ФОРМОСТАБИЛЬНАЯ КОРПУСНАЯ ПЛАТФОРМА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ)
STABLE-SHAPE STRUCTURAL PLATFORM FROM COMPOSITE MATERIAL (VERSIONS)

Изобретение относится к высокоточным конструкциям из полимерных композиционных материалов и может применяться в космической технике в качестве несущих платформ, в том числе внешнего размещения относительно корпуса космического аппарата (КА).
Реализация заданных целевых характеристик космического аппарата в значительной степени определяется эксплуатационной точностью позиционирования приборов бортового специального оснащения, которая обеспечивается размеро-, формостабильностью и жесткостью платформ, предназначенных для их размещения. Для космических платформ требования стабильности задаются угловыми отклонениями фокальных осей и относительными линейными перемещениями целевой аппаратуры, определяемыми плоскостными и пространственными деформациями несущей конструкции в штатном режиме теплового нагружения.
Вследствие функционирования в условиях широких диапазонов изменения температуры окружающей среды, больших габаритов, а также дополнительного силового нагружения в рабочем положении при консольной схеме заделки и термических возмущений от металлических элементов перестыка с узлами навески к корпусу аппарата, подвижные платформы КА внешнего размещения отличаются повышенными требованиями жесткости, определяющими предпочтительность использования конструкций корпусного типа, и термической стабильности.
Известна корпусная антенная платформа КА внешнего размещения, выполненная из алюминиевого сплава в виде сварной конструкции, которая содержит продольные уголковые профили, составляющие силовой каркас платформы; образованные плоскими листами нижнюю плоскость с несимметрично расположенными вырезами под приборы и боковые стенки; систему тавровых профилей, ориентированных в диагональных и поперечных направлениях и формирующих рамную структуру верхней плоскости; а также торцевые фланцы, предназначенные для крепления узлов навески (Гудков О.М., Павлов А.Ю. Особенности расчета температурных деформаций крупногабаритных трансформируемых антенных платформ для КА ДЗЗ // Пятые Уткинские чтения: Труды Международной научн.-техн. конф. - СПб: Балт. гос. техн. ун-т., 2011. - С.27-31).
При низкой массовой эффективности антенная платформа характеризуется недостаточной размерной стабильностью из-за больших термических деформаций, обусловленных высоким термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) алюминия. Достижимая размерная точность платформы для типового диапазона изменения температуры штатной эксплуатации (~100°С) составляет 2,4 мм/м, что исключает возможность ее эффективного применения в космических аппаратах с повышенными требованиями прецизионности, современный уровень которых определяется величиной менее 0,1 мм/м.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является углепластиковая корпусная оптическая платформа космического телескопа, выполненная в виде сборной пространственно замкнутой конструкции в форме неправильного шестигранника из углесотовых пластин, образованной двумя панелями с вырезами, боковыми стенками и торцевыми фланцами, причем вырезы одной панели расположены несимметрично по отношению к вырезам другой, и площади поверхностей панелей имеют разную величину (Development of a Lightweight, Near Zero CTE Optical Bench for the Wide-Field Camera 3 Instrument / J.M. Holz, C. Kunt, C. Lashley, D.McGuffey // Future EUV/UV and Visible Space Astrophysics Missions and Instrumentation: Proc. of SPIE. - 2003. - Vol.4854. - P.435-446).
Конструкция платформы в целом характеризуется высокими показателями размерной стабильности за счет близких к нулю значений ТКЛР в плоскости каждой из образующих ее углесотовых пластин, а также конструктивной жесткости. Вместе с тем, конструктивно-жесткостная несимметрия платформы, обусловленная наличием в панелях несимметрично расположенных вырезов при разной площади поверхностей панелей (из-за разной суммарной площади вырезов), приводит к появлению изгибных и крутильных деформаций и, как следствие, угловых отклонений фокальных осей приборов. Кроме того, исполнение из композиционных материалов торцевых фланцев платформы, предназначенной для эксплуатации в составе корпуса КА, не позволяет использовать данное техническое решение для варианта наружной навески ввиду специфических особенностей композитов по передаче трансверсальных силовых нагрузок (Карпов Я.С. Соединения деталей и агрегатов из композиционных материалов. - Харьков: Нац. аэрокосм, ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2006. - С.9).
Задачей настоящего изобретения является обеспечение минимальных пространственных термических деформаций при минимальных линейных перемещениях формостабильной корпусной платформы КА внешнего размещения, выполненной из композиционного материала и имеющей конструктивно-жесткостную несимметрию, посредством управления жесткостными параметрами и термическими свойствами конструкции.
Технический эффект достигается тем, что в формостабильной корпусной платформе из композиционного материала, выполненной в виде сборной пространственно замкнутой конструкции, образованной двумя панелями, содержащими вырезы, боковыми стенками и торцевыми фланцами, причем вырезы второй панели расположены несимметрично по отношению к вырезам первой, и площадь поверхности второй панели меньше площади поверхности первой, согласно предлагаемому изобретению, торцевые фланцы содержат узлы навески и выполнены из металлического сплава, а толщина второй панели больше толщины первой, или модуль упругости второй панели больше модуля упругости первой, при одинаковой величине термических коэффициентов линейного расширения панелей, близкой к нулевому значению.
Технический эффект достигается также и тем, что в формостабильной корпусной платформе из композиционного материала, выполненной в виде сборной пространственно замкнутой конструкции, образованной двумя панелями, содержащими вырезы, боковыми стенками и торцевыми фланцами, причем вырезы второй панели расположены несимметрично по отношению к вырезам первой, и площадь поверхности второй панели меньше площади поверхности первой, согласно предлагаемому изобретению, торцевые фланцы содержат узлы навески и выполнены из металлического сплава, термический коэффициент линейного расширения первой панели близок к нулевому значению, а термический коэффициент линейного расширения второй панели отрицателен при одинаковой величине толщины и модуля упругости панелей.
Выполнение торцевых фланцев с узлами навески из металлического сплава позволяет реализовать крепление платформы к корпусу КА, а также обеспечить передачу сосредоточенных нагрузок в трансверсальном направлении и необходимую прочность соединительного узла при сложном комбинированном нагружении.
Конструктивно-жесткостная несимметрия платформы, обусловленная наличием в панелях вырезов, суммарные площади которых различны, и несимметричностью расположения вырезов одной панели относительно вырезов другой, при различии ТКЛР металлических фланцев и углепластика в условиях теплового нагружения приводит к появлению изгибных и крутильных деформаций конструкции и ее повороту относительно начального положения даже при практически нулевых значениях ТКЛР композитных элементов.
Повышение жесткости панели с меньшей площадью поверхности за счет увеличения ее толщины или модуля упругости позволяет уравновесить жесткостные параметры панелей и, при их одинаковых термических коэффициентах линейного расширения, снизить эффекты искажения формы конструкции, а условие близкого к нулевому значению ТКЛР панелей - обеспечить минимум линейных перемещений платформы в плоскости.
При одинаковой величине толщины и модуля упругости панелей, то есть для разных по жесткости панелей, требование отрицательного ТКЛР в отношении панели с меньшей площадью поверхности направлено на компенсацию положительного ТКЛР металлических фланцев и снижение долевого вклада панели в деформации платформы, которые в данном случае определяются преимущественно деформациями более жесткой панели (с большей площадью поверхности), имеющей близкий к нулю ТКЛР.
Соотношения жесткостей (толщины и модуля упругости) и ТКЛР панелей, необходимые для компенсации влияния конструктивно-жесткостной несимметрии на формостабильность конструкции, определяются расчетным путем для каждого конкретного случая.
Совокупность существенных признаков, указанных в первом и втором вариантах, позволяет обеспечить получение нового технического результата, заключающегося в достижении высокой размере- и формостабильности корпусной платформы КА внешнего размещения, реализующей высокую точность позиционирования размещаемых на ней целевых устройств при наличии конструктивно-жесткостной несимметрии.
Панели и боковые стенки платформы могут быть выполнены в виде трехслойных или конструктивно однослойных конструкций, изготовленных из композиционного материала на основе углеродных волокон и термореактивных полимерных связующих, например эпоксидных, эпоксифенольных или цианатных. В качестве заполнителя для трехслойных элементов конструкции могут применяться сотовые заполнители из алюминиевой фольги или углеродных тканей. Соединение обшивок с заполнителем может выполняться совместным формованием или склейкой посредством клеевых композиций горячего и холодного отверждения. Торцевые фланцы могут быть выполнены из титанового сплава, инвара или суперинвара. Сборка платформы может осуществляться клеевым или механическим способом.
Повышение жесткости панели, имеющей меньшую площадь поверхности, с целью компенсации конструктивно-жесткостной несимметрии платформы на практике может быть реализовано как увеличением площади поперечного сечения панели, так и ее упругих свойств, например, за счет применения модифицированных схем армирования слоев, использования материала с повышенным модулем упругости, а также - для сотового варианта исполнения - сотозаполнителя большей плотности.
На фиг.1 представлен общий вид формостабильной корпусной платформы из композиционного материала, на фиг.2 - схемное изображение поперечного сечения платформы.
Формостабильная корпусная платформа из композиционного материала (фиг.1), выполненная в виде сборной пространственно замкнутой конструкции, образована двумя панелями 1 и 2, боковыми стенками 3 и 4, торцевыми фланцами 5 и 6, которые содержат узлы навески 7 и выполнены из металлического сплава.
2
1
2
1
Панели 1 и 2 (фиг.2) содержат вырезы 8 и 9, причем вырезы 9 панели 2 расположены несимметрично по отношению к вырезам 8 панели 1, и площадь поверхности S панели 2 меньше площади поверхности S панели 1 (S<S).
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
При одинаковой величине термических коэффициентов линейного расширения α и α панелей 1 и 2, близкой к нулевому значению, толщина t панели 2 больше толщины t панели 1, или модуль упругости Е панели 2 больше модуля упругости E панели 1, то есть при (α=α)~0 действуют условия t>t или Е>E.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
<
При одинаковой величине толщины t и t панелей 1 и 2 и модуля упругости E и E панелей 1 и 2 термический коэффициент линейного расширения α панели 1 близок к нулевому значению, а термический коэффициент линейного расширения α панели 2 отрицателен, то есть при t=t и E=Е выполняются условия α=0 и α0.
С использованием заявляемого технического решения изготовлены формостабильные корпусные платформы габаритами 750×200×3500 мм, выполненные из углепластика на основе препрега П-4УН-НТS-5631 и связующего ЭНФБ (раствор эпоксидных и фенолформальдегидных смол в спирто-ацетоновой смеси) на базе трехслойных панелей с сотозаполнителем из алюминиевым фольги 5056, соединяемых с боковыми швеллерными стенками клеем холодного отверждения ВК-9 эпоксидного типа, и механически стыкуемых торцевых фланцев из титанового сплава.
2
1
2
1
Для платформ указанного конструктивного исполнения, соотношения площадей поверхностей панелей 2 и 1 которых составляет S/S=0,63 и S/S=0,81, справедливы следующие утверждения:
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
- при ТКЛР α и α панелей 1 и 2, близких к нулевому значению, t/t=Е/E=1,6 для S/S=0,63 и 1,2 для S/S=0,81; где t и t - толщина обшивок панелей 1 и 2; E и Е - продольные модули упругости обшивок панелей 1 и 2;
1
2
1
2
1
2
-6
- при одинаковой толщине t и t обшивок панелей 1 и 2 и одинаковом модуле упругости E и Е обшивок панелей 1 и 2 ТКЛР α панели 1 близок к нулевому значению, а ТКЛР α панели 2 равен -0,4×101/°С.
Изготовленные платформы, размеро- и формостабильность которых обеспечивалась посредством управления термическими свойствами панелей, показали отсутствие изгибных и крутильных деформаций при улучшенных в 20 раз линейных перемещениях и 25% снижении массы по отношению к аналогам, выполненным из алюминиевого сплава.
Таким образом, заявляемое техническое решение является воспроизводимым в условиях производства, обеспечивает достижение качественно нового технического результата и соответствует критерию "промышленная применимость".