СИЛОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ УНИФИЦИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2021 года по МПК B64G1/10 

Изобретение относится к конструкции и компоновке изделий космической техники, а именно к силовой конструкции, которая является единой основой унифицированной платформой космического аппарата (УПКА) и представляет собой конструктивно и функционально обособленный модуль для ее построения.

С целью создания конкурентоспособной унифицированной (модифицируемой под устанавливаемые модули полезной нагрузки и служебных систем) платформы моноблочного космического аппарата (КА), необходимо обеспечить высокую технологичность конструкции, достижение оптимальных затрат при производстве в минимально возможные сроки разработки и изготовления, адаптацию под нагрузки и интерфейсы ракеты-носителя.

Унифицированная платформа космического аппарата, являющаяся одной из составных частей КА, выполнена на основе силовой конструкции (СК) в виде четырех стоек с закрепленными на ней торцевыми и промежуточными поперечными сотовыми панелями и имеет форму параллелепипеда. На СК монтируются продольные сотовые панели, образующие корпус платформы КА. Внутри и снаружи корпуса установлено оборудование служебных систем и полезной нагрузки исходя из обеспечения оптимальных связей и теплового баланса. Конструктивно-компоновочная схема КА, содержащая и объединяющая оборудование полезной нагрузки и служебных систем, строится по блочно-модульному принципу конструктивно обособленных по функциональному назначению блоков, исходя из удобства сборки и автономности проведения испытаний отдельных составных частей КА и с учетом допустимого температурного диапазона бортовой аппаратуры.

Данное изобретение позволяет создать унифицированную платформу космического аппарата, имеющую улучшенные механические характеристики, обеспечить доступ к оборудованию и может быть использовано при создании моноблочного КА для обеспечения различных видов связи.

Известен аналог - космический аппарат, его модуль полезной нагрузки и модуль служебных систем (Патент RU № 2617162 от 21.04.2017). Изобретение относится к конструкции и компоновке преимущественно геостационарных космических аппаратов. Космический аппарат содержит соединенные друг с другом фермой модуль служебных систем и модуль полезной нагрузки, причем модуль служебных систем включает корпус, выполненный в виде прямой восьмигранной призмы, вдоль боковых ребер которой пропущены продольные стойки, пролеты между которыми перекрыты боковыми панелями, а нижнее основание перекрыто платформой, на которой размещены блоки бортовых служебных систем. Модули полезной нагрузки и служебных систем выполнены в виде сотовых панелей.

Недостатком аналога является то, что:

- аналог не может использоваться как унифицированная космическая платформа, так как возможности по оптимизации МЦХ и теплового режима за счет компоновки бортовой аппаратуры (БА) ограничены;

- снижается точность взаимного расположения между модулем служебных систем и модулем полезной нагрузки, обусловленная наличием механического интерфейса;

- возрастает масса КА из-за необходимости реализации тепловых, механических и электрических интерфейсов между модулем служебных систем и модулем полезной нагрузки.

Также известен аналог (Патент CN105667836), который описывает силовую конструкцию КА, состоящую из шести вертикальных алюминиевых стоек, жестко связанных с двумя внешними конструкционными плитами, а между собой с помощью поперечных перекладин.

Недостатком аналога является то, что:

- аналог предназначен для небольших космических аппаратов, так как конструкция имеет ограниченную жесткость;

- аналог не может использоваться как унифицированная космическая платформа, так как относится к силовой конструкции КА и не является устройством функционально обособленного модуля.

В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрана унифицированная космическая платформа модульного принципа построения (Патент RU № 2684877. Дата публикации 25.05.2018. МПК B64G 1/10 B64G 1/22), которая принята за прототип изобретения.

Унифицированная космическая платформа прототипа относится к модульным конструкциям космических аппаратов различного назначения. Платформа выполнена на основе силовой конструкции корпуса в виде стоек. На силовой конструкции корпуса монтируется приборный отсек, состоящий из отдельных модулей, причем конструкция всех модулей, выполненных из сотовых панелей, образует в совокупности корпус приборного отсека. Силовая конструкция корпуса служит для обеспечения механического интерфейса всех модулей и представляет собой сварную конструкцию из четырех алюминиевых силовых стоек.

К недостаткам аналога-прототипа относятся:

- ограничение применения для моноблочного КА, обусловленное недостаточной жесткостью стоечной конструкции, изготовленной из алюминиевых сплавов;

- силовая конструкция корпуса в виде стоек не является самостоятельной структурной единицей, так как между стойками нет поперечных связующих элементов;

- ограничение в масштабировании конструкции для применения в КА среднего класса, имеющего повышенные технические и эксплуатационные характеристики, так как при этом требуемое увеличение жесткости силовых алюминиевых стоек влечет за собой значительное увеличение массы стоек, а, следовательно, и самого КА, при этом массовая составляющая силовых стоек будет возрастать от воспринимаемых нагрузок;

- затруднен доступ к оборудованию, так как приборный отсек, монтируемый на силовой конструкции корпуса, образован из скрепленных между собой сотовых панелей.

Предлагаемое изобретение и унифицированная космическая платформа модульного принципа построения, которая принята за прототип изобретения, имеют следующие общие, характеризующие их существенные признаки: силовая конструкция унифицированной платформы космического аппарата, имеющая форму параллелепипеда, на которой установлен корпус платформы космического аппарата, выполненная в виде конструкции из силовых стоек.

Технической проблемой изобретения является создание унифицированной платформы для моноблочного КА, выполненной на основе силовой конструкции в виде стоек, отвечающей современным требованиям по уменьшению габаритов и массы КА, повышению плотности компоновки оборудования, снижению объема работ по адаптации КА к повышенным силовым нагрузкам, повышению технических и эксплуатационных характеристик, обеспечению одновременного запуска нескольких КА, выполненных на базе данной УПКА, а также сокращению сроков создания КА.

Решение указанной проблемы по созданию унифицированной платформы космического аппарата, выполненной на основе силовой конструкции в виде четырех стоек с установленными на них продольными сотовыми панелями, образующими корпус платформы КА, осуществляется так, что стойки выполнены из композиционного материала и имеют в своем составе концевые титановые фитинги для крепления с нижним и верхним основаниями силовой конструкции, выполненными в виде сотовых панелей, при этом, каждая стойка состоит, по меньшей мере, из одной части, выполненной из одного композиционного материала и одного типоразмера или из нескольких частей, соединенных между собой соосно через интерфейсные промежуточные поперечные сотовые панели, а материал и диаметры стоек выбраны таким образом, что площадь поперечного сечения различных частей разделяемых силовых стоек тем больше, чем ближе они расположены к адаптеру (или переходной системе) ракеты-носителя, при этом в пределах одной части разделяемой силовой стойки площадь поперечного сечения постоянна и может варьироваться в зависимости от требований по динамическим перемещениям аппарата и жесткостным требованиям силовой конструкции космического аппарата, а корпус платформы космического аппарата образован из отдельных продольных сотовых панелей, каждая из которых состыкована с силовой конструкцией через закладные элементы, расположенные на силовых стойках.

Техническая сущность и принцип действия предложенного способа поясняются чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 - общий вид силовой конструкции;

Фиг. 2 - соединение фитингов стоек с промежуточными поперечными сотовыми панелями;

Фиг. 3 - соединение стоек с промежуточной поперечной сотовой панелью через кронштейны;

Фиг. 4 - клеевое и заклепочное соединения фитингов со стойками;

Фиг. 5 - закладные элементы, установленные в стойках, для соединения с сотовыми панелями;

Фиг. 6 - расположение продольных сотовых панелей платформы;

Фиг. 7 - крепление сотовых панелей со стойками;

Фиг.8 - общий вид унифицированной платформы космического аппарата.

На фиг.1 предложенная силовая конструкция, на которой установлен корпус платформы космического аппарата, представляет собой раму из четырех силовых стоек 1 (1-1, 1-2, 1-3, 1-4), 2 (2-1, 2-2, 2-3, 2-4), 3 (3-1, 3-2, 3-3, 3-4), 4 (4-1, 4-2, 4-3, 4-5), изготовленных из композиционного материала и собранных в виде параллелепипеда.

Снизу и сверху стойки соединены с опорными сотовыми панелями 5 и 6 (нижним и верхним основаниями силовой конструкции) через концевые титановые фитинги 7, 8 посредством болтов 9, 10 (фиг. 2). Сотовые панели 5 и 6 придают жесткость конструкции, связывая стойки 1, 2, 3, 4 в единое целое. Для обеспечения дополнительной жесткости силовой конструкции в ее состав включены промежуточные поперечные сотовые панели 11, 12, 13. Силовые стойки 1, 2, 3, 4 состоят из нескольких частей, соединенных соосно между собой через фитинги 14 с промежуточными поперечными сотовыми панелями 11, 12, 13 посредством болтов 15 (фиг. 2). В пределах одного аппарата составные части стоек должны располагаться соосно, но композиционный материал и диаметры составных частей стоек могут изменяться.

В зависимости от требуемой жесткости конструкции меняется количество промежуточных поперечных сотовых панелей и, соответственно, количество стыков стоек и материал стоек: например, M46J или M55J. Последний применяется для более нагруженных стоек.

При минимальных жесткостных требованиях возможен вариант исполнения, при котором каждая силовая стойка 1, 2, 3, 4 состоит из одной части, при этом стойки выполнены из одного композиционного материала и одного типоразмера. Длина стоек может меняться и определяется размерами силовой конструкции и назначением КА.

Для обеспечения требований по динамическим перемещениям космических аппаратов при одновременном запуске нескольких КА и, соответственно, увеличения жесткости конструкции более чем в два раза, материал стоек меняется, например, с алюминиевого сплава на углеродный жгут M46J; материал концевых фитингов, например, с алюминиевого сплава на сплав ВТ14.

Требования по жесткости силовых стоек, которая увеличивается по мере приближения к адаптеру, обеспечивается площадью поперечного сечения стоек. Поэтому площадь поперечного сечения различных частей разделяемой силовой стойки тем больше, чем ближе они расположены к адаптеру (или переходной системе) ракеты-носителя, при этом, с целью снижения затрат на изготовление стоек, в пределах одной части разделяемой силовой стойки площадь поперечного сечения постоянна и варьируется в зависимости от требований по динамическим перемещениям аппарата и жесткостным требованиям силовой конструкции космического аппарата.

Торцевые титановые фитинги 7 и 8 для соединения с опорными поперечными сотовыми панелями 5, 6 и с промежуточными поперечными сотовыми панелями 11, 12, 13 вмонтированы в стойки и установлены с помощью клеевого соединения 16 и заклепочного 17 (фиг. 4). Корпус платформы космического аппарата образован из отдельных продольных сотовых панелей 18, 19, 20, 21, каждая из которых состыкована с силовой конструкцией через закладные элементы 23, расположенные на силовых стойках. Для закрепления продольных сотовых панелей 18, 19, 20, 21 в стойках выполнены отверстия 22, в которые установлены титановые закладные элементы 23 (фиг. 5).

Сборку силовой конструкции платформы осуществляют последовательно. На начальном этапе сборки нижние части стоек 1-1, 2-1, 3-1, 4-1 соединяют с опорной панелью 5 через титановые фитинги 7 посредством болтов 9 (фиг. 2).

Далее идет последовательная установка промежуточных поперечных сотовых панелей 12, 13 через фитинги 14 с нижними (1-1, 2-1, 3-1, 4-1), средними (1-2, 2-2, 3-2, 4-2) и верхними (1-3, 2-3, 3-3, 4-3) частями стоек 1, 2, 3, 4 посредством болтов 15 (фиг. 2).

Стыковку промежуточной поперечной сотовой панели поз. 11 со стойками осуществляют через кронштейны 24 посредством болтов 25 (фиг. 3).

Следующим этапом идет монтаж верхней опорной панели 6 с верхними (1-3, 2-3, 3-3, 4-3) частями стоек 1, 2, 3, 4 через титановые фитинги 8 посредством болтов 10. Это является конечным результатом сборки силовой конструкции (фиг.1).

Далее выполняют механическую обработку закладных элементов 23, установленных в стойках, с целью получения заданных параметров интерфейсных отверстий 24 (фиг. 5).

На заключительном этапе сборки продольные панели 18, 19, 20, 21 соединяют с силовой конструкцией через выполненные отверстия 24 посредством болтов 25 (фиг. 7). Монтаж панелей выполняют в следующем порядке:

- устанавливают поочередно панели 18, 19, параллельные плоскости XOY;

- устанавливают поочередно панели 20, 21, параллельные плоскости ZOY.

Конечным результатом сборки является унифицированная платформа космического аппарата (фиг. 8).

Достоинства предложенной конструкции:

- для обеспечения повышенных (по сравнению с прототипом) требований по динамическим перемещениям аппарата и жесткостным требованиям к силовой конструкции, стойки выполнены из композиционного материала, модуль упругости которого в четыре раза больше, чем у алюминиевых сплавов;

- масса силовой конструкции из композиционного материала значительно меньше массы аналогичной силовой конструкции из алюминиевого сплава при условии обеспечения требуемой устойчивости к внешним воздействиям;

- обеспечено применение минимально возможной номенклатуры интерфейсных кронштейнов. Остаются только кронштейны для соединения продольных сотовых панелей с поперечными сотовыми панелями;

- большая жесткость за счет высокого модуля упругости и малый коэффициент линейного температурного расширения композиционного материала стоек, а также отсутствие конструктивных связей сотовых панелей между собой, обеспечивают требования по температурным деформациям корпуса в местах установки точных приборов;

- конструкция корпуса платформы, образованного из отдельных сотовых панелей, не скрепляемых между собой, разработана с целью обеспечения удобства и простоты обслуживания, монтажа и демонтажа приборов и самих сотовых панелей;

- реализация данного технического решения (выполнение космических аппаратов на основе данной силовой конструкции, имеющей форму параллелепипеда) позволяет осуществить одновременный запуск нескольких аппаратов, размещая их параллельно продольной оси Y силовой конструкции на общую переходную систему ракеты-носителя.

Техническим результатом изобретения являются:

- высокая жесткость при оптимальном соотношении жесткость-вес заключается в выборе материала стоек и оптимального соотношения толщин стоек с механическими нагрузками. Жесткость силовой конструкции обеспечивается площадью поперечного сечения стоек, материалом стоек и поперечными сотовыми панелями. Тем самым, обеспечивается переход больших нагрузок от носителя к платформе при выведении на орбиту за счет конструкции силовых стоек;

- обеспечение механической прочности СК за счет поперечных сотовых панелей;

- повышение технологичности КА при его сборке, безопасности и удобства монтажа сотовых панелей, входящих в состав платформы за счет наличия продольных сотовых панелей, не скрепляемых между собой. Каждая сотовая панель, входящая в состав корпуса платформы, имеет интерфейс только с силовой конструкцией и устанавливается непосредственно на стойки. Сотовые панели устанавливаются автономно (независимо друг от друга) на стойки силовой конструкции в определенной последовательности, обеспечивая тем самым принцип независимой компоновки каждой панели с целью удобства сборки и сокращения времени на изготовление КА;

- плотность компоновки оборудования благодаря блочно-модульному принципу его размещения позволяет минимизировать размеры корпуса платформы для обеспечения одновременного запуска нескольких КА, а также, получить универсальность конструкции платформы для обеспечения различных видов связи.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к силовым конструкциям. Силовая конструкция унифицированной платформы космического аппарата (СКУП) имеет форму параллелепипеда, на который установлен корпус платформы космического аппарата. СКУП выполнена в виде конструкции из силовых стоек. Стойки изготовлены из композиционного материала и имеют в своем составе концевые титановые фитинги. Стойки фитингами закреплены к нижним и верхним основаниям силовой конструкции, выполненным в виде сотовых панелей. Каждая стойка состоит из нескольких частей, соединенных соосно между собой через промежуточные поперечные сотовые панели. Площадь поперечного сечения различных частей разделяемых силовых стоек тем больше, чем ближе они расположены к адаптеру ракеты-носителя. В пределах одной части площадь поперечного сечения разделяемой силовой стойки постоянна. Корпус платформы космического аппарата образован из отдельных продольных сотовых панелей, каждая из которых состыкована СКУП через закладные элементы, расположенные на силовых стойках. Достигается увеличение жесткости. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Силовая конструкция унифицированной платформы космического аппарата, имеющая форму параллелепипеда, на которой установлен корпус платформы космического аппарата, выполненная в виде конструкции из силовых стоек, отличающаяся тем, что стойки изготовлены из композиционного материала и имеют в своем составе концевые титановые фитинги, которыми закреплены к нижним и верхним основаниям силовой конструкции, выполненным в виде сотовых панелей, при этом каждая стойка состоит из нескольких частей, соединенных соосно между собой через промежуточные поперечные сотовые панели, причем площадь поперечного сечения различных частей разделяемых силовых стоек тем больше, чем ближе они расположены к адаптеру ракеты-носителя, при этом в пределах одной части площадь поперечного сечения разделяемой силовой стойки постоянна, а корпус платформы космического аппарата образован из отдельных продольных сотовых панелей, каждая из которых состыкована с силовой конструкцией через закладные элементы, расположенные на силовых стойках.

2. Силовая конструкция унифицированной платформы космического аппарата по п.1, отличающаяся тем, что каждая силовая стойка состоит минимум из одной части, выполненной из одного композиционного материала и одного типоразмера.