Адаптер для нескольких полезных нагрузок в виде оболочки из полимерных композиционных материалов Российский патент 2021 года по МПК B64G1/22 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для закрепления полезных нагрузок (ПН) на ракетах-носителях (РН), одновременно являясь адаптером ПН РН и может быть использовано в ракетно-космической технике при групповом (одновременном) запуске нескольких, по меньшей мере двух, полезных нагрузок одной ракетой-носителем.

Такой адаптер может быть использован на любом типе РН когда несколько ПН должны располагаться под одним обтекателем головной части РН. При групповом запуске нескольких ПН существует проблема их размещения в зоне пространства под обтекателем головной части РН и отсутствия соударений ПН между собой при их выводе отделении от адаптера РН во время вывода на расчетную орбиту.

В эксплуатации уже находятся средства, обеспечивающие возможность транспортирования одной РН нескольких искусственных спутников и их последующего отделения от нее. Однако такие средства либо предназначены для относительно большого количество небольших по размеру и массе ПН, либо используют в своей конструкции жесткую массивную опорную платформу для размещения на ней отдельных ПН. Другим решением является последовательное размещение ПН одной на другой в оси РН и их последовательное разделение. Вместе с тем, в случае необходимости выведения нескольких полезных нагрузок большой массы и относительно больших габаритных размеров, в частности высоты, ни одно из известных решений не позволяет полностью исключить опасность взаимного столкновения полезных нагрузок при достаточном уровне надежности успешной отстыковки и минимума массы адаптера полезной нагрузки.

Известны стыковочные устройства для крепления ПН на опорную плиту патент РФ 2238888 (МПК B64G 1/64, 1/22, 2004) и патент РФ 2155146 (МПК 1/00, 1/10, 1/64, F42B 12/60, 1996), с приводящимися механическим способом в наклонное положение опорными площадками ПН.

Указанные стыковочные устройства представляют собой опорную часть, которая может быть жестко прикреплена к несущей конструкции; наклонную часть, подсоединенную к опорной части или к несущей конструкции с помощью шарнирных средств; средства управления наклоном, установленные между наклонной частью и опорной частью или несущей конструкцией, с тем чтобы автоматически привести наклонную часть в положение отделения полезной нагрузки посредством поворота вокруг шарнирных средств в течение освобождения удерживающих средств. Каждая из полезных нагрузок помещена на несущей конструкции, которая обычно выполнена в форме круглой опорной плиты, посредством отдельного адаптера

Недостаток данных устройств состоит в том, что при их использовании механизм управления наклоном создает для ПН дополнительные нагрузки ударного характера при штатном срабатывании, что создает дополнительную опасность для тяжелых искусственных спутников, содержащих хрупкие элементы. В составе такого стыковочного устройства обязательно присутствует жесткая, прочная (и соответственно - тяжелая) опорная плита. Кроме этого, данные механизмы отклонения должны успешно воспринимать и передавать все нагрузки, испытываемые РН в процессе эксплуатации и транспортирования, а значит, они должны быть жесткими и прочными, а как следствие - отбирать значительную массу у ПН. Вредное влияние такого увеличения веса вспомогательных систем тем больше, чем большее количество независимых ПН должно быть выведено в расчетные точки вывода.

Известны адаптеры полезной нагрузки патент РФ 2189907 (МПК В32В 3/12, 1/22, 2000), патент РФ 2148496 (МПК В32В 3/12, 1/22, 1999), патент РФ 2483927 (МПК В32В 3/12, F02K 9/32, 2011), предназначенные для использования в конструкции изделий авиационной и ракетно-космической техники для размещения полезной нагрузки.

Указанные адаптеры представляют собой осесимметричные тонкостенные оболочки вращения конической формы, образованные из металлических элементов или множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев однонаправленного полимерного композиционного материала.

Недостаток данных устройств - невозможность одновременного размещения нескольких относительно тяжелых и относительно габаритных полезных нагрузок без использования вспомогательной тяжелой, жесткой и прочно опорной плиты.

В результате анализа патентной и научно-технической информации в качестве прототипа заявляемого устройства принято техническое решение по патенту РФ 2350818 (МПК F16L 9/12, В32В 3/12, 2007). (регистрационный номер заявки №2007112335/06 от 04.04.2007, страна приоритета Россия) в котором описано устройство «Адаптера в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов». Данный адаптер полезной нагрузки служит для удержания на одной РН одной полезной нагрузки или одной опорной платформы для размещения нескольких полезных нагрузок. Адаптер относится к области машиностроения, в частности к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов, и может быть использовано при создании корпусов или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике. Технический результат достигается тем, что адаптер в виде сетчатой оболочки конической формы из композиционных материалов содержит верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, кольцевых и продольных ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами.

Основным недостатком данного адаптера, как и у перечисленных выше по сравнению с предлагаемым изобретением, является невозможность одновременного размещения нескольких относительно тяжелых и относительно габаритных полезных нагрузок без использования вспомогательной тяжелой, жесткой и прочно опорной плиты.

Изобретение относится к адаптеру, предназначенному для установки между разгонным блоком, приборным отсеком или последней ступенью РН и каждой из независимых полезных нагрузок, чтобы обеспечить транспортирование и успешную отстыковку без соударений по меньшей мере двух рядом расположенных относительно больших и тяжелых полезных нагрузок.

Задачами (целями) предлагаемого устройства поворотной платформы для крепления ПН являются:

- исключение нагрузок ударного характера, возникающих при установке платформы крепления ПН в наклонное положение для последующего отделения ПН, как в начале разворота поворотной части платформы, так и в конечный момент ее разворота при обеспечении необходимой жесткости установки платформы на адаптер (или другую несущую конструкцию например, опорную плиту);

- минимизация массы конструкции адаптера полезных нагрузок;

- обеспечение надежности фиксации ПН в точно заданном угле наклона (в пределах допусков), необходимом для отделения ПН.

Отличительными особенностями адаптера по предложенному техническому решению являются следующие признаки: - исполнение в виде интегральной сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов; - наличие нескольких площадок крепления ПН и их наклон относительно опорной плоскости крепления адаптера к РН в пределах 1-15°.

Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат получения конструкции адаптера минимальной массы, повышенной жесткости, прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, расчетов и опытно-экспериментальных работ, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций адаптеров, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалиста, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию «изобретательский уровень».

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

Краткая сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.

Заявленный Адаптер для нескольких полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов, показанный на фиг. 1, содержит спиральные 1, кольцевые 2, продольные 3 ребра и шпангоуты 4, 5.

К верхним торцевым шпангоутам кругового сечения прикрепляется полезная нагрузка 6, соединение с ракетой-носителем осуществляется через нижний торцевой шпангоут кругового сечения 4.

На фиг. 2 изображен вид сверху на Адаптер для двух полезных нагрузок. Показаны круговые сечения торцевых шпангоутов 4.

Фиг. 3 показывает отклонение оси симметрии наклонных конических сетчатых оболочек вращения относительно оси симметрии Адаптера для нескольких полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов величиной 30-60°, а также наклон площадок для размещения полезной нагрузки величиной 1-15° относительно горизонтальной плоскости.

На фиг. 4 изображен Адаптер для трех полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов.

На фиг. 5 изображен Адаптер для трех полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов.

Функционирование адаптера в виде сетчатой оболочки из композиционных материалов заключается в одновременном подключении к работе всех пересекающихся спиральных, кольцевых и продольных ребер 1-3, выполненных из перекрещивающихся спиральных, кольцевых и продольных лент из однонаправленного полимерного композиционного материала.

Расчеты, проведенные авторами, проектирование и испытание макетного образца устройства показывают значительную эффективность предложенного технического решения для крепления ПН в части: - массовых характеристик - исключение массы опорной платформы и объединение силовых конструкций наклонных площадок и адаптера ПН в единую конструкцию;

- технологичности - изготовление конструкции изобретения автоматизированными методами непрерывной мокрой намотки в виде интегральной конструкции с минимальным количеством механических соединений-интерфейсов;

- жесткостные характеристики (минимальные запасы по первым модам) собственных частот изделия, а также запасы прочности для типовых нагрузок не уступают аналогичным характеристикам известных адаптеров ПН представляющих собой правильный цилиндр и правильный усеченный конус.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и позволяет существенно снизить массу самого устройства, исключить ударные нагрузки на ПН в виду отсутствия операции разворота ПН при обеспечении необходимых жесткости и прочности изделия, повысить технологичность изготовления за счет применения автоматизированных технологических процессов интегральной конструкции, повысить надежность изделия за счет исключения большого количества механических соединений и механизмов разведения или наклона полезной нагрузки.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной намотки по известным технологиям.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле, 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 из композиционных материалов, повышенной жесткости, прочности и надежности, и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к оболочечным конструкциям и может быть использовано в изделиях авиационной и ракетно-космической техники. Адаптер представляет собой несущую жесткую сетчатую структуру из спиральных, кольцевых, продольных ребер и шпангоутов, выполненную из однонаправленного полимерного композиционного материала. Он имеет не менее двух опорных площадок для размещения независимых полезных нагрузок (ПН), наклоненных относительно опорной плоскости на 1-15° и закрепленных на идентичных по форме конических оболочках вращения с осями, отклоненными на 30-60° от центральной оси. Адаптер не требует отдельной опорной платформы для ПН и механизмов отклонения ПН. Техническим результатом является снижение массы адаптера, повышение его прочности, технологичности и надежности конструкции. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Адаптер полезной нагрузки в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов, устанавливаемый на ракете-носителе, для одновременного размещения по меньшей мере двух независимых полезных нагрузок, содержащий несколько площадок кругового сечения, имеющих наклон относительно опорной плоскости в пределах 1-15°, и выполненный в виде интегральной сетчатой оболочки, содержащей верхнюю и нижнюю кольцевые полки-фланцы, а также множество пересекающихся спиральных, кольцевых и продольных ребер из однонаправленного полимерного композиционного материала.

2. Адаптер по п. 1, предназначенный для одновременного размещения трех полезных нагрузок.

3. Адаптер по п. 1, предназначенный для одновременного размещения четырех полезных нагрузок.

4. Адаптер по любому из пп. 1-3, торцевые полки которого выполнены в том числе с использованием металлических закладных деталей.

5. Адаптер по любому из пп. 1-4, составленный из нескольких по количеству полезных нагрузок, идентичных по форме конических оболочек вращения с наклонной в пределах 30-60° осью вращения относительно оси вращения правильного конуса, соединенных между собой через шпангоуты механическим способом.