Обзор шарнирных устройств в современной ракетно-космической технике Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция «Модели и методы анализа прочности динамики и надежности конструкций КА»

Теперь направления прогибов, вызванные изгибом и сдвигом, совпадают. Суммарный прогиб является суперпозицией прогибов изгиба и сдвига.

Библиографические ссылки

1. Доннел Л. Г. Балки, пластины и оболочки. М. : Наука, 1982.

2. Пановко Я. Г. Механика деформируемого твердого тела: Современные концепции, ошибки и парадоксы. М. : Наука, 1985. С. 16.

3. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. Т. 1. ОГИЗ; Гостехиздат, 1945. С. 151.

4. Тимошенко С. П., Гере Дж. Механика материалов. М. : Мир, 1976. С. 247.

© Елисеева О. П., Шадт К. В., Тимофеева Н. С., Кононова Е., Сабиров Р. А., 2011

УДК 62-2

П. А. Зайцев, Д. Ф. Баляков Научный руководитель - Н. А. Смирнов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОБЗОР ШАРНИРНЫХ УСТРОЙСТВ В СОВРЕМЕННОЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

Рассматриваются основные типы шарниров применяемых в ракетно-космической технике, указываются их достоинства и недостатки. Производится выборка наиболее удачных конструкций.

Шарнирным механизмом называется вращающаяся кинематическая пара [1]. В отличие от шарниров и шарнирных узлов (далее ШУ), применяемых в гражданской технике, ШУ ракетно-космической техники должны удовлетворять ряду требований необходимых для корректной работы аппарата, на котором они установлены. Для изделий ракетно-космической техники характерны сложные эксплуатационные условия такие как: вакуум, радиация, высокие и низкие температуры, динамические нагрузки, возникающие при раскрытии развертываемых элементов конструкций космических аппаратов. При этом от шарнирных узлов требуется высокая надежность, точность и полнота развертки элементов космического аппарата на орбите, минимум деталей и простота изготовления [2].

В настоящее время в ракетно-космической технике нашли применение следующие типы шарниров:

Цилиндрический шарнир - подвижное соединение двух тел, при котором их относительное движение есть вращение вокруг оси. Относится к низшей кинематической паре, так как соприкосновение сопрягающихся деталей происходит по поверхности. Выполняется в виде цапфы, вращающейся в подшипнике скольжения или качения. Простота изготовления, не требует больших материальных затрат (рис. 1). Недостатком является низкая износостойкость и массивность конструкции.

Шаровой шарнир - подвижное соединение двух тел, при котором их относительное движение есть вращение вокруг точки. Так же как и цилиндрический шарнир, шаровой шарнир относится к низшей паре. Шаровой шарнир более сложен в изготовлении, так как выполняется в виде шара, входящего в шаровую выточку, или в виде сферического подшипника качения. Поэтому заменяется карданным механизмом, который состоит из двух или трёх последовательно соединённых цилиндрических шарниров, оси вращения которых, пересекаются в одной точке.

Карданный или универсальный шарнир - механизм, обеспечивающий вращение двух валов под переменным углом, благодаря подвижному соединению звеньев или упругим свойствам специальных элементов (рис. 2). Недостатком простого карданного механизма является неравномерность скорости вращения ведомого вала при постоянной скорости ведущего. Пружинный шарнир - подвижное соединение, использующее внутреннюю энергию деформации плоской пружины для преобразования во вращательное движение.

Рис. 1. Цилиндрический шарнир

Рис. 2. Универсальный шарнир

Рис. 3. Пружинный шарнир

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Недостатком данной конструкции является постоянное напряженно-деформированное состояние пружины, что при циклических нагрузках может привести к преждевременному разрушению конструкции (рис. 3). Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) - обеспечивает передачу крутящего момента при углах поворота до 70 градусов относительно оси (рис.

4). Наиболее распространённый сегодня шариковый ШРУС состоит из шести шариков, внешнего кольца с прорезями под шарики, внутреннего кольца с прорезями для шариков, которое соединяется с приводным валом шлицевым соединением, и сепаратора, удерживающего шарики [3].

В настоящее время наибольший интерес стали представлять гибкие шарниры, выполненные на основе гибкого элемента из композитных материалов (рис.

5). Подобная конструкция позволяет отказаться от применения дополнительных устройств создающих рабочий момент для вращения шарнира. Технический результат изобретения заключается в повышении жесткости шарнирного узла в раскрытом состоянии и надежности его при срабатывании. Достаточная простота конструкции, минимум деталей, выводят гибкие шарниры в число наиболее перспективных направлений развития ракетно-космической техники. Недостатками является сложность изготовления и высокая стоимость получаемого изделия.

/

Рис. 4. Шарнир равных угловых скоростей

1

Ш

Рис. 5. Гибкий шарнир

Рис. 6. Упругий шарнир

Так же как и гибкие шарниры, применение нашли и шарниры с упругими элементами - конструктивное исполнение вращательной пары, в которой, соединения звеньев осуществляется посредством упругого элемента. Примером исполнения может служить крестообразный (рис. 6) упругий шарнир [4].

Рис. 7. Механизм зачековки и раскрытия из сплава с запоминанием формы

Рис. 8. Шарнир раскрытия солнечной батареи «ADELE»

Следующие решения разработаны французской компанией Alcatel Space Industries. Сплав с запоминанием формы используется для того, чтобы увеличить надёжность и уменьшить стоимость механизмов. Могут выполняться две основные функции: зачековка и расчековка, а также раскрытие [5; 6]. Зачековка осуществляется путём завинчивания затяжного элемента. Расчековка выполняется при помощи теплового металлургического расширения компонента из сплава с запоминанием формы, которое вызывает либо пластическую деформацию, либо разрушение натяжного элемента. Раскрытие основано на двух простых шарнирах, сделанных из двух фитингов с вращательным направлением, которое обеспечивается при помощи шарового соединения. Моторизация и блокировка в раскрытом положении обеспечиваются торсионным стержнем из сплава с запоминанием формы (рис. 7) [7]. Шарнир раскрытия солнечной батареи «ADELE» (рис. 8) основан на 2 монтажных цилиндрических поверхностях, вращающихся друг над другом, с вращательным направлением, которое обеспечивается при помощи крепко обмотанных полосок. На основании проведенного обзора ШУ отечественного и зарубежного производства, применяемых в ракетно-космической технике, сделан вывод о том, что существующие схемы конструкций шарниров и ШУ имеют большой ресурс для модернизации, а также могут служить фундаментом для новых конструктивных решений [8].

Составим математическую модель работы шарнирного узла (рис. 9), принимая известными m, l, c, X, xl; x2, ф0 = 0:

Секция «Модели и методы анализа прочности динамики и надежности конструкций КА»

тогда время развертки t

ф ml

Рис. 9. Схема работы шарнира

Определим угловую скорость и ускорение. Расчет

ведем исходя из условия:

Уф = Ыр = Qxx = сХ • х15 где X - удлиннение пружины.

2сХх ф '

Ф=^ ,+ср

т1

2сХх 2 ^ ^

ф =-211 + С + С2.

т1

Граничные условия примут вид

ф|,=0 =Фо = 0 ф|,=0 = 0

значит С1 = 0; С2 = 0.

Окончательно получаем выражение для угловой скорости:

2сХх

ф = 2X2-г'

2сХх 2

ф = "XXX1 г 2.

2сdXXl

Рассчитаем импульс, передающийся КА при ударе: K = mV = mx2ф

Следовательно, сила удара:

„ dK dV ф .. 2сXx1X2

F =-= m-= m^2 = mx2ф =--2^-.

di di di l

Библиографические ссылки

1. Крайнев А. Ф. Словарь справочник по механизмам. М. : Машиностроение, 1981.

2. Шатров А. К., Назарова Л. П., Машуков А. В. Механические устройства космических аппаратов. Конструктивные решения и динамические характеристики : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006.

3. Кожевников С. Н. Механизмы. М. : Машиностроение, 1965.

4. Крайнев А. Ф. Механика фундаментальный словарь. М. : Машиностроение, 2000.

5. Пат. RU № 2250863 С2, МПК B64G1/22, 1/64, F16B9/02. Устройство фиксации шарнирного узла / Похабов Ю. П., Наговицин В. Н., Богданов В. Д. Заявка 2003112579/11, 28.04.2003; опубл. 27.04.2005. Бюл. № 12.

6. Пат. RU № 2414028 С1, МПК H01Q15/20. Шарнирный узел складного рефлектора космической антенны / Куликов Ю. А., Кудрявцев И. А. Заявка 2010111589/07, 25.03.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.

7. Shape Memory Alloy Mechanisms Hold // ESA: сайт. URL: http://www.esa.int/est/comp/comp0191.html (дата обращения: 28.01.2011).

8. Solar Array «ADELE» // ESA. URL: http://www.esa.int/est/comp/comp0193.html (дата обращения: 28.01.2011).

© Зайцев П. А., Баляков Д. Ф., Смирнов Н. А., 2О11

УДК 539.3

О. А. Кистанова, К. Борзова, И. Копытов, И. Тулин, К. Радионова Научный руководитель - Р. А. Сабиров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИТЕРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БАЛКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ УЧЕТЕ

ИЗГИБА И СДВИГА

Рассматривается модель совместного учета сдвига и изгиба балки методами сопротивления материалов и теории упругости.

Выпишем уравнения плоской задачи теории упругости [1]:

- физические:

8х = х )/Е , 8г = )/Е ,

1хг = т„ / с; (1)

- геометрические:

8х = ди / дх, 8 = д^ / д5 , у= ди / д5 + / дх ; (2)

- статические:

да x i дx + дт xz i дz = О, дт xz i дx + д<а i дz = О. (3) Имеем S уравнений относительно восьми функций

S x =S x ( ^ Sz =Sz (^ z)'

Y ^ =Y xz( x' z)'

а x =а x (x'z )