Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТСЕКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ВИДЕ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ И ОТСЕК ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ВИДЕ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании конструкций для летательных аппаратов, в частности для разработки и производства отсеков космических аппаратов.

Известны отсек летательного аппарата в виде оболочки вращения и способ его изготовления по патенту US 4284679 А, МПК⁷ B32B 1/00, 18.08.1981.

Известны отсек летательного аппарата в виде сетчатой оболочки вращения и способ его изготовления по патенту WO 93/07412 A1, МПК⁷ B32B 1/08, 15.04.1993.

Известна оболочка летательного аппарата из полимерных композиционных материалов по патенту RU №2153419, МПК⁷ B32B 1/08, 10.03.99.

Известен способ изготовления элементов летательного аппарата из полимерных композиционных материалов по патенту RU №2153983, МПК B42C 53/56, 30.04.98, при котором на оправку укладывают разделительный слой, наматывают спиральные и кольцевые слои силовых элементов, обжимающую облицовку из термоусаживающего материала, термообрабатывают, снимают с оправки и удаляют облицовку и разделительный слой.

Известна оболочка летательного аппарата из полимерных композиционных материалов по патенту RU №2210726, МПК⁷ F42B 15/00, 22.11.2001, которая выполнена из множества перекрещивающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер жесткости из, например, однонаправленных углеродных жгутов, пропитанных полимерным связующим.

Также известны оболочка летательного аппарата из полимерных композиционных материалов и способ ее изготовления по патенту RU №2153419, МПК⁷ B32B 3/12, 19.07.99.

Известные способ и устройство, как наиболее близкие по технической сущности и достигаемому результату, выбраны в качестве прототипов.

Недостатки известного прототипа для способа заключаются в следующем:

- в низкой технологичности выполнения операций;

- в низкой технологичности и низком качестве выполнения операций из-за возможности расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей при их мехобработке;

- в низкой технологичности и низком качестве выполнения операций из-за низкого качества сопрягаемых поверхностей ребер, а также в низкой точности выполнения (больших отклонений формы от номинала) поверхностей, кроме того, минимальные отклонения поверхностей ребер от общей цилиндрической поверхности не обеспечиваются из-за наличия расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей при их обычной мехобработке (точении на токарных станках).

Недостатки известного прототипа для устройства заключаются в следующем:

- в низкой надежности работы устройства из-за неточной установки на сопрягаемую поверхность отсека космического аппарата наружного оборудования (солнечных батарей, антенн и т.д.), когда эта поверхность образована совокупностью выполненных с большими отклонениями от номинала наружных поверхностей соседних ребер; кроме того, в низкой точности установки наружного оборудования из-за его установки не на коническую с переменной кривизной, а на цидиндрическую поверхность;

- в низкой надежности работы устройства из-за низкой степени оптимизации конструкции, при одинаковом моменте сопротивления изгибу (W_c) любого по длине ребра сечения, из-за наличия ненагруженных участков ребер и, связанной с этим, увеличения массы устройства;

- в низкой надежности работы устройства из-за низкой степени оптимизации конструкции при неравномерном нагружении армирующих нитей материала ребер;

- в высокой массе устройства, а также в низкой достоверности и предсказуемости расчета изменения массы по количеству нитей переменной длины, и, кроме того, в низкой стабильности этого изменения (как по снижению, так и по превышению массы), что особенно важно для выводимых на орбиту космических аппаратов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокотехнологичной конструкции облегченного отсека летательного аппарата с повышенной надежностью работы.

Технический результат для способа, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в следующем:

- в повышении технологичности выполнения операций;

- в повышении технологичности и качества выполнения операций за счет снижения расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей, благодаря «зажатости ребер» при их мехобработке;

- в повышении технологичности и качества выполнения операций за счет повышения качества сопрягаемых поверхностей ребер, а также в повышении точности выполнения (снижения отклонений формы) поверхностей, так как высокая (требуемая) точность не может быть обеспечена операциями намотки, а может быть обеспечена только мехобработкой на станках повышенной точности, кроме того, минимальные отклонения поверхностей ребер от общей цилиндрической поверхности обеспечиваются снижением расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей, благодаря «зажатости ребер» при их мехобработке.

Технический результат для устройства, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в следующем:

- в повышении надежности работы устройства за счет более точной установки на сопрягаемую поверхность отсека космического аппарата наружного оборудования (солнечных батарей, антенн и т.д.), когда эта поверхность образована совокупностью выполненных с повышенной точностью наружных поверхностей соседних ребер, кроме того, точность установки наружного оборудования повышается за счет его установки не на коническую с переменной кривизной, а на цилиндрическую поверхность;

- в повышении надежности работы устройства за счет повышения степени оптимизации конструкции, так как изгибающий момент, действующий на ребро, возрастает от переднего торца к торцу корневого закрепления, а для выравнивания напряжений по длине ребра в каждом сечении увеличивают момент сопротивления изгибу (W_c) от переднего к корневому торцу увеличением высоты (h) сечения (строительной высоты ребра), кроме того, уменьшение сечения к переднему торцу значительно снижает массу ребра, а значит, и всего устройства;

- в повышении надежности работы устройства за счет повышения степени оптимизации конструкции, так как изгибающий момент, действующий на ребро, возрастает от переднего торца к торцу корневого закрепления, а от его воздействия в каждом сечении ребра возникают в основном нормальные (растягивающие) напряжения, воспринимаемые нитями (армирующими) ребра, при этом количеством (армирующих) нитей выравнивают эти напряжения;

- в снижении массы, так как исследованиями установлено, что оптимальное количество нитей в сечении ребра по его длине достигается наличием участка высоты ребра заявленной величины, где размещены нити с плавным увеличением длины от, практически, нулевой до максимальной, а снижение массы для каждого ребра по сравнению с прототипом (ребром, где все нити имеют одинаковую длину) равно массе слоев с нитями переменной (увеличивающейся) длины, кроме того, техническим результатом является также повышение точности и предсказуемости расчета изменения массы по количеству нитей переменной длины, а также стабильности этого изменения (как по снижению, так и по превышению массы), что особенно важно для выводимых на орбиту космических аппаратов.

Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что способ изготовления отсека летательного аппарата в виде оболочки вращения, при котором на оправку укладывают разделительный слой из резиноподобного материала со спиральными обоих направлений канавками одинаковой ширины, слоями из высокомодульных нитей с их пропиткой полимерным связующим вматывают в эти канавки спиральные ребра, наматывают обжимающую облицовку из термоусаживающего материала, термообрабатывают, удаляют облицовку, снимают с оправки и удаляют разделительный слой, при этом, в соответствии с изобретением, канавки выполняют с плавным увеличением их глубины, обеспечивая конусность внутреннего контура оболочки, после термообработки и удаления облицовки, протачивают ребра совместно с резиноподобным материалом, обеспечивая соединительные параметры наружной цилиндрической поверхности оболочки отсека. В разделительном слое выполняют кольцевые канавки с дискретно увеличивающейся глубиной каждой канавки с совпадением этой глубины с глубиной спиральных канавок в узлах пересечений каждой кольцевой канавки со всеми спиральными обоих направлений канавками, при этом в кольцевые канавки слоями из пропитанных нитей вматывают одновременно со спиральными ребрами кольцевые ребра, которые протачивают одновременно со спиральными ребрами.

Для устройства поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что отсек летательного аппарата в виде оболочки вращения, образованной множеством пересекающихся спиральных обоих направлений ребер одинаковой толщины из слоев высокомодульных нитей, пропитанных полимерным связующим, с возрастающей площадью сечения каждого ребра от переднего торца отсека к торцу его корневого закрепления, при этом в соответствии с изобретением наружная поверхность каждого ребра выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности отсека, а возрастание площади сечения получено плавным увеличением строительной высоты каждого ребра с возрастанием количества нитей в сечении, причем (30-15)% наружных слоев выполнено из нитей различной длины с увеличением последней от минимальной до максимальной, равной длине нитей глубинных слоев. Оболочка снабжена кольцевыми ребрами, выполненными заодно со спиральными, с дискретно увеличивающейся строительной высотой, совпадающей со строительной высотой спиральных ребер в узлах пересечений каждого кольцевого ребра со всеми спиральными обоих направлений ребрами, при этом наружная поверхность каждого кольцевого ребра выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности отсека.

Отличительными признаками для способа являются следующие признаки:

- канавки выполняют с плавным увеличением их глубины - признак существенный, предусматривает наличие новой операции, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности выполнения операции;

- обеспечивают конусность внутреннего контура оболочки - признак существенный, предусматривает наличие новой операции, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности выполнения операции;

- после термообработки и удаления облицовки протачивают ребра совместно с резиноподобным материалом - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций и новое выполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности и качества выполнения операций за счет снижения расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей, благодаря «зажатости ребер» при их мехобработке;

- обеспечивают соединительные параметры наружной цилиндрической поверхности оболочки отсека - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций и новое выполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности и качества выполнения операций за счет повышения качества сопрягаемых поверхностей ребер, а также повышения точности выполнения (снижения отклонений формы) поверхностей, так как высокая (требуемая) точность не может быть обеспечена операциями намотки, а может быть обеспечена только мехобработкой на станках повышенной точности, кроме того, минимальные отклонения поверхностей ребер от общей цилиндрической поверхности обеспечиваются снижением расслоений материала ребер и разлохмачивания нитей, благодаря «зажатости ребер» при их мехобработке;

- в разделительном слое выполняют кольцевые канавки с дискретно увеличивающейся глубиной каждой канавки с совпадением этой глубины с глубиной спиральных канавок в узлах пересечений каждой кольцевой канавки со всеми спиральными обоих направлений канавками, при этом в кольцевые канавки слоями из пропитанных нитей вматывают одновременно со спиральными ребрами кольцевые ребра, которые протачивают одновременно со спиральными ребрами - признаки существенные, предусматривают наличие новых операций и новое выполнение операций, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности и качества выполнения операций за счет повышения надежности работы отсека на сжатие, а также за счет повышения качества выполнения наружной посадочной цилиндрической поверхности.

Отличительными признаками для устройства являются следующие признаки:

- наружная поверхность каждого ребра выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности отсека - признак существенный, предусматривает новую форму элемента, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы устройства за счет более точной установки на сопрягаемую поверхность отсека космического аппарата наружного оборудования (солнечных батарей, антенн и т.д.), когда эта поверхность образована совокупностью выполненных с повышенной точностью наружных поверхностей соседних ребер, кроме того, точность установки наружного оборудования повышается за счет его установки не на коническую с переменной кривизной, а на цилиндрическую поверхность;

- возрастание площади сечения получено плавным увеличением строительной высоты каждого ребра - признак существенный, предусматривает новое соотношение размеров элемента, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы устройства за счет повышения степени оптимизации конструкции, так как изгибающий момент, действующий на ребро, возрастает от переднего торца к торцу корневого закрепления, а для выравнивания напряжений по длине ребра в каждом сечении увеличивают момент сопротивления изгибу (W_c) от переднего к корневому торцу увеличением высоты (h) сечения (строительной высоты ребра), кроме того, уменьшение сечения к переднему торцу значительно снижает массу ребра, а значит, и всего устройства;

- с возрастанием количества нитей в сечении - признак существенный, предусматривает новое количественное соотношение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы устройства за счет повышения степени оптимизации конструкции, так как изгибающий момент, действующий на ребро, возрастает от переднего торца к торцу корневого закрепления, а от его воздействия в каждом сечении ребра возникают в основном нормальные (растягивающие) напряжения, воспринимаемые нитями (армирующими) ребра, при этом количеством (армирующих) нитей выравнивают эти напряжения;

- (30-15)% наружных слоев выполнено из нитей различной длины с увеличением последней от минимальной до максимальной, равной длине нитей глубинных слоев, - признак существенный, предусматривает новое количественное соотношение элементов и новое соотношение размеров, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на снижение массы, так как исследованиями установлено, что оптимальное количество нитей в сечении ребра по его длине достигается наличием участка высоты ребра заявленной величины, где размещены нити с плавным увеличением длины от, практически, нулевой до максимальной, а снижение массы для каждого ребра по сравнению с прототипом (ребром, где все нити имеют одинаковую длину) равно массе слоев с нитями переменной (увеличивающейся) длины, кроме того, техническим результатом является также повышение точности и предсказуемости расчета изменения массы по количеству нитей переменной длины, а также стабильности этого изменения (как по снижению, так и по превышению массы), что особенно важно для выводимых на орбиту космических аппаратов;

- оболочка снабжена кольцевыми ребрами, выполненными заодно со спиральными, с дискретно увеличивающейся строительной высотой, совпадающей со строительной высотой спиральных ребер в узлах пересечений каждого кольцевого ребра со всеми спиральными обоих направлений ребрами, при этом наружная поверхность каждого кольцевого ребра выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности отсека - признаки существенные, предусматривают наличие новых элементов, новое соотношение размеров, новую взаимосвязь и новую форму элементов, направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы устройства за счет повышения несущей способности при работе оболочки на сжатие, а также за счет повышения надежности крепления наружного оборудования (солнечных батарей, антенн и т.д.) при увеличении площади их крепления.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению технологичности конструкции облегченных отсеков летательных аппаратов с повышением надежности их работы без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид способа изготовления отсека летательного аппарата; на фиг. 2 - общий вид отсека летательного аппарата; на фиг. 3 - сечение канавок с материалом ребер; на фиг. 4 - сечение ребер; на фиг. 5 - развертка продольного сечения спирального ребра; на фиг. 6 - развертка продольного сечения спирального ребра прототипа.

Способ изготовления отсека 1 летательного аппарата в виде оболочки вращения, при котором на оправку 2 укладывают разделительный слой 3 из резиноподобного материала со спиральными обоих направлений канавками 4 одинаковой ширины 5, слоями 6 из высокомодульных нитей 7 с их пропиткой полимерным связующим вматывают в эти канавки 4 спиральные ребра 8, наматывают обжимающую облицовку 9 из термоусаживающего материала, термообрабатывают, удаляют облицовку 9, снимают с оправки и удаляют разделительный слой 3, при этом канавки 4 выполняют с плавным увеличением их глубины 10, обеспечивая конусность 11 внутреннего контура 12 оболочки, после термообработки и удаления облицовки 9, протачивают ребра 8 совместно с резиноподобным материалом разделительного слоя 3, обеспечивая соединительные параметры наружной цилиндрической поверхности 13 оболочки отсека 1. В разделительном слое 3 выполняют кольцевые канавки 14 с дискретно увеличивающейся глубиной 15 каждой канавки 14 с совпадением этой глубины 15 с глубиной 10 спиральных канавок 4 в узлах пересечений каждой кольцевой 14 канавки со всеми спиральными 4 обоих направлений канавками, при этом в кольцевые канавки 14 слоями 6 из пропитанных нитей 7 вматывают одновременно со спиральными ребрами 8 кольцевые ребра 16, которые протачивают одновременно со спиральными ребрами 8.

Отсек 1 летательного аппарата в виде оболочки вращения, образованной множеством пересекающихся спиральных обоих направлений ребер 8 одинаковой толщины 17 из слоев высокомодульных нитей 7, пропитанных полимерным связующим, с возрастающей площадью сечения каждого ребра от переднего торца 18 отсека 1 к торцу его корневого закрепления 19, при этом наружная поверхность 20 каждого ребра 8 выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности 13 отсека 1, а возрастание площади сечения получено плавным увеличением строительной высоты 21 каждого ребра 8 с возрастанием количества нитей 7 в сечении, причем (30-15)% наружных слоев 6 выполнено из нитей различной длины (l_i) 22 с увеличением последней от минимальной до максимальной, равной длине нитей глубинных слоев 23. Оболочка снабжена кольцевыми ребрами 16, выполненными заодно со спиральными 8, с дискретно увеличивающейся строительной высотой 24, совпадающей со строительной высотой 21 спиральных ребер 8 в узлах пересечений каждого кольцевого ребра 16 со всеми спиральными 8 обоих направлений ребрами, при этом наружная поверхность каждого кольцевого ребра 25 выполнена как часть наружной цилиндрической поверхности 13 отсека 1.

Пример конкретного исполнения способа и отсека 1 заключается в том, что спиральные ребра 8 выполнены в виде сужающейся по высоте конструкции, что демонстрируется разверткой продольного криволинейного сечения ребра (см. фиг. 5). В этом сечении материал ребер состоит из двух зон, прямоугольной зоны 26 с нитями 7, глубинных слоев 23, одинаковой длины, равной длине ребра L, и треугольной зоны 27 с нитями переменной длины, изменяющейся от минимальной (l_min) до максимальной (l_max=L). Экономия массы каждого ребра 8 рассчитывается как масса зоны 27 прямоугольного ребра прототипа (деление на зоны 26, 27, 28 - условное) со спиральными ребрами постоянного по длине сечения (см. фиг. 6) или виртуальной зоны 28, равной массе зоны 27 рассматриваемого ребра. То есть экономия массы всех ребер равна массе материала из армированных нитей спиральных ребер переменной длины.

Работает отсек 1 следующим образом.

При закреплении отсека 1 торцом 19 корневого закрепления во время маневрирования летательного аппарата на отсек 1 действуют инерционные усилия, от закрепленных элементов наружного оборудования и от собственной массы отсека на его спиральные ребра 8 действуют переменные по длине изгибающие моменты. Благодаря регламентированной переменой высоте 21 ребер 8 (и, как следствие, переменному моменту сопротивления W_c) нормальные напряжения в нитях 7 выравниваются, степень оптимизации конструкции повышается и в связи с этим повышается надежность работы отсека со снижением его массы. За счет заданной степени точности выполнения стыковочной цилиндрической поверхности с минимальными отклонениями от номинала, полученной мехобработкой на станках повышенной степени точности, пространственные отклонения от номинала при креплении наружного оборудования (в частности, расстояния от торца 19 до центров масс этого оборудования) минимальны. В связи с этим достоверность прочностных расчетов несущих элементов отсека соответствует заданным показателям надежности.

Таким образом, использование изобретений позволит создать высокотехнологичную конструкцию оболочки летательного аппарата с повышенной надежностью работы, что и подтверждает их использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний образцов и фрагментов конструкций, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.