Конструкция каркасов солнечных батарей и способ изготовления каркаса

Изобретение относится к области авиационно-космической техники, в частности к производству каркасных конструкций из трубчатых или стержневых элементов из композиционных материалов (КМ), и может быть использовано при разработке и изготовлении каркасных изделий, например элементов космических платформ или каркасов створок солнечных батарей. Сущность изобретения заключается в том, что фитинги выполняются монолитными и каркас сформирован одновременно с фитингами за одно формование. Изобретение обеспечивает снижение массы, увеличение прочности и жесткости изделий, снижение трудоемкости изготовления, уменьшение длительности технологического цикла, уменьшение себестоимости изделий. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области авиационно-космической техники, в частности к производству каркасных конструкций из трубчатых или стержневых элементов из композиционных материалов (КМ), и может быть использовано при разработке и изготовлении каркасных изделий, например элементов космических платформ или каркасов створок солнечных батарей.

Известна конструкция каркасов створок солнечных батарей, представляющая из себя решетчатые панели, выполненные из углепластика, сформованные за 1 цикл с последующей механической обработкой [1].

К недостаткам данной конструкции можно отнести высокую удельную массу.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является конструкция каркасов створок солнечных батарей, состоящая из трубчатых элементов, изготовленных из слоистого углепластика, собранных в каркасную конструкцию металлическими узлами сочленения-фитингами (угольники, тройники) при помощи клеемеханического соединения [2], [5]. Причем для предотвращения образования непроклея, а также образования трещин и отслаивания клея при знакопеременных температурах разнородных в тепловом отношении склеиваемых материалов (углепластик и алюминий), в клеевое соединение может быть введена теплопроводная сетчатая основа из металлонитей [3].

Существенным недостатком данной конструкции является применение металлических элементов сочленения, что приводит к значительному увеличению массы изделия, кроме того, наличие клеевых соединений разнородных материалов в узлах сочленения трубчатых элементов с фитингами, способствующее концентрации напряжений при перепадах температуры, снижает надежность изделия.

Многоступенчатость технологии изготовления таких конструкций приводит к накоплению технологических дефектов и, следовательно, к значительному рассеянию термомеханических свойств, снижению прочностных характеристик, приводящих к изменениям формы изделия в процессе эксплуатации. Кроме того, применение многоступенчатой технологии изготовления значительно увеличивает трудоемкость и продолжительность изготовления изделия, что в свою очередь приводит к увеличению себестоимости изделия.

Задача предлагаемого изобретения: снижение массы, увеличение прочности и жесткости изделий, снижение трудоемкости изготовления, уменьшение длительности технологического цикла, уменьшение себестоимости изделий.

Указанная цель достигается тем, что все элементы конструкции изготовлены из однородного материала углепластика, фитинги выполняются монолитными, выкладываются на трубчатых элементах в формах и формуются одновременно. В конструкции фитингов введены угловые усиления (косынки), что позволяет увеличить жесткость и прочность конструкции.

В качестве примера использования изобретения рассмотрим каркас панели «БС», фрагмент которой представлен на чертеже. Каркас панели состоит из продольных 1 и поперечных 2 труб, соединенных сформованными на них фитингами (угольниками 3 и тройниками 4, имеющими косынки 5).

Изготовление каркаса за один цикл формования без применения клеевых соединений позволяет получить равнопрочную конструкцию с хорошо контролируемыми технологическими параметрами в течение всего процесса изготовления, что положительно сказывается на геометрической точности изделий в условиях эксплуатации. Совмещение сборки изделия с формованием фитингов значительно упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления изделия, при этом себестоимость изделия уменьшается.

Пример изготовления.

Изготовление каркаса створки солнечной батареи 14Ф137.8711.

Для изготовления изделия используют препрег углеленты ЛУ-П/0,1 ГОСТ 28006-88 на связующем ЭНФБ ТУ 1-595-36-98, массовая доля которого в препреге составляет 40%.

Изготовление изделия осуществляют в следующей последовательности:

1. Изготавливают трубчатые элементы каркаса путем намотки препрега углеленты на дорн, отверждения связующего, съема изделия с дорна и механической обработки по торцам деталей в заданный размер.

2. Производят сборку фитингов путем укладки слоев препрега углеленты в пресс-формы сборочного стапеля с установкой трубчатых элементов, изготовленных по п.1.

3. Производят формование фитингов в печи полимеризации при температуре 165÷175°С в течение 8 часов. Извлекают готовое изделие из формующей оснастки.

Изготовленное изделие отличается от аналогов меньшей массой и при этом большей жесткостью. Изготавливаемые в настоящее время аналогичные каркасы солнечных батарей рамочного типа имеют массу 1 м² конструкции порядка 2.5÷3.0 кг [4]. Заявленная конструкция имеет значительно меньшую удельную массу - 1,1 кг/м² за счет уменьшения массы фитингов трубчатых элементов. Наличие ребер жесткости «косынок» в заявленной конструкции фитингов позволяет значительно увеличить жесткость каркаса без существенного увеличения массы изделия.

Источники информации

1. Технология сборки и испытаний космических аппаратов: Учебник для высших технических учебных заведений /И.Т.Беляков, И.А.Зернов, Е.Г.Антонов и др.; Под общей редакцией И.Т.Белякова и И.А.Зернова. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.: ил. - (стр.103) - аналог.

2. Патент RU 2220477 С2, 7 H01L 31/042 - прототип.

3. Патент RU 2179268, 7 F16B 11/00, C09J 5/00.

4. Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов - 21 век. Труды международной конференции 30 января - 2 февраля 2001, МГУ, Редакторы К.В.Фролов, И.Ф.Образцов, О.С.Сироткин, B.C.Боголюбов, Москва, 2001, стр.112, табл.2.

5. Строительная механика конструкций космической техники: Учебник для высших учебных заведений / В.И.Усюкин, М.: Машиностроение, 1988 г., стр.12.

1. Каркас панели солнечной батареи, состоящий из трубчатых элементов, изготовленных из слоистого композиционного материала углепластика и фитингов, отличающийся тем, что трубчатые элементы и монолитные фитинги выполнены из углепластика, и каркас сформирован одновременно с фитингами за одно формование.

2. Каркас по п.1, отличающийся тем, что в фитингах введены угловые усиления, увеличивающие жесткость и прочность конструкции.

3. Способ изготовления каркаса по п.1, включающий изготовление трубчатых элементов заданного размера из препрега углеленты, укладку слоев препрега углеленты, для последующего формирования фитингов трубчатых элементов и одновременное формование каркаса в процессе формования фитингов.