Результат интеллектуальной деятельности: Сетчатый композитный корпус космического телескопа

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано при создании различных сетчатых конструкций, к которым предъявляются высокие требования по прочности, жесткости и стабильности геометрических размеров от действия температур при относительно малой массе.

Известен сетчатый композитный адаптер космического аппарата, состоящий из кольцевых и спиральных ребер, соединенных между собой в узлах пересечения. С целью обеспечения прочности, жесткости и требуемой геометрической стабильности кольцевые и спиральные ребра выполнены из одинакового однонаправленного (армированного в одном направлении) углепластика, имеющего плотность в 1,75 раза меньшую плотности алюминиевых сплавов и превосходящего последние по прочности более чем в 5 раз и по жесткости в 2…3 раза (журнал «Полет» №11-12. 2016 г., УКД 621.763 «Перспективы применения сетчатых композитных конструкций в гражданской авиации», авторы: В.В. Васильев, А.Ф. Разин).

Известна сетчатая композитная оболочка, состоящая из кольцевых и спиральных ребер, равномерно распределенных по высоте оболочки и расположенных симметрично относительно точек пересечения спиральных ребер (журнал «Конструкции из композитных материалов» №4. 2015 г., УКД 621.32 «Численное исследование влияния количества кольцевых ребер на устойчивость композитных сетчатых цилиндрических оболочек летательных аппаратов» авторы: П.Н. Бокучава; В.А. Евстафьев, канд. техн. наук; В.А. Бабук, д-р техн. наук Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия) - прототип.

Известный сетчатый композитный адаптер, а также известная сетчатая композитная оболочка не обеспечивают достаточную стабильность размера по высоте от действия температур, так как кольцевые и спиральные ребра выполнены из однонаправленного углепластика, имеющего одинаковый малый, но конечный температурный коэффициент линейного расширения , что приводит к температурным деформациям размеров корпуса и расфокусировки телескопа.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, то есть при относительно малой массе и высокой прочности и жесткости обеспечить стабильность размера по высоте сетчатого композитного корпуса КТ при действии температур с целью сохранения его фокусировки.

Для достижения этой цели сетчатый композитный корпус КТ состоит из кольцевых и спиральных ребер, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом кольцевые ребра равномерно распределены по высоте сетчатого корпуса КТ и расположены симметрично относительно точек пересечения спиральных ребер. Соединение кольцевых и спиральных ребер обеспечивается технологией намотки сетчатого корпуса.

При этом кольцевые ребра выполнены из материала с большим температурным коэффициентом линейного расширения. Геометрическая характеристика корпуса и физические характеристики применяемых материалов связаны соотношением:

где: β - угол наклона спиральных ребер к кольцевым ребрам;

α_a,α_b - температурные коэффициенты линейного расширения материалов спиральных и кольцевых ребер соответственно.

На фиг. 1 изображен общий вид сетчатого композитного корпуса КТ диаметром D размеростабильного по высоте L при воздействии температур.

На фиг. 2, 3 изображены процессы деформирования криволинейных треугольных элементов от действия температур.

На фиг. 4 изображена 3D-модель сетчатого композитного корпуса КТ.

Спиральные ребра 1 расположены под углом β к кольцевым ребрам 2 и выполнены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения α_а.

Кольцевые ребра равномерно распределены по высоте L оболочки и расположены симметрично относительно точек пересечения спиральных ребер на расстоянии h.

Кольцевые ребра соединены со спиральными в узлах 3 и выполнены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения α_b, при этом α_b>α_а.

Кольцевые ребра совместно со спиральными образуют симметричные криволинейные треугольные элементы ABC с размерами длин хорд по стирали и кольцу равными а, b и высотой h, соответственно.

При действии температуры на корпус, стороны треугольного элемента изменяют свои размеры, т.е. удлиняются или укорачиваются на величины Δа и Δb.

В деформированном состоянии треугольный элемент имеет вид A₁BC₁, ΔT=Т_o + Т (фиг. 2) или А₂ ВС₂, ΔT=Т_o-Т (фиг. 3).

Значения величины удлинения или укорочения сторон треугольного элемента от действия температуры равны:

где: ΔТ=Т_o ± Т,

Т_o - исходная температура,

Т - действующая температура.

Высоту треугольного элемента определяем из соотношений:

- в исходном состоянии:

- - после воздействия температуры:

При определенном соотношении сторон треугольного элемента ABC и значений температурных деформаций его сторон Δа и Δb, зависящих от температурных коэффициентов линейного расширения α_а, α_b материалов спиральных и кольцевых ребер можно добиться того, что высота h криволинейного треугольного элемента при действии температур изменяться не будет.

Для этого из равенства h₁=h₂ определим зависимость обеспечивающей неизменность высоты h криволинейного треугольного элемента:

или

пренебрегая малыми величинами Δа² и имеющими размерность 10^-12 , определим соотношение:

Учитывая то, что - косинус угла наклона спиральных ребер к кольцевым, определим угол наклона β обеспечивающий неизменность высоты h криволинейного треугольного корпуса от действия температур:

α_b>α_а.

Геометрические и жесткостные параметры криволинейных и кольцевых ребер, а также их количество определяются из условия требуемых значений жесткости сетчатого композитного корпуса, технологических ограничений, компоновочных решений, действующих температур и заданных эксплуатационных нагрузок. Значения величин температурных коэффициентов линейного расширения α_b, α_а могут определяться процентным соотношением наполнителя (углеволокно) и эпоксидной матрицы (связующее). Объемное содержание волокон однонаправленного углеволокна составляет порядка 35%, что позволяет осуществлять пересечение ребер в сетчатой конструкции без изгиба волокон. Из условия пересечения ребер без изгиба, реальный угол наклона β спиральных ребер к кольцевым, в рассматриваемом сетчатом композитном корпусе КТ, может находиться в пределах от 80° до 45°.

Основные этапы технологии производства предлагаемого сетчатого композитного корпуса включают определение на образцах-свидетелях фактических значений температурных коэффициентов линейного расширения материала ребер, уточнение, при необходимости, угла наклона пазов для формирования криволинейных ребер, намотку криволинейных и кольцевых ребер из однонаправленного углепластика в пазы матрицы из эластичного силикона покрывающих цилиндрическую оправку, отверждение связующего, удаление оправки и эластичной матрицы; механическую обработку. Для обеспечения свето-технических характеристик зеркал КТ, изготовленный сетчатый корпус подвергают сушке и обезгаживанию (дегазации) путем выдержки в барокамере при низком давлении и высокой температуре не менее 2-х суток. Для фактических значений коэффициентов линейного расширения материала ребер, определенных на образцах-свидетелях, фактический угол наклона спиральных ребер к кольцевым, определенный из соотношений (1), обеспечивает неизменность высоты L сетчатого композитного корпуса КТ при действии температур.

Предлагаемый сетчатый композитный корпус КТ обладает высокой степенью весового совершенства, так как его основные несущие элементы изготовлены из однонаправленного углепластика, имеющего исключительно высокую прочность и жесткость. В конструкции полностью реализуются высокие прочностные характеристики однонаправленных композитов при относительно малой массе.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создавать размеростабильные к действию температур сетчатые композитные корпуса КТ относительно малой массы при высокой прочности и жесткости.