Результат интеллектуальной деятельности: РАЗГОННЫЙ БЛОК И СИЛОВОЙ ШПАНГОУТ (2 ВАРИАНТА)

Заявляемые технические решения относятся к области ракетно-космической техники, а именно к устройству разгонных блоков, предназначенных для выведения космических аппаратов на целевые орбиты после отделения головной части от ракеты-носителя, и устройству силовых шпангоутов для восприятия и передачи силовых нагрузок.

Известен разгонный блок ракеты-носителя «Ариан» (см. «Астронавтика и ракетодинамика», №11, 1984 г., изд. ВИНИТИ, стр.4), содержащий равномерно расположенные по окружности емкости, продольный силовой элемент, размещенный с охватом емкостей, и ракетный двигатель. Масса конструкции этого блока является значительной.

Известно техническое решение разгонного блока (см. патент РФ 2043956, МПК В64G 1/40, опубл. 20.09.1995 г.), содержащее кольцеобразный блок баков из равномерно расположенных по окружности сферических емкостей, соединенных с ними стержней и ракетного двигателя. При использовании этого технического решения улучшаются массово-конструктивные характеристики разгонного блока, однако это техническое решение не обеспечивает возможности размещения на борту разгонного блока с запасом топлива 12-16 т и более с высокими массово-энергетическими характеристиками.

В авиационной и ракетно-космической технике известны нормальные и силовые шпангоуты. Нормальные шпангоуты (см., например, Е.С.Войт, Проектирование конструкций самолетов, М., Машиностроение, 1987 г., стр.295) предназначены для восприятия равномерно распределенной по ободу шпангоута аэродинамической нагрузки и обеспечения опоры для стрингеров и лонжеронов. Конструктивно нормальные шпангоуты выполняются в виде обода различного профиля (см. рис.10.33 и 10.34 указанного источника), который включает стенку и один (наружный) пояс или два пояса (внутренний и наружный). Внешний пояс обода шпангоута выполнен с обеспечением его соединения с цилиндрической обшивкой. Нормальные шпангоуты не предназначены для восприятия сосредоточенных силовых нагрузок, действующих в плоскости шпангоута.

Известен силовой шпангоут (см. А.С.Авдонин, Прикладные методы расчета оболочек и тонкостенных конструкций, М., Машиностроение, 1969 г., стр.226, рис.146-147), содержащий обод и выпуклое днище. Шпангоут выполнен с обеспечением возможности восприятия противоположных сжимающих усилий. Кроме того, шпангоут выполнен с обеспечением возможности соединения с цилиндрической обечайкой. В этом техническом решении обод шпангоута выполнен прямоугольного сечения.

Поскольку примыкающая к шпангоуту цилиндрическая обечайка слабо сопротивляется радиальным нагрузкам, то противоположные сжимающие усилия воспринимаются выпуклым днищем и ободом шпангоута. Однако это техническое решение не обеспечивает надежной работы шпангоута по восприятию значительных сжимающих усилий. Использование этого технического решения в конструкции шпангоута, воспринимающего значительные усилия, приводит к большому перетяжелению днища шпангоута.

Ближайшим аналогом заявляемому решению разгонного блока является разгонный блок по патенту РФ 2190565 (МПК В64G 1/00, опубл. 2001.10.10). Этот разгонный блок содержит кольцеобразный блок основных баков, отделяемую связку дополнительных баков и ракетный двигатель.

Блок основных баков и связка дополнительных баков ориентированы перпендикулярно продольной оси блока, а ракетный двигатель установлен вдоль нее.

Блок основных баков выполнен из равномерно расположенных по окружности усеченных сферических емкостей, соединенных друг с другом, и пропущенных внутри них стержней, ориентированных в пространстве вдоль ребер правильной восьмиугольной пирамиды. На верхних концах стержней блока основных баков располагаются узлы крепления блока к полезной нагрузке. Нижними концами стержней блок основных баков присоединяется через узел крепления блока основных баков к связке дополнительных баков.

В связку дополнительных баков включены цилиндрические обечайки, продольные оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси блока. Рассматриваемое техническое решение предусматривает выполнение связки дополнительных баков из четырех цилиндрических обечаек. Цилиндрические обечайки этого технического решения снабжаются сферическими проставками. Сферические проставки цилиндрических оболочек усечены плоскостями под углом 45 градусов к оси оболочки. По контурам усечения сферических проставок цилиндрические обечайки связки дополнительных баков этого технического решения соединяются друг с другом.

Каждая из обечаек снабжена силовым шпангоутом. В этом техническом решении каждая из оболочек снабжена двумя силовыми шпангоутами, размещенными по стыку цилиндрической обечайки со сферическим днищем. Каждый из силовых шпангоутов этого технического решения соединен в верхней части через узел крепления блока основных баков со связкой дополнительных баков с одним из стержней блока основных баков. В нижней части каждого из силовых шпангоутов размещены узлы крепления разгонного блока к смежной ступени носителя.

Плоскости силовых шпангоутов этого технического решения параллельны продольной оси разгонного блока.

Инерционная нагрузка при выведении космического аппарата на орбиту воспринимается продольными силовыми элементами - стержнями блока основных баков, и передается через узлы крепления блока основных баков к связке дополнительных баков на силовые шпангоуты связки дополнительных баков. Через узлы крепления разгонного блока к смежной ступени носителя, размещенные на силовых шпангоутах, инерционная нагрузка от разгонного блока передается на смежную ступень носителя.

Недостатками этого технического решения являются большая масса конструкции разгонного блока и недостаточный объем связки дополнительных баков для размещения топлива. Так, общая силовая схема этого разгонного блока включает соединение стержней блока основных баков с силовыми шпангоутами связки дополнительных баков. Однако стержни блока основных баков ориентированы в этом техническом решении в пространстве вдоль ребер правильной восьмиугольной пирамиды, ось которой совмещена с продольной осью разгонного блока, а плоскости силовых шпангоутов ей параллельны. При этом внешние нагрузки, воспринимаемые силовыми шпангоутами, лежат не в плоскости силовых шпангоутов, что увеличивает не только массу силовых шпангоутов связки дополнительных баков, но и массу цилиндрических обечаек. Соединение цилиндрических обечаек связки дополнительных баков друг с другом с использованием сферических проставок, определяет неэффективное использование зоны полезной нагрузки головного обтекателя ракетоносителя для размещения топлива.

Наиболее близким аналогом заявляемым вариантам силового шпангоута является техническое решение шпангоута (см. Н.И.Паничкин, Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов, М., Машиностроение, 1986, стр.208-209, рис.15.9, 15.10), содержащее обод, балку, размещенную в плоскости шпангоута, и опорный элемент, размещенный на внешнем поясе обода соосно балке. Профиль обода этого технического решения выполнен в форме двутавра и включает соединенные стенкой внешний и внутренний пояса, а профиль балки выполнен коробчатым. Балка этого технического решения размещена в плоскости шпангоута вдоль диаметра обода.

Это техническое решение предназначено для использования в составе узла крепления бокового разгонного блока к центральной ступени ракетоносителя. Основное усилие, воспринимаемое шпангоутом, направлено перпендикулярно плоскости шпангоута. Усилия, воспринимаемые шпангоутом в его плоскости, значительно меньше по величине.

Однако это техническое решение неэффективно при его использовании, например, в составе дополнительной связки топливных баков двухступенчатого разгонного блока и предназначенного для восприятия и передачи значительных усилий от последней ступени ракетоносителя к блоку основных баков и полезной нагрузке. Так, к особенностям силовых схем таких блоков можно отнести различие в размещении узлов соединения дополнительной связки топливных баков с последней ступенью носителя и узлов соединения дополнительной связки топливных баков и блока основных баков: последние размещаются на меньшем расстоянии от продольной оси блока. Кроме того, инерционная нагрузка приходится на шпангоут под углом к продольной оси блока. Масса силового шпангоута при этом возрастает.

Технической задачей, решаемой заявляемым разгонным блоком, является разработка разгонного блока с высокими массово-конструктивными характеристиками, допускающими размещение на борту 12-16 т топлива, при минимальных продольных габаритах.

Технической задачей, решаемой первым заявляемым вариантом силового шпангоута, является разработка шпангоута с высокими массовыми характеристиками, воспринимающего большие сосредоточенные сжимающие усилия в плоскости шпангоута, направленные под углом друг к другу.

Технической задачей, решаемой вторым заявляемым вариантом силового шпангоута, является разработка шпангоута с высокими массовыми характеристиками, воспринимающего большие сосредоточенные сжимающие усилия в плоскости шпангоута, направленные под углом друг к другу в сочетании с возможностью использования его в качестве шпангоута, снабженного выпуклым днищем.

Техническая задача заявляемым разгонным блоком решается следующим образом.

Известен разгонный блок, содержащий кольцеобразный блок основных баков, отделяемую связку дополнительных баков и ракетный двигатель.

В известном разгонном блоке блок основных баков и связка дополнительных баков ориентированы перпендикулярно продольной оси блока, а ракетный двигатель установлен вдоль продольной оси разгонного блока.

Блок основных баков известного решения выполнен из равномерно расположенных по окружности усеченных сферических емкостей, соединенных друг с другом, и пропущенных внутри них стержней, ориентированных вдоль ребер правильной восьмиугольной пирамиды.

В известном решении разгонного блока в связку дополнительных баков включены цилиндрические обечайки, продольные оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси блока. Каждая из обечаек известного решения снабжена силовым шпангоутом, соединенным с одним из стержней блока основных баков. Кроме того, в известном решении разгонный блок снабжен размещенными на силовых шпангоутах узлами крепления блока к смежной ступени носителя и узлами крепления блока основных баков к связке дополнительных баков, последние из которых соединены со стержнями блока основных баков.

В заявляемом решении разгонного блока новым является то, что дополнительная связка баков выполнена из восьми цилиндрических обечаек, которые соединены друг с другом торовыми секторами. Силовой шпангоут каждой обечайки заявляемого решения размещен в ее середине и ориентирован на продольную ось блока. Кроме того, в заявляемом решении новым является то, что каждый из силовых шпангоутов снабжен продольной балкой, а четыре накрест расположенных силовых шпангоута дополнительно снабжены выпуклыми днищами. Силовые шпангоуты размещены между узлами крепления разгонного блока к смежной ступени носителя и узлами крепления блока основных баков к связке дополнительных баков. Кроме того, каждый из узлов крепления блока основных баков к связке дополнительных баков выполнен с обеспечением возможности соединения с силовым шпангоутом элементами крепления, разнесенными в направлении на продольную ось разгонного блока.

Кроме того, в заявляемом решении разгонного блока продольные балки силовых шпангоутов могут быть ориентированы вдоль ребер правильной восьмиугольной призмы.

Кроме того, в заявляемом решении разгонного блока направление выпуклости днищ силовых шпангоутов в каждой паре смежных силовых шпангоутов может быть выбрано противоположным.

Техническим результатом, достигаемым заявляемым техническим решением разгонного блока, является увеличение внутренних объемов связки дополнительных баков, а соответственно этому и увеличение максимальной заправки топливом разгонного блока. Это достигается выполнением связки дополнительных баков из восьми цилиндрических обечаек, соединенных торовыми секторами. Длина цилиндрических обечаек в этом решении может быть выбрана относительно небольшой, что в сочетании с использованием секторов тора для их соединения друг с другом увеличивает внутренний объем дополнительной связки баков. При этом ликвидируются участки оболочки связки дополнительных баков ближайшего аналога - сферические проставки, которые сужаются к осям цилиндрических обечаек.

При этом повышаются и массово-конструктивные показатели разгонного блока. Направление нагрузки, воспринимаемой от стержней блока основных баков силовыми шпангоутами, совмещено с плоскостью силовых шпангоутов связки дополнительных баков, что значительно уменьшает нагрузки, действующие на оболочки связки дополнительных баков, и этим уменьшает массу блока.

При выборе поперечного габаритного размера разгонного блока близким поперечному габаритному размеру смежной ступени носителя стойки силовых шпангоутов целесообразно в пространстве ориентировать вдоль ребер правильной восьмиугольной призмы, что обеспечивает максимальное использование разгонным блоком зоны полезного груза головного обтекателя.

Днища четырех накрест лежащих силовых шпангоутов связки дополнительных баков делят ее внутренний объем на четыре отсека, в двух из которых размещается окислитель, а в двух других - горючее. Ввиду различий в массовых расходах окислителя и горючего и их плотности объемы отсеков окислителя и горючего необходимо выбирать различными. С другой стороны, отсеки с горючим и окислителем для сохранения центровки блока при выработке топлива целесообразно чередовать. При этом выбор направления выпуклости днищ силовых шпангоутов в каждой паре смежных силовых шпангоутов противоположным дает возможность выполнить отсеки окислителя и горючего с различными объемами, что также позволяет увеличить массу топлива разгонного блока.

Технические задачи заявляемыми первым и вторым вариантами силового шпангоута решаются следующим образом.

Известный силовой шпангоут содержит обод, включающий соединенные стенкой внешний и внутренний пояса, балку, размещенную в плоскости шпангоута, концы которой закреплены на внутреннем поясе обода.

Если в известном решении силовой шпангоут содержит один опорный элемент, размещенный на внешнем ободе шпангоута соосно балке, то в заявляемые решения по 1 и 2 вариантам решение силового шпангоута включает, кроме указанного первого опорного элемента, второй опорный элемент и дополнительный опорный элементы. Как и первый опорный элемент, второй и дополнительный опорные элементы заявляемого решения размещены на внешнем поясе шпангоута, причем дополнительный опорный элемент размещен со смещением по внешнему поясу обода от первого опорного элемента. Кроме того, в заявляемых решениях обод шпангоута снабжен ребрами, размещенными между внешним и внутренним поясами обода на стенке обода между опорными элементами и концами балки.

В заявляемом решении силового шпангоута по второму варианту, кроме того, новым является то, что шпангоут снабжен выпуклым днищем, соединенным с внутренним поясом обода, при этом днище шпангоута выполняется изолированным от балки шпангоута.

Техническим результатом, достигаемым заявляемыми вариантами силового шпангоута, является снижение на 5...10% массы силового шпангоута при восприятии значительной сжимающей нагрузки. Это достигается за счет размещения балки шпангоута вдоль его хорды, что обеспечивает восприятие сжимающих шпангоут сил вне диаметра обода, что характерно для силовых схем разгонных блоков. Наличие эксцентриситета между первым и дополнительным опорными элементами позволяет с минимальными затратами воспринять силовую нагрузку, направленную под углом к балке (направлению хорды). Дополнительному снижению массы силового шпангоута служат и ребра, размещенные в полости шпангоута между внешним и внутренним поясами между опорными элементами и концами балки.

Указанный технический результат при использовании второго заявляемого варианта силового шпангоута дополняется возможностью использования решения шпангоута в качестве шпангоута герметичного днища топливного бака.

Заявляемое решение разгонного блока и силовых шпангоутов иллюстрируется следующими материалами:

фиг.1 - разгонный блок, вид спереди,

фиг.2 - принципиальная конструктивно - силовая схема разгонного блока,

фиг.3 - блок основных баков, вид сверху (вид А-А с фиг.1),

фиг.4 - связка дополнительных баков, вид сверху (вид Б-Б с фиг.1),

фиг.5 - поперечный разрез связки дополнительных баков, аксонометрическое изображение,

фиг.6 - силовой шпангоут по 1 варианту, аксонометрическое изображение,

фиг.7 - силовой шпангоут по 1 варианту, вид спереди,

фиг.8 - силовой шпангоут по 1 варианту, вид сбоку (вид В с фиг.7),

фиг.9 - силовой шпангоут по 1 варианту, вид снизу (вид Г с фиг.8),

фиг.10 - силовой шпангоут по 2 варианту, аксонометрическое изображение,

фиг.11 - силовой шпангоут по 2 варианту, вид спереди,

фиг.12 - силовой шпангоут по 2 варианту, вид снизу (вид Д с фиг.11),

фиг.13 - силовой шпангоут по 2 варианту, вид сбоку (вид Е с фиг.11),

фиг.14 - узел крепления блока основных баков и связки дополнительных баков, аксонометрическое изображение.

Заявляемый разгонный блок устроен следующим образом. Разгонный блок содержит кольцеобразный блок 1 основных баков, отделяемую связку 2 дополнительных баков и ракетный двигатель 3. Блок 1 основных баков и связка 2 дополнительных баков ориентированы перпендикулярно продольной оси 4 блока, а ракетный двигатель 3 установлен вдоль нее.

Блок основных баков выполнен (см. фиг.3) из расположенных по окружности шести усеченных сферических емкостей 5, соединенных друг с другом шпангоутами 6. Кроме того, блок основных баков снабжен восемью стержнями 7, пропущенными внутри сферических емкостей 5. Стрежни герметично соединены с оболочками сферических емкостей блока основных баков. Через две сферические емкости, расположенные оппозиционно по отношению друг к другу относительно продольной оси блока, пропущено по два стержня, а через остальные четыре емкости пропущено по одному стержню. В пространстве стержни ориентированы вдоль ребер правильной восьмиугольной пирамиды.

Связка 2 дополнительных баков выполнена из восьми цилиндрических обечаек 8 и 9, соединенных друг с другом торовыми секторами 10.

Каждая из цилиндрических обечаек снабжена силовым шпангоутом 11 или 12. Силовые шпангоуты каждой цилиндрической обечайки целесообразно разместить по середине ее длины. Плоскости силовых шпангоутов 11 и 12 ориентированы на продольную ось 4 блока.

Каждый из силовых шпангоутов 11 и 12 снабжен продольной балкой 13. Балки 13 целесообразно разместить параллельно продольной оси 4 блока, при этом в пространстве продольные балки ориентируются вдоль ребер правильной восьмиугольной призмы.

Четыре накрест расположенных силовых шпангоута 12 снабжены выпуклыми днищами 14. Днища 14 шпангоутов 12 выполняются герметичными и служат для деления связки дополнительных баков на четыре топливных отсека, в двух из которых размещается горючее, а в двух других - окислитель.

Направление выпуклости днищ 14 в каждой паре смежных силовых шпангоутов 12 целесообразно выбирать противоположным, например, если направление выпуклости днища 14 на виде сверху при обходе на исходном шпангоуте направлено по часовой стрелке, то при переходе к следующему шпангоуту 12, снабженному днищем 14, направление его выпуклости меняется на противоположное: против часовой стрелки. При этом пары противоположных отсеков дополнительной связки топливных баков имеют равные объемы.

Наиболее целесообразно силовые шпангоуты 11 выполнять в соответствии с первым заявляемым вариантом силового шпангоута, а силовые шпангоуты 12 - в соответствии со вторым вариантом заявляемого силового шпангоута. Возможно и иное выполнение конструкции силовых шпангоутов 11 и 12.

Кроме указанных элементов разгонный блок снабжен узлами крепления 15 разгонного блока к полезной нагрузке, узлами крепления 16 разгонного блока к смежной ступени носителя и узлами крепления 17 блока основных баков к связке дополнительных баков.

Узлы крепления 15 разгонного блока к полезной нагрузке целесообразно разместить на верхних концах стержней 7.

Узлы крепления 16 разгонного блока к смежной ступени носителя и узлы крепления 17 блока основных баков и связки дополнительных баков размещены на внешних поверхностях силовых шпангоутов 11 и 12. При этом балки 13 силовых шпангоутов 11 и 12 размещены в плоскости силовых шпангоутов между узлами крепления 16 разгонного блока к смежной ступени носителя и узлами крепления 17 блока основных баков к связке дополнительных баков (см. фиг 2). Кроме того, узлы крепления блока основных баков к связке дополнительных баков соединены, как показано на фиг.1, 2, со стержнями 7 блока основных баков.

Узел крепления 17 блока основных баков к связке дополнительных баков (см. фиг.8) может быть выполнен в виде цилиндрической проставки 18, подкрепленной в направлении на продольную ось разгонного блока утолщенной треугольной стенкой 19. На узле крепления 17 блока основных баков к связке дополнительных баков может быть размещено и средство отделения 20.

Каждый из узлов крепления 17 блока основных баков к связке дополнительных баков (см. фиг.14) выполнен с обеспечением возможности соединения с силовым шпангоутом 11 или 12 элементами крепления, разнесенными в направлении на продольную ось разгонного блока. Первый элемент крепления 21 целесообразно разместить по оси цилиндрической проставки 18, а вторые элементы крепления, не показанные на чертежах, целесообразно разместить в основании треугольной стенки 19 со сдвигом в сторону продольной оси от элемента крепления 21. Площадки для возможного размещения вторых элементов крепления на фиг.14 обозначены позицией 22.

Кроме указанных элементов связка дополнительных баков содержит перегородки 30 для демпфирования колебаний топлива и некоторые другие элементы топливной системы.

Заявляемые варианты силовых шпангоутов устроены следующим образом.

Силовой шпангоут в соответствии с 1 и 2 заявляемыми вариантами содержит обод, включающий внешний 23 и внутренний 24 пояса. Пояса шпангоута соединены стенкой 25. Кроме того, шпангоут содержит балку 13, которая помещена вдоль хорды обода. При использовании заявляемых вариантов силового шпангоута в конструкции топливных отсеков внешние пояса обода силового шпангоута целесообразно герметично соединить с обечайками топливных баков.

Кроме того, силовой шпангоут в соответствии с 1 и 2 заявляемыми вариантами содержит первый 26, второй 27 и дополнительный 28 опорные элементы. Указанные опорные элементы размещены снаружи обода шпангоута на внешнем его поясе.

Концы балки 13 соединены с внутренним 24 поясом обода, а первый 26 и второй 27 опорные элементы размещены на внешнем 23 поясе обода напротив концов стойки 13 соосно ей. Дополнительный опорный элемент 28 размещен со смещением от первого 26 опорного элемента. Первый 26 и дополнительный 28 опорные элементы могут быть выполнены в виде выступов на внешнем поясе шпангоута, причем их опорные плоскости целесообразно выполнить компланарными.

В соответствии с 1 и 2 заявляемыми вариантами опорные элементы 26, 27 и 28 подкреплены ребрами 29, помещенными между внутренним 23 и внешним 24 поясами обода.

В соответствии со 2 заявляемым вариантом силовой шпангоут дополнительно содержит выпуклое днище 14, соединенное с внутренним поясом 24 обода. Выпуклое днище 14 выполнено изолированным от балки 13. При использовании заявляемого второго варианта силового шпангоута в качестве шпангоута, соединяющего топливные баки, днище выполняется герметичным.

Заявляемый разгонный блок и силовые шпангоуты работают следующим образом.

При выведении полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли инерционная нагрузка от полезной нагрузки воспринимается блоком основных баков, причем большая ее часть воспринимается стержнями блока основных баков. Через узлы крепления блока основных баков к связке дополнительных баков инерционная нагрузка передается на связку дополнительных баков, большая часть которой передается через балки силовых шпангоутов.

При выведении на орбиту после отделения разгонного блока от ракетоносителя начинает работать двигатель разгонного блока. Сначала вырабатывается топливо из связки дополнительных баков. После окончания выработки топлива из связки дополнительных баков связка дополнительных баков отделяется от блока основных баков и вырабатывается топливо из блока основных баков. После выведения полезной нагрузки на заданную орбиту блок основных баков отделяется от полезной нагрузки.

Заявляемый разгонный блок и силовые шпангоуты могут быть изготовлены на предприятиях авиационной и ракетно-космической промышленности.