CC BY
83
УДК 778.533(088.8)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АДАПТИВНОИ К ДЕЙСТВИЮ ГРАДИЕНТОВ РАЗМЕРНОСТАБИЛЬНОЙ СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
© 2010 Н.Р. Стратилатов, А.Н. Шайда, О.С. Кулькова, В.Д. Байкин ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара
Изложен метод проектирования корпусов космических телескопов, позволяющий получить простые и надёжные конструктивно-анизотропные силовые конструкции, адаптивные к действию градиентов температур.
Размерностабильная силовая конструкция, конструктивно-анизотропная силовая оболочка,
телескоп
В современной космической технике при проектировании и создании силовых конструкций корпусов
космических телескопов серьёзной
проблемой, наряду с сохранением
прочности и обеспечением жёсткости, является обеспечение их размерной стабильности в заданном направлении в условиях воздействия значительных перепадов температур и механических нагрузок.
Особенно актуальна эта задача при разработке корпусов космических телескопов дистанционного
зондирования Земли.
Одним из путей уменьшения деформаций силовых конструкций корпусов космических телескопов в заданном направлении, обусловленных воздействием неравномерного поля
температур, является использование конструктивных элементов,
выполненных из материалов с низким коэффициентом линейного расширения
(типа ИНВАР, а=1-10-6 1/°С, у=8,2 г/см3) [1, 4].
Уменьшить температурные
деформации можно также за счёт создания требуемого теплового режима, обеспечивающего снижение перепадов температур на конструкции корпуса телескопа, и за счёт применения
активных и пассивных средств обеспечения теплового режима [3].
Однако указанные способы
обеспечения размерной стабильности приводят к усложнению конструкции, снижению её надёжности и, как правило, к увеличению её массы. Применение
неметаллических материалов на основе углепластиков не позволяет в полной мере обеспечить достаточную
геометрическую стабильность силовой конструкции телескопа, поскольку эта характеристика напрямую зависит от значения коэффициента линейного расширения применяемого полимерного композитного материала, который имеет конечную, хотя и малую, величину.
Таким образом, существует
потребность в простом и надёжном
способе обеспечения размерной
стабильности корпусов космических
телескопов.
Рассматриваемый в настоящей статье метод проектирования адаптивных к действию градиентов температур силовых конструкций предлагается к
реализации в конструкциях КА ДЗЗ, разрабатываемых ГНПРКЦ «цСкБ-Прогресс».
На рисунке 1 изображён общий вид корпуса космического телескопа с
высокой геометрической стабильностью конструкции по длине Ь при воздействии неравномерного поля температур.
Оболочка корпуса выполнена из конструктивно-анизотропного материала, часть волокон 1 которого с коэффициентом линейного расширения аа направлены вдоль оси оболочки по правой и левой винтовым линиям. Волокна 2, криволинейные в плоскости, перпендикулярной оси оболочки, направлены поперёк оси и выполнены из материала с коэффициентом линейного расширения аь, превышающим
коэффициент линейного расширения материала продольных волокон. Волокна 1 и 2 пересекаются в узлах 3, образуя криволинейные треугольные элементы, заполненные связующим и
симметричные относительно оси оболочки.
При действии перепада температур АТ на криволинейный треугольный элемент ЛВС, состоящий из продольных волокон с длиной хорды а и поперечных волокон с длиной хорды ь, продольные и поперечные волокна изменяют свои размеры, то есть удлиняются (рисунок 2) или укорачиваются (рисунок 3) на величины Аа, Аь соответственно. В деформированном состоянии
треугольный элемент будет иметь вид А1ВС1 или А2ВС2 (рисунки 2, 3) [2, 5].
В
Значения Аа и АЬ/2 определяются по формулам:
Да = аа ■ ДТ ■ а, (1)
АЬ/2 = аь-АТ • Ь/2.
(2)
Высоту треугольного элемента I можно найти из следующих соотношений:
в исходном положении
її =
2 Г ь \
а - 12 )
после
температур
действия
12 = л (а + Аа )2 -
\2
/Ь АЬ
----1-----
,2 2
V /
(3)
перепада
(4)
На рисунке 4 показано, что треугольный элемент является статически неопределимой системой, лишними неизвестными которой являются усилия I, q связи волокон со связующим внутри треугольного элемента.
При определённом соотношении сторон треугольного элемента ЛВС, значений температурных деформаций волокон А а и АЬ, зависящих от коэффициентов линейного расширения материалов продольных и поперечных волокон аа, аь и физико-механических характеристик материала волокон и связующего, можно добиться того, что высота треугольного элемента при действии перепада температур АТ изменяться не будет. Из условия 11=12 для треугольного элемента можно определить зависимость:
где K1, K2 - коэффициенты,
учитывающие физико-механические характеристики материала связующего и волокон.
Поскольку конструктивно-
анизотропная оболочка состоит из множества стабильных по высоте l криволинейных треугольных элементов, то она обеспечивает и суммарную длину L постоянной. Следовательно, корпус космического телескопа термически стабилен по длине в неравномерном поле температур.
По оценкам, для случая, когда модуль упругости первого рода связующего на порядок меньше соответствующих величин материалов волокон, а толщины волокон относятся к длинам хорд как 1/10, значение K1K2 составляет:
K • К2 = 0.5. (6)
Описанная конструктивно-
анизотропная оболочка корпуса космического телескопа формируется следующим образом: углеродные
(продольные) и стекловолокна
(поперечные), предварительно
пропитанные связующим (эпоксидным или фенольным), наматываются на цилиндрическую оправку. При этом шаг и углы намотки волокон выбираются с учётом соотношения (5).
Применение в корпусе
космического телескопа конструктивноанизотропной оболочки позволяет
уменьшить массу конструкции и повысить термическую стабильность до 30%.
Область применения предлагаемой конструкции не исчерпывается
космической техникой. Простота,
надёжность, технологичность и низкая стоимость позволяют предположить, что данная конструкция может найти широкое применение во всех случаях, когда нужно создать
размерностабильную в условиях
воздействия неравномерного поля температур конструкцию.
Библиографический список
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов.- М.: Машиностроение.- 1988.
2. Фомин Г.Е. Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размерностабильных силовых конструкций летательных аппаратов [Текст]/ Фомин Г.Е., Шайда А.Н., Байкин В.Д./ Полет.- 2000.- №06.- С. 42-45.
3. Биткин В.Е. Особенности
проектирования стержневых
размеростабильных крупногабаритных космических конструкций [Текст]/ Биткин В.Е., Сальников И.В., Шайда А. Н./ Сборник научно-технических статей по ракетно-космической тематике.- 1991.- С. 43-49.
4. Лапоткин А.В. Особенности
проектирования, изготовления и
экспериментальной отработки
стержневой размерностабильной
конструкции из углепластика [Текст]/ Лапоткин А.В., Соболь А.А., Суханов А.В./ Технологии. Конструкции из композиционных материалов.- 1989.-
№2.7.
5. Фомин Г. Е. Проектирование
размерностабильных стержневых
конструкций рефлекторов антенн, адаптивных к действию градиентов температур [Текст]/ Фомин Г.Е., Шайда А. Н./ Сборник научно-технических статей по ракетно-космической тематике.- 1991.- С. 61-64.
References
1. Vasilev V.V. Mechanics of
composite constructions.- M.:
Mashinostroenie.- 1988.
2. Fomin G.E. Designing of dimension stable spacecraft load-bearing units adapted to temperature gradient effect. / Fomin G.E., Shayda A.N., Baykin V.D./Polet.-2000.-N6.-P.42-45.
3. Bitkin V.E. Designing characteristics of rod, dimensionstable and bulky space constructions. /Bitkin V.E., Salnikov I.V., Shaida A.N. /Collected scientific and
technical papers on space-rocket subject.- 5. Fomin G.E. Designing of
1991.-P.43-49. dimensionstable rod reflector-type parasitics
4. Lapotkin A.V. Principals of constructions, adapted to temperature
designing, production and experimental gradient effect. /Fomin G.E., Shayda A.N. /
adjustment of rod dimensionstable coal- Collected scientific and technical papers on
plastic construction. /Lapotkin A.V., Sobol space-rocket subject.-1991.-P.61-64.
A.A., Sukhanov A.V. /Technologies.
Composite constructions. 1989.-N2.7.
DEVELOPMENT OF LOAD - BEARING FRAMES OF SPACE TELESCOPES WITH INVARIABLE DIMENSIONS ADAPTIVE TO TEMPERATURE GRADIENTS
© 2010 N.R. Stratilatov, A.N. Shaida, O.S. Kulkova, V.D. Baikin
State Research and Production Space Center “TsSKB-Progress”, Samara
The article describes a method used to design frames of space telescopes. The mentioned method allows to have simple and robust load-bearing anisotropic structures, which may be adapted to temperature gradients impact.
Dimensionstable load-bearing unit, constructively-anisotropic load-bearing covering, telescope
Информация об авторах
Стратилатов Николай Ремирович: Главный конструктор - начальник отделения проектных и научно-исследовательских разработок КК и КА, e-mail: csdb@samtel.ru.
Шайда Анатолий Николаевич: начальник сектора; e-mail: csdb@samtel.ru. Область научных интересов: проектирование адаптивных к действию градиентов температур и анизотропных конструкций.
Байкин Виталий Дмитриевич: начальник отдела; e-mail: csdb@samtel.ru. Область научных интересов: проектирование перспективных конструкций ракетно-космической техники.
Кулькова Ольга Сергеевна: инженер-конструктор; e-mail: csdb@samtel.ru.
Область научных интересов: проектирование перспективных средств выведения,
автоматизация проектирования аэрокосмической техники.
Stratilatov Nikolay Remirovich: Chief Designer- Head of Space Systems and satellites Design and Research Division, e-mail: csdb@samtel.ru.
Shayda Anatoly Nikolaevich: Head of Sector; e-mail: csdb@samtel.ru. Research interests: designing of adapted to temperature gradient effect and anisotropic constructions.
Baykin Vitaly Dmitrievich: Head of Department; e-mail: csdb@samtel.ru. Research interests: designing of perspective space-rocket equipment constructions.
Kulkova Olga Sergeevna: Design Engineer, e-mail: csdb@samtel.ru. Research interests: designing of perspective spacecraft, automation of aerospace equipment designing.
