РАКЕТА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F42B15/00 B64G1/00 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в ракетах космического назначения.

К ракетным космическим системам предъявляются повышенные требования по надежности, безопасности старта, полета и выхода на околоземную траекторию без нарушения режимов работы и управления, обеспечению выполнения заданных точностных параметров и достижению командных целеуказаний.

Известна ракета космического назначения, содержащая стартовую ступень с хвостовым отсеком, маршевые и высотную ступени, орбитальный аппарат с приборным отсеком, соответственно с двигателями и сопловыми блоками в них, осесимметрично расположенными и скрепленными между собой соединительными и переходным корпусными отсеками, опорными кольцевыми поясами, подкосами с узлами их крепления, носовым обтекателем и средством управления (патент РФ 2073187, МПК F 42 В 15/00, 1997).

Известны и другие многоступенчатые ракеты аналогичного назначения, в том числе по патенту РФ 2025645, МПК F 42 В 15/00, 1994 г., по патенту РФ 2076058, МПК В 64 G 1/00, 1997г. по патенту РФ 2149125, МПК В 64 G 1/00, 2000 г. , в которых имеются соединительные и переходной корпусные отсеки и опорные кольцевые пояса.

Одной из основных проблем этих ракет продолжает оставаться необходимость в снижении их стартового веса и повышения доли полезной нагрузки. Уменьшение веса ракет может быть достигнуто за счет выполнения соединительных и переходного корпусных отсеков из композиционных материалов. Выполнение опорных кольцевых поясов снаружи корпусных отсеков увеличивает габаритные размеры.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является ракета космического назначения по патенту РФ 2073187.

Основной задачей изобретения является создание ракеты, в которой соединительные и переходной корпусные отсеки и опорные кольцевые пояса были бы выполнены с ориентированными силовыми структурами из однонаправленных нитей и полимерного связующего.

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение массы изделия, обеспечение повышенной жесткости, прочности и надежности конструкции.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции соединительных и переходного корпусных отсеков и опорных кольцевых поясов, создания их с использованием ячеистых структур, принципа распределения материалов.

Для этого в ракете космического назначения, содержащей стартовую ступень с хвостовым отсеком, маршевые и высотную ступени, орбитальный аппарат с приборным отсеком, соответственно с двигателями и сопловыми блоками в них, осесимметрично расположенными и скрепленными между собой соединительными и переходным корпусными отсеками, опорные кольцевые пояса, подкосы с узлами их крепления, носовой обтекатель и средство управления, хвостовой, соединительные и переходной корпусные отсеки выполнены с подобными силовыми каркасами ячеистой структуры из повторяющихся по толщинам их стенок слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, образующих узлы перекрестий и ребра жесткости между ними при углах наклона спиральных лент 15-30^o и внешними силовыми оболочками при приведенной поверхностной плотности материала 5-15 кг/м², соответственно выполненными из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с двухсторонним примыканием кольцевых ребер к узлам пересечения спиральных ребер, с местными кольцевыми поясами из слоистого композиционного материала на наружной поверхности внешних силовых оболочек в соединительных и переходном корпусных отсеках, охватывающими узлы пересечения спиральных ребер в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами и размещением под ними внутри соединительных и переходном корпусных отсеках опорных кольцевых поясов в виде плоских кольцевых пластин, выполненных с наружными и кольцевыми внутренними кольцевыми полками с множеством крестообразно пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер, зафиксированных концами в полках с расположением армирующих нитей в ребрах и полках в радиальных параллельных плоскостях, перпендикулярно оси симметрии отсеков, на основе высокомодульных, например углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим, причем наружные кольцевые полки кольцевых пластин равномерно скреплены с местными кольцевыми поясами на наружной поверхности внешних силовых оболочек через радиальные отверстия в них и стенках отсеков стержневыми резьбовыми элементами, а узлы крепления подкосов - соответственно с их внутренними кольцевыми полками и стенками отсеков в зонах расположения соседних кольцевых ребер. Опорные кольцевые пояса могут быть выполнены с соотношениями наружного и внутреннего диаметров, находящихся в пределах от 1,1 до 1,5.

Отличительными особенностями ракеты космического назначения являются следующие признаки:
- выполнение хвостового, соединительных и переходного корпусных отсеков с подобными силовыми каркасами ячеистой структуры,
- образование силовых каркасов отсеков из повторяющихся по толщинам их стенок слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, с узлами перекрестий и ребрами жесткости между ними,
- выполнение спиральных лент с углами наклона к осям симметрии 15-30^o, с приведенной поверхностной плотностью материала отсеков с внешними силовыми оболочками 5-15 кг/м²,
- двухстороннее примыкание кольцевых ребер к узлам пересечения спиральных ребер,
- выполнение спиральных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим,
- выполнение местных кольцевых поясов из слоистого композиционного материала на наружной поверхности внешних силовых оболочек в соединительных и переходном корпусных отсеках, охватывающих узлы пересечения спиральных ребер в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами,
- размещение опорных кольцевых поясов внутри соединительных и переходного отсеков,
- выполнение опорных кольцевых поясов в виде плоских кольцевых пластин с наружными и внутренними кольцевыми полками с множеством крестообразно пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер, зафиксированных концами в полках,
- расположение армирующих нитей в ребрах и полках в радиальных параллельных плоскостях, перпендикулярных оси симметрии отсеков, на основе высокомодульных, например, углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим,
- скрепление наружных кольцевых полок кольцевых пластин с местными кольцевыми поясами на наружной поверхности внешних силовых оболочек через радиальные отверстия в них и стенках отсеков стержневыми резьбовыми элементами,
- скрепление узлов крепления подкосов соответственно с внутренними кольцевыми полками и стенками отсеков в зонах расположения соседних кольцевых ребер,
- выполнение опорных кольцевых поясов с соотношениями наружного и внутреннего диаметров, находящихся в пределах 1,1-1,5.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.

Выполнение корпусных отсеков с подобными силовыми ячеистыми каркасами позволяет с высокой точностью обеспечить жесткостные параметры ракетной системы, определить расчетами действующие комбинированные нагрузки и массы ступеней, корпусов двигателей, отсеков, оптимально распределить структуру их силовых каркасов и опорных поясов из композиционных материалов на основе ориентированных по расчетным схемам однонаправленных нитей в виде жгутов углеродных или борных волокон и полимерного эпоксисодержащего связующего и обеспечить их надежное скрепление в узлах стыковки. Такие конструктивные особенности корпусных отсеков и опорных кольцевых поясов позволяют обеспечить их машинное производство по специально разработанным программам с минимальными расходами материалов и затратами труда, сократить время их изготовления по сравнению с изделиями из металла.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в таком конструктивном исполнении в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствию критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достигнуть новый технический результат, связанный с созданием ракеты космического назначения нового поколения, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Предложенное техническое решение является результатом опытно-конструкторской работы и исследований, связанных, с получением оригинальных ячеистых структур силовых каркасов корпусных отсеков и опорных силовых поясов без использования каких-либо стандартов, проектировочных решений или рекомендаций в данной области техники, характеризуется творческим вкладом, новизной и неочевидностью, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием:
На фиг. 1 представлен общий вид ракеты космического назначения, ее принципиальная схема; на фиг.2 - показ корпусного отсека с опорным кольцевым поясом и подкосами; на фиг.3 - показ ячеистой структуры корпусного отсека; на фиг.4 - вид опорного кольцевого пояса в аксиальном направлении; на фиг.5 - радиально-аксиальное сечение кольцевого пояса, на фиг.6 - узел крепления кольцевого пояса с корпусным отсеком, на фиг.7 - узел крепления подкоса с внутренней кольцевой полкой опорного кольцевого пояса, на фиг.8 - узел крепления подкоса с корпусом отсека.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Ракета космического назначения содержит стартовую ступень 1 с хвостовым отсеком 2, маршевые и высотную ступени, соответственно 3, 4, 5, орбитальный аппарат 6 с приборным отсеком 7, соответственно с двигателями 8-12 и сопловыми блоками 13-17 в них, осесимметрично расположенными и скрепленными между собой соединительными и переходным корпусными отсеками 18-21, опорные кольцевые пояса 22-24, подкосы 25 с узлами их крепления 26, 27, носовой обтекатель 28 и средство управления 29.

Хвостовой, соединительный и переходной корпусные отсеки 2, 18-21 выполнены с подобными силовыми каркасами 50 ячеистой структуры из повторяющихся по толщинам их стенок слоев 31 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 32-34, образующих узлы перекрестий 35 и ребра жесткости 36-39 между ними при углах наклона спиральных лент 32, 33 - 15-30^o и внешними силовыми оболочками 40 при приведенной поверхностной плотности материала 5-15 кг/м² соответственно выполненными из однонаправленных нитей 41, скрепленных полимерным связующим 42, с двухсторонним примыканием кольцевых ребер 38, 39 к узлам пересечения спиральных ребер 36, 37, с местными кольцевыми поясами 44 из слоистого композиционного материала на наружной поверхности 45 внешних силовых оболочек 40 в соединительных и переходном корпусных отсеках 18-21, охватывающими узлы пересечения 43 спиральных ребер 36, 37 в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами 38, 39 и размещением под ними внутри соединительных и переходного корпусных отсеках 18-21 опорных кольцевых поясов 22-24 в виде плоских кольцевых пластин (фиг.2 и 4), выполненных с наружными и внутренними кольцевыми полками 46, 47 с множеством крестообразно пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер 48-50, зафиксированных концами в полках 46,47, с расположением армирующих нитей 51-53 в ребрах 48-50, 46, 47 - полках, в радиальных параллельных плоскостях 54, перпендикулярных оси симметрии 55 отсеков 18-21 на основе высокомодульных, например углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим. Наружные кольцевые полки 46 кольцевых пластин 22-24 равномерно скреплены с местными кольцевыми поясами 44 на наружной поверхности 45 внешних силовых оболочек 40 через радиальные отверстия 56 в них и стенках силовых каркасов 30 стержневыми резьбовыми элементами 57, а узлы крепления 26, 27 подкосов 25 - соответственно с их внутренними кольцевыми полками 47 и стенками отсеков 18-21 в зонах расположения соседних кольцевых ребер 38, 39. Опорные кольцевые пояса 22-24 могут быть выполнены с соотношениями наружного и внутреннего диаметров в пределах 1,1-1,5.

Изготовление корпусных отсеков и опорных кольцевых поясов производится способами намотки армирующих нитей, пропитанных полимерным связующим. В качестве армирующих нитей могут быть использованы жгуты, ленты из высокомодульных нитей, в качестве связующего - полимерное эпоксисодержащее связующее, отверждаемое при повышенных температурах в камерных печах.

Корпусные отсеки с опорными поясами благодаря такому новому конструктивному решению на основе использования уникальных свойств армирующих нитей и полимерного связующего обеспечивают надежное функционирование в составе изделия всей его системы.

Техническое решение в совокупности предложенных новых и известных существенных признаков при реализации в корпусных отсеках, опорных поясах хорошо реализуется промышленным способом. Натурные отсеки при испытаниях на прочность показали положительные результаты.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в изделии соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Объем предлагаемого изобретения 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 размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы (первый вариант изобретения). Во втором варианте изобретения по меньшей мере один из корпусных отсеков - хвостовой или соединительный, или переходной - выполнен с силовым каркасом ячеистой структуры из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, образующих узлы перекрестий и ребра жесткости между ними при углах наклона спиральных лент 15-30^o и внешней силовой оболочкой при приведенной поверхностной плотности материала 5-15 кг/м², соответственно выполненными из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с двухсторонним примыканием кольцевых ребер к узлам пересечения спиральных ребер, с местными кольцевыми поясами из слоистого композиционного материала на наружной поверхности внешней силовой оболочки, охватывающими узлы пересечения спиральных ребер в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами и размещением под ними внутри корпусного отсека опорного кольцевого пояса в виде плоской кольцевой пластины, выполненной с наружными н внутренними кольцевыми полками с множеством крестообразно пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер, зафиксированных концами в полках с расположением армирующих нитей в ребрах и полках в радиальных параллельных плоскостях, перпендикулярных оси симметрии отсека, на основе высокомодульных, например, углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим, причем наружные кольцевые полки кольцевой пластины равномерно скреплены с местными кольцевыми поясами на наружной поверхности внешней силовой оболочки через радиальные отверстия в них и стенках отсека стержневыми резьбовыми элементами, а узлы крепления подкосов - соответственно с его внутренней кольцевой полкой и стенкой отсека в зонах расположения соседних кольцевых ребер.

Изобретения относятся к ракетной технике и могут быть использованы в конструкциях корпусов космических ракет-носителей (РН). Предложенная РН содержит стартовую (с хвостовым отсеком), маршевые и высотную ступени, а также орбитальный аппарат. Ступени и аппарат скреплены между собой соответственно соединительными и переходным корпусными отсеками, имеющими опорные кольцевые пояса и подкосы. При этом в одном варианте все отсеки выполнены в виде каркасов ячеистой структуры из повторяющихся слоев спиральных и кольцевых лент, образующих наклонные и кольцевые ребра жесткости. На внешних силовых оболочках соединительных и переходного отсеков выполнены местные кольцевые пояса из слоистого композиционного материала. Ленты изготовлены из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим. Опорные кольцевые пояса в виде плоских пластин размещены внутри отсеков и выполнены с наружными и внутренними кольцевыми полками и множеством пересекающихся ребер. Ребра и полки изготовлены из армирующих нитей на базе высокомодульных (углеродных или борных) волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим. Узлы крепления подкосов скреплены с внутренними кольцевыми полками и стенками соединительных и переходного корпусных отсеков в зонах расположения соседних кольцевых ребер. В другом варианте, в предложенной РН описанным выше образом выполнен по меньшей мере один из указанных отсеков - хвостовой, соединительный или переходный. Изобретение обеспечивает при высокой прочности и надежности снижение массы конструкции РН. 2 с. и 2 з.п. ф-лы., 8 ил.

1. Ракета космического назначения, содержащая стартовую ступень с хвостовым отсеком, маршевые и высотную ступени, орбитальный аппарат с приборным отсеком, причем ступени и аппарат включают в себя осесимметрично расположенные двигатели и сопловые блоки и скреплены между собой, соответственно, соединительными и переходным корпусными отсеками, а также опорные кольцевые пояса, подкосы с узлами их крепления, носовой обтекатель и средство управления, отличающаяся тем, что хвостовой, соединительные и переходный корпусные отсеки выполнены в виде подобных силовых каркасов ячеистой структуры из повторяющихся по толщине их стенок слоев систем перекрещивающихся спиральных, с углом наклона 15-30^o к оси симметрии отсеков, и кольцевых лент, образующих, соответственно, спиральные и кольцевые ребра жесткости и узлы пересечений спиральных ребер, а также - в виде внешних силовых оболочек из материала с поверхностной плотностью 5-15 кг/м², причем ленты выполнены из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, кольцевые ребра расположены с двухсторонним примыканием к указанным узлам пересечений спиральных ребер, а на наружной поверхности внешних силовых оболочек соединительных и переходного корпусных отсеков выполнены местные кольцевые пояса из слоистого композиционного материала, охватывающие указанные узлы пересечений в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами, при этом внутри соединительных и переходного корпусных отсеков под указанными местными кольцевыми поясами и ребрами размещены опорные кольцевые пояса в виде плоских кольцевых пластин с наружными и внутренними кольцевыми полками и множеством пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер, зафиксированных концами в указанных полках, причем ребра и полки содержат армирующие нити, расположенные в ребрах и полках в радиальных параллельных плоскостях, перпендикулярных оси симметрии отсеков, и выполненные на основе высокомодульных углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим, причем наружные кольцевые полки равномерно скреплены с указанными местными кольцевыми поясами посредством стержневых резьбовых элементов через радиальные отверстия в полках, поясах и стенках отсеков, а узлы крепления подкосов скреплены с внутренними кольцевыми полками и стенками соединительных и переходного корпусных отсеков в зонах расположения соседних кольцевых ребер. 2. Ракета по п. 1, отличающаяся тем, что опорные кольцевые пояса выполнены с соотношением наружного и внутреннего диаметров, находящимся в пределах 1,1-1,5. 3. Ракета космического назначения, содержащая стартовую ступень с хвостовым отсеком, маршевые и высотную ступени, орбитальный аппарат с приборным отсеком, причем ступени и аппарат включают в себя осесимметрично расположенные двигатели и сопловые блоки и скреплены между собой, соответственно, соединительными и переходным корпусными отсеками, а также опорные кольцевые пояса, подкосы с узлами их крепления, носовой обтекатель и средство управления, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из указанных отсеков - хвостовой, соединительный или переходный - выполнен с силовым каркасом ячеистой структуры из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных, с углом наклона 15-30^o к оси симметрии отсека, и кольцевых лент, образующих, соответственно, спиральные и кольцевые ребра жесткости и узлы пересечений спиральных ребер, а также - в виде внешней силовой оболочки из материала с поверхностной плотностью 5-15 кг/м², причем ленты выполнены из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, кольцевые ребра расположены с двухсторонним примыканием к указанным узлам пересечений спиральных ребер, а на наружной поверхности внешней силовой оболочки отсека выполнены местные кольцевые пояса из слоистого композиционного материала, охватывающие указанные узлы пересечений в окружном направлении с примыкающими к ним кольцевыми ребрами, при этом внутри отсека под указанными местными кольцевыми поясами и ребрами размещен опорный кольцевой пояс в виде плоской кольцевой пластины с наружной и внутренней кольцевыми полками и множеством пересекающихся наклонных и радиальных распорных плоских ребер, зафиксированных концами в указанных полках, причем ребра и полки содержат армирующие нити, расположенные в ребрах и полках в радиальных параллельных плоскостях, перпендикулярных оси симметрии отсека, и выполненные на основе высокомодульных углеродных или борных волокон, скрепленных полимерным эпоксисодержащим связующим, причем наружная кольцевая полка равномерно скреплена с соответствующим указанным местным кольцевым поясом посредством стержневых резьбовых элементов через радиальные отверстия в полке, поясе и стенке отсека, а узлы крепления подкосов скреплены с внутренней кольцевой полкой и стенкой отсека в зонах расположения соседних кольцевых ребер. 4. Ракета по п. 3, отличающаяся тем, что опорный кольцевой пояс выполнен с соотношением наружного и внутреннего диаметров, находящимся в пределах 1,1-1,5.