ПЕРЕХОДНОЙ ОТСЕК РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
TRANSFER COMPARTMENT OF CARRIER ROCKET (VERSIONS)

Изобретения относятся к области ракетно-космической техники и могут быть использованы в конструкции переходных отсеков ракет - носителей для доставки в составе космических головных частей полезных нагрузок на орбиты искусственных спутников Земли (ОИСЗ). Как правило, переходные отсеки ракет - носителей включают корпус, соединенный с последней ступенью ракеты-носителя и головным обтекателем, адаптер, соединенный с полезной нагрузкой, и средство соединения корпуса переходного отсека с адаптером.
Ряд технических решений переходного отсека (см. патенты США 5816539, 5529264, 8608114, патент ЕР 0665162, патенты РФ 2153445, 2478533) содержат корпус, выполненный в виде цилиндра. Эти решения предусматривают крепление головного обтекателя и средства соединения корпуса с адаптером к верхнему торцевому шпангоуту корпуса переходного отсека. Средство соединения корпуса с адаптером в этих решениях выполняется в виде конической оболочки или, как в патенте РФ 2153445, в виде проставки, составленной из конической и цилиндрической оболочек.
В соответствии с решением по патенту РФ 2478533 (МПК B64G 1/22, F42B 15/00, опубл. 10.04.2013) переходной отсек ракеты-носителя - промежуточный отсек, включает цилиндрическую оболочку, снабженную верхним и нижним торцевыми шпангоутами. Поперечный габаритный размер переходного отсека - диаметр цилиндрической оболочки, близок поперечному габаритному размеру - диаметру последней ступени ракеты-носителя. Нижний торцевой шпангоут выполнен с обеспечением возможности соединения с последней ступенью ракеты-носителя. Верхний торцевой шпангоут переходного отсека выполнен с профилем с сечением в виде швеллерообразной формы с развитой в поперечном направлении стенкой, за счет чего на верхней поверхности стенки шпангоута обеспечивается как установка головного обтекателя, так и крепление полезной нагрузки. Кроме указанных элементов переходной отсек головной части содержит продольный силовой набор - подкрепляющие элементы, соединенные с цилиндрической оболочкой переходного отсека и верхним торцевым шпангоутом отсека, и дополнительные поперечные шпангоуты, размещенные между торцевыми шпангоутами переходного отсека.
Это техническое решение переходного отсека и другие технические решения, использующие корпус цилиндрической формы, решают задачу по увеличению полезного объема космической головной части ракеты-носителя путем размещения части полезной нагрузки или элементов последней ступени ракеты-носителя внутри переходного отсека. Решение этой задачи связано с увеличением высоты корпуса, массы верхнего торцевого шпангоута и массы переходного отсека в целом, так как корпус переходного отсека должен воспринимать продольные и поперечные нагрузки как от головного обтекателя, так и от космического аппарата и передавать их на силовые элементы последней ступени ракеты-носителя. Проблематично использовать это техническое решение и в космических головных частях, включающих головные обтекатели с конической формой хвостовых частей, примыкающих к переходному отсеку, так как при этом увеличивается масса верхнего торцевого шпангоута, который нагружается дополнительными радиальными нагрузками.
Ряд технических решений переходного отсека ракеты-носителя включает корпус, выполненный в виде усеченного конуса (см. патенты РФ 2478531, 2349512, 2351510, 2368542, 2521078, патент США 5605308).
В патенте РФ №2478531 (МПК B64G 1/22, опубл. 10.04.2013) корпус переходного отсека выполнен в виде усеченного конуса, нижний торцевой шпангоут которого соединен с последней ступенью ракеты-носителя. На верхнем торцевом шпангоуте корпуса закреплен как головной обтекатель, так и средство соединения корпуса с космическим аппаратом. Средство соединения корпуса с космическим аппаратом выполнено в виде двух последовательно соединенных друг с другом конусов. Недостатком рассмотренного решения является большая масса переходного отсека, так как корпус переходного отсека, как и рассмотренные выше конструкции переходных отсеков с корпусом в виде цилиндра, воспринимает как инерционные нагрузки от головного обтекателя, так и нагрузки от космического аппарата.
В патенте США 5605305 (НКИ 244/158R, опубл. 25.02.1997) корпус переходного отсека выполнен в виде сочетания цилиндрической оболочки, нижний торцевой шпангоут которого соединен с последней ступенью ракеты-носителя, и конической оболочки, верхний торцевой шпангоут которой соединен с головным обтекателем. Внутри корпуса размещен адаптер, выполненный в виде поперечной платформы с размещенными на ней полезными нагрузками. Средство соединения корпуса с адаптером выполнено из сочетания двух соосных конусных оболочек, помещенных одна в другую, цилиндрической проставки и фермы с треугольной решеткой. Использование в этом техническом решении для соединения адаптера с корпусом конструкции средства, включающего четыре конструктивных элемента, связано с необходимостью решения технической задачи восприятия инерционной нагрузки, распределенной по поверхности поперечной платформы, и передачи ее на последнюю ступень ракеты-носителя. Однако использование этого решения для передачи инерционных нагрузок от полезной нагрузки, соединенной с адаптером в ограниченном числе точек, приводит к неэффективному решению переходного отсека по массе и высоте. Это связано с наличием в конструкции средства соединения адаптера с корпусом двух конических оболочек, соединенных через цилиндрическую проставку с фермой. Кроме того, консольное крепление полезной нагрузки и адаптера относительно нижнего торцевого шпангоута также увеличивают массу переходного отсека, так как поперечные инерционные нагрузки воспринимаются и передаются только средством соединения адаптера с корпусом переходного отсека.
Ближайшим аналогом заявляемых вариантов переходного отсека является решение по патенту РФ №2521078 (МКП B64G 1/22, опубл. 27.06.2014). В соответствии с этим решением переходной отсек ракеты-носителя содержит корпус, адаптер и средство соединения корпуса с адаптером.
Корпус переходного отсека этого решения выполнен в виде внешней конической оболочки. Корпус - внешняя коническая оболочка, снабжен обшивкой, верхним и нижним торцевыми шпангоутами. Нижний торцевой шпангоут корпуса выполнен с профилем в виде уголка, стенки которого развернуты друг относительно друга под тупым углом. Нижний торцевой шпангоут корпуса выполнен с обеспечением возможности соединения с последней ступенью ракеты-носителя. Верхний торцевой шпангоут корпуса выполнен с возможностью соединения с головным обтекателем.
Адаптер в этом решении выполнен в виде верхнего торцевого шпангоута внутренней конической оболочки переходного отсека. Выполнение верхнего торцевого шпангоута переменного сечения, достигаемое за счет изменения его линейного размера в поперечном направлении, обеспечивает возможность крепления полезной нагрузки со смещением ее центра масс относительно продольной оси ракеты-носителя. Адаптер - верхний торцевой шпангоут внутренней конической оболочки этого решения, соединен с полезной нагрузкой и снабжен необходимыми средствами для ее крепления и отделения.
Внутренняя коническая оболочка с полезной нагрузкой, закрепленной на ее верхнем торцевом шпангоуте, в этом техническом решении снабжена нижним торцевым шпангоутом и установлена внутри корпуса соосно внешней конической оболочке. Нижний торцевой шпангоут внутренней конической оболочки закреплен на стенке нижнего торцевого шпангоута корпуса. В верхней части внутренняя коническая оболочка соединена с адаптером - внутренним торцевым шпангоутом. Кроме того, в рассматриваемом решении адаптер - верхний торцевой шпангоут внутренней конической оболочки, соединен с верхним торцевым шпангоутом корпуса стержнями, выполненными в этом решении регулируемой длины. Кроме указанного, внутренняя коническая оболочка переходного отсека этого решения снабжена промежуточным шпангоутом. Для обеспечения жесткости и несущей способности внутренняя коническая оболочка подкреплена продольными косынками, расположенными между промежуточным шпангоутом и внутренним торцевым шпангоутом.
Указанное техническое решение переходного отсека позволяет расширить эксплуатационные возможности и эффективность использования переходного отсека для выведения на ОИСЗ крупногабаритного полезного груза со смещенным расположением центра масс относительно продольной оси ракеты-носителя, сохраняя устойчивость и управляемость ракеты-носителя в полете. Кроме того, включение в средство соединения адаптера с корпусом переходного отсека стержней позволяет снизить нагрузки на внутреннюю коническую оболочку при действии поперечных нагрузок.
Однако использование этого технического решения, предусматривающего применение для передачи усилий от головного обтекателя и полезной нагрузки к ракете - носителю конических оболочек, оправдано только в том случае, если нагрузка, воспринимаемая внутренней конической оболочкой, носит распределенный характер, например, при использовании в стыках с полезной нагрузкой и с ракетой - носителем многоболтовых соединений. В распространенных конструктивно - силовых схемах головных частей космического назначения, для которых характерно точечное соединение полезной нагрузки и последней ступени ракеты-носителя с переходным отсеком, при повышенном уровне напряжений внутренняя коническая оболочка переходного отсека, даже подкрепленная силовым набором, имеет значительную массу, так как значительные зоны конической оболочки, прилегающие к стыкам, исключаются из восприятия нагрузок. Значительна и высота переходного отсека, спроектированного в соответствии с этим решением.
Технической задачей, решаемой заявляемыми вариантами изобретения, является снижение массы переходного отсека, воспринимающего сосредоточенные (точечные) усилия от полезной нагрузки и передающего эти нагрузки на последнюю ступень ракеты-носителя при наличии точечного стыка между ракетой - носителем и переходным отсеком и между полезной нагрузкой и переходным отсеком.
Заявляемыми вариантами изобретения техническая задача решается следующим образом.
Известный переходной отсек ракеты-носителя содержит корпус, адаптер и средство соединения корпуса с адаптером. Корпус известного решения снабжен обшивкой, верхним и нижним торцевыми шпангоутами и продольным силовым набором. Как и в известном решении, адаптер и средство соединения корпуса с адаптером расположены внутри корпуса. При этом верхний торцевой шпангоут корпуса выполнен с обеспечением возможности соединения с головным обтекателем, нижний торцевой шпангоут - с последней ступенью ракеты-носителя, а адаптер - с возможностью соединения с полезной нагрузкой.
В заявляемых вариантах переходного отсека ракеты-носителя новым является то, что средство соединения корпуса с адаптером выполнено в виде ферм. Каждая из ферм содержит два раскоса, два стержня и опорный узел, на котором закреплены первые концы раскосов и стержней фермы. Вторые концы стержней закреплены на верхнем торцевом шпангоуте корпуса, а вторые концы раскосов - на нижнем торцевом шпангоуте корпуса.
В заявляемых вариантах переходного отсека адаптер выполнен из секций, жестко соединенных друг с другом кронштейнами. Каждый из кронштейнов включает верхнюю и нижнюю опорные площадки, причем верхняя опорная площадка выполнена с обеспечением возможности соединения с полезной нагрузкой, а нижняя опорная площадка разъемным соединением соединена с опорным узлом одной из ферм.
В соответствии с первым заявляемым вариантом, как и в известном решении переходного отсека ракеты-носителя, корпус переходного отсека выполнен в виде усеченного конуса.
В соответствии со вторым вариантом корпус переходного отсека выполнен в виде цилиндра.
Выполнение адаптера из секций, жестко соединенных друг с другом кронштейнами, каждый из которых включает верхнюю и нижнюю опорные площадки, позволяет оптимальным образом с наименьшими затратами массы конструкции воспринять точечные усилия от полезной нагрузки на всех этапах наземной подготовки и выведения полезной нагрузки на ОИСЗ.
Выполнение средства соединения корпуса с адаптером в виде ферм, каждая из которых содержит два раскоса, соединенных с нижним торцевым шпангоутом, два стержня, соединенных с верхним торцевым шпангоутом, и опорный узел, на котором закреплены первые концы раскосов фермы и первые концы стержней фермы, в случае точечного соединения полезной нагрузки и последней ступени ракеты-носителя позволяет снизить массу переходного отсека, так как конструкции в виде ферм могут работать при более высоком уровне напряжений, чем конические оболочки. Работоспособность конструкций в виде ферм ограничена величинами предела текучести или предела прочности материала, которые превышают величину критических напряжений потери устойчивости конической оболочки. Кроме того, при выполнении средства соединения адаптера с корпусом переходного отсека в виде ферм пропадает необходимость в дополнительном шпангоуте, который размещается в нижней части внутренней конической оболочки, так как вторые концы раскосов ферм непосредственно крепятся на нижнем торцевом шпангоуте.
Выполнение средства соединения адаптера с корпусом переходного отсека из нескольких ферм позволяет также уменьшить высоту переходного отсека, что снижая величину изгибающего момента от аэродинамических нагрузок, действующих на головной обтекатель, также уменьшает массу переходного отсека. В сравнении с классической фермой с треугольной решеткой использование в переходном отсеке нескольких ферм также снижает массу переходного отсека: упрощается конструкция узлов крепления раскосов к нижнему торцевому шпангоуту (в каждом из узлов происходит соединение только с одним раскосом), уменьшается число раскосов, при ограничениях на высоту переходного отсека обеспечивается ориентирование раскосов ферм в опорном узле относительно друг друга и относительно продольной оси под приемлемыми для восприятия нагрузок углами.
Кроме того, соединение стержней ферм с опорными узлами и верхним торцевым шпангоутом корпус позволяют обеспечить необходимую жесткость конструкции переходного отсека при его сборке и отработке, что также уменьшает массу переходного отсека.
Техническим результатом от использования указанных приемов является снижение массы переходного отсека ракеты-носителя по первому и второму вариантам. Проектно - конструкторские проработки показывают (см. таблицу), что масса переходных отсеков, выполненных в соответствии с первым и вторым вариантами, меньше массы переходного отсека, использующего в конструкции две конические оболочки, даже при большем диаметре последней ступени ракеты-носителя. Использование указанных приемов позволяет также уменьшить и продольный габаритный размер - высоту, переходного отсека.
Первый заявляемый вариант переходного отсека имеет меньшую массу и позволяет расширить номенклатуру используемых головных обтекателей за счет возможности использования отработанных головных обтекателей с хвостовыми частями конической формы, стыковочный диаметр которых меньше диаметра последней ступени ракеты-носителя. Например, первый вариант переходного отсека позволяет использовать для ракеты-носителя «Зенит» с диаметром последней ступени 3,9 м головные обтекателя с хвостовой частью в виде обратного конуса с диаметром стыковочного шпангоута 3,7 м, используемые для ракеты-носителя «Союз - 2».
Второй вариант переходного отсека отличается большей несущей способностью и позволяет использовать в головных частях ракет-носителей «Зенит» и «Ангара» головные обтекатели, разработанные для ракеты-носителя «Протон», с цилиндрической формой хвостовых частей, что увеличивает полезный объем для размещения полезной нагрузки. Кроме того, при этом сокращается время сборки головной части на технической позиции, так как позволяет производить в горизонтальном положении накат головного обтекателя на полезную нагрузку со значительными габаритами.
Кроме того, в соответствии заявляемыми вариантами опорный узел каждой из ферм наиболее предпочтительно выполнить в форме стакана, при этом его основание целесообразно закрепить на нижней опорной площадке кронштейна одной из ферм, а первые концы раскосов и стержней закрепить на его боковой стенке, что, обеспечивая доступ к элементам разъемного соединения опорного узла с кронштейном фермы, позволяет сократить время сборки переходного отсека. Кроме того, крепление раскосов ферм и стержней на боковой стенке опорного узла позволяет обеспечить пересечение продольных осей раскосов и стержней на оси опорного узла в плоскости стыка с адаптером или с небольшим эксцентриситетом, что, исключая появление дополнительных изгибающих моментов в плоскости стыка, дополнительно снижает массу переходного отсека.
Кроме того, в соответствии с заявляемыми решениями первые концы стержней целесообразно закрепить на боковой стенке опорного узла шарнирно, что обеспечивая компенсацию погрешностей изготовления и установки ферм относительно корпуса, также уменьшает срок сборки переходного отсека.
Кроме того, в переходном отсеке ракеты-носителя в соответствии с первым заявляемым вариантом верхний торцевой шпангоут корпуса может быть выполнен с сечением в виде профиля швеллерообразной формы. При этом к его внешнему поясу прикреплена обшивка корпуса, на стенке установлен головной обтекатель, а снизу к стенке прикреплены вторые концы стержней ферм, причем места крепления стержней расположены под местом установки головного обтекателя.
Кроме того, в переходном отсеке ракеты-носителя в соответствии со вторым вариантом заявляемым вариантом переходного отсека верхний торцевой шпангоут корпуса может быть выполнен с сечением в виде профиля Z-образной формы со стенкой, помещенной в поперечной плоскости переходного отсека, и дополнительным поясом, размещенным вблизи центра тяжести площади сечения шпангоута. При этом обшивку корпуса наиболее предпочтительно закрепить на указанном дополнительном поясе, к внутренней части стенки шпангоута присоединить стержни ферм, а на наружной части стенки шпангоута установить головной обтекатель.
Приведенные решения верхнего торцевого шпангоута и его узла стыка с головным обтекателем, стержнями ферм и обшивкой корпуса по первому и второму заявляемым вариантам дают возможность свести действующие на шпангоут нагрузки от стержней ферм, головного обтекателя и обшивки корпуса в одну точку или с небольшим эксцентриситетом, что, минимизируя местные изгибающие моменты, повышает локальную несущую способность верхнего торцевого шпангоута и дополнительно снижает массу переходного отсека.
Кроме того, в соответствии с заявляемыми вариантами переходного отсека вторые концы раскосов ферм, нижний торцевой шпангоут и стыковой шпангоут последней ступени ракеты-носителя наиболее предпочтительно соединить разъемным соединением в единый пакет, что позволяет обеспечить совместную работу силовых элементов переходного отсека и силового элемента последней ступени ракеты-носителя. Это повышает прочность и жесткость соединения и дополнительно позволяет уменьшить массу переходного отсека.
Помимо прочего, каждый из кронштейнов ферм в соответствии с заявляемыми вариантами переходного отсека может быть снабжен средней и соединенными с ней боковыми стенками. Верхняя и нижняя опорные площадки каждого из кронштейнов могут быть расположены по разные стороны от средней стенки и подкреплены боковыми стенками, соединенными со средней стенкой кронштейна. Каждая из секций адаптера при этом может быть выполнена в виде дуги, на большей своей части выполненной в виде Г-образного профиля, а на частях, примыкающих к кронштейнам, - в виде Z-образного профиля. Такое решение адаптера расширяет функциональные возможности переходного отсека за счет возможности крепления к адаптеру полезных нагрузок с габаритным размером стыковочного диаметра, меньшим габаритного стыковочного размера опорных узлов адаптера, и за счет использования округлых секций увеличить зону полезного груза. Выполнение секций адаптера на большей части в виде Г-образного профиля эффективно по массе конструкции, а выполнение частей, прилегающих к местам соединений секций адаптера с кронштейнами, с переходом от Г- образного профиля к Z-образному профилю позволяет уменьшить концентрацию напряжений, дополнительно снизив массу конструкции переходного отсека.
При расположении опорных площадок кронштейнов адаптера по разные стороны от средней стенки и выполнении секций адаптера на больших частях в виде Г-образного профиля в соответствии с заявляемыми вариантами изобретений средние стенки кронштейнов и стенки секций адаптера наиболее предпочтительно расположить наклонно к продольной оси переходного отсека. Выполнение средних стенок кронштейнов и стенок секций адаптера с наклоном к продольной оси отсека снижает усилия среза болтов крепления кронштейнов к опорным узлам фермы, дополнительно снижая массу переходного отсека. Ориентирование наклона средних стенок кронштейнов адаптера и наклона стенок секций адаптера в направлении центра масс полезной нагрузки позволяет оптимальным образом передать продольную инерционную нагрузку от космического аппарата на адаптер, что также уменьшает массу переходного отсека. Это особенно актуально в случае выведения полезных нагрузок с низким расположением центра масс относительно адаптера.
Помимо прочего верхняя и нижняя опорные площадки каждого из кронштейнов адаптера в соответствии с заявляемыми вариантами могут быть расположены друг над другом и соединены с тремя боковыми стенками. Такое решение опорного узла дает возможность уравновесить без изгибающего момента осевые силы, действующие на опорный узел, что уменьшает массу переходного отсека.
При расположении верхней и нижней опорных площадок каждого из кронштейнов адаптера друг над другом каждую из секций адаптера в соответствии с заявляемыми вариантами наиболее предпочтительно выполнить в виде балки швеллерного профиля. Выполнение секций адаптера в виде прямолинейных балок швеллерного профиля позволяет исключить действие изгибающих моментов в поперечной плоскости адаптера, возникающих при выполнении секций криволинейной формы. Отсутствие изгиба адаптера позволяет повысить несущую способность переходного отсека и тем самым использовать переходной отсек для выведения более массивных полезных нагрузок.
Заявляемые технические решения поясняется следующими материалами:
фиг. 1 - общий вид переходного отсека в аксонометрии в соответствии с первым вариантом (адаптер выполнен с секциями в виде дуг),
фиг. 2 - общий вид переходного отсека по первому варианту снизу (вид А с фиг. 1, адаптер выполнен с секциями в виде дуг),
фиг. 3 - узлы соединения верхнего и нижнего торцевых шпангоутов корпуса с обшивкой переходного отсека по первому варианту (сечение Ж-Ж с фиг. 2, головной обтекатель условно не показан),
фиг. 4 - узел стыка верхнего торцевого шпангоута переходного отсека по первому варианту с обшивкой корпуса и головным обтекателем (сечение Л-Л с фиг. 2),
фиг. 5 - общий вид фермы переходного отсека по первому варианту с секциями адаптера, выполненными в виде дуг, в аксонометрии,
фиг. 6 - узел стыка фермы с корпусом переходного отсека по первому варианту и с секциями адаптера, выполненными в виде дуг (вид Б с фиг. 2),
фиг. 7 - узел стыка фермы с корпусом переходного отсека по первому варианту и с секциями адаптера, выполненными в виде дуг (вид В с фиг. 6),
фиг. 8 - узлы соединения раскоса фермы с опорным узлом фермы и с нижним торцевым шпангоутом (сечение Е-Е с фиг. 7, адаптер выполнен с кронштейном с опорными площадками, размещенными по разные стороны от средней стенки),
фиг. 9 - ферма в сборке с верхним торцевым шпангоутом корпуса переходного отсека по первому варианту, раскосы фермы условно не показаны, адаптер выполнен с секциями в форме дуг (вид В с фиг. 6),
фиг. 10 - узлы соединения стержня с опорным узлом фермы и с верхним торцевым шпангоутом (переходной отсек выполнен в соответствии с первым вариантом, адаптер снабжен кронштейном с опорными площадками, размещенными по разные стороны от средней стенки, сечение Д-Д с фиг. 9),
фиг. 11 - общий вид адаптера с секциями, выполненными в виде дуг, в аксонометрии,
фиг. 12 - профиль сечения адаптера на большей части его секции (сечение З-З с фиг. 7, секции адаптера выполнены в виде дуг),
фиг. 13 - профиль сечения адаптера на частях секций, примыкающих к их стыкам с кронштейном (сечение И-И с фиг. 7, секции адаптера выполнены в виде дуг),
фиг. 14, 15 - кронштейн адаптера с опорными площадками, размещенными по разные стороны от средней стенки кронштейна в аксонометрии (вид снаружи и изнутри адаптера),
фиг. 16 - опорный узел фермы в аксонометрии,
фиг. 17 - общий вид переходного отсека в аксонометрии в соответствии со вторым вариантом (секции адаптера выполнены в виде балок),
фиг. 18 - общий вид переходного отсека по второму варианту сверху, секции адаптера выполнены в виде балок (вид П с фиг. 17),
фиг. 19 - узлы соединения верхнего и нижнего торцевых шпангоутов корпуса с обшивкой переходного отсека по второму варианту (головной обтекатель условно не показан, сечение У-У с фиг. 18),
фиг. 20 - общий вид фермы корпуса переходного отсека по второму варианту с адаптером, секции которого выполнены в виде балок, в аксонометрии (вид изнутри переходного отсека),
фиг. 21 - узел соединения верхнего торцевого шпангоута переходного отсека по второму варианту с головным обтекателем и обшивкой корпуса (сечение Ф-Ф с фиг. 18),
фиг. 22 - узел соединения фермы с кронштейном адаптера и с обшивкой переходного отсека по второму варианту (сечение Р-Р с фиг. 18, адаптер выполнен с секциями в виде балок),
фиг. 23 - общий вид адаптера с секциями в виде балок в аксонометрии,
фиг. 24 - адаптер с секциями в виде балок в плане,
фиг. 25 - кронштейн адаптера с опорными площадками, размещенными друг над другом в аксонометрии,
фиг. 26 - профиль секции адаптера (сечение С-С с фиг. 24, секции адаптера выполнены в виде балок),
фиг. 27 - продольный разрез кронштейна адаптера с опорными площадками, размещенными друг над другом, и с секциями в виде балок (сечение Т-Т с фиг. 24),
фиг. 28 - узел стыка верхнего торцевого шпангоута переходного отсека по второму варианту с головным обтекателем и обшивкой корпуса (выноска X с фиг. 22).
Без ограничения общности при последующем изложении условимся термины «выше», «ниже», «сверху», «снизу», «верхний конец», «нижний конец», «верхняя сторона», «нижняя сторона» трактовать в соответствии с расположением элементов относительно положительного направления продольной оси 36 (ось X на фиг. 1, 17). Терминами «внешний», «наружный», «внутренний» условимся обозначать элементы, расположенные в поперечной плоскости, дальше или ближе от продольной оси в радиальном направлении.
Заявляемый переходной отсек ракеты-носителя устроен следующим образом.
В соответствии с 1 и 2 заявляемыми вариантами переходной отсек ракеты-носителя (см. фиг. 1, 2, 17, 18) содержит корпус, снабженный обшивкой 1, верхним 2 и нижним 3 торцевыми шпангоутами и продольным силовым набором 4. Кроме того, переходной отсек снабжен расположенными внутри корпуса адаптером 5 и средством соединения корпуса с адаптером.
Как и в ближайшем аналоге, в соответствии с 1 заявляемым вариантом корпус переходного отсека выполнен в виде усеченного конуса (см. фиг. 1, 3). В отличие от ближайшего аналога в соответствии со 2 втором вариантом корпус переходного отсека выполнен в виде цилиндра (см. фиг. 17, 19).
С использованием известных из уровня техники средств крепления и отделения (замков, толкателей и других элементов), не показанных на чертежах, верхний торцевой шпангоут 2 корпуса выполнен с обеспечением возможности соединения с головным обтекателем ракеты-носителя, нижний торцевой шпангоут 3-е последней ступенью ракеты-носителя. Адаптер 5 с использованием известных из уровня техники средств крепления и разделения, не показанных на чертежах, выполнен с обеспечением возможности соединения с полезной нагрузкой.
Нижние 3 торцевые шпангоуты в заявляемых решениях могут быть выполнены, как показано на фиг. 3, 19, на больших своих частях в виде профилей с сечением швеллерообразной формы со стенками, расположенными в поперечных плоскостях, и поясами разновеликой высоты. Нижние торцевые шпангоуты 3 заявляемых решений выполнены с обеспечением возможности соединения с последней ступенью ракеты-носителя, при этом стенка нижнего торцевого шпангоута 3 снабжена отверстиями 7 (см. фиг. 5) для размещения элементов 25 (см. фиг. 8) стыковки с силовым шпангоутом последней ступени ракеты-носителя.
Верхний торцевой шпангоут 2 в соответствии с первым заявляемым вариантом наиболее предпочтительно выполнить с сечением в виде профиля швеллерообразной формы со стенкой, расположенной в поперечной плоскости, как показано на фиг. 3, 4, 10. На стенке верхнего торцевого шпангоута установлен головной обтекатель 32. Для обеспечения установки головного обтекателя на верхнем торцевом шпангоуте на его стенке размещены штыри 6 небольшой высоты (см. фиг. 5).
В соответствии с первым заявляемым вариантом обшивка 1 корпуса может быть закреплена на внешних поясах верхнего 2 и нижнего 3 торцевых шпангоутов.
В соответствии со вторым заявляемым вариантом переходного отсека верхний 2 торцевой шпангоут наиболее предпочтительно выполнить в виде профиля Z-образной формы (см. фиг. 19, 21, 22, 28), образованной стенкой, размещенной в поперечной плоскости переходного отсека, внешним 37 и внутренним 38 поясами. Кроме того, верхний торцевой шпангоут снабжен дополнительным поясом 33, размещенным вблизи центра тяжести площади сечения профиля. При этом обшивку 1 корпуса целесообразно закрепить на дополнительном поясе 33 верхнего торцевого шпангоута и на внешнем поясе нижнего 3 торцевого шпангоута (см. фиг. 19). На внешней части 34 стенки верхнего 2 торцевого шпангоута целесообразно расположить головной обтекатель 32 ракеты-носителя (см. фиг. 21, 22, 28).
Обшивка 1 корпуса снабжена люками для обеспечения доступа для обслуживания внутренних элементов переходного отсека на технической позиции.
Продольный силовой набор 4 корпуса переходного отсека может быть выполнен в виде стрингеров уголкового профиля и усиленных стрингеров швеллерного профиля.
В соответствии с заявляемыми вариантами переходного отсека средство соединения корпуса с адаптером выполнено в виде ферм 16 (см. фиг. 1, 2, 5, 17, 18, 20), равномерно расположенных вдоль окружности корпуса и соединенных с верхним 2 и нижним 3 торцевыми шпангоутами корпуса и с адаптером. Каждая из ферм 16 (см. фиг. 5, 20) содержит два раскоса 17, два стержня 18 и опорный узел 19, на котором закреплены первые концы раскосов и стержней фермы. Вторые концы стержней 18 закреплены на верхнем торцевом шпангоуте 2 корпуса, а вторые концы раскосов 17 - на нижнем торцевом шпангоуте 3 корпуса.
В соответствии с заявляемыми решениями опорный узел 19 каждой из ферм (см. фиг. 16) наиболее предпочтительно выполнить в форме стакана и разместить на его боковой стенке два фитинга 20 и два элемента соединения «ухо» 21. Основание каждого из опорных узлов целесообразно снабдить отверстием для размещения элемента крепления разъемного соединения.
В соответствии с заявляемыми решениями раскосы 17 и стержни 18 целесообразно выполнить из труб. Первые концы раскосов 17 в соответствии с заявляемыми решениями предпочтительно жестко закрепить сваркой к торцам фитингов 20, размещенных на боковых стенках опорных узлов 19 (см. фиг. 8, 20, 22).
Первые концы стержней 18 в соответствии с заявляемыми решениями предпочтительно выполнить в виде элемента соединения «вилка» и шарнирно закрепить на элементе соединения «ухо» 21 с использованием в соединении шарнирного подшипника 22 (см. фиг. 10, 22).
Как указывалось выше, в соответствии с первым вариантом переходного отсека верхний торцевой шпангоут его корпуса целесообразно выполнить с сечением в виде профиля швеллерообразной формы. При этом вторые концы стержней 18, как показано на фиг. 10, могут быть закреплены на нижней стороне стенки верхнего торцевого шпангоута 2 с использованием двух винтов 24. При этом места соединения стержней 18 с верхним торцевым шпангоутом 2 и зону установки головного обтекателя 32 на стенке верхнего торцевого шпангоута целесообразно сместить к внешнему поясу верхнего торцевого шпангоута, разместив места крепления вторых концов стержней 18 к нижней поверхности верхнего торцевого шпангоута 2 под местом установки головного обтекателя 32 сверху стенки шпангоута, как показано на фиг. 10.
В соответствии со вторым вариантом переходного отсека, как указывалось, верхний торцевой шпангоут наиболее предпочтительно выполнить с сечением в виде Z-образной формы. При этом вторые концы стержней 18 целесообразно закрепить на нижней поверхности внутренней части 35 верхнего торцевого шпангоута 2 с использованием винтов 24, как показано на фиг. 22, 28, а головной обтекатель 32 целесообразно разместить над внешней частью 34 верхнего торцевого шпангоута 2.
Вторые концы раскосов 17 в соответствии с заявляемыми решениями могут быть выполнены в форме фитингов (см. фиг. 8, 22) и закреплены на стенке нижнего торцевого шпангоута 3 с использованием разъемных соединений 25 (см. фиг. 7). В качестве основного средства крепления вторых концов раскосов 17 ферм к нижнему торцевому шпангоуту корпуса (см. фиг. 7) наиболее предпочтительно использовать разъемное соединение 25, например болтовое соединение, пропущенное сквозь отверстия 7 и соединяющее в один пакет силовой элемент 26 последней ступени ракеты-носителя, нижний торцевой шпангоут 3 корпуса и второй конец раскоса 17 фермы. Для обеспечения дополнительной жесткости переходного отсека и головной части в целом указанное соединение целесообразно снабдить дополнительными элементами крепления 23, в качестве которых могут быть использованы два винта и два штифта. Такое выполнение соединения также уменьшает массу переходного отсека.
В соответствии с заявляемыми вариантами переходной отсек содержит адаптер. В заявляемых решениях переходного отсека адаптер, как подробно описано ниже, может быть выполнен как в виде соединенных друг с другом секций, выполненных в виде дуг, так и в виде соединенных друг с другом балок. В примере конкретного выполнения первого заявленного варианта переходного отсека (см. фиг. 1-16) приведено устройство адаптера с секциями, выполненных в виде дуг, хотя такое устройство адаптера может быть использовано и во втором варианте переходного отсека. В примере конкретного выполнения переходного отсека в соответствии со вторым заявленным вариантом (см. фиг. 17-28) приведено устройство адаптера, выполненного в форме балок, хотя такое устройство адаптера может быть использовано и в первом варианте переходного отсека.
В соответствии с заявляемыми вариантами переходного отсека адаптер 5 расположен внутри корпуса переходного отсека и составлен из секций 8, жестко соединенных друг с другом кронштейнами 9 (см. фиг. 1, 11, 17, 23). Каждый из кронштейнов 9 включает нижнюю 13 и верхнюю 14 опорные площадки (см. фиг. 14, 15, 25). Верхняя опорная площадка 14 адаптера выполнена с обеспечением возможности соединения с полезной нагрузкой. В соответствии с заявляемыми решениями нижняя опорная площадка 13 каждого кронштейна разъемный соединением, например, с использованием шпилек 27, соединена с опорным узлом 19 одной из ферм, как показано на фиг. 8, 10, 22.
В соответствии с заявляемыми вариантами каждый из кронштейнов фермы может быть снабжен средней стенкой 12, а верхняя 14 и нижняя 13 опорные площадки каждого из кронштейнов расположены по разные стороны от средней стенки 12, образуя в продольном сечении Z-образный профиль, как показано на фиг. 8, 10. Опорные площадки 13, 14 кронштейнов предпочтительно подкрепить боковыми стенками 15, соединенными со средней стенкой 12 кронштейна (см. фиг. 14, 15). В этом случае каждую из секций адаптера 5 наиболее предпочтительно выполнить в виде дуги, на большей своей части выполненной в виде Г-образного профиля. На частях, примыкающих к кронштейнам, секции целесообразно выполнить с переходом от Г-образного к Z-образному профилю (см. фиг. 7, 9, 12, 13). При этом средние стенки кронштейнов и стенки секций могут быть выполнены наклонными, что снижает усилия среза болтов крепления кронштейнов адаптера к узлам фермы, дополнительно снижет массу переходного отсека.
Кроме того, в соответствии с заявляемыми решениями переходного отсека верхняя 14 и нижняя 13 опорные площадки каждого из кронштейнов адаптера могут быть расположены друг над другом, как показано на фиг. 22, 25, 27. При этом каждый из кронштейнов 9 адаптера целесообразно снабдить тремя боковыми стенками. При этом опорные площадки кронштейна адаптера соединены с боковыми стенками (см. фиг. 25).
В случае расположения опорных площадок друг над другом каждую из секций 8 адаптера 5 наиболее предпочтительно выполнить в виде прямолинейной балки с профилем в виде швеллера (см. фиг. 17, 18, 26), пояса 29 которого могут быть выполнены из уголковых профилей, а стенка соединена с поясами с использованием клепки. В стенке балки адаптера целесообразно выполнить облегчающие вырезы.
Кронштейны 9 могут быть снабжены фитингами 31 для установки средств отделения полезной нагрузки (см. фиг. 27).
Конструктивные элементы заявляемого переходного отсека ракеты-носителя могут быть изготовлены из сплавов на основе алюминия. При изготовлении верхнего и нижнего торцевых шпангоутов из заготовок выполняют точено-фрезерованные кольца или балки. Из заготовок из сплава на основе алюминия также выполняют отдельные точено - фрезерованные секции и кронштейны средства крепления полезной нагрузки, которые соединяются между собой сваркой. В процессе сборки корпуса переходного отсека его обшивка соединяется с торцевыми шпангоутами и силовым набором клепкой. Трубные заготовки раскосов и стержней фермы сваркой соединяются с их законцовками на их первых и вторых концах. Первые концы раскосов сваркой соединяются с опорными узлами ферм. При агрегатной сборке переходного отсека фермы разъемными соединениями крепятся к корпусу переходного отсека и к адаптеру, при этом шарнирное соединение стержней с опорными узлами фермы упрощает процесс сборки. После этого производится сборка головной части в целом.
В процессе выведения ракеты-носителя верхний торцевой шпангоут корпуса воспринимает продольную и поперечную нагрузку от головного обтекателя, возникающую при наземной подготовке и на этапе выведения ракеты-носителя при действии скоростного напора, и передает эти нагрузки на корпус переходного отсека, подкрепленный продольным силовым набором. Продольные и поперечные усилия от полезной нагрузки воспринимаются адаптером и через опорные узлы фермы передаются на раскосы ферм.
При осуществлении транспортных операций с головной частью на технической позиции продольные и поперечные усилия от полезной нагрузки от фермы к нижнему торцевому шпангоуту передаются через разъемные соединения, выполненные в виде винтов и штифтов.
В процессе выведения полезной нагрузки ракетой - носителем усилия от головного обтекателя передаются через продольные силовые элементы корпуса и его обшивку на нижний торцевой шпангоут корпуса и через болты, установленные в отверстиях 7, передаются на конструкцию ракеты-носителя. На эти же элементы передаются и продольные и поперечные усилия от раскосов ферм.
Стержни, соединяющие адаптер с верхним торцевым шпангоутом корпуса служат для обеспечения жесткости конструкции переходного отсека при его сборке и отработке, воспринимая поперечные нагрузки от адаптера.
Рассмотренные примеры конструктивного выполнения переходного отсека позволяет воспринять корпусом инерционные и аэродинамические нагрузки от головного обтекателя и передать их через обшивку корпуса и его силовой набор на нижний торцевой шпангоут. Одновременно средством крепления полезной нагрузки сосредоточенные усилия от полезной нагрузки воспринимаются восемью кронштейнами и передаются через раскосы восьми ферм на шестнадцать точек нижнего торцевого шпангоута.
Заявляемые решения переходного отсека могут быть изготовлены на предприятиях ракетно-космической промышленности.