СИЛОВАЯ ФЕРМА КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА Российский патент 2011 года по МПК G02B23/16 

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано при создании различных ферменных и рамных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур.

Известна силовая ферма КТ, состоящая из продольных стержней, расположенных под углом к оси фермы, и поперечных стержней, соединенными с продольными в узлах. С целью уменьшения дефокусировки телескопа поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, чем продольные стержни (см. журнал «Полет» №6, стр.42, 2000 г., УКД 629.7 «Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размеростабильных силовых конструкций летательных аппаратов». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин).

Известна силовая ферма КТ, включающая продольные поперечные и диагональные стрежни, соединенные между собой в узлах пересечения, при этом поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, а длины и коэффициенты линейного расширения связаны между собой соответственно (см. журнал «Полет» №5, стр.51, 2001 г., УКД 629.78 «Проектирование размеростабильных конструкций повышенной жесткости, адаптивных к действию градиентов температур». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин) - прототип.

Известная силовая ферма, а также вышеописанная не обеспечивают достаточную стабильность линейных размеров от действия температур, так как для сохранения длины фермы - увеличивается ее поперечный размер, что приводит к дефокусировке космического телескопа.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. обеспечение стабильности как продольных, так и поперечных линейных размеров фермы в неравномерном поле температур с целью уменьшения дефокусировки телескопа.

Задача решается тем, что в силовой ферме КТ, состоящей из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом диагональные, продольные и поперечные цилиндрические стержни выполнены составными и соединены между собой биметаллическим кольцом, по его внешнему и внутреннему диаметрам, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями:

где L - суммарная длина каждого из составных цилиндрических стержней;

с - ширина биметаллического кольца;

b - наружный диаметр биметаллического кольца;

а - внутренний диаметр биметаллического кольца;

α₁, α₂ - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца, α₁>α₂;

Н₁, Н₂ - толщины активного и пассивного слоев материалов биметаллического кольца;

Е₁, Е₂ - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;

α_ст - коэффициент линейного расширения материала составного цилиндрического стержня;

- длины продольных прорезей в составных цилиндрических стержнях шириной Ш_i;

где r_i - радиусы срединной поверхности составного цилиндрического стержня;

δ_i - толщины стенок составного цилиндрического стержня.

i=1, 2;

η≤1 - коэффициент, учитывающий упругость частей составных цилиндрических стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.

На фиг.1 изображен общий вид силовой фермы космического телескопа с высокой геометрической стабильностью по длине В и диаметру D при действии неравномерного поля температур.

На фиг.2 изображен общий вид составного цилиндрического стержня силовой фермы КТ.

На фиг.3, 4 изображен процесс деформирования составных цилиндрических стержней от действия положительного и отрицательного перепадов температур соответственно.

На фиг.5 изображено деформированное состояние биметаллического кольца при действии на него положительного перепада температур.

На фиг.6 изображено распределение усилий в биметаллическом кольце при действии на него положительного перепада температур.

Силовая ферма КТ состоит из продольных, поперечных и диагональных составных цилиндрических стержней 1, 2, 3, соединенных между собой в узлах пересечения 4.

При этом каждый из составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 состоит из двух частей 5, 6 длиной l₁, l₂, толщиной стенок δ₁, δ₂ и радиусами срединной поверхности r₁, r₂ соединенных между собой биметаллическим кольцом 7 с толщиной слоев Н₁, Н₂ с внутренним и наружным диаметрами a, b.

Материал слоя толщиной Н₁ имеет коэффициент линейного расширения α₁ и превосходит коэффициент линейного расширения α₂ материала слоя толщиной Н₂, поэтому слой толщиной Н₁ является активным, а слой толщиной Н₂ - пассивным.

В местах соединения с биметаллическим кольцом в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 выполнены продольные прорези 8, 9 на длину краевого эффекта, обеспечивающие упругое соединение в местах крепления к биметаллическому кольцу 7.

Отсутствие продольных прорезей 8, 9 в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 реализует жесткую заделку в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7, препятствующую повороту биметаллического кольца 7, а следовательно, уменьшает эффективность в целом силовой фермы.

При действии положительного или отрицательного (Т>Т₀ или Т<Т₀) перепада температуры Δt=Т-T₀ длины l₁, l₂ каждого составного цилиндрического стержня 1, 2, 3 удлиняются (укорачиваются) на величины Δl₁, Δl₂, а биметаллическое кольцо 7, проворачиваясь на угол φ, перемещает свои края на величину ΔK в направлении, противоположном сумме удлинений ΔL=Δl₁+Δl₂.

Величины Δl₁, Δl₂ зависят от действия температуры, длины, материала, геометрических характеристик поперечного сечения составных цилиндрических стержней 1, 2, 3. Величина ΔK зависит от действия температуры, геометрических размеров, материалов, физико-механических характеристик слоев биметаллического кольца 7 и упругости соединенных с ним частей 5, 6 составного цилиндрического стержня.

ΔK=η·c·sin φ ≈ η·c·φ,

где c=b-a - ширина биметаллического кольца;

η - коэффициент, учитывающий упругость составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7;

φ - угол поворота биметаллического кольца 7 (фиг.5).

Для составных цилиндрических стержней, имеющих прорези по образующей на величину, равную длине краевого эффекта , единичной ширины Ш_i (i=1, 2) - η=1, а при отсутствии прорезей по отношению к биметаллическому кольцу стержней, в приближенных расчетах можно принять η=0,5.

Для определения ΔK считаем форму биметаллического кольца 7 неизменной, тогда и сечение кольца можно считать недеформирующимся.

Возьмем точку О (см. фиг.5), расположенную на внутреннем радиусе - в сечении биметаллического кольца 7. Тогда полное перемещение сечения кольца может быть представлено в виде последовательных перемещений точки О вдоль оси симметрии, перпендикулярно к ней и поворота на угол φ около точки О.

Перемещение биметаллического кольца 7 вдоль оси симметрии соответствует его перемещению как жесткого целого и не вызывает его деформаций. Поэтому это перемещение не рассматриваем. Составляющую перемещения перпендикулярную оси симметрии, обозначим через Δ и перемещения вследствие поворота сечения вокруг точки О - Δφ.

Δφ=у·φ.

Радиальное перемещение точки А равно

Δ+у·φ,

а окружное относительное удлинение

Окружное напряжение для активного слоя биметаллического кольца 7 равно

для пассивного слоя биметаллического кольца

Если разрезать биметаллическое кольцо 7 осевой диаметральной плоскостью и рассмотреть равновесие половины биметаллического кольца, то очевидно, что в сечениях биметаллического кольца (см. фиг.6) изгибающий момент М и нормальная сила N равны нулю, следовательно:

,

Подставляя в выражения N и М значения выражений σ₁ и σ₂ и исключая Δ, определяем

Очевидно, что φ будет наибольшим, если

Тогда

Подставляя в выражение для ΔK значение φ_max, определяем

ΔK=η·c·φ_max

При действии перепада температур Δt суммарные значения удлинения (укорочения) цилиндрических стержней равны

ΔL=(l₁·α_ст·Δt+l₂·α_ст·Δt)=(l₁+l₂)α_стΔt

где l₁, l₂ - длины составных цилиндрических стержней

α_ст - коэффициент линейного расширения материала стержней.

Приравниваем значения выражений

ΔL=ΔK

Определяем соотношение геометрических размеров составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 биметаллического кольца 7 и физико-механических характеристик применяемых материалов.

и, введя обозначение l₁+l₂=L, получаем окончательное выражение для определения потребной длины составного цилиндрического стержня, размеростабильного от действия температуры.

Учитывая, что силовая ферма состоит из множества размеростабильных от действия температуры составных цилиндрических стержней, то и в целом она будет размеростабильной по длине и по диаметру.

Предложенные техническое решение позволяет создать размеростабильную адаптивную к действию температур силовую ферму, обеспечивающую минимальную дефокусировку телескопа при действии температур.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании различных ферменных и рамных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур. Изобретение направлено на обеспечение стабильности как продольных, так и поперечных линейных размеров фермы в неравномерном поле температур для уменьшения дефокусировки телескопа. Этот технический результат обеспечивается за счет того, что в силовой ферме, состоящей из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, диагональные, продольные и поперечные цилиндрические стержни выполнены составными и соединены между собой биметаллическими кольцами по их внешним и внутренним диаметрам. При этом в местах соединения с биметаллическими кольцами в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения. 6 ил.

Силовая ферма космического телескопа, состоящая из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, отличающаяся тем, что в ней диагональные, продольные и поперечные стержни выполнены составными, соединенными между собой биметаллическим кольцом, по его внешнему и внутреннему диаметрам, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями:
;
где L - суммарная длина любого из составных стержней;
с - ширина биметаллического кольца;
b - наружный диаметр биметаллического кольца;
а - внутренний диаметр биметаллического кольца;
α₁, α₂ - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца;
α_ст - коэффициент линейного расширения материала стержня;
H₁, H₂ - толщины слоев материалов биметаллического кольца;
E₁, E₂ - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;
- длины продольных прорезей шириной Ш_i;
где r_i - радиусы срединной поверхности составного стержня;
δ_i - толщины составного стержня;
i=1, 2;
η - коэффициент, учитывающий упругость стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.