Трехслойная панель

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть применено в ракетно-космической технике. Технический результат заключается в создании сверхлегких каркасов солнечных батарей, элементов конструкции космических аппаратов, обладающих требуемой прочностью и жесткостью. Трехслойная панель состоит из обшивок и расположенного между ними ячеистого каркаса, полученного из тонких плоских элементов, соединенных между собой и с обшивками, которая выполнена в виде фрагмента поверхности вращения, образованного вращением прямолинейной или криволинейной образующей вокруг оси вращения, при этом плоские элементы, расположенные в меридиональном направлении, установлены с угловым смещением базирующих их меридиональных плоскостей относительно оси вращения, плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены с линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть применено в ракетно-космической технике. Преимущественная область использования изобретения - сверхлегкие каркасы солнечных батарей и элементы конструкций космических аппаратов, представляющих собой поверхности вращения прямолинейных или криволинейных образующих поверхности вокруг оси вращения.

Создание трехслойной панели, являющейся каркасом для солнечных батарей или элементом корпуса космического аппарата, представляющего собой фрагмент поверхности вращения прямолинейных или криволинейных образующих вокруг оси вращения или имеющей форму близкую к этим элементам и устанавливаемую на него с одновременным выполнением требований по несущей способности, жесткости и минимально возможной массе панели является технически сложной задачей.

Известна трехслойная панель, применяемая как конструкционный элемент искусственного спутника или космической станции, состоящая из тонких обшивок из пластика на основе угольных, стеклянных или органических волокон, соединенных с поверхностями сотового заполнителя, изготовленного из алюминия или бумаги Nomex или углепластика (патент США №6743497, опубликованный 01.06.2004).

Недостатком известной конструкции панели является использование сотового заполнителя, имеющего относительно высокую плотность, что обуславливает значительную массу панели.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является трехслойная панель плоской формы, применяемая в качестве каркаса солнечной батареи космического аппарата, содержащая плоские тонкие обшивки, соединенные с ячеистым заполнителем, представляющим собой каркас, состоящий из соединенных между собой плоских элементов, расположенных вертикально и образующих замкнутые ячейки треугольной, прямоугольной или квадратной формы, а обшивки соединены с каркасом по торцам ячеек заполнителя (патент РФ №2559474, опубликованный 10.08.2015). Обшивки трехслойной панели и плоские элементы, образующие замкнутые ячейки каркаса могут быть выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика и могут быть выполнены как сплошными, так и с вырезами, подобными ячейкам каркаса, а также могут иметь локальные накладки из тонкого углепластика, стеклопластика или органопластика.

Недостатком известной конструкции является плоская форма панели, ограничивающая варианты установки солнечных батарей на элементы конструкции космического аппарата, представляющих собой фрагмент поверхности вращения, образованной прямолинейными или криволинейными образующими вокруг оси вращения или имеющие формы близкие к этим элементам и устанавливаемые на них, что приводит к увеличению габаритов космического аппарата и его массы.

Изобретение решает задачу по созданию сверхлегких каркасов солнечных батарей, элементов конструкции космических аппаратов, обладающих требуемой прочностью и жесткостью.

Сущность изобретения заключается в следующем:

1. Трехслойная панель, состоящая из обшивок и расположенного между ними ячеистого каркаса, полученного из тонких плоских элементов, соединенных между собой и с обшивками, отличающаяся тем, что панель выполнена в виде фрагмента поверхности вращения, образованного вращением прямолинейной или криволинейной образующей вокруг оси вращения, при этом плоские элементы, расположенные в меридиональном направлении, установлены с угловым смещением базирующих их меридиональных плоскостей относительно оси вращения, плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены с линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения.

2. Трехслойная панель по п.1, отличающаяся тем, что обшивки выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика.

3. Трехслойная панель по пп.1, 2, отличающаяся тем, что плоские элементы выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика или материала на основе полимерной бумаги типа Nomex.

4. Трехслойная панель по пп.1-3, отличающаяся тем, что обшивки имеют переменную толщину в меридиональном и/или окружном направлении.

5. Трехслойная панель по пп.1-4, отличающаяся тем, что плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены по нормалям к образующей.

6. Трехслойная панель по пп.1-5, отличающаяся тем, что плоские элементы имеют переменную толщину в меридиональном и/или окружном направлении.

7. Трехслойная панель по пп.1-6, отличающаяся тем, отдельные ячейки каркаса могут содержать дополнительные плоские элементы, установленные в меридиональном и/или осевом направлениях и/или по диагонали ячеек.

8. Трехслойная панель по пп.1-7, отличающаяся тем, что в обшивках выполнены вырезы подобные ячейкам каркаса.

9. Трехслойная панель по пп.1-8, отличающаяся тем, что в плоских элементах выполнены вырезы круглой, квадратной, прямоугольной, трапециевидной формы или их комбинации.

10. Трехслойная панель по пп.1-9, отличающаяся тем, что обшивки имеют локальные накладки.

11. Трехслойная панель по п.10, отличающаяся тем, что локальные накладки выполнены из углепластика, стеклопластика, органопластика, алюминия или титана.

12. Трехслойная панель по пп.10-11, отличающаяся тем, что локальные накладки имеют вырезы подобные ячейкам каркаса.

Плоские элементы, образующие каркас, могут быть выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или материала на основе полимерной бумаги Nomex и могут иметь вырезы квадратной, прямоугольной, трапециевидной, круглой формы или их комбинаций, позволяющие максимально снизить массу трехслойной панели при сохранении ее несущей способности и жесткости

Выбор материала обшивок, локальных усилений и плоских элементов, образующих каркас, форма плоских элементов, обуславливается предъявляемыми к трехслойной панели требованиями по несущей способности, жесткости, ударной прочности, стойкости к агрессивной среде, массе, стоимости и простоте изготовления (в том числе механической обработки).

Отличия предлагаемой трехслойной панели от известной способствуют к уменьшению габаритов каркасов солнечных батарей и элементов конструкций космических аппаратов и, соответственно, их массы.

На фиг.1 представлен общий вид трехслойной панели со сплошными наружной 1 и внутренней 2 обшивками, представляющими собой фрагмент поверхности вращения, образованной прямолинейной образующей вокруг оси вращения, имеющей одинаковую толщину и каркасом из замкнутых ячеек трапециевидной формы, образованный сплошными плоскими элементами одинаковой толщины и высоты, в котором плоские элементы, расположенные в меридиональном направлении 3, установлены в меридиональных плоскостях с одинаковым угловым смещением между меридиональными плоскостями относительно оси вращения, а плоские элементы, расположенные в окружном направлении 4, установлены с одинаковым линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения.

На фиг.2 представлен общий вид трехслойной панели с наружной 1 и внутренней 2 обшивками, представляющими собой фрагмент поверхности вращения прямолинейной образующей вокруг оси вращения, толщины которых изменяются в меридиональном направлении, на обшивки установлены локальные накладки 5 и в обшивках и накладках выполнены вырезы трапециевидной формы, каркас из замкнутых ячеек трапециевидной формы образован плоскими элементами 3, установленными в меридиональных плоскостях с различными угловыми смещениями между меридиональными плоскостями относительно оси вращения которые изменяются по толщине и высоте, и плоскими элементами 4, расположенными в окружном направлении которые отличаются друг от друга по толщине и высоте и установлены с различным линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения.

На фиг.3 представлен общий вид трехслойной панели с наружной 1 и внутренней 2 обшивками, представляющими собой фрагмент поверхности вращения прямолинейной образующей вокруг оси вращения, имеющие одинаковые толщины и каркасом из замкнутых ячеек трапециевидной формы, на обшивки установлены локальные накладки 5 и в обшивках и накладках выполнены вырезы трапециевидной формы, каркас из замкнутых ячеек трапециевидной формы, образован плоскими элементами 3, установленными в меридиональных плоскостях с различными угловыми смещениями между меридиональными плоскостями относительно оси вращения, которые изменяющиеся по длине элементов по толщине и высоте, и плоскими элементами 4, расположенными в окружном направлении отличающиеся друг от друга по толщине и высоте и установленные с различным линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения, отдельные ячейки каркаса содержат дополнительные плоские элементы 6 и 7, установленные в меридиональном и осевом направлениях и плоские элементы 8, установленные по диагоналям ячеек каркаса.

На фиг.4 представлен общий вид трехслойной панели с наружной 1 и внутренней 2 обшивками, представляющими собой фрагмент поверхности вращения криволинейной образующей вокруг оси вращения, толщины которых изменяются в меридиональном направлениях, каркас из замкнутых ячеек трапециевидной формы образован плоскими элементами 3, установленными в меридиональных плоскостях с одинаковыми угловыми смещениями между меридиональными плоскостями относительно оси вращения, которые изменяются по толщине и высоте и имеют вырезы прямоугольной формы со скругленными углами, и плоскими элементами 4, расположенными в окружном направлении, отличающимися друг от друга по толщине и высоте и установленными с по нормали к образующей с одинаковым линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения, в которых выполнены вырезы трапециевидной формы со скругленными углами.

Реализация предложенного технического решения позволяет получить трехслойную панель, представляющую собой фрагмент поверхности вращения прямолинейной или криволинейной образующей поверхности вокруг оси вращения, обладающую требуемой прочностью и жесткостью при минимально возможной массе, используемую в качестве каркаса солнечной батареи или элемента конструкций космического аппарата, представляющего собой фрагмент поверхности вращения прямолинейной или криволинейной образующей вокруг оси вращения или имеющей форму близкую к этим элементам или устанавливаемого на него.

Таким образом, техническое решение, описанное выше, по конструктивному исполнению является новым в конструктивном и технологическом отношении и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем конкретное выполнение, приведенное в описании и формуле. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет возможные предпочтительные варианты его осуществления. В отношении формы, размеров, количества и расположения отдельных элементов могут быть различные варианты, если все это не выходит за пределы объема, изложенные в пунктах формулы.

Кроме этого, предложенное техническое решение может быть использовано в других областях техники, где требуются сверхлегкие каркасы и элементы конструкций аппаратов различного назначения, представляющие собой фрагменты поверхностей, образованных вращением прямолинейных или криволинейных образующих поверхностей вокруг оси вращения, обладающие требуемой прочностью и жесткостью при минимально возможной массе.

Наилучшие массовые характеристики трехслойной панели, представляющей собой фрагмент поверхности, образованного вращением прямолинейной образующей вокруг оси вращения, были получены при использовании для обшивок и накладок одно- и двухслойного пластика на основе углеродной ткани и связующего на основе эпоксидной смолы. Причем верхняя и нижняя обшивки и локальные накладки имели вырезы трапециевидной формы, подобные ячейкам каркаса. Ячейки каркаса были образованы плоскими элементами, полученными из одно- и двухслойного пластика на основе углеродной ткани и связующего на основе эпоксидной смолы. Плоские элементы установлены в меридиональных плоскостях с различными угловыми смещениями между меридиональными плоскостями относительно оси вращения и изменяются по длине, по толщине и высоте и имеют трапециевидные вырезы со скругленными углами. Плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены с различным линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения и отличаются друг от друга по толщине и высоте и имеют трапециевидные вырезы со скругленными углами.

Предложенное техническое решение позволило получить трехслойную панель с размерами 1200×1200×(40/20) мм и массой 1000 г.

1. Трехслойная панель, состоящая из обшивок и расположенного между ними ячеистого каркаса, полученного из тонких плоских элементов, соединенных между собой и с обшивками, отличающаяся тем, что панель выполнена в виде фрагмента поверхности вращения, образованного вращением прямолинейной или криволинейной образующей вокруг оси вращения, при этом плоские элементы, расположенные в меридиональном направлении, установлены с угловым смещением базирующих их меридиональных плоскостей относительно оси вращения, плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены с линейным смещением базирующих их параллелей вдоль оси вращения.

2. Трехслойная панель по п.1, отличающаяся тем, что обшивки выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика.

3. Трехслойная панель по пп.1, 2, отличающаяся тем, что плоские элементы выполнены из алюминия, углепластика, стеклопластика или органопластика или материала на основе полимерной бумаги типа Nomex.

4. Трехслойная панель по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что обшивки имеют переменную толщину в меридиональном и/или окружном направлении.

5. Трехслойная панель по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что плоские элементы, расположенные в окружном направлении, установлены по нормалям к образующей.

6. Трехслойная панель по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что плоские элементы имеют переменную толщину в меридиональном и/или окружном направлении.

7. Трехслойная панель по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что отдельные ячейки каркаса могут содержать дополнительные плоские элементы, установленные в меридиональном и/или осевом направлениях и/или по диагонали ячеек.

8. Трехслойная панель по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что в обшивках выполнены вырезы, подобные ячейкам каркаса.

9. Трехслойная панель по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что в плоских элементах выполнены вырезы круглой, квадратной, прямоугольной, трапециевидной формы или их комбинации.

10. Трехслойная панель по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что обшивки имеют локальные накладки.

11. Трехслойная панель по п.10, отличающаяся тем, что локальные накладки выполнены из углепластика, стеклопластика, органопластика, алюминия или титана.

12. Трехслойная панель по любому из пп.10, 11, отличающаяся тем, что локальные накладки имеют вырезы, подобные ячейкам каркаса.