Разработка методики проектирования опорных узлов для трехслойных сотовых платформ космических аппаратов

Конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ) благодаря своим уникальным свойствам широко используются во многих отраслях техники. За последние двадцать лет в аэрокосмической отрасли появилось множество новых типовых конструктивных элементов и методик их проектирования. Крупные фирмы начали все более активно внедрять в свои разработки конструкции из композиционных материалов. Так, например, корпорация «Boeing» предполагает довести количество деталей из композиционных материалов для дозвуковых самолетов до 32%, а для сверхзвуковых до 50%, что обеспечит снижение массы их конструкций на 40% и 65% соответственно [53].

В авиационной, космической и судостроительной промышленности массовое распространение получили изделия на базе трехслойных конструкций, обладающих высокими характеристиками устойчивости и значительной жесткостью на изгиб [15, 30, 31, 50, 53, 56, 65, 68, 77].

Сегодня в авиационной промышленности трехслойные конструкции из ПКМ используются в лонжеронах, перегородках, стенках продольного и поперечного набора крыла, в панелях аэродинамических поверхностей, а также в деталях интерьера салонов самолетов и вертолетов.

Внедрение ПКМ в производство агрегатов космической техники начиналось с применения высококачественных композиционных материалов для изготовления ряда узлов спутников: антенн и труб волноводовтрубчатых фермтеплоизоляционных стоек или распорокдержателей оптикиконструктивных элементов солнечных батарейпанелейкорпусов датчиковсолнечных бленд [53].

Опыт показывает, что сегодня композиты в изделиях космического назначения составляют достойную конкуренцию алюминиевым сплавам. Трехслойные конструкции получили широкое распространение в таких агрегатах космических аппаратов (КА), как корпусные элементы разгонных блоков, солнечные панели, элементы рабочей поверхности космических радиотелескопов, платформы для размещения спутникового оборудования. Применяемые в конструкциях спутников трехслойные панели в основном предназначены для точной ориентации ретрансляционного оборудования и используются в качестве размеростабильной опоры высокочувствительных приемопередающих устройств.

Рост объемов передаваемой информации как внутри страны, так и в мире требует развития средств космической спутниковой связи и повышение ее качества. Основным документом, определяющим перспективы развития спутниковой связи в России, является Федеральная космическая программа, согласно которой перспективная система спутниковой связи должна включать в себя две подсистемы:

— фиксированной спутниковой связи для организации магистральных и международных линий связи, внутризоновой и сельской связи с удаленными и труднодоступными пунктами, а также выделенных и ведомственных сетей связи и передачи данных;

— подвижной и персональной спутниковой связи для организации речевой связи и передачи данных в интересах подвижных и удаленных абонентов, расположенных как на территории России, так и за ее пределами.

Помимо устройств приема и передачи на качество связи влияет точность установки оборудования, в том числе, стабильность геометрической формы каркасной схемы, определяющей взаимное расположение приборов при воздействии условий окружающей среды. Использование композиционных материалов (КМ), обладающих высокими показателями по размеростабильности, как раз и призвано решать эти задачи.

Особенности эксплуатации изделий космического назначения налагают ряд специфических требований к их конструкциям. Космические аппараты (КА) и конструктивные элементы, входящие в их состав, воспринимают максимальные силовые нагрузки на этапе выхода на орбиту [53], после чего работают в режиме незначительных силовых воздействий, но при значительных перепадах температур.

Любая конструкция в космосе испытывает сложное температурное нагружение. Обращенная к Солнцу сторона изделия нагревается до температуры более +100°С, а противоположная охлаждается до температуры ниже -200°С [71]. В таких условиях крайне важно учитывать температурное расширение материалов. И здесь на первый план выходит проблема стабильности геометрических размеров таких изделий. Максимальная жесткость обшивок при минимальном коэффициенте линейного термического расширения (КЛТР) обуславливают выбор углепластика в качестве основного материала для обшивок. Высокие показатели сдвиговой жесткости и низкая плотность сотового заполнителя из алюминиевой фольги предопределяют его использование в трехслойных конструкциях космического назначения. И тот и другой материалы, помимо перечисленных свойств, являются одними из наиболее легких в своем классе. В дальнейшем речь будет идти исключительно о трехслойных сотовых конструкциях с обшивками из углепластика и сотовым заполнителем из алюминиевой фольги.

Несмотря на то, что стоимостные показатели материалов, армированных углеродным волокном, остаются довольно высокими, углепластики занимают передовые позиции по экономичности их использования [36, 53, 65]. Благодаря высоким удельным прочностным и жесткостным характеристикам, низким значениям КЛТР, которые присущи композитам на основе углеродных волокон, удается на 20−50% снизить массу агрегатов по сравнению с металлическими аналогами.

В данной работе рассматриваются трехслойные панели космического назначения с узлами для передачи сосредоточенных нагрузок. Изделия (рис. 1, 2) были изготовлены на ФГУП «ОНПП «Технология» в ходе проведения совместных работ с НПО им. С. А. Лавочкина.

Рис. 1. Платформа космического аппарата «Купон».

Рис. 2. Платформа главного зеркала для объектива оптического модуля «Обзор-М».

Платформа космического аппарата «Купон» при габаритах 2700×2500 мм (рис.1) содержит более 150 узлов, предназначенных для размещения приборов и закрепления изделия на каркасе, платформа оптического модуля «Обзор-М» (рис. 2) имеет более 40 узлов. Следует отметить, что для трехслойных сотовых конструкций традиционные виды соединений неприемлемы, поскольку такие панели состоят из тонких несущих слоев и сотового заполнителя, структура которого представляет собой набор еще более тонких стенок. Без дополнительных усилений трехслойные панели не способны воспринимать сосредоточенные нагрузки. Локальные усиления зон трехслойных сотовых конструкций, предназначенные для передачи сосредоточенных нагрузок, определим как опорные узлы.

В зависимости от особенностей конструкции каждой панели опорные узлы могут иметь существенные отличия как по конструктивному, так и по технологическому исполнению. Многообразие опорных узлов в трехслойных конструкциях представлено в работах [15, 30, 31, 35, 51]. Однако в отечественных источниках [51] исследования прочностных характеристик зон восприятия сосредоточенных усилий в основном сводятся к приближенным расчетным зависимостям, учитывающим механические характеристики сотового заполнителя на сдвиг. Для конструкций с тонкими несущими слоями такие методики дают незначительные расхождения с экспериментом. При использовании более жестких обшивок или усилении несущих слоев трехслойных конструкций в зоне приложения сосредоточенных нагрузок расхождение с экспериментом доходит уже до 30−40%. В иностранной литературе данной теме уделяется более пристальное внимание. Авторами предлагаются громоздкие аналитические выкладки, требующие итерационного подхода к решению поставленной задачи [78−81]. Следует также отметить внедрение в область расчетов опорных узлов новых компьютерных технологий [60].

Данная работа посвящена проблеме выбора конструктивной схемы, разработке методик расчета прочности, определению рациональных размеров и технологии реализации решений при проектировании опорных узлов в трехслойных панелях космического назначения.

По мере того, как полимерные композитные материалы (ПКМ) получают все большее распространение в космической отрасли, вопросы унификации, разработки типовых решений и методов проектирования становятся чрезвычайно актуальными.

Целью работы является разработка методов проектирования опорных узлов в трехслойных панелях из ПКМ.

Для достижения заданной цели в работе решались следующие задачи:

— разработка расчетно-экспериментальной методики проектирования опорных узлов в трехслойных конструкциях;

— разработка алгоритмов и программ для проектирования опорных узлов в трехслойных конструкциях с использованием компьютерной техники;

— классификация опорных узлов;

— создание методики и проведение испытаний опорных узлов;

— разработка конструктивно-технологических решений опорных узлов.

Автор защищает следующие основные положения работы:

1. Расчетно-экспериментальная методика определения несущей способности опорных узлов с учетом особенностей сотовой структуры и характеристик несущих слоев трехслойных изделий из ПКМ.

2. Классификация опорных узлов.

3. Конструктивно-технологические решения опорного узла для трехслойных сотовых платформ КА.

4. Экспериментальные зависимости сдвиговой жесткости сотовой структуры от высоты заполнителя.

5. Полученный на основе теоретико-вероятностной модели размерный ряд предпочтительных диаметров опорных узлов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В соответствии с поставленной в диссертации целью получены следующие результаты и выводы:

1. Разработана новая методика определения несущей способности опорных узлов, на основе которой создана программа проектировочного расчета, позволяющая определять основные параметры узлов в трехслойных конструкциях с учетом особенностей сотовой структуры и жесткостных характеристик несущих слоев.

2. Разработана классификация опорных узлов трехслойных конструкций с обшивками из ПКМ, позволяющая на начальном этапе проектирования учесть конструктивные особенности изделия, технологические возможности изготовления и облегчить выбор базовых вариантов при разработке новых КТР.

3. Разработано новое конструктивно-технологическое решение опорного узла трехслойной панели (патент РФ на изобретение № 2 242 369, зарегистрирован 20.12.2004), которое при внедрении на платформе главного зеркала для объектива оптического модуля «Обзор-М» без снижения массовой эффективности изделия позволило повысить технологичность изготовления, уменьшить материалоемкость технологической оснастки и сократить производственный цикл изготовления.

4. По результатам проведенных в ходе экспериментальных исследований более 650 испытаний впервые построена зависимость характеристик сдвиговой жесткости сотовой структуры от высоты заполнителя, данные которой при использовании в разработанной методике определения несущей способности опорных узлов, обеспечили сходимость результатов с экспериментом.

5. На основе теоретико-вероятностной модели определен размерный ряд предпочтительных диаметров усиления, при которых прочность опорного узла не зависит от расположения его центра относительно геометрии сотовой структуры.

6. Разработанные в процессе исследований технические решения и программы расчета несущей способности опорных узлов внедрены на Обнинском научно-производственном предприятии «Технология» и Научно-производственном объединении им. С. А. Лавочкина.