АДАПТЕР В ВИДЕ СЕТЧАТОЙ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК B32B3/12 B64G1/22 

Изобретение относится к оболочечным конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано, в частности в обтекателях, корпусах или отсеках-адаптерах летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

К сетчатым оболочкам в виде тела вращения из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по жесткости, прочности и надежности, качеству их изготовления, при этом изделия должны обладать минимальной массой. Однако при решении вопросов снижения массы возникает опасность преждевременного разрушения изделия. Поэтому в сетчатых оболочках используют различные комбинации структур композиционного материала на основе различного сочетания армирующих нитей в спиральном и в кольцевом направлениях. Особенно актуальной является задача создания жестких и прочных сетчатых оболочек вращения конической формы, в которых спиральные и кольцевые ребра, обшивка имеют слоистую структуру композиционного материала, чувствительную к нагрузкам.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, образованный множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим (патент РФ 2083371, МПК⁶ В 32 В 3/12, 1997).

Известна другая сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов конической формы, образованная множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из перекрещивающихся лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, в которой спиральные и кольцевые ребра имеют полки из мелкоячеистого материала (патент РФ 2107622, МПК⁶ В 32 В 3/12, 1998).

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, выполненный из пересекающихся лент (патент США 3940891, НКИ 52-82, 1976).

Подобная сетчатая оболочка вращения известна в конструкциях космической техники Усюкин В.И. "Строительная механика конструкций космической техники". М.: Машиностроение, 1988, с. 360-361).

Общими недостатками конструкций адаптера конической формы в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов является низкая жесткость при нагружении вдоль оси и изгибе.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы по патенту РФ 2083371.

Основной задачей является создание адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, в котрой были бы преодолены недостатки известных конструкций за счет изменения схем и выбора новых структур армирования композиционного материала оболочки, способного надежно выдерживать комбинации нагрузок с преимущественным действием локальных усилий сжатия.

Техническим результатом от использования изобретения является получение адаптера минимальной массы с повышенной прочностью и надежностью, уменьшенными затратами на его изготовление.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет введения новых конструктивных элементов, их размещения в сетчатой оболочке, изменения структур и схем армирования, изменения геометрических характеристик и выбора объемного соотношения материалов.

Для этого, в адаптере в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, образованном множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещиващихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим, его оболочка снабжена меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами, равномерно распределенными по трем-четырем зонам по ее периметру, размещенными между слоями лент спиральных и кольцевых ребер, скрепленными полимерным связущим, при углах наклона спиральных ребер по отношению к образующим оболочки в пределах 15-35^o и объемном соотношении высокомодульных нитей лент спиральных, кольцевых ребер и широких полосовых тонкослойных элементов со связующим от 1:0,35 до 1:1.25.

Оболочка адаптера с широкими полосовыми тонкослойными элементами может быть выполнена из нитей углеродных волокон линейной плотностью 400-450 текс и модифицированного эпоксихлордианового связующего, в частности из нитей углеродных волокон марки УКН-5000 и полимерного связующего типа ЭХД-МД.

Отличительными особенностями адаптера по предложенному техническому решению являются следующие признаки:
- снабжение сетчатой оболочки меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами,
- равномерное распределение этих тонкослойных элементов по трем-четырем зонам по периметру оболочки,
- размещение тонкослойных элементов в каждой зоне один над другим между слоями перекрещивающихся лент спиральных и кольцевых ребер,
- выполнение широких полосовых тонкослойных элементов из высокомодульных нитей, скрепленных между собой и перекрещивающимися лентами спиральных и кольцевых ребер полимерным связующим,
- выполнение спиральных ребер с углами наклона по отношению к образующим оболочки в пределах 15-35^o,
- объемное соотношение высокомодульных нитей спиральных, кольцевых ребер и широких полосовых тонкослойных элементов с полимерным связующим 1:0,35 - 1:1,25,
- выполнение сетчатой оболочки с широкими полосовыми тонкослойными элементами из нитей углеродных волокон линейной плотностью 400-450 текс и модифицированного эпоксихлордианового связующего,
- выполнение оболочки с широкими тонкослойными элементами из нитей углеродных волокон марки УКН-5000 и полимерного связующего типа ЭХД-МД.

Указанные отличительные признаки адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. В предложенном адаптере равномерно введены в трех-четырех локальных зонах по периметру оболочки меридиональные широкие полосовые тонкослойные элементы, размещенные между перекрещивающимися лентами спиральных и кольцевых ребер, скрепленные между собой и с лентами полимерным связующим. Широкие полосовые тонкослойные элементы выполнены из высокомодульных нитей. Это позволяет адаптеру эффективно воспринимать локальные осевые нагрузки без проявления недопустимых деформаций. При равномерном распределении тонкослойных элементов по всему периметру потребовалось бы увеличить количество слоев из них, что привело бы к увеличению массы адаптера. Кроме того, такое решение становится возможным только пря углах наклона спиральных ребер в пределах 15-35^o с минимальным отклонением их в 15^o со стороны большего диаметра оболочки. Предложенное техническое решение эффективно реализуется при объемном соотношении нитей спиральных, кольцевых ребер и широких полосовых тонкослойных элементов со связующим в пределах 1: 0,35 - 1:1,25. Высокой жесткости, прочности и надежности при минимальной массе адаптера достигается его выполнение из нитей углеродных волокон и эпоксихлордианового связующего. В качестве нити из углеродных волокон может быть использована нить УКН-5000 (ГОСТ 28008-88), в качестве такого связующего может быть использовано связущее ЭХД-МД (ТУ ВЗ-734-87). Предложенный адаптер обладает при изготовлении наилучшими технологическими возможностями его воспроизведения. При объемном соотношении нитей и связующего меньше нижнего предела и больше высшего предела качественного изготовления адаптера не достигается. При уменьшенном количестве нитей по сравнению с минимальным и при повышенном количестве нитей по сравнению с указанными возникают непроклеи, ухудшается прочность слоев оболочки при сжатии.

Отличительные существенные признаки адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение в совокупности существенных признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом исследований, расчетов, творческого вклада и опытно-экспериментальных работ, связано с созданием новых модификаций адаптеров, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалистов, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким их описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, на фиг.2 - принципиальная схема расположения меридиональных широких полосовых тонкослойных элементов, равномерно распределенных по трем зонам периметра оболочки (вариант 1), на фиг. 3 - принципиальная схема расположения меридиональных широких полосовых тонкослойных элементов, равномерно распределенных по четырем зонам периметра оболочки (вариант 2), на фиг.4 - схема расположения меридиональных широких полосовых тонкослойных элементов между слоями перекрещивающихся лент спиральных и кольцевых ребер, на фиг.5 - принципиальная схема расположения высокомодульных нитей в широких полосовых тонкослойных элементах, на фиг.6 - принципиальная схема расположения слоев перекрещивающихся лент из нитей в спиральных, кольцевых ребрах и широких полосовых тонкослойных элементах адаптера.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы содержит образующие его оболочку вращения (фиг.1) множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1-3 из слоев 4-6, перекрещивающихся лент 7-9 с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями 10, скрепленных полимерным связующим 11. Сетчатая оболочка адаптера снабжена равномерно распределенными по зонам 12 (фиг.2 и 3) меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами 13, размещенных в зонах 12 между слоями 4-6 перекрещивающихся лент 7-9 с перекрытием ячеек 14, начиная с наименьшего диаметра 15, выполненных из высокомодульных нитей 16, скрепленных между собой и с ними полимерным связующим 11, при углах наклона спиральных ребер 1, 2 по отношению к образующим оболочки в пределах 15-35^o и объемном соотношении высокомодульных нитей 10 и 16 спиральных, кольцевых ребер 1-3 и широких полосовых тонкослойных элементов 13 со связующим 11 от 1:0,35 до 1:1,25. Сетчатая оболочка с широкими полосовыми тонкослойными элементами 13 может быть выполнена из нитей 10 из углеродных волокон линейной плотностью 400-450 текс и эпоксихлордианового связующего 11. Сетчатая оболочка в частности может быть выполнена из нитей углеродных волокон марки УКН-5000 (ГОСТ 29008-88) и полимерного связующего типа ЭХД-МД (ТУ ВЗ-734-87).

Сетчатая оболочка адаптера обладает наибольшей эффективностью при объемном соотношении ее нитей 10 со связующим 11 в вышеприведенных пределах.

Функционирование адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы заключается в одновременном подключении к работе всех пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1-3 совместно с меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами 13 при приложении нагрузки к концевым шпангоутам на сжатие.

Проведенные испытания адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы на основе нового технического решения подтвердили его высокую прочность и надежность при достижении минимальной массы. Испытания адаптера проводились на сжатие. Реализация предложенных технических решений позволяет получить высококачественные изделия для адаптеров, промежуточных отсеков, корпусов летательных аппаратов на основе использования высокомодульных нитей из углеродных волокон в выбранных соотношениях с эпоксихлордиановым связующим.

Таким образом, предложенное техническое решение является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники, соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Объем предлагаемого решения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в адаптерах в виде сетчатых оболочек для летательных аппаратов, может быть использовано в других областях техники, где требуется применение сетчатой оболочки повышенной жесткости, прочности и надежности, и других свойств, описанных в материалах заявки.

Изобретение относится к оболочечным конструкциям и может быть использовано в изделиях авиационной и ракетно-космической техники. Предлагаемый адаптер конической формы образован множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент. Ленты снабжены однонаправленными высокомодульными нитями, а слои скреплены полимерным связующим. При этом оболочка адаптера снабжена меридиональными широкими тонкослойными элементами, равномерно распределенными по 3-4 локальным зонам вдоль ее окружности. Эти элементы расположены между указанными слоями ленточных ребер друг над другом и с перекрытием ячеек между ребрами и скреплены полимерным связующим. Изобретение направлено на повышение жесткости конструкции оболочки адаптера при осевых и изгибных нагрузках, ее прочности и надежности при минимальной массе, а также на уменьшение затрат на изготовление адаптера. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, образованный множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим, отличающийся тем, что оболочка адаптера снабжена меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами, равномерно распределенными по трем или четырем локальным зонам по ее окружности, размещенными между слоями указанных лент спиральных и кольцевых ребер друг над другом и с перекрытием ячеек между ребрами и скрепленными полимерным связующим, при этом углы наклона спиральных ребер по отношению к образующим оболочки находятся в пределах 15-35^o, а объемное соотношение со связующим указанных высокомодульных нитей лент спиральных и кольцевых ребер и указанных широких полосовых тонкослойных элементов составляет 1: 0,35-1: 1,25. 2. Адаптер по п. 1, отличающийся тем, что его оболочка с широкими полосовыми тонкослойными элементами выполнена из нитей углеродных волокон линейной плотностью 400-450 текс и модифицированного эпоксихлордианового связующего. 3. Адаптер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что его оболочка с широкими полосовыми тонкослойными элементами выполнена из нитей углеродных волокон марки УКН-5000 и полимерного связующего типа ЭХД-МД.