CC BY
79
УДК 629.042:629.783
Вестник СибГАУ Том 17, № 3. С. 748-759
ДВУХКОНУСНЫЙ АДАПТЕР ДЛЯ ЗАПУСКА БЛОКА ТРЕХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. А. Хахленкова
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Запуск нескольких космических аппаратов с помощью одного средства выведения - сложная инженерная задача. Решение этой задачи позволит значительно сократить расходы на формирование орбитальной группировки, состоящей из множества однотипных аппаратов. Основной вопрос в такой задаче, требующий тщательной проработки, - это соединение блока космических аппаратов с ракетой-носителем.
Традиционно интеграция как одиночного космического аппарата, так и блока из нескольких аппаратов с ракетой-носителем осуществляется с помощью так называемого устройства отделения.
Неотъемлемой частью этого устройства является адаптер - переходная конструкция, служащая для размещения различных элементов устройства отделения (таких как замки, толкатели, прижимные и поворотные устройства) и жесткого соединения космического аппарата или блока аппаратов с ракетой-носителем. Эта конструкция воспринимает нагрузки, возникающие при наземной эксплуатации и транспортировании, а также при старте ракеты-носителя, поэтому она должна обладать высокой жесткостью и прочностью.
В настоящее время для вывода на орбиту блока трех космических аппаратов используют металлическую ферменную конструкцию, представляющую собой набор фитингов, соединенных между собой полыми алюминиевыми трубами. Такая конструкция обладает рядом существенных недостатков.
Предлагается принципиально новый адаптер. Его конструкция, обладающая сравнительно небольшой массой и высокой жесткостью благодаря использованию современных композиционных материалов, позволяет равномерно распределить нагрузку на интерфейсные точки с ракетой-носителем. Технология производства элементов такой конструкции отработана на многих российских космических аппаратах.
Проведен параметрический анализ предлагаемой конструкции адаптера. Показаны способы повышения жесткости адаптера: применение материалов с высоким модулем упругости, изменение толщины обшивок панели, а также изменение параметров сетчатой структуры конических оболочек. Произведена также предварительная оценка массы предлагаемой конструкции.
Ключевые слова: групповой запуск космических аппаратов, адаптер космического аппарата, конечно-элементное моделирование, сетчатая коническая оболочка, сотовая панель, ферменная конструкция.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 3, P. 748-759
DOUBLE-CONIC ADAPTER FOR LAUNCHING THE BLOCK OF THREE SPACECRAFTS
A. A. Khakhlenkova
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Group launching of several spacecrafts by the use of one launch vehicle is the difficult engineering task. The solution of this task will allow cutting down considerably expenses on formation of the orbital group consisting of a set of the same spacecrafts. In this task the main question demanding careful study is a connection of the block of spacecrafts with the carrier rocket.
Traditionally integration of both the single spacecraft, and the block from several devices with the carrier rocket is carried out by means of the so-called separating device.
Integral part of this device is the adapter - the transitional design serving for placement of various elements of the separating device (such as locks, pushers, clamping and rotary devices) and rigid connection of the spacecraft or the block of spacecrafts with the carrier rocket. This construction receives the loadings arising at ground operations and transportation and also at starting of the carrier rocket therefore it has to possess high rigidity and durability.
Now the metallic truss construction is used for a carrying into orbit of the block of three spacecrafts. This truss represents a set of the fittings connected among themselves by hollow aluminum pipes. Such construction possesses a number of essential shortcomings.
In the article essentially new adapter is offered. Its construction having rather small weight and high rigidity thanks to using the modern composite materials allows distributing evenly load on the carrier rocket's interface points. The production technology of elements of such construction is worked off on many Russian spacecrafts.
The parametrical analysis of the offered adapter construction is carried out. The ways of increase of rigidity of the adapter are shown: using of materials with the high module of elasticity, changing of thickness of coverings of the panel, and also changing of parameters of lattice structure of conic shells. Also preliminary estimate of mass of the offered construction is made.
Keywords: group launching of spacecrafts, spacecraft adapter, finite-element modelling, lattice conic shell, honeycomb panel, truss construction.
Введение. Запуск нескольких КА одной ракетой является сложной инженерной задачей, решение которой позволит значительно сократить расходы на формирование орбитальной группировки, состоящей из множества однотипных КА. Основной вопрос в такой задаче, требующий тщательной проработки, -это соединение блока КА со средством выведения.
Традиционно интеграция как КА, так и блока нескольких КА с ракетой-носителем (РН) осуществляется с помощью так называемого устройства отделения. Устройство отделения (УО) используется для отделения КА от РН с заданными параметрами по команде системы управления РН.
Неотъемлемой частью УО является адаптер - переходная конструкция, служащая для размещения элементов УО КА (таких как замки, толкатели, различные прижимные и поворотные устройства [1-3]) и жесткого соединения КА или блока КА с ракетой-носителем. Эта конструкция воспринимает нагрузки, возникающие при наземной эксплуатации и транспортировании КА, а также при старте ракеты-носителя, поэтому она должна обладать высокими жесткостью и прочностью.
Необходимая жесткость определяется разработчиком ракеты-носителя в виде требований к собственным частотам блока КА, закрепленного по стыку с РН [4-6]. Для различных средств выведения требования к боковой частоте колеблются в пределах от 8 до 12 Гц, к продольной частоте - от 25 Гц и выше.
В настоящее время для соединения с РН и вывода на орбиту блока трех КА используют металлическую ферменную конструкцию (рис. 1), представляющую собой набор фитингов, соединенных между собой полыми алюминиевыми трубами (рис. 2).
Ферменная конструкция обладает рядом недостатков:
- большая масса ввиду использования металла с недостаточно высокими механическими характеристиками;
- сложность и неточность сборки из-за наличия большого количества соединяемых элементов;
- высокие локальные нагрузки на интерфейс с РН.
Предлагается принципиально новый адаптер,
не имеющий описанных недостатков. Его конструкция, обладающая сравнительно небольшой массой и высокой жесткостью благодаря использованию современных композиционных материалов, позволяет
равномерно распределить нагрузку на интерфейсные точки с РН. Технология производства элементов такой конструкции отработана на многих российских КА [7].
Описание конструкции двухконусного адаптера.
Двухконусный адаптер для запуска трех КА (рис. 3) является системой из двух конических оболочек, имеющих один общий шпангоут; в верхней части такой системы расположена скрепленная с конусами несущая панель (рис. 4).
Несущая панель представляет собой трехслойную пластину с двумя жесткими обшивками и скрепляющим их легким заполнителем [8; 9]. Жесткие обшивки небольшой толщины могут быть выполнены из композиционного материала, например углепластика. Легкий заполнитель - алюминиевый сотовый заполнитель [10]. На несущей панели организованы места под крепление замков КА и шпангоутов конических оболочек. КА с помощью опоры и соединенного с ней замка устанавливаются в так называемые стаканы (рис. 5).
Верхние шпангоуты конических оболочек болтовым соединением крепятся к закладным элементам, вклеиваемым в несущую панель (рис. 6).
Конические оболочки изготовлены из углепласти-кового композиционного материала методом непрерывной намотки [11-16]. Оболочки имеют общий нижний шпангоут, служащий для соединения двухко-нусного адаптера с РН (рис. 7). Верхние диаметры конических оболочек подобраны таким образом, чтобы зоны установки замков располагались максимально близко к их шпангоутам.
Проектирование двухконусного адаптера. Проектирование двухконусного адаптера сводится к выявлению таких характеристик конических оболочек и трехслойной пластины, которые обеспечат наибольшую жесткость адаптера в сочетании с оптимальной массой.
К этим характеристикам относятся:
1. Количество пар спиральных ребер N и угол захода спиральных ребер ф конических оболочек.
2. Материалы и толщины обшивок и заполнителя в трехслойной панели.
Степень влияния каждой характеристики на жесткость адаптера определяется в процессе параметрического анализа.
Рис. 1. Размещение КА на ферменной конструкции
Рис. 2. Ферменная конструкция
Рис. 3. Размещение КА на двухконусном адаптере
Рис. 4. Двухконусный адаптер
Рис. 5. Установка КА на несущую панель с помощью опоры и замка
Рис. 6. Закладные элементы для соединения несущей панели с коническими оболочками
Рис. 7. Нижний шпангоут для соединения двухконусного адаптера с РН
Геометрическими ограничениями (рис. 8), накладываемыми на конструкцию двухконусного адаптера при параметрическом анализе, являются:
1. Зоны установки КА и координаты расположения замков КА. Исходя из зоны установки КА, определяются диаметры верхних шпангоутов конических оболочек D1 и D2. Эти шпангоуты должны быть расположены максимально близко к замкам КА внутри зоны установки КА.
2. Н - высота адаптера, которая определяется в теоретическом чертеже зоной размещения устройства отделения.
3. В - диаметр нижнего шпангоута, на котором расположен интерфейс для соединения адаптера с РН.
Анализ конструкции адаптера в целом не позволит оценить степень влияния каждой составной части на его жесткость. Поэтому целесообразно анализировать какую-либо составную часть отдельно (при этом
задав граничные условия такие, как если бы это был целый адаптер) и затем, выбрав лучшие параметры, оценить жесткость адаптера в целом. Таким образом, анализ панели проводится автономно.
Параметрический анализ трехслойной панели. При параметрическом анализе трехслойной панели оценивается значение первой собственной частоты f в зависимости от высоты панели и толщины обшивок.
Рассмотрим трехслойную панель высотой h и толщиной обшивок 5. Обшивки такой панели изготовлены из углепластиковой ткани марки Porcher 3198, характеристики которой приведены в табл. 1. В качестве заполнителя применяется алюминиевый сотовый заполнитель нескольких предложенных марок (табл. 2).
Параметрический анализ проведен в рамках программного комплекса Femap with NX Nastran [17]. Конечно-элементная модель (КЭМ) представлена на рис. 9.
При разработке КЭМ приняты следующие допущения:
- легкий сотовый заполнитель моделировался трехмерными элементами SOLID, позволяющими учесть модуль упругости материала в направлении Z;
- обшивки панели моделировались двухмерными элементами типа PLATE, при этом узлы этих элементов соответствуют узлам элементов заполнителя;
- в зоне установки замков с помощью элементов SOLID и PLATE создана вставка из алюминиевого сплава, имитирующая узел крепления КА (рис. 10);
- для имитации КА в каждой зоне был создан абсолютно жесткий элемент типа RIGID с центральным узлом в центре масс КА; в центральном узле этого элемента на высоте 2,5 м от верхней обшивки панели создан элемент MASS, представляющий массу КА m = 2500 кг.
Граничные условия - ограничение перемещений в направлении осей X, Y и Z в узлах, соответствующих диаметрам верхних шпангоутов конических оболочек
D1 и D2.
На рис. 11 приведена первая форма колебаний трехслойной панели, характерная для различных толщин и применяемых материалов. В табл. 3-6 приведены значения первых собственных частот колебаний f трехслойной панели в зависимости от марки заполнителя, толщины панели и толщины обшивок. В табл. 7-10 приведена предварительная оценка массы трехслойной панели в зависимости от марки заполнителя, толщины панели и толщины обшивок.
Рис. 8. Геометрические ограничения, накладываемые на конструкцию двухконусного адаптера
Физико-механические свойства углепластиковой ткани 3198
Таблица 1
Ткань 3198 Толщина монослоя Д, мм Плотность р, кг/м3 Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент Пуассона П
0,18 1550 66 0,3
Таблица 2
Физико-механические характеристики различных марок сотового заполнителя
Марки заполнителя Модуль упругости Е, МПа Плотность р, кг/м Модул МПа ъ сдвига вуг, МПа
АМг2-Н-2,5-40П 1724 70 245 142
5/32-5052-0,0025 2551 135 965 386
1/16-5052-0,0015 4482 199 1448 448
1/8-5052-0,003 6205 192 1448 538
Рис. 9. Конечно-элементная модель трехслойной панели
Рис. 10. Конечно-элементная модель вставки в зоне установки КА
Рис. 11. Первая форма колебаний конечно-элементной модели трехслойной панели
Таблица 3
Значения первых собственных частот панелей / в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки АМг2-Н-2,5-40П), Гц
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 3,060 3,339 3,507 3,621 3,702 3,761
25 3,489 3,826 4,024 4,158 4,252 4,322
30 3,895 4,281 4,504 4,652 4,756 4,833
35 4,281 4,710 4,953 5,112 5,223 5,306
40 4,650 5,118 5,377 5,544 5,660 5,746
45 5,004 5,506 5,778 5,952 6,072 6,160
50 5,346 5,876 6,160 6,339 6,462 6,552
Таблица 4
Значения первых собственных частот панелей /1 в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 5/32-5052-0,0025), Гц
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 4,699 4,966 5,161 5,306 5,417 5,504
25 5,317 5,661 5,914 6,102 6,248 6,364
30 5,894 6,314 6,621 6,847 7,024 7,165
35 6,438 6,933 7,291 7,552 7,756 7,917
40 6,956 7,526 7,930 8,223 8,450 8,629
45 7,452 8,094 8,543 8,865 9,112 9,307
50 7,929 8,642 9,132 9,480 9,746 9,954
Таблица 5
Значения первых собственных частот панелей /1 в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 1/16-5052-0,0015), Гц
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 5,261 5,510 5,699 5,840 5,950 6,036
25 5,939 6,265 6,514 6,701 6,850 6,969
30 6,570 6,973 7,278 7,508 7,691 7,839
35 7,163 7,644 8,004 8,273 8,487 8,660
40 7,726 8,284 8,696 9,002 9,244 9,439
45 8,264 8,898 9,360 9,700 9,967 10,182
50 8,781 9,489 9,999 10,371 10,661 10,894
Таблица 6
Значения первых собственных частот панелей /1 в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 1/8-5052-0,003), Гц
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 5,453 5,695 5,881 6,021 6,131 6,218
25 6,154 6,473 6,719 6,907 7,057 7,179
30 6,805 7,201 7,507 7,739 7,926 8,077
35 7,416 7,891 8,254 8,528 8,747 8,925
40 7,997 8,551 8,967 9,280 9,529 9,731
45 8,551 9,183 9,651 10,000 10,276 10,500
50 9,084 9,793 10,311 10,693 10,995 11,237
Таблица 7
Массы панелей в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки АМг2-Н-2,5-40П), кг
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 19,950 24,302 28,654 33,006 37,357 41,709
Окончание табл. 7
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
25 23,169 27,521 31,872 36,224 40,576 44,928
30 26,388 30,740 35,092 39,444 43,796 48,148
35 29,606 33,958 38,310 42,662 47,014 51,366
40 32,825 37,177 41,529 45,881 50,233 54,585
45 36,044 40,396 44,748 49,100 53,452 57,804
50 39,262 43,614 47,966 52,318 56,670 61,022
Массы панелей в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 5/32-5052-0,0025), кг
Таблица 8
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 30,436 34,596 38,756 42,915 47,075 51,235
25 36,325 40,484 44,644 48,804 52,963 57,123
30 42,213 46,373 50,533 54,693 58,853 63,013
35 48,102 52,262 56,442 60,582 64,742 68,902
40 53,990 58,150 62,310 66,470 70,630 74,790
45 59,878 64,038 68,198 72,358 76,518 80,678
50 65,767 69,927 74,087 78,247 82,407 86,567
Массы панелей в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 1/16-5052-0,0015), кг
Таблица 9
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 40,762 44,732 48,702 52,673 56,643 60,613
25 49,279 53,249 57,219 61,190 65,160 69,130
30 57,796 61,766 65,736 69,706 73,676 77,646
35 66,312 70,282 74,252 78,222 82,192 86,162
40 74,829 78,799 82,769 86,739 90,709 94,679
45 83,346 87,316 91,286 95,256 99,226 103,196
50 91,863 95,933 99,903 103,873 107,843 111,813
Массы панелей в зависимости от высоты панели Н и толщины обшивок 8 (сотовый заполнитель марки 1/8-5052-0,003), кг
Таблица 10
Высота Толщина обшивок 5, мм
панели Н, мм 0,18 0,36 0,54 0,72 0,9 1,08
1 слой 2 слоя 3 слоя 4 слоя 5 слоев 6 слоев
20 39,632 43,623 47,614 51,605 55,597 59,588
25 47,862 51,853 55,844 59,835 63,826 67,817
30 56,091 60,082 64,073 68,064 72,055 76,046
35 64,321 68,312 72,303 76,294 80,285 84,276
40 72,550 76,541 80,532 84,523 88,514 92,505
45 80,780 84,771 88,762 92,753 96,744 100,735
50 89,009 93,000 96,991 100,982 104,973 108,964
Наибольшее значение первой собственной частоты / = 11,237 Гц достигается с панелью толщиной 50 мм с обшивками из 6 слоев углепластиковой ткани и толщиной 1,08 мм. Для дальнейших расчетов этот вариант принимается как базовый.
Отметим также, что в зоне установки КА присутствует значительная деформация (рис. 11). Исключение этой деформации (т. е. повышение локальной
жесткости в этих местах) позволит включить в колебания большую площадь панели и тем самым повысить значение первой собственной частоты /1.
Повышение локальной жесткости в трехслойной панели. Очевидный способ повысить локальную жесткость - добавить на верхнюю и нижнюю обшивки локальную зону усиления с некоторым радиусом Я вокруг точек крепления КА в виде углепластиковой
пластины толщиной Нп (рис. 12). Пусть радиус Я принимает значения 150/200/250 мм, а толщина пластины Нп изменяется от 5 до 10 мм с шагом 1мм.
В табл. 11 приведены значения первой собственной частоты / для панелей с различной толщиной пластин усиления Нп.
Проведенный анализ показал, что увеличение радиуса зоны усиления Я действительно позволит включить в колебания большую часть панели. При этом значение первой собственной частоты / можно повысить на величину от 20,5 % (Я = 150 мм) до 33,8 % (Я = 250 мм) относительно базового варианта (/ = = 11,237 Гц) для пластин толщиной Нп = 5 мм.
Увеличение толщины пластин Нп (от 5 до 10 мм) в совокупности с увеличением радиуса Я обеспечивает еще более эффективное увеличение жесткости: от 20,5 до 40 % при Я = 150 мм и от 33,8 до 58 % при Я = 250 мм.
Параметрический анализ конических оболочек.
Для определения степени влияния различных геометрических характеристик конических оболочек на жесткость и устойчивость двухконусного адаптера в целом был проведен их параметрический анализ в сборе с трехслойной панелью.
КЭМ представляет собой балочную модель конических оболочек, общий нижний шпангоут которых жестко закреплен, а к верхним шпангоутам прикреплена самая жесткая панель (такая панель имеет первую собственную частоту / = 17,783 Гц при ограничении перемещений по радиусам шпангоутов) с установленными на ней тремя КА общей массой 7500 кг (рис. 13).
Сетчатая структура конических оболочек выполнена из углепластика на основе углеродного жгута
марки М461Б со связующим марки ЭДХ-МД. Материал сетчатой структуры конических оболочек принимается изотропным. Характеристики материала сетчатой структуры (табл. 12) предоставлены ведущим предприятием России в области проектирования и производства конструкций из современных полимерных композитных материалов - АО «ЦНИИСМ» (г. Хотьково).
При параметрическом анализе произведена оценка величины первой собственной частоты /1 конструкции двухконусного адаптера с различными варьируемыми параметрами конических оболочек.
Варьируемые параметры принимают следующие значения:
- размеры поперечного сечения ребер оболочек -20x5 мм, 15x3 мм;
- угол выхода спиральных ребер ф = 10°, 15°, 20°, 25°, 30°;
- количество спиральных ребер N = 48, 60, 72.
Первые собственные частоты конструкции с различными геометрическими характеристиками оболочек приведены в табл. 13. Первая форма колебаний конструкции приведена на рис. 14.
Также произведена оценка устойчивости конструкции адаптера под действием продольной сжимающей перегрузки 1g. Значения коэффициента запаса устойчивости приведены в табл. 14. Характерная форма потери устойчивости конструкции с панелью приведена на рис. 15.
В табл. 15 приведены предварительные значения массы двухконусного адаптера в целом в зависимости от размеров поперечного сечения ребер конических оболочек, угла выхода и количества пар спиральных ребер.
Рис. 12. КЭМ локального усиления в зоне установки КА
Значения первой собственной частоты / панели в зависимости от толщины пластины усиления Нп
Таблица 11
Толщина пластин в зоне усиления Нп, мм /1, Гц
Я = 150 мм Я = 200 мм Я = 250 мм
5 13,539 13,989 15,037
6 13,989 14,498 15,600
7 14,433 15,002 16,152
8 14,872 15,505 16,698
9 15,305 16,005 17,242
10 15,729 16,501 17,783
Таблица 12
Физико-механические свойства углепластика на основе М46№
М461Б Модуль упругости вдоль ребра Еь ГПа Модуль упругости вдоль высоты ребра Е2, ГПа Плотность р, кг/м Коэффициент Пуассона П
180 6,7 1650 0,19
Рис. 13. Конечно-элементная модель двухконусного адаптера
Таблица 13
Значения / двухконусного адаптера в зависимости от угла захода ф, количества N и размеров поперечного сечения спиральных ребер конических оболочек, Гц
Угол выхода спирального ребра Ф, ° Размер поперечного сечения ребер, мм
15x3 | 20x5
Количество пар спиральных ребер N
48 60 72 48 60 72
10 5,072 5,236 5,567 6,440 6,583 7,020
15 5,545 6,019 6,390 7,016 7,556 7,961
20 5,888 6,303 6,745 7,418 7,878 8,338
25 5,948 6,429 6,837 7,525 8,031 8,446
30 5,788 6,286 6,681 7,403 7,905 8,311
Рис. 14. Первая форма колебаний двухконусного адаптера
Таблица 14
Значения коэффициентов запаса устойчивости двухконусного адаптера в зависимости от угла захода ф, количества N и размеров поперечного сечения спиральных ребер конических оболочек
Угол захода спирального ребра Ф, ° Размер поперечного сечения ребер, мм
15x3 | 20x5
Количество пар спиральных ребер N
48 60 72 48 60 72
10 2,085 2,538 4,281 9,831 12,000 19,873
15 2,968 6,124 8,874 13,648 25,935 35,719
20 4,886 8,610 11,882 21,056 32,118 41,077
25 6,728 10,736 15,279 26,723 34,674 43,230
30 8,318 12,786 16,513 30,242 35,440 43,130
Рис. 15. Форма потери устойчивости двухконусного адаптера
Таблица 15
Значения массы двухконусного адаптера в зависимости от угла захода ф, количества N и размеров поперечного сечения спиральных ребер конических оболочек, кг
Угол выхода спирального ребра Ф, ° Размер поперечного сечения ребер, мм
15x3 | 20x5
Количество пар спиральных ребер N
48 60 72 48 60 72
10 201,731 203,395 207,143 215,837 221,685 230,014
15 203,090 206,061 209,313 218,783 227,609 234,835
20 204,752 207,737 211,528 222,478 231,333 239,758
25 206,972 210,096 214,640 227,412 236,577 246,674
30 209,482 213,394 218,891 232,990 243,905 256,121
Заключение. Представлена новая концепция конструкции адаптера, предназначенного для вывода на орбиту трех космических аппаратов. Проведен параметрический анализ предлагаемой конструкции адаптера. Предложены различные способы повышения жесткости адаптера: применение материалов с высоким модулем упругости, изменение толщины обшивок панели, введение локальных зон усиления, а также изменение параметров сетчатой структуры конических оболочек. Произведена предварительная оценка массы предлагаемой конструкции.
Полученные результаты могут применяться при предварительном проектировании УО для запуска блока трех космических аппаратов.
Благодарности. Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта ЯРМБР157414Х0082.
Acknowledgments. This work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, unique identifier of the project RFMEF157414X0082.
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения. Красноярск, 2011. 488 с.
2. Романов А. В., Тестоедов Н. А. Основы проектирования информационно-управляющих и механических систем космических аппаратов. СПб. : ЛА «Профессионал», 2015. 240 с.
3. Шатров А. К., Назарова Л. П., Машуков А. В. Основы конструирования механических устройств космических аппаратов. Конструктивные решения, динамические характеристики. Красноярск, 2009. 144 с.
4. Soyuz User's Manual [Электронный ресурс]. Iss. 3, Revision 0, April, 2001. Систем. требования: Adobe Reader. URL: http://www.starsem.com/services/images/ soyuz_users_manual_190401.pdf (дата обращения: 31.05.2016).
5. Soyuz User's Manual [Электронный ресурс]. Iss. 2, Revision 0, March, 2012. Систем. требования: Adobe Reader. URL: http://www.arianespace.com/wp-content/ uploads/2015/09/Soyuz-Users-Manual-March-2012.pdf (дата обращения: 31.05.2016).
6. Proton Launch System Mission Planner's Guide [Электронный ресурс]. Revision 7, October, 2009. URL: http://www.ilslaunch.com/launch-services/proton-mission-planners-guide.html (дата обращения: 31.05.2016).
7. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. 516 с.
8. Панин В. Ф., Гладков Ю. А. Конструкции с заполнителем. М. : Машиностроение, 1991. 272 с.
9. Ендогур А. И., Вайнберг М. В., Иерусалимский К. М. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование. М. : Машиностроение, 1986. 200 с.
10. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб. : Научные основы и технологии, 2009. 664 с.
11. Разин А. Ф., Никитюк В. А., Азаров А. В. Разработка конического композитного сетчатого адаптера с траекториями спиральных ребер, отличающимися от геодезических линий // Вопр. оборон. техники. Сер. 15. 2014. Вып. 3(174). С. 3-5.
12. Morozov E., Lopatin A., Nesterov V. Buckling analysis and design of anisogrid composite lattice conical shells // Composite Structures. 2011. № 93. P. 3150-3162.
13. Анизогридные композитные сетчатые конструкции - разработка и приложение к космической технике / В. В. Васильев [и др.] // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38-50.
14. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application // Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.
15. Vasiliev V., Razin A. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications // Composite Structures. 2006. Vol. 76. P. 182-189.
16. Vasiliev V., Razin A., Nikityuk V. Development of geodesic composite fuselage structure // International Review of Aerospace Engineering. 2014. Vol. 7, No. 1. P. 48-54.
17. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
References
1. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Osnovy proektirovaniya kosmicheskikh apparatov informatsion-nogo obespecheniya. [Bases of design of spacecrafts of information support]. Krasnoyarsk, 2011, 488 p.
2. Romanov A. V., Testoedov N. A. Osnovy proektirovaniya informatsionno-upravlyayushchikh i me-khanicheskikh sistem kosmicheskikh apparatov. [Bases of design of information-operating and mechanical systems of spacecrafts]. St. Petersburg, LA "Professional" Publ., 2015, 240 p.
3. Shatrov A. K., Nazarova L. P., Mashukov A. V.
Osnovy konstruirovaniya mekhanicheskikh ustroystv kosmicheskikh apparatov. Konstruktivnye resheniya, dinamicheskie kharakteristiki. [Bases of designing of mechanical devices of spacecrafts. Constructive decisions, dynamic characteristics]. Krasnoyarsk, 2009, 144 p.
4. Soyuz User's Manual. Issue 3, Revision 0, April, 2001 Available at: http://www.starsem.com/services/images/ soyuz_users_manual_190401.pdf (accessed 31.05.2016).
5. Soyuz User's Manual. Issue 2, Revision 0, March,
2012. Available at: http://www.arianespace.com/wp-content/uploads/2015/09/Soyuz-Users-Manual-March-2012. pdf (accessed 31.05.2016).
6. Proton Launch System Mission Planner's Guide. Revision 7, October, 2009. Available at: http://www. ilslaunch.com/launch-services/proton-mission-planners-guide (accessed 31.05.2016).
7. Bulanov I. M., Vorobey V. V. Tekhnologiya raketnykh i aerokosmicheskikh konstruktsiy iz kompozit-sionnykh materialov. [Technology of rocket and space designs made by composite materials]. Moscow, MGTU im. Baumana Publ., 1998, 516 p.
8. Panin V. F., Gladkov Yu. A. Konstruktsii s zapol-nitelem. [Sandwich constructions]. Moscow, Mashino-stroenie Publ., 1991, 272 p.
9. Endogur A. I., Vaynberg M. V., Ierusalimskiy K. M. Sotovye konstruktsii. Vybor parametrov i proektirovanie. [Honeycomb structures. Selection of the parameters and design]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986, 200 p.
10. Mikhaylin Yu. A. Spetsial'nye polimernye kompozitsionnye materially. [Special polymer composites]. St.Petersburg, Nauchnye osnovy i tekhnologii Publ., 2009, 664 p.
11. Razin A. F., Nikitjuk V. A., Azarov A. V. [Development of a conical adapter with composite mesh trajectories spiral ribs different from those of the geodesic lines]. Vopr. oboron. tekhniki. Ser. 15, 2014, No. 3(174), P. 3-5 (In Russ.).
12. Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Buckling analysis and design of anisogrid composite lattice conical shells. Composite Structures, 2011, No. 93, P. 3150-3162.
13. Vasil'ev V. V., Barynin V. A., Razin A. F. [Anisogrid composite lattice constructions - development and application in space technology]. Kompozity i nanostruktury, 2009, No. 3, P. 38-50 (In Russ.).
14. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application. Composite Structures, 2001, Vol. 54, P. 361-370.
15. Vasiliev V., Razin A. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications. Composite Structures, 2006, Vol. 76, P. 182-189.
16. Vasiliev V., Razin A., Nikityuk V. Development of geodesic composite fuselage structure. International Review of Aerospace Engineering, 2014, Vol. 7, No. 1, P. 48-54.
17. Rychkov S. P. Modelirovanie konstruktsiy v srede Femap with NX Nastran. [Structure simulation in Femap with NX Nastran sphere]. Moscow, DMK Press Publ.,
2013, 784 p.
© Хахленкова А. А., 2016
