Адаптер
ADAPTER

Изобретение относится к элементам ракетно-космической техники, а именно к конструкциям, предназначенным для соединения отсеков и блоков летательных аппаратов друг с другом.
При проектировании указанных конструкций - ферм, адаптеров, проставок, переходников учитываются не только действующие на них в процессе выведения на ОИСЗ нагрузки и их характер, но и накладываемые на адаптер геометрические ограничения. Из уровня техники известно значительное число технических решений ферм, переходников, проставок, адаптеров, обеспечивающих соединение отсеков ракет-носителей друг с другом, их соединение с разгонными блоками и космическими аппаратами. Однако эти решения не позволяют конструкции адаптера в полной мере выполнить сочетание следующих требований:
- по определенному соотношению его геометрических размеров, например, по выполнению верхнего торцевого шпангоута с диаметром на 30…25 процентов и с высотой адаптера, не менее чем в 6 раз меньшими диаметра нижнего торцевого шпангоута адаптера,
- по несущей способности адаптера, допускающую возможность выведения на ОИСЗ космических аппаратов большой массы (до 3000 кг и выше),
- по возможности передачи верхним шпангоутом на космический аппарат распределенной нагрузки со степенью неравномерности, допускающей использование ленточной системы разделения.
Из уровня техники широко известны ферменные отсеки для соединения отсеков летательных аппаратов между собой (см., например, А.В. Туманов. «Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, стр. 152-158), патенты РФ 2617162, 24120088, 2422335, патент США 5605308, патент Китая CN 106564619). При этом фермы содержат опорные узлы, размещенные в верхнем и нижнем поясах фермы, и стержневую решетку, соединяющую ее опорные узлы. Фермы не обеспечивают передачу опорными узлами верхнего пояса фермы распределенной нагрузки на космический аппарат.
Из уровня техники (см., например, патенты РФ 2189907, патент Украины 80338U, патенты КНР CN 102372094, Республики Корея KR 20110051802) известны адаптеры, содержащие верхний шпангоут - шпангоут меньшего диаметра, нижний шпангоут - шпангоут большего диаметра, оболочку, выполненную в виде усеченного конуса, и элементы крепления адаптера со смежными элементами летательного аппарата. Выполнение конической оболочки в указанных технических решениях адаптеров с углом наклона ее образующей к продольной оси адаптера под углами от 5 до 15 градусов не позволяет выполнить адаптер, обеспечивающий указанные требования по соотношениям диаметра нижнего торцевого шпангоута с диаметром верхнего шпангоута и с высотой адаптера.
Особенностью адаптера, известного из патента ЕПВ 2657136, является его выполнение из двух соосных конических оболочек - наружной и внутренней оболочек. Образующие поверхности конических оболочек наклонены к продольной оси адаптера под разными углами - угол наклона внешней оболочки превышает угол наклона внутренней оболочки. Торцы оболочек соединены друг с другом упругими элементами - пластинчатыми пружинами. Кроме того, в средней по высоте части адаптера между наружной и внутренней оболочками установлен вязкоупругий элемент, при этом остальная часть внутреннего объема адаптера является полой. Внутренняя коническая оболочка адаптера соединяется с полезной нагрузкой, а внешняя коническая оболочка - с ракетой-носителем. Конструкция адаптера ослабляет вибрационные воздействия на полезную нагрузку на этапе выведения ее на ОИСЗ. Однако несущая способность адаптера является недостаточной, несмотря на наличие на внутренних сторонах оболочек адаптера продольных ребер жесткости.
В технических решениях адаптеров, выполненных в соответствии с патентами РФ 2209162 и 183999U1, КНР CN 106184827, образующая боковой поверхности конической оболочки адаптера наклонена к его продольной оси под углом, близким 30 градусам.
Адаптер, известный из патента РФ на полезную модель №183999U1 (МПК B64G 1/22, опубл. 11.110.2018), содержит верхний и нижний торцевые шпангоуты, снабженные средствами соединения с космическим аппаратом и ракетой-носителем соответственно, и усеченную коническую оболочку, выполненную с углом наклона образующей к продольной оси адаптера, близким 30 градусам. Опорные узлы шпангоутов адаптера выполнены с обеспечением возможности восприятия от ракеты-носителя и передачи на космический аппарат сосредоточенных нагрузок, что не обеспечивает выполнение указанных требований к адаптеру, подлежащему разработке.
Оболочка адаптера в рассматриваемой полезной модели снабжена вырезами, выполненными в виде круговых сегментов, размещенных между опорными узлами нижнего шпангоута, примыкающих к нижнему шпангоуту адаптера и по высоте перекрывающими около 40 процентов высоты оболочки адаптера Размеры краевых вырезов в оболочке не являются оптимальными и могут быть без ущерба для несущей способности адаптера увеличены.
Недостаточная несущая способность адаптера в указанном решении может быть повышена за счет введения в конструкцию продольных силовых элементов, пропущенных между опорными узлами верхнего и нижнего шпангоутов. Так как оболочка адаптера этого решения выполнена из полимерных материалов то, как крепление продольных силовых элементов к оболочке адаптера, так и оболочки адаптера к шпангоутам производится с использованием заклепочных соединений. Наличие в конструкции адаптера заклепочных соединений уменьшает надежность соединения за счет наличия дополнительных деталей (заклепок и накладок).
Ближайшим аналогом изобретения является адаптер, известный из патента РФ на изобретение 2209162 (МПК B64G 1/64, опубл. 23.07.2003).
Адаптер в соответствии с указанным изобретением содержит коническую оболочку с двумя торцевыми шпангоутами разного диаметра, причем верхний шпангоут - шпангоут меньшего диаметра, выполнен с возможностью его соединения с полезной нагрузкой, а нижний шпангоут - шпангоут большего диаметра, выполнен с возможностью его крепления к ракете-носителю.
В ближайшем аналоге оболочка выполнена переменной толщины: при переходе от верхнего к нижнему шпангоуту максимальная толщина оболочки вблизи верхнего шпангоута ступенчато уменьшается до минимальной толщины в средней части по высоте адаптера, далее вблизи середины высоты оболочки и вблизи нижнего шпангоута толщина оболочки дважды ступенчато увеличивается. При этом внутренняя поверхность оболочки выполнена гладкой - без уступов и выступов, а наружная поверхность выполнена с уступом и выступами.
В ближайшем аналоге оболочка и верхний и нижний шпангоуты выполнены зацело в виде одной детали с углом наклона образующей конической поверхности под углом, близким 32 градусов.
В ближайшем аналоге на верхнем шпангоуте - шпангоуте меньшего диаметра, выполнены двойные лапки с отверстиями под установку элементов системы разделения с полезной нагрузкой. На нижнем шпангоуте - на шпангоуте большего диаметра, выполнены опорные узлы с отверстиями под соединительные элементы для крепления адаптера к ракете-носителю.
Это техническое решение, как и решение по патенту РФ №183999U1, не обеспечивает выполнение поставленных геометрических требований к адаптеру. Так в ближайшем аналоге отношение величины диаметра нижнего торцевого шпангоута к высоте адаптера, близкое к 3, определяет существенную высоту адаптера, что обуславливает значительную массу адаптера. Кроме того, сравнительно большая высота и относительно небольшая толщина конической оболочки определяет относительно низкие жесткостные характеристики адаптера, что ведет к ухудшению динамических характеристик космической головной части. Кроме того, относительно невысок и коэффициент запаса по устойчивости высокой тонкостенной оболочечной конструкции к продольному сжатию.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка конструкции адаптера, отвечающего поставленным геометрическим требованиям к адаптеру в сочетании с возможностью передачи на космический аппарат распределенной нагрузки и несущей способностью, достаточной для выведения космических аппаратов массой до 3500 кг.
Техническая проблема решается изобретением следующим образом.
Как и ближайший аналог, адаптер в соответствии с изобретением содержит усеченную коническую оболочку, выполненную зацело с двумя торцевыми шпангоутами разного диаметра. Верхний шпангоут выполнен с возможностью его соединения с полезной нагрузкой, а нижний шпангоут снабжен опорными узлами для соединения его со смежным блоком ракеты-носителя. Толщина оболочки адаптера при переходе от верхнего шпангоута к нижнему выполнена переменной толщины.
В отличие от ближайшего аналога верхний шпангоут адаптера снабжен равномерно размещенными вдоль него отверстиями, выполненными с обеспечением возможности размещения в них элементов соединения верхнего шпангоута с полезной нагрузкой.
В отличие от ближайшего аналога адаптер выполнен с высотой, не менее чем в 6 раз меньшей диаметра нижнего шпангоута. Оболочка шпангоута выполнена с плавным увеличением ее толщины при переходе от верхнего шпангоута к нижнему шпангоуту.
При этом углы наклона образующих наружной и внутренней поверхностей оболочки к продольной оси адаптера выбраны близкими 50 и 45 градусам соответственно. Сочетание в конструкции указанных признаков позволяет разработать адаптер относительно небольшой высоты в сочетании с высокой несущей способностью и выполнением заданных отношений диаметров шпангоутов и высоты адаптера. Это позволяет улучшить общую центровку изделия за счет повышения жесткостных характеристик и оптимизации геометрии адаптера.
В отличие от ближайшего аналога оболочка снабжена вырезами, выполненными в виде равнобедренных треугольников со скругленной вершиной, боковые стороны которых соединены с опорными узлами нижнего шпангоута адаптера, причем каждый из вырезов выполнен с высотой, не менее чем в 2 раза меньшей высоты адаптера. Это в сочетании с выполнением оболочки адаптера с толщиной, плавно увеличивающейся при переходе от верхнего к нижнему шпангоуту адаптера, позволяет уменьшить массу адаптера и, обеспечивая оптимальную передачу сосредоточенной нагрузки от опорных узлов через оболочку адаптера к верхнему шпангоуту, позволяет повысить несущую способность адаптера. Кроме того, наличие вырезов в оболочке адаптера, обеспечивая доступ в его внутреннюю полость, сокращает время сборки головной части ракеты-носителя.
Кроме того, в изобретении в каждой из продольных плоскостей, совмещенных с осями отверстий опорных узлов нижнего шпангоута фермы, и в каждой из плоскостей, совмещенных с вершинами вырезов, размещена ось одного из отверстий верхнего шпангоута адаптера. Это, в сочетании с указанной формой вырезов обеспечивает передачу на космический аппарат распределенной нагрузки с высокой степенью равномерности.
Техническим результатом использования изобретения модели является возможность разработки адаптера, характеристики которого удовлетворяют поставленным требованиям:
- обеспечению возможности восприятия нижним торцевым шпангоутом сосредоточенной нагрузки и передачу верхним торцевым шпангоутом распределенной нагрузки на космический аппарат,
- обеспечению неравномерности нагрузки, передаваемой на космический аппарат, не превышающей 10%, что позволяет использовать адаптер для размещения на его верхнем шпангоуте космического аппарата с ленточной системой разделения,
- разработки адаптера с несущей способностью по выведению на ОИСЗ космического аппарата массой до 3500 кг,
- обеспечению разработки адаптера с выполнением верхнего шпангоута с диаметром, меньшим на 30…35 процентов диаметра нижнего шпангоута, а отношения диметра нижнего торцевого шпангоута к высоте адаптера, большей 6.
Кроме того, в три отверстия верхнего шпангоута адаптера могут быть ввернуты штыри, а в остальные отверстия могут быть ввернуты шпильки. Это обеспечивает не только восприятие верхним шпангоутом распределенной нагрузки, но и обеспечивает высокую жесткость стыка верхнего шпангоута адаптера с полезной нагрузкой. Наличие направляющих штырей в верхнем шпангоуте упрощает сборку адаптера с полезной нагрузкой.
На приводимых ниже чертежах элементы адаптера обозначены следующими позициями:
10 - адаптер,
11 - продольная ось адаптера,
12 - первая продольная плоскость адаптера, совмещенная с осью отверстия опорного узла нижнего шпангоута адаптера,
13 - вторая продольная плоскость адаптера, совмещенная с осью отверстия верхнего шпангоута адаптера,
20 - верхний шпангоут-шпангоут с меньшим диаметром,
21 - отверстие в верхнем шпангоуте адаптера,
22 - шпилька,
23 - направляющий штырь,
24 - ось отверстия в верхнем шпангоуте,
30 - нижний шпангоут адаптера,
31 - опорный узел нижнего шпангоута адаптера,
32 - ось отверстия опорного узла нижнего шпангоута,
40 - оболочка адаптера,
41 - вырез оболочки адаптера,
42 - боковая сторона выреза,
43 - радиусное скругление вершины выреза,
44 - вершина выреза оболочки,
50 - ферма средства выведения попутных космических аппаратов,
51 - опорные узлы верхнего пояса фермы,
52 - космический аппарат,
53 - шпангоут космического аппарата с ленточной системой разделения.
Без ограничения общности при последующем изложении условимся обозначать терминами «верхний шпангоут» и «нижний шпангоут» торцевой шпангоут с меньшим диаметром и торцевой шпангоут с большим диаметром соответственно. Термином «продольная плоскость» будем обозначать плоскость, проведенную через продольную ось адаптера.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1-3 представлены общий вид адаптера 10 в аксонометрии (фиг. 1), сбоку (фиг. 2, вид А с фиг. 1) и сверху (фиг. 3, вид Б с фиг. 2).
Фиг. 4 иллюстрирует особенность геометрии выполнения оболочки 40 адаптера - плавное увеличение толщины оболочки при переходе от верхнего шпангоута 20 к нижнему 30 и обусловленное этим различие в углах наклона образующих внешней и внутренней поверхностей к продольной оси адаптера (сечение В-В с фиг. 3).
Фиг. 5, 6 иллюстрируют особенности геометрии выполнения вырезов оболочки адаптера (разрез Г-Г с фиг. 3 и выноска Е с фиг. 3).
На фиг. 7, 8 показаны поперечные сечения верхнего шпангоута адаптера в местах установки в отверстия 21 верхнего шпангоута шпилек 22 и штырей 23 соответственно.
Фиг. 9 иллюстрирует использование адаптера 10 в составе головной части космического назначения со средством выведения космических аппаратов по патенту РФ № 26247959.
Адаптер в соответствии с изобретением устроен следующим образом.
Как и ближайший аналог, адаптер 10 (см. фиг.1-3) содержит усеченную коническую оболочку 40, выполненную зацело с двумя торцевыми шпангоутами 20, 30. Верхний и нижний шпангоуты 20, 30 выполнены с разными диаметрами, при этом верхний шпангоут 20 выполнен с возможностью его соединения с полезной нагрузкой.
Как и ближайший аналог, нижний шпангоут 30 адаптера снабжен узлами крепления 31 для соединения его со смежным блоком ракеты-носителя. В отличие от ближайшего аналога верхний шпангоут 20 адаптера снабжен равномерно размещенными вдоль него отверстиями 21 (см. фиг .4-8), выполненными с обеспечением возможности размещения в них элементов крепления верхнего шпангоута с полезной нагрузкой.
В отличие от ближайшего аналога адаптер 10 выполнен с высотой Н, не менее чем в 6 раз меньшей диаметра D (см. фиг. 2) нижнего шпангоута 30.
В изобретении коническая оболочка 40 (см. фиг. 4) выполнена с плавным увеличением ее толщины при переходе от шпангоута с меньшим диаметром 20 к шпангоуту с большим диаметром 30. Как наружная поверхность оболочки, так и внутренняя поверхности оболочки выполнены в виде гладких конических поверхностей - без уступов и выступов, что уменьшает опасность возникновения на оболочке концентраторов напряжения.
При этом угол наклона γ образующей к наружной поверхности оболочки 40 к продольной оси адаптера 11 выбран близким к 50 градусам, а угол наклона 0 образующей к внутренней поверхности оболочки 40 к продольной оси адаптера выбран близким 45 градусам.
Кроме указанного выше, изобретение отличается тем, что оболочка 40 адаптера снабжена примыкающими к нижнему шпангоуту 30 вырезами 41 (см. фиг. 1-3, 5), практически полностью перекрывающими нижний шпангоут 30. Наиболее предпочтительно вырезы выполнить, как показано на фиг. 1, 2, 6, в виде равнобедренных треугольников со скругленной по радиусу R вершиной. В соответствии с изобретение каждый из вырезов выполнен с высотой, не менее чем в 2 раза меньшей высоты адаптера (см. фиг. 5).
В соответствии с изобретением верхний 20 шпангоут адаптера выполнен с обеспечением возможности передачи, например, на космический аппарат, распределенной нагрузки. При этом в адаптере в каждой из первых продольных плоскостей 12, совмещенных с осями 32 отверстий в опорных узлах 31 нижнего шпангоута адаптера, и в каждой из продольных плоскостей 13, совмещенных с вершинами 44 указанных вырезов, размещена ось 24 одного из упомянутых отверстий верхнего шпангоута (см. фиг. 3-8). Наиболее предпочтительно в качестве элементов крепления верхнего шпангоута 20 с полезной нагрузкой использовать шпильки 22 и штыри 23 - шпильки, снабженные стержневыми частями, выполненными в виде конусов с остриями направленными к космическому аппарату (см. фиг. 8). При этом целесообразно в три отверстия 21 верхнего шпангоута ввернуть штыри 23, а в остальные отверстия ввернуть шпильки 22 (см. фиг. 2, 4-8).
Адаптер, выполненный с диметром нижнего шпангоута 2000 мм, позволяет его использовать в составе космической головной части с разгонным блоком «Фрегат» (см. патент РФ № 2043956). При этом высота Н адаптера может быть в пределах от 235 до 250 мм - примерно в 8…8,5 раза, меньшей диаметра нижнего шпангоута адаптера. Это позволяет использовать адаптер в конструкции головных частей ракет-носителей при выведении длинномерных полезных нагрузок, при этом в ряде случаев относительно небольшая высота адаптера позволяет вместо обтекателя длиной 10400 мм использовать обтекатель длиной 8450 мм.
Предлагаемый адаптер также может быть использован и в космических головных частях (см. фиг. 9), включающих средство выведения попутных космических аппаратов (см. патент РФ №26247959). Это средство выведения полезных нагрузок включает ферму 50, на боковых сторонах которой размещаются попутные космические аппараты (условно не показаны). При этом адаптер 10 установлен на опорных узлах 51 верхнего пояса фермы. Опорные узлы 31 адаптера болтовыми соединениями закрепляются на опорных узлах 51 верхнего пояса фермы 50. При этом адаптер может быть выполнен с диаметром нижнего шпангоута 1500…1520 мм, высотой 230…250 мм - примерно 6,25 раза меньшим диаметра нижнего шпангоута, и диаметром верхнего шпангоута 1000…1015 мм - примерно на 32 процента меньшим диаметра нижнего шпангоута. Нижний шпангоут может быть снабжен восемью опорными узлами, размещенными в вершинах правильного восьмиугольника. Верхний шпангоут адаптера может быть снабжен 48 отверстиями для размещения элементов крепления адаптера и соединен штырями и шпильками со стыковым шпангоутом 53 основного космического аппарата. Вырезы оболочки выполнены в виде равнобедренных треугольников, боковые стороны которых наклонены к основанию под углом α, примерно равным 60 градусов, а вершина скруглена по радиусу R, примерно равным 200 мм. Проектно-конструкторские работы показывают, что масса адаптера, ориентированного на использование совместно с указанным средством выведения не превышает 45 кг.
Адаптер в соответствии с изобретением может быть изготовлен из сплава на основе алюминия (например, сплава АМг6) в соответствии со способом, раскрытом в патенте РФ №2209162, хотя могут быть указаны и иные способы изготовления адаптера. При этом при механической обработке заготовки адаптера обточкой заготовки получают основной контур сечения адаптера и путем фрезерования выполняют вырезы в его оболочке. Затем рассверливают отверстия в опорных узлах нижнего шпангоута. В верхнем шпангоуте рассверливают отверстия нарезают в них резьбу, в которые ввертывают направляющие штыри и шпильки.
При сборке адаптера с космическим аппаратом штыри и шпильки закрепляются гайками, которые затягивают с контролем момента. После чего обеспечивают стопорение гаек.
В процессе выведения на ОИСЗ на адаптер действуют продольная сжимающая нагрузка, перерезывающая сила и изгибающий момент.
Расчетным случаем для адаптера является активный участок полета, с действием продольной силы и небольшой перерезывающей силы. На верхний и нижний шпангоуты действует радиальная распорная сила, которая возникает за счет конусности адаптера. Радиальные силы в шпангоутах приводят к появлению распорных напряжений в зонах крепления нижнего и верхнего шпангоутов. Средняя линия конической оболочки совпадает с линией передачи силы, поэтому шпангоуты и коническая оболочка освобождены от влияния моментных нагрузок. Сама оболочка воспринимает растягивающие и сжимающие усилия. Монотонно увеличивающаяся толщина оболочки позволяет производить передачу силы на верхний и нижний шпангоуты без возникновения скачкообразного характера напряжений. Расчеты показывают, что максимальные нагрузки от верхнего шпангоута 20 адаптера на стыковой шпангоут космического аппарата сосредоточены в элементах крепления верхнего шпангоута, в плане совмещенных с опорными узлами нижнего шпангоута - размещенных в первых продольных плоскостях 12 адаптера. При переходе от первых продольных плоскостей 12 адаптера к элементам соединения верхнего шпангоута 20, в плане совмещенных с вершинами 44 вырезов 40 адаптера - размещенных во вторых продольных плоскостях 13, величина нагрузки на стыковочный шпангоут плавно уменьшается не более чем на 10 процентов. Это позволяет использовать в стыковом шпангоуте космического аппарата ленточную систему отделения.