CC BY
53"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
interactive language for numerical computations. 2015. Available at: http://www.gnu.org/software/octave/doc/ interpreter (accessed: 2016-02-24).
4. Zimin V. N., Nerovny N. A. [To the calculation of the main vector and the main momentum of light pressure force on a solar sail] // Vestnik MGTU im. N. E. Baumana.
Ser. Mashinostroenie. 2016. № 1(106). P. 17-28. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-17-28 (in Russ.).
5. Kardashev N. S., Andreyanov V. V., Buyakas V. I. et al. [Project "Millimetron"] // Tr. Fizicheskogo in-ta im. P. N. Lebedeva. 2000. Vol. 228. P. 112-128 (in Russ.).
© Зимин В. H., Неровный H. А., 2016
УДК 629.7.031.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОСЕКЦИОННЫХ КОМПОЗИТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В. Н. Зимин1, А. А. Смердов2
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5 2ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королева» Российская Федерация, 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина, 4а E-mail: [email protected]
В изделиях ракетно-космической техники ферменные конструкции занимают очень важное место. В статье исследуются задачи, возникающие при использовании композитных материалов в конструкции многосекционных космических ферм.
Ключевые слова: ферменные конструкции, композитные конструкции, соединительные узлы, оптимальное проектирование, многосекционные конструкции.
RESEARCHING PROBLEMS OF OPTIMUM DESIGN OF COMPOSITE SPACE TRUSS STRUCTURES
V. N. Zimin1, A. A. Smerdov2
1Bauman Moscow State Technical University 5, Baumanskaya 2-ya Street, Moscow, 105005, Russian Federation
2S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia 4a, Lenin Street, Korolyov, Moscow area, 141070, Russian Federation E-mail: [email protected]
Truss structures take an important place in the rocket space technology. The research discusses problems of using composite materials in multicell trusses.
Keywords:truss structures, composite structures, connector assembly, optimal design, multicell structures.
В изделиях ракетно-космической техники ферменные конструкции занимают очень важное место. Отличительная особенность таких конструкций от других конструктивно-силовых схем - возможность закрепления навесного оборудования практически в любой точке конструкции [1]. Преимущества данного типа конструкций можно продемонстрировать на примере конструкции негерметичного отсека научно-энергетического модуля МКС (рис. 1) [2].
Данный отсек представляет собой ферменную многосекционную конструкцию, на которой устанавливается значительное количество различного навесного оборудования, такого как панели радиаторов, солнечные батареи с механизмом их трансформации, аккумуляторные батареи, топливные баки, компрессоры, баллоны высокого давления, двигатели, арматура и др. При проектировании данной конструкции в качестве конструкционных материалов использовались алюминиевые сплавы и сталь. Идея использова-
ния композитных материалов в ферменных многосекционных конструкциях выглядит очевидной, однако она сопряжена со многими трудностями, связанными как со сложной технологией изготовления деталей и их сборкой, так и с необходимостью постановки и исследования задач оптимального проектирования.
Первой задачей, которую необходимо решить, является задача разработки алгоритма расчета оптимальных геометрических характеристик ферменной конструкции - количества секций в продольном и в окружном направлении. В результате работы алгоритма должна быть спроектирована конструкция, на которой будет возможным закрепление требуемого количества навесного оборудования [3]. В ферменных конструкциях стержни соединяются с помощью соединительных узлов. Эти узлы, с одной стороны, могут являться местами крепления навесного оборудования и необходимы при сборке крупногабаритной конструкции.
<Тешетневс^ие чтения. 2016
Рис. 1. Модель негерметичного отсека научно-энергетического модуля МКС
Рис. 2. Вариант исполнения композитного соединительного узла с накладками
Рис. 3. Вариант исполнения композитного соединительного узла с болтовым соединением
С другой - они утяжеляют конструкцию и усложняют процесс ее изготовления. Как следствие, конструкция должна обладать оптимальным количеством соединительных узлов, что определяется количеством секций.
Помимо варьирования геометрических параметров конструкции, важным является решение задачи об оптимальном проектировании стержней. В это включается определение диаметра и толщины стержня, а также его схемы армирования - количества слоев и их углов армирования [4]. Это является второй задачей.
Очевидно, что для достижения равнопрочности в ферменной конструкции каждый стержень должен иметь свои значения этих структурных параметров. Технологически это нецелесообразно, к примеру, в силу того, что это приведет к необходимости разработки большого количества разных соединительных узлов. Поэтому возникает задача определения оптимального количества групп стержней с одинаковыми характеристиками, что также включается во вторую задачу.
И, наконец, третья задача - оптимальное проектирование соединительного узла [5].
В данной работе представлены проекты двух композитных соединительных узлов.
Первый вариант представлен на рис. 2.
Выводы. Композитный соединительный узел состоит из композитных стержней, соединяемых композитными накладками. При сборке многосекционной конструкции стержни выставляются на оснастке, после чего охватываются композитными накладками. На поверхности накладок и стержней наносится клей холодного отверждения, после чего накладки зажимаются струбцинами в зонах между стержнями. В результате образуется многосекционная ферменная композитная конструкция.
Второй вариант композитного соединительного узла изображен на рис. 3. Он состоит их центральных узлов 1, вклеенных в него вертикальных стержней 2 и диагональных стержней 3. Центральные узлы соединяются с горизонтальными стержнями 4 и композитной вставкой 5 при помощи болтового соединения, реализованного с помощью втулок 6 в центральных узлах и в горизонтальных стержнях. Таким способом изготавливаются отдельные секции, соединяемые между собой болтами.
Многосекционные ферменные конструкции являются сложными объектами для проектирования. Использование композитных материалов, несмотря на дополнительные трудности, позволит значительно улучшить массовые, прочностные и жесткостные характеристики. Для оптимального проектирования этих конструкций требуется решение ряда задач. Некоторые из них были поставлены в данной работе.
"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Библиографические ссылки
1. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов : учебник для студентов втузов / Б. В. Грабин, О. И. Давыдов, В. И. Давыдов, В. И. Жихарев и др. ; под. ред. В. П. Мишина,
B. К. Карраска. М. : Машиностроение, 1991. 416 с.
2. Проектирование системы энергоснабжения научно-энергетического модуля для российского сегмента Международной космической станции / А. Г. Бидеев, А. Ю. Семин, А. В. Кузнецов, М. Р. Ахмедов // Космическая техника и технологии. 2015. № 2 (9).
C. 64-74.
3. Баничук Н. В. Введение в оптимизацию конструкций. М. : Наука, 1986.
4. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988. 272 с. (Б-ка расчетчика / ред. кол.: Н. Н. Мали-нин (пред.) и др.).
5. Композиционные материалы в конструкции летательных аппаратов : сб. статей / пер. с англ. Г. А. Мо-лодцова ; под ред. проф. А. Л. Абибова. М. : Машиностроение, 1975. 272 с.
References
1. Osnovi konstruirovaniya raket-nositelei kosmicheskih apparatov [Design principles of rocket spacecraft] Uchebnik dlya studentov vtuzov [A textbook
for students of higher technical universities] / B. V. Grabin, O. I. Davidov, V. I. Davidov, V. I. Zhiharev et al. ; pod red. V. P. Mishina, V. K. Karraska. M. : Mashinostroenie, 1991. 416 р.
2. Proektirovanie sistemi energosnabzheniya nautchno-energetitcheskogo modulya dlya rossiiskogo segmenta Mezhdunarodnoi kosmitcheskoi stancii [Designing a power supply system of the science and power module for the International Space Station Russian segment] / A. G. Bideev, A. Yu. Semin, A. V. Kuznetsov, M. R. Akhmedov // Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii. 2015. № 2 (9). P. 64-74.
3. Banitchuk N. V. Vvedenie v optimizatciyu konstrukcii [Introduction to structural optimization]. M. : Nauka, 1986.
4. Vasiliev V. V. Mechanika konstrukcii iz komposicionnih materialov [Structural mechanics of composite materials]. M. : Mashinostroenie, 1988. 272 р.: il. (B-ka raschetchika / red. kol.: N. N. Malinin (pred.) et al.).
5. Composicionnie materiali v konstrukcii letatelnih apparatov [Composite materials in aircraft structures]. Sbornik statei [Digest of articles] / Perevod s angl. G. A. Molodcova, pod red. prof. A. L. Abibova. M. : Mashinostroenie, 1975. 272 s.
© Зимин В. Н., Смердов А. А., 2016
УДК 629.78
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ СОВРЕМЕННЫХ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ СПУТНИКОВ
О. А. Исеева, Ю. С. Кравченко, В. В. Двирный, В. В. Савицкий, Е. Г. Пацкова
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Рассмотрены виды центральной трубы, проведен сравнительный анализ между классической конструкцией из сотовых панелей, монолитной и сетчатой конструкциями, а также выделены их принципиальные особенности.
Ключевые слова: космический аппарат, центральная труба, анизогридная силовая труба, сетчатая конструкция, композиционные материалы, спиральные ребра, сотовый заполнитель.
COMPARATIVE ANALYSIS OF POWER BODY STRUCTURES OF MODERN NON-SEALED SATELLITES
O. A. Iseeva , Yu. S. Kravchenko, V. V. Dvirniy, V. V. Savitskiy, E. G. Patskova
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper describes various types of the central tube, the comparative analysis between the classical structure of honeycomb panels, monolithic and mesh construction, as well as highlighting their principal features.
Keywords: spacecraft, central tube, anizogrid body tube, grid structure,composite materials, spiral ribs, honeycomb.
Современный космический аппарат (КА) является ся подсистема нонструкция. Конструкция КА состоит технически сложным объектом, состоящим из функ- из деталей, узлов, сборочных единиц, собранных во-циональных систем и подсистем. Одной из них являет- едино для обеспечения заданных характеристик [1].
