Композитная размеростабильная платформа

Изобретение относится к несущим конструкциям из слоистых полимерных композиционных материалов и может применяться в высокоточной космической и наземной технике, например, в качестве опоры оптических приборов, антенных устройств, измерительных систем. Предлагаемая платформа в виде плоской кольцевой или круговой центрально-симметричной панели содержит обшивки из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, сотовый заполнитель между обшивками и узлы крепления, расположенные с равным угловым шагом. Каждый слой обшивок состоит из состыкованных между собой секторов с одинаковым центральным углом. Количество секторов в каждом слое равно или кратно количеству узлов крепления. В каждом секторе одного слоя волокна ориентированы под одинаковым углом относительно центральной оси сектора. Секторы каждого последующего слоя смещены относительно секторов предыдущего слоя на угол, равный половине центрального угла сектора. В каждом секторе одного слоя волокна могут быть ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора. Могут присутствовать также слои, где волокна ориентированы под углом 0° к этой оси. Технический результат изобретения состоит в обеспечении управления термическим деформированием платформы для достижения заданной точности позиционирования на ней узлов крепления при выполнении прочностных и жесткостных требований к ее конструкции. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к размеростабильным несущим конструкциям из слоистых полимерных композиционных материалов и может применяться в высокоточной космической и наземной технике, например, в качестве опорных платформ телескопов, оптических приборов, антенных устройств, измерительных систем.

Основным требованием к опорной платформе в составе высокоточной крупногабаритной конструкции является обеспечение заданных характеристик термической размеростабильности, при которых взаимные смещения (термические деформации) узлов крепления, предназначенных для размещения на платформе прецизионных элементов аппаратного оснащения, отвечали бы заданной точности позиционирования, определяемой термическим деформированием конструкции в направлениях между узлами крепления.

Известна размеростабильная опорная платформа космического аппарата, выполненная из алюминиевого сплава в виде плоской трехслойной панели кольцевой формы, содержащая обшивки, размещенный между обшивками сотовый заполнитель и четыре узла крепления измерительного оборудования, расположенные с угловым шагом 90° (http://esapub.esrin.esa.it/br/brl53; Meteosat Second Generation: The Satellite Development. - ESA BR-153. - ESA, 1999).

Недостатком такой конструкции является низкая размерная стабильность и, как следствие, недостаточная точность позиционирования узлов крепления в плоскости платформы вследствие больших термических перемещений, обусловленных высоким термическим коэффициентом линейного расширения материала обшивок (˜25×10^-6 1/°С).

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является конструкция размеростабильной платформы космического аппарата, представляющая собой плоскую трехслойную панель в форме правильного восьмиугольника с центральным круговым вырезом, которая содержит обшивки, выполненные из последовательно уложенных и ориентированных под углами 0°, +60°, -60° слоев однонаправленного углепластика, каждый из которых занимает всю площадь обшивки, алюминиевый заполнитель, размещенный между обшивками, и три узла крепления, расположенные с угловым шагом 120° (Т.С.Tompson, С.Grastataro, B.G.Smith, G.Krumweide, G.Tremblay. Development of an All-Composite Spacecraft Bus for Small Satellite Programs // Proceedings from the 8th Annual AIAA/USU Conference of Small Satellites, Logan, Utah, USA, 1994).

Такая конструкция платформы не обеспечивает высокой точности взаимного позиционирования узлов крепления, так как их взаимные термические смещения в данном случае определяются термическими коэффициентами линейного расширения квазиизотропной структуры обшивок, абсолютные значения которых не могут быть меньше характерных для каждого типа композиционного материала величин (Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1991. - 512 с.).

Задачей изобретения является создание композитной размеростабильной платформы, обеспечивающей заданную точность позиционирования расположенных на ней узлов крепления при выполнении прочностных и жесткостных требований за счет управления термическим деформированием конструкции посредством применения новых структур армирования слоев композиционного материала, согласованных с расположением узлов крепления.

Для этого композитная размеростабильная платформа в виде плоской центрально-симметричной панели, содержащей обшивки, выполненные из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, сотовый заполнитель, размещенный между обшивками, и узлы крепления, расположенные с равным угловым шагом, согласно предлагаемому изобретению имеет кольцевую или круговую форму, каждый слой обшивок состоит из состыкованных между собой кольцевых или круговых секторов с одинаковым центральным углом, количество секторов в каждом слое равно или кратно количеству узлов крепления, в каждом секторе одного слоя волокна ориентированы под одинаковым углом относительно центральной оси сектора, и секторы каждого последующего слоя смещены относительно секторов предыдущего слоя на угол, равный половине центрального угла сектора.

В каждом из секторов каждого слоя обшивок волокна могут быть ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора.

В другом варианте исполнения каждая из обшивок может содержать как слои, в секторах которых волокна ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора, так и слои, в секторах которых волокна ориентированы под углом 0° к центральной оси сектора.

Выполнение слоев обшивок платформы в виде состыкованных между собой секторов, волокна в которых ориентированы под одинаковым углом относительно центральных осей секторов каждого слоя, обеспечивает возможность управления термическим деформированием конструкции, а следовательно, точностью взаимного позиционирования узлов крепления путем выбора количества секторов и углов ориентации волокон в секторах каждого слоя. Количество секторов в слоях обшивок и углы ориентации волокон в секторах слоев определяются расчетным путем на основе анализа термодеформационного поведения конструкции из условия кратности количества секторов минимальному необходимому значению, равному числу узлов крепления на платформе, и получения заданных термических деформаций в направлениях между узлами крепления при удовлетворении прочностных и жесткостных требований к конструкции.

Смещение секторов каждого последующего слоя по отношению к предыдущему обеспечивает отсутствие лежащих в одном сечении стыков секторов соседних слоев обшивки и позволяет получить многослойную структуру обшивки, состоящую из пар перекрестно армированных слоев в пределах каждого сектора.

Угловое смещение стыков секторов каждого слоя обшивки относительно положения узлов крепления позволяет управлять термическим деформированием обшивки, обеспечивая заданные взаимные смещения точек узлов крепления. При этом могут быть реализованы как нулевые взаимные смещения, соответствующие условию термонейтральности конструкции, так и отрицательные или положительные смещения, согласно требованию заданной размеростабильности.

Расположение волокон материала в каждом секторе каждого слоя под углом 90° к центральной оси сектора обеспечивает ориентацию продольного направления композита, имеющего близкий к нулю термический коэффициент линейного расширения, вдоль окружного направления платформы, соответствующего направлениям между узлами крепления.

Для снижения термических деформаций узлов крепления платформы в радиальном направлении помимо слоев, в секторах которых волокна ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора, обшивки могут содержать слои с волокнами, ориентированными под углом 0° к центральной оси сектора.

Соотношения слоев, в секторах которых волокна ориентированы под углами 90° и 0° к центральной оси сектора, определяются из условия обеспечения заданного термического деформирования и прочностных свойств конструкции.

С целью дополнительного снижения термических деформаций и повышения жесткости платформы сотовый заполнитель может состоять из состыкованных между собой кольцевых или круговых секторов с одинаковым центральным углом, при этом количество секторов равно или кратно количеству узлов крепления, а направление двойных стенок ячеек сотового заполнителя в плоскости, перпендикулярной стенкам ячеек, в каждом из секторов ориентировано под углом 90° или 0° к центральной оси сектора.

Ориентация направления жесткости сотового заполнителя в секторах определяется заданными требованиями по термическим деформациям и жесткостным свойствам конструкции.

Совокупность новых и известных существенных признаков позволяет обеспечить получение нового технического результата, заключающегося в достижении любой заданной точности взаимного позиционирования узлов крепления в плоскости платформы при обеспечении прочностных и жесткостных требований на основе управления характеристиками термического деформирования конструкции.

Для обшивок может быть использован материал на основе углеродных, арамидных, стеклянных волокон и термореактивных полимерных связующих, например, эпоксидных, цианатных или полиэфирных. В качестве заполнителя могут применяться сотовые заполнители на основе углеродных, стеклянных и арамидных тканей, металлические сотозаполнители, например, из алюминиевой фольги. Соединение обшивок с заполнителем может выполняться совместным формованием или склейкой посредством клеевых композиций горячего и холодного отверждения.

Процесс изготовления платформы включает следующие технологические операции: ориентация направления волокон и раскрой волокнистого композиционного материала, пропитанного полимерным связующим, с помощью шаблона, имеющего форму сектора с нанесенной центральной осью; укладка секторов каждого слоя встык на оснастку до заполнения кольца или круга с выполнением смещения секторов каждого последующего слоя относительно предыдущего; формование пакетов слоев обшивок; ориентация направления жесткости сотового заполнителя и порезка его на секторы с помощью шаблонов в виде сектора с нанесенной центральной осью; сборка секторов сотозаполнителя; сборка-склейка заполнителя с обшивками; механическая обработка платформы; установка узлов крепления в соответствии с заданным положением относительно стыков секторов.

При изготовлении платформы по методу совместного формования технологические операции предварительного формования обшивок и их сборки-склейки с заполнителя исключаются.

На фиг.1 представлен общий вид композитной размеростабильной платформы кольцевой формы с тремя узлами крепления и трехсекторными слоями обшивок; на фиг.2 - структура слоев обшивок из композиционного материала; на фиг.3 - конструктивная схема размеростабильной платформы кольцевой формы с секторным членением сотового заполнителя.

Композитная размеростабильная платформа в виде плоской панели кольцевой формы (фиг.1) содержит обшивки 1 и 2, выполненные из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, сотовый заполнитель 3, размещенный между обшивками 1 и 2, и узлы крепления 4, расположенные с равным угловым шагом (3.

Каждый слой обшивок 1 и 2 (фиг.2) состоит из состыкованных между собой кольцевых секторов 5, 6, 7 с одинаковым центральным углом θ, количество секторов 5, 6, 7 в каждом слое равно или кратно количеству узлов крепления 4, в каждом из секторов 5, 6, 7 волокна ориентированы под одинаковым углом φ относительно центральной оси сектора 8, и секторы каждого последующего слоя смещены относительно секторов предыдущего слоя на угол, равный половине центрального угла сектора θ.

В частном случае угол ориентации φ волокон в секторах слоев обшивок может составлять 90° (или 90° и 0°).

Сотовый заполнитель 3 (фиг.3) может состоять из состыкованных между собой кольцевых секторов 9, 10, 11 с одинаковым центральным углом θ', при этом количество секторов 9, 10, 11 равно или кратно количеству узлов крепления 4, а направление двойных стенок ячеек сотового заполнителя в плоскости, перпендикулярной стенкам ячеек, в каждом из секторов ориентировано под углом 90° или 0° к центральной оси сектора.

Испытания опытных образцов композитной размеростабильной платформы в виде плоской панели кольцевой формы наружным диаметром ˜1200 мм, толщиной ˜44 мм, с алюминиевым сотовым заполнителем, 15-слойными обшивками, изготовленными с использованием заявляемого технического решения из углепластика КМУ-4Л на основе ленты углеродной ЛУ-П/0.1А ГОСТ 28006-88 и связующего ЭНФБ (раствор эпоксидных и фенолформальдегидных смол в спиртоацетоновой смеси) ТУ1-596-36-82 с ориентацией волокон в секторах слоев обшивок под углами 90° и 0° к центральным осям секторов, и тремя узлами крепления, расположенными с угловым шагом 120°, показали следующее:

1. Реализована размерная точность позиционирования узлов крепления платформы в диапазоне рабочих температур, аналогичная взаимным термическим смещениям точек узлов крепления платформы из однородного материала с термическим коэффициентом линейного расширения 0,04×10^-6 1/°С, при удовлетворении прочностных и жесткостных требований к конструкции.

2. Возможное варьирование величины взаимных термических смещений точек узлов креплений платформы при угловом смещении до 30° положения узлов крепления относительно стыков секторов аналогично выполнению платформы из однородного материала с термическим коэффициентом линейного расширения от -1×10^-6 1/°C до +3×10^-6 1/°С, а в совокупности с радиальным смещением узлов от внутреннего до внешнего радиуса от -16×10^-6 1/°С до +4×10^-6 1/°С, что позволяет управлять термическим деформированием платформы без изменения ее конструкции.

3. Заявляемое техническое решение является воспроизводимым в условиях производства, обеспечивает достижение нового технического результата и соответствует критерию "промышленная применимость".

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и на чертежах. Предложенное техническое решение может быть использовано в размеростабильных платформах из композиционного материала, выполненных в виде многослойных пластин, и в других областях техники с высоким уровнем требований по размерной стабильности и точности.

1. Композитная размеростабильная платформа в виде плоской центрально-симметричной панели, содержащая обшивки, выполненные из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, сотовый заполнитель, размещенный между обшивками, и узлы крепления, расположенные с равным угловым шагом, отличающаяся тем, что она имеет кольцевую или круговую форму, каждый слой обшивок состоит из состыкованных между собой кольцевых или круговых секторов с одинаковым центральным углом, количество секторов в каждом слое равно или кратно количеству узлов крепления, при этом в каждом секторе одного слоя волокна ориентированы под одинаковым углом относительно центральной оси сектора, а секторы каждого последующего слоя смещены относительно секторов предыдущего слоя на угол, равный половине центрального угла сектора.

2. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что в каждом из секторов каждого слоя обшивок волокна ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора.

3. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что каждая из обшивок содержит слои, в секторах которых волокна ориентированы под углом 90° к центральной оси сектора, и слои, в секторах которых волокна ориентированы под углом 0° к центральной оси сектора.