркас с ячейками различного размера.
Верхняя обшивка, локальные накладки, нижняя обшивка и плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса, изготовленные из указанного выше материала и соединенные с помощью эпоксидного клея, позволили получить трехслойную панель с размерами 1000×1000×20 мм и массой 500 г. Наилучшие образцы трехслойных панелей с размерами 1000×1000×20 мм, состоящих из тонких обшивок и сотового заполнителя, имеют массу 800 г. Приведенные данные подтверждают эффективность использования предлагаемой конструкции в качестве сверхлегких каркасов солнечных батарей и элементов конструкций космических аппаратов.