Силовая ферма космического телескопа



Силовая ферма космического телескопа
Силовая ферма космического телескопа
Силовая ферма космического телескопа
Силовая ферма космического телескопа
Силовая ферма космического телескопа
Силовая ферма космического телескопа

 


Владельцы патента RU 2417389:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании различных ферменных и рамных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур. Изобретение направлено на обеспечение стабильности как продольных, так и поперечных линейных размеров фермы в неравномерном поле температур для уменьшения дефокусировки телескопа. Этот технический результат обеспечивается за счет того, что в силовой ферме, состоящей из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, диагональные, продольные и поперечные цилиндрические стержни выполнены составными и соединены между собой биметаллическими кольцами по их внешним и внутренним диаметрам. При этом в местах соединения с биметаллическими кольцами в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения. 6 ил.

 

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано при создании различных ферменных и рамных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и геометрической стабильности размеров от действия температур.

Известна силовая ферма КТ, состоящая из продольных стержней, расположенных под углом к оси фермы, и поперечных стержней, соединенными с продольными в узлах. С целью уменьшения дефокусировки телескопа поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, чем продольные стержни (см. журнал «Полет» №6, стр.42, 2000 г., УКД 629.7 «Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размеростабильных силовых конструкций летательных аппаратов». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин).

Известна силовая ферма КТ, включающая продольные поперечные и диагональные стрежни, соединенные между собой в узлах пересечения, при этом поперечные стержни выполнены из материала с более высоким коэффициентом линейного расширения, а длины и коэффициенты линейного расширения связаны между собой соответственно (см. журнал «Полет» №5, стр.51, 2001 г., УКД 629.78 «Проектирование размеростабильных конструкций повышенной жесткости, адаптивных к действию градиентов температур». Авторы: Г.Е.Фомин, А.Н.Шайда, В.Д.Байкин) - прототип.

Известная силовая ферма, а также вышеописанная не обеспечивают достаточную стабильность линейных размеров от действия температур, так как для сохранения длины фермы - увеличивается ее поперечный размер, что приводит к дефокусировке космического телескопа.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. обеспечение стабильности как продольных, так и поперечных линейных размеров фермы в неравномерном поле температур с целью уменьшения дефокусировки телескопа.

Задача решается тем, что в силовой ферме КТ, состоящей из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом диагональные, продольные и поперечные цилиндрические стержни выполнены составными и соединены между собой биметаллическим кольцом, по его внешнему и внутреннему диаметрам, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями:

где L - суммарная длина каждого из составных цилиндрических стержней;

с - ширина биметаллического кольца;

b - наружный диаметр биметаллического кольца;

а - внутренний диаметр биметаллического кольца;

α1, α2 - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца, α12;

Н1, Н2 - толщины активного и пассивного слоев материалов биметаллического кольца;

Е1, Е2 - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;

αст - коэффициент линейного расширения материала составного цилиндрического стержня;

- длины продольных прорезей в составных цилиндрических стержнях шириной Шi;

где ri - радиусы срединной поверхности составного цилиндрического стержня;

δi - толщины стенок составного цилиндрического стержня.

i=1, 2;

η≤1 - коэффициент, учитывающий упругость частей составных цилиндрических стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.

На фиг.1 изображен общий вид силовой фермы космического телескопа с высокой геометрической стабильностью по длине В и диаметру D при действии неравномерного поля температур.

На фиг.2 изображен общий вид составного цилиндрического стержня силовой фермы КТ.

На фиг.3, 4 изображен процесс деформирования составных цилиндрических стержней от действия положительного и отрицательного перепадов температур соответственно.

На фиг.5 изображено деформированное состояние биметаллического кольца при действии на него положительного перепада температур.

На фиг.6 изображено распределение усилий в биметаллическом кольце при действии на него положительного перепада температур.

Силовая ферма КТ состоит из продольных, поперечных и диагональных составных цилиндрических стержней 1, 2, 3, соединенных между собой в узлах пересечения 4.

При этом каждый из составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 состоит из двух частей 5, 6 длиной l1, l2, толщиной стенок δ1, δ2 и радиусами срединной поверхности r1, r2 соединенных между собой биметаллическим кольцом 7 с толщиной слоев Н1, Н2 с внутренним и наружным диаметрами a, b.

Материал слоя толщиной Н1 имеет коэффициент линейного расширения α1 и превосходит коэффициент линейного расширения α2 материала слоя толщиной Н2, поэтому слой толщиной Н1 является активным, а слой толщиной Н2 - пассивным.

В местах соединения с биметаллическим кольцом в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 выполнены продольные прорези 8, 9 на длину краевого эффекта, обеспечивающие упругое соединение в местах крепления к биметаллическому кольцу 7.

Отсутствие продольных прорезей 8, 9 в составных цилиндрических стержнях 1, 2, 3 реализует жесткую заделку в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7, препятствующую повороту биметаллического кольца 7, а следовательно, уменьшает эффективность в целом силовой фермы.

При действии положительного или отрицательного (Т>Т0 или Т<Т0) перепада температуры Δt=Т-T0 длины l1, l2 каждого составного цилиндрического стержня 1, 2, 3 удлиняются (укорачиваются) на величины Δl1, Δl2, а биметаллическое кольцо 7, проворачиваясь на угол φ, перемещает свои края на величину ΔK в направлении, противоположном сумме удлинений ΔL=Δl1+Δl2.

Величины Δl1, Δl2 зависят от действия температуры, длины, материала, геометрических характеристик поперечного сечения составных цилиндрических стержней 1, 2, 3. Величина ΔK зависит от действия температуры, геометрических размеров, материалов, физико-механических характеристик слоев биметаллического кольца 7 и упругости соединенных с ним частей 5, 6 составного цилиндрического стержня.

ΔK=η·c·sin φ ≈ η·c·φ,

где c=b-a - ширина биметаллического кольца;

η - коэффициент, учитывающий упругость составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7;

φ - угол поворота биметаллического кольца 7 (фиг.5).

Для составных цилиндрических стержней, имеющих прорези по образующей на величину, равную длине краевого эффекта , единичной ширины Шi (i=1, 2) - η=1, а при отсутствии прорезей по отношению к биметаллическому кольцу стержней, в приближенных расчетах можно принять η=0,5.

Для определения ΔK считаем форму биметаллического кольца 7 неизменной, тогда и сечение кольца можно считать недеформирующимся.

Возьмем точку О (см. фиг.5), расположенную на внутреннем радиусе - в сечении биметаллического кольца 7. Тогда полное перемещение сечения кольца может быть представлено в виде последовательных перемещений точки О вдоль оси симметрии, перпендикулярно к ней и поворота на угол φ около точки О.

Перемещение биметаллического кольца 7 вдоль оси симметрии соответствует его перемещению как жесткого целого и не вызывает его деформаций. Поэтому это перемещение не рассматриваем. Составляющую перемещения перпендикулярную оси симметрии, обозначим через Δ и перемещения вследствие поворота сечения вокруг точки О - Δφ.

Δφ=у·φ.

Радиальное перемещение точки А равно

Δ+у·φ,

а окружное относительное удлинение

Окружное напряжение для активного слоя биметаллического кольца 7 равно

для пассивного слоя биметаллического кольца

Если разрезать биметаллическое кольцо 7 осевой диаметральной плоскостью и рассмотреть равновесие половины биметаллического кольца, то очевидно, что в сечениях биметаллического кольца (см. фиг.6) изгибающий момент М и нормальная сила N равны нулю, следовательно:

,

Подставляя в выражения N и М значения выражений σ1 и σ2 и исключая Δ, определяем

Очевидно, что φ будет наибольшим, если

Тогда

Подставляя в выражение для ΔK значение φmax, определяем

ΔK=η·c·φmax

При действии перепада температур Δt суммарные значения удлинения (укорочения) цилиндрических стержней равны

ΔL=(l1·αст·Δt+l2·αст·Δt)=(l1+l2стΔt

где l1, l2 - длины составных цилиндрических стержней

αст - коэффициент линейного расширения материала стержней.

Приравниваем значения выражений

ΔL=ΔK

Определяем соотношение геометрических размеров составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 биметаллического кольца 7 и физико-механических характеристик применяемых материалов.

и, введя обозначение l1+l2=L, получаем окончательное выражение для определения потребной длины составного цилиндрического стержня, размеростабильного от действия температуры.

Учитывая, что силовая ферма состоит из множества размеростабильных от действия температуры составных цилиндрических стержней, то и в целом она будет размеростабильной по длине и по диаметру.

Предложенные техническое решение позволяет создать размеростабильную адаптивную к действию температур силовую ферму, обеспечивающую минимальную дефокусировку телескопа при действии температур.

Силовая ферма космического телескопа, состоящая из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, отличающаяся тем, что в ней диагональные, продольные и поперечные стержни выполнены составными, соединенными между собой биметаллическим кольцом, по его внешнему и внутреннему диаметрам, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта, причем геометрические размеры составных цилиндрических стержней, биметаллических колец и физико-механические характеристики применяемых материалов связаны соотношениями:
;
где L - суммарная длина любого из составных стержней;
с - ширина биметаллического кольца;
b - наружный диаметр биметаллического кольца;
а - внутренний диаметр биметаллического кольца;
α1, α2 - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца;
αст - коэффициент линейного расширения материала стержня;
H1, H2 - толщины слоев материалов биметаллического кольца;
E1, E2 - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;
- длины продольных прорезей шириной Шi;
где ri - радиусы срединной поверхности составного стержня;
δi - толщины составного стержня;
i=1, 2;
η - коэффициент, учитывающий упругость стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкциям размеростабильных оболочек подкрепленного типа и может применяться в высокоточных космических и наземных системах, например, в качестве несущих корпусов телескопов и оптических приборов.

Изобретение относится к области астрофизики и может быть использовано при строительстве и эксплуатации головных сооружений обсерваторий для астрономических, геофизических и метеорологических исследований.

Изобретение относится к оптико-электронным устройствам и может быть использовано в качестве индикаторного устройства для обеспечения информационной безопасности служебных помещений, офисов и т.п.

Изобретение относится к телескопам, предназначенным в основном для установки на борту космического аппарата или на Земле, в месте, где возникновение сил инерции является нежелательным.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для больших телескопов с альт-азимутальной монтировкой. .

Изобретение относится к телескопостроению и может быть использовано в любительских и профессиональных телескопах. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для телескопов с альт-азимутальной монтировкой. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для опорных устройств, к которым предъявляется требование по обеспечению точной регулировки положения оборудования в горизонтальной плоскости, преимущественно оптических телескопов.
Изобретение относится к области геодезии

Изобретение относится к оптическим астрономическим приборам полной заводской готовности, осуществляющим наблюдение искусственных и естественных небесных тел

Изобретение относится к области космических телескопов (КТ) и может быть использовано для различных ферменных и корпусных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по геометрической стабильности размеров от действия температур. Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, то есть снижение веса, упрощение технологии изготовления, уменьшение стоимости изготовления с обеспечением стабильности продольных и поперечных линейных размеров фермы силовой КТ в неравномерном поле температур без увеличения дефокусировки КТ. Задача решается тем, что ферма силовая КТ состоит из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических размеростабильных при действии температур стержней, соединенных между собой в узлах пересечения, при этом продольные, поперечные и диагональные стержни выполнены составными, соединенными между собой торовой эллиптической оболочкой по большей оси, при этом торовая эллиптическая оболочка заполнена термометрической жидкостью, причем геометрические размеры каждого из составных цилиндрических стержней, торовой эллиптической оболочки, характеристики применяемых материалов и физические свойства термометрической жидкости связаны соотношением: L = η 4,26 ⋅ b ( β − 3 α 1 ) ( 0,06 a 4 + R 1 2 ⋅ δ 1 2 ) α 2 ( 1 − μ 2 ) R 1 2 ⋅ δ 1 2 где L - суммарная длина любого из составных стержней; b, a - малая и большая полуоси сечения торовой эллиптической оболочки; R1 - радиус срединной поверхности торовой эллиптической оболочки; δ1 - толщина торовой эллиптической оболочки; α1, α2 - коэффициенты линейного расширения материала торовой эллиптической оболочки и стержня соответственно; β - коэффициент объемного расширения термометрической жидкости; µ - коэффициент Пуассона материала торовой эллиптической оболочки; η - коэффициент, учитывающий упругость торовой оболочки в местах ее соединения с цилиндрическими стержнями. 5 ил.

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим поддержку трубы оптического телескопа и позволяющим осуществлять наведение трубы на оптический объект и слежение за этим объектом. Монтировка телескопа включает опору, на которой с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси и закрепления в плоскости полярной оси Р установлена рама, содержащая вал, на котором закреплена вилка. При этом после установки монтировки телескопа ось вращения вала направлена на полюс мира, упомянутая вилка выполнена с возможностью поворота вокруг упомянутого вала посредством двух линейных приводов, закрепленных по обеим сторонам вала между рамой и вилкой. На вилке подвешен телескоп, содержащий механизм поворота вокруг вертикальной оси А и механизм поворота вокруг горизонтальной оси Z. Основание телескопа содержит две полуоси, на которых телескоп подвешен к вилке, а упомянутая вилка жестко соединена с основанием телескопа посредством третьего линейного привода. При горизонтальном положении оси вращения полуосей вилки вертикальная ось телескопа А направлена в зенит места. Технический результат, достигаемый от реализации заявленного решения, заключается в возможности использования телескопа на произвольных географических широтах северного и южного полушария за счет поворота вокруг горизонтальной оси и закрепления в плоскости полярной оси рамы; в обеспечении меньших динамических нагрузок на оптическую систему и приводит к большей стабильности качества изображения благодаря тому, что поворот осуществляется двумя линейными приводами, осуществлена разгрузка вилки и всей конструкции телескопа; в обеспечении плавности и контролируемой точности поворота вилки монтировки и телескопа при работе в экваториальном режиме благодаря тому, что для поворота применяются линейные приводы. Конструкция комбинированной монтировки телескопа совмещает в себе преимущества азимутальной и экваториальной монтировок. При этом переход от одного режима в другой происходит быстро, скорость перехода зависит только от инерции системы, а объект наблюдения остается в поле зрения телескопа. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для больших телескопов с альт-азимутальной монтировкой с телами качения в опоре вращения по азимуту. При реализации способа осуществляют поворот опорно-поворотного устройства телескопа посредством вертикального штыря, который кинематически связан с приводом вращения по азимуту. При вращении штыря с ползучей скоростью концевую подшипниковую опору штыря разгружают в осевом направлении посредством электромагнитного разгрузочного устройства. При осуществлении разгрузки контролируют величину усилия вертикальной разгрузки опорного подшипника последней посредством тензометрических весоизмерительных датчиков. Передают данные измерения от упомянутых датчиков в вычислительное устройство системы управления телескопа и с помощью последней определяют и устанавливают необходимую величину усилия разгрузки опорного подшипника концевой подшипниковой опоры штыря. Изобретение обеспечивает повышение надежности слежения и точности наведения телескопа при обеспечении слежения с ползучей скоростью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и лазерной технике. Мобильный оптический телескоп содержит выполненный с возможностью установки на транспортном средстве кузов-контейнер с агрегатным отсеком, в котором на платформе кузова-контейнера жестко закреплено основание со стойками, зеркальную систему, включающую профилированные зеркала, смонтированную на опорно-поворотном устройстве с взаимно ортогональными осями вращения, приводы вращения и излучатель. Каждый привод вращения выполнен в виде моментного двигателя. Указанный телескоп снабжен последовательно установленными отражающими элементами, образующими лучевод с возможностью прохождения оптического луча от излучателя к зеркальной системе. Решение направлено на повышение эксплуатационных характеристик мобильного оптического телескопа. 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для больших телескопов с альт-азимутальной монтировкой. Опорно-поворотное устройство (ОПУ) содержит основание, вилку с полым штырем, установленную на основании с возможностью поворота относительно азимутальной оси, привод вращения относительно упомянутой оси. Штырь установлен посредством закрепленной на основании регулировочной радиальной подшипниковой опоры, расположенной в верхней части штыря, и концевой подшипниковой опоры (КПО), расположенной в нижней части штыря. КПО с возможностью ограниченного перемещения вдоль продольной оси, которая геометрически совмещена с азимутальной осью, соединена со сферической пятой, взаимодействующей с подпятником, установленным на основании. ОПУ снабжено электромагнитным разгрузочным устройством (ЭМРУ) с возможностью обеспечения заданной разгрузки КПО в осевом направлении и системой контроля и управления величиной разгрузки КПО. Изобретение обеспечивает повышение точности наведения телескопа при обеспечении слежения с ползучей скоростью. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве опорного устройства для космического аппарата при проведении его наземных испытаний. Опорное устройство содержит нижнее основание с регулируемыми по высоте винтовыми опорными узлами, устанавливаемое на него верхнее основание для установки испытуемого объекта, снабженное шестью регулируемыми подвижными узлами, выполненными с равномерным расположением парами по периметру верхнего основания и опирающимися шарами на рабочую поверхность нижнего основания, винтовыми тягами со стопорными гайками. Верхнее основание выполнено размером, меньшим размера нижнего основания, каждый его регулируемый подвижный узел выполнен в виде полого цилиндра с опорной плитой сверху и с резьбой на наружной цилиндрической поверхности для взаимодействия с резьбой, выполненной на внутренней части цилиндрической полости верхнего основания и снабженной стопорной гайкой над элементом вращения инструментом, ниже которого выполнена резьбовая заглушка с центральным отверстием для сопряженного с ним по периметру наружного выступа части шара. Технический результат заключается в расширении области применения устройства, повышении надежности работы при длительной эксплуатации, возможности уменьшения веса и повышении точности регулировки осей испытуемого объекта в процессе испытаний КА и его составных частей. 4 ил.
Наверх