RU2749468C1

RU2749468C1 - Adapter for several payloads in the form of a shell made of polymer composite materials

Info

Publication number: RU2749468C1
Application number: RU2020141538A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Склезнёв; Александр Николаевич Палкин; Вячеслав Николаевич Борисов; Антон Александрович Бабичев
Original assignee: Акционерное общество "Центр перспективных разработок"
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-06-11

Abstract

FIELD: aviation; rocket and space technology.SUBSTANCE: invention relates to shell structures; it can be used in products of aviation and rocket and space technology. The adapter is a load-bearing rigid mesh structure made of spiral, annular, longitudinal ribs and frames, made of unidirectional polymer composite material. It has at least two support platforms for placing independent payloads (hereinafter – PL), inclined relatively to the support plane by 1-15° and fixed on identical conical shells of rotation with axes deflected by 30-60° from the central axis. The adapter does not require a separate support platform for the PL and the PL deflection mechanisms.EFFECT: technical result is a reduction in the weight of the adapter, an increase in its strength, manufacturability and reliability of the design.5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для закрепления полезных нагрузок (ПН) на ракетах-носителях (РН), одновременно являясь адаптером ПН РН и может быть использовано в ракетно-космической технике при групповом (одновременном) запуске нескольких, по меньшей мере двух, полезных нагрузок одной ракетой-носителем.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to devices for securing payloads (PN) on launch vehicles (LV), at the same time being an adapter PN LV and can be used in rocket and space technology with a group (simultaneous) launch of several, at least two, payloads with one launch vehicle.

Такой адаптер может быть использован на любом типе РН когда несколько ПН должны располагаться под одним обтекателем головной части РН. При групповом запуске нескольких ПН существует проблема их размещения в зоне пространства под обтекателем головной части РН и отсутствия соударений ПН между собой при их выводе отделении от адаптера РН во время вывода на расчетную орбиту.Such an adapter can be used on any type of launch vehicle when several launch vehicles must be located under one fairing of the launch vehicle head. When several launch vehicles are launched in a group, there is a problem of their placement in the space zone under the fairing of the launch vehicle head and the absence of impacts between the launch vehicles during their launch and separation from the launch vehicle adapter during launch into the design orbit.

В эксплуатации уже находятся средства, обеспечивающие возможность транспортирования одной РН нескольких искусственных спутников и их последующего отделения от нее. Однако такие средства либо предназначены для относительно большого количество небольших по размеру и массе ПН, либо используют в своей конструкции жесткую массивную опорную платформу для размещения на ней отдельных ПН. Другим решением является последовательное размещение ПН одной на другой в оси РН и их последовательное разделение. Вместе с тем, в случае необходимости выведения нескольких полезных нагрузок большой массы и относительно больших габаритных размеров, в частности высоты, ни одно из известных решений не позволяет полностью исключить опасность взаимного столкновения полезных нагрузок при достаточном уровне надежности успешной отстыковки и минимума массы адаптера полезной нагрузки.Means are already in operation that provide the possibility of transporting one launch vehicle of several artificial satellites and their subsequent separation from it. However, such means are either intended for a relatively large number of small-sized and mass-produced PSs, or they use a rigid massive support platform in their design to accommodate individual PSs on it. Another solution is the sequential placement of PNs one on top of the other in the LV axis and their sequential separation. At the same time, if it is necessary to launch several payloads of large mass and relatively large overall dimensions, in particular, height, none of the known solutions can completely eliminate the danger of mutual collision of payloads with a sufficient level of reliability of successful undocking and a minimum mass of the payload adapter.

Известны стыковочные устройства для крепления ПН на опорную плиту патент РФ 2238888 (МПК B64G 1/64, 1/22, 2004) и патент РФ 2155146 (МПК 1/00, 1/10, 1/64, F42B 12/60, 1996), с приводящимися механическим способом в наклонное положение опорными площадками ПН.Known docking devices for attaching PN to the base plate RF patent 2238888 (IPC B64G 1/64, 1/22, 2004) and RF patent 2155146 (IPC 1/00, 1/10, 1/64, F42B 12/60, 1996) , with mechanically inclined support platforms of the PN.

Указанные стыковочные устройства представляют собой опорную часть, которая может быть жестко прикреплена к несущей конструкции; наклонную часть, подсоединенную к опорной части или к несущей конструкции с помощью шарнирных средств; средства управления наклоном, установленные между наклонной частью и опорной частью или несущей конструкцией, с тем чтобы автоматически привести наклонную часть в положение отделения полезной нагрузки посредством поворота вокруг шарнирных средств в течение освобождения удерживающих средств. Каждая из полезных нагрузок помещена на несущей конструкции, которая обычно выполнена в форме круглой опорной плиты, посредством отдельного адаптераThese docking devices are a supporting part that can be rigidly attached to the supporting structure; an inclined part connected to the supporting part or to the supporting structure by means of hinge means; tilt controls provided between the ramp and the support or support structure so as to automatically bring the ramp to a payload separation position by pivoting about the hinge means during the release of the retaining means. Each of the payloads is placed on a supporting structure, which is usually in the form of a circular base plate, by means of a separate adapter.

Недостаток данных устройств состоит в том, что при их использовании механизм управления наклоном создает для ПН дополнительные нагрузки ударного характера при штатном срабатывании, что создает дополнительную опасность для тяжелых искусственных спутников, содержащих хрупкие элементы. В составе такого стыковочного устройства обязательно присутствует жесткая, прочная (и соответственно - тяжелая) опорная плита. Кроме этого, данные механизмы отклонения должны успешно воспринимать и передавать все нагрузки, испытываемые РН в процессе эксплуатации и транспортирования, а значит, они должны быть жесткими и прочными, а как следствие - отбирать значительную массу у ПН. Вредное влияние такого увеличения веса вспомогательных систем тем больше, чем большее количество независимых ПН должно быть выведено в расчетные точки вывода.The disadvantage of these devices is that when they are used, the tilt control mechanism creates additional shock loads for the PN during normal operation, which creates an additional danger for heavy artificial satellites containing fragile elements. As part of such a docking device, there is necessarily a rigid, strong (and, accordingly, heavy) base plate. In addition, these deflection mechanisms must successfully perceive and transmit all the loads experienced by the launch vehicle during operation and transportation, which means that they must be rigid and durable, and as a result, take a significant mass from the launch vehicle. The harmful effect of such an increase in the weight of auxiliary systems is the greater, the greater the number of independent PS should be brought to the calculated output points.

Известны адаптеры полезной нагрузки патент РФ 2189907 (МПК В32В 3/12, 1/22, 2000), патент РФ 2148496 (МПК В32В 3/12, 1/22, 1999), патент РФ 2483927 (МПК В32В 3/12, F02K 9/32, 2011), предназначенные для использования в конструкции изделий авиационной и ракетно-космической техники для размещения полезной нагрузки.Known payload adapters RF patent 2189907 (IPC В32В 3/12, 1/22, 2000), RF patent 2148496 (IPC В32В 3/12, 1/22, 1999), RF patent 2483927 (IPC В32В 3/12, F02K 9 / 32, 2011), intended for use in the design of products of aviation and rocket and space technology to accommodate the payload.

Указанные адаптеры представляют собой осесимметричные тонкостенные оболочки вращения конической формы, образованные из металлических элементов или множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев однонаправленного полимерного композиционного материала.These adapters are axisymmetric thin-walled conical-shaped shells of revolution formed from metal elements or by a plurality of intersecting spiral and annular ribs from layers of a unidirectional polymer composite material.

Недостаток данных устройств - невозможность одновременного размещения нескольких относительно тяжелых и относительно габаритных полезных нагрузок без использования вспомогательной тяжелой, жесткой и прочно опорной плиты.The disadvantage of these devices is the impossibility of simultaneously placing several relatively heavy and relatively large payloads without the use of an auxiliary heavy, rigid and strong base plate.

В результате анализа патентной и научно-технической информации в качестве прототипа заявляемого устройства принято техническое решение по патенту РФ 2350818 (МПК F16L 9/12, В32В 3/12, 2007). (регистрационный номер заявки №2007112335/06 от 04.04.2007, страна приоритета Россия) в котором описано устройство «Адаптера в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов». Данный адаптер полезной нагрузки служит для удержания на одной РН одной полезной нагрузки или одной опорной платформы для размещения нескольких полезных нагрузок. Адаптер относится к области машиностроения, в частности к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов, и может быть использовано при создании корпусов или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике. Технический результат достигается тем, что адаптер в виде сетчатой оболочки конической формы из композиционных материалов содержит верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, кольцевых и продольных ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами.As a result of the analysis of patent and scientific and technical information as a prototype of the claimed device, a technical decision was made under the patent of the Russian Federation 2350818 (IPC F16L 9/12, B32B 3/12, 2007). (application registration number No. 2007112335/06 dated 04.04.2007, priority country Russia) which describes the device "Adapter in the form of a mesh shell of rotation of a conical shape made of polymer composite materials". This payload adapter is used to support one payload on one launch vehicle or one support platform to accommodate several payloads. The adapter belongs to the field of mechanical engineering, in particular to shell structures made of polymer composite materials, and can be used to create hulls or adapter compartments for aircraft used in rocket and aviation technology. The technical result is achieved in that the adapter in the form of a conical mesh shell made of composite materials contains upper and lower annular shelves with a plurality of intersecting spiral, annular and longitudinal ribs made of unidirectional polymer fibers and power elements made of laminated plastic, bonded layer by layer with ribs.

Основным недостатком данного адаптера, как и у перечисленных выше по сравнению с предлагаемым изобретением, является невозможность одновременного размещения нескольких относительно тяжелых и относительно габаритных полезных нагрузок без использования вспомогательной тяжелой, жесткой и прочно опорной плиты.The main disadvantage of this adapter, as well as those listed above in comparison with the proposed invention, is the impossibility of simultaneous placement of several relatively heavy and relatively large payloads without the use of an auxiliary heavy, rigid and strong base plate.

Изобретение относится к адаптеру, предназначенному для установки между разгонным блоком, приборным отсеком или последней ступенью РН и каждой из независимых полезных нагрузок, чтобы обеспечить транспортирование и успешную отстыковку без соударений по меньшей мере двух рядом расположенных относительно больших и тяжелых полезных нагрузок.The invention relates to an adapter designed to be installed between the upper stage, the instrument compartment or the last stage of the launch vehicle and each of the independent payloads to ensure the transportation and successful collision-free undocking of at least two adjacent relatively large and heavy payloads.

Задачами (целями) предлагаемого устройства поворотной платформы для крепления ПН являются:The tasks (goals) of the proposed device for the rotary platform for mounting the PN are:

- исключение нагрузок ударного характера, возникающих при установке платформы крепления ПН в наклонное положение для последующего отделения ПН, как в начале разворота поворотной части платформы, так и в конечный момент ее разворота при обеспечении необходимой жесткости установки платформы на адаптер (или другую несущую конструкцию например, опорную плиту);- elimination of shock loads arising when installing the mounting platform of the PN in an inclined position for the subsequent separation of the PN, both at the beginning of the turning of the rotary part of the platform, and at the final moment of its turn, while ensuring the necessary rigidity of the platform installation on the adapter (or other supporting structure, for example, base plate);

- минимизация массы конструкции адаптера полезных нагрузок;- minimizing the mass of the payload adapter structure;

- обеспечение надежности фиксации ПН в точно заданном угле наклона (в пределах допусков), необходимом для отделения ПН.- ensuring the reliability of fixing the PN in a precisely specified angle of inclination (within the tolerances) required for the separation of the PN.

Отличительными особенностями адаптера по предложенному техническому решению являются следующие признаки: - исполнение в виде интегральной сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов; - наличие нескольких площадок крепления ПН и их наклон относительно опорной плоскости крепления адаптера к РН в пределах 1-15°.Distinctive features of the adapter according to the proposed technical solution are the following features: - execution in the form of an integral mesh shell made of polymer composite materials; - the presence of several sites for the attachment of the LV and their inclination relative to the reference plane of attachment of the adapter to the LV within 1-15 °

Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат получения конструкции адаптера минимальной массы, повышенной жесткости, прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, расчетов и опытно-экспериментальных работ, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций адаптеров, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалиста, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию «изобретательский уровень».A single set of new and common known essential features allows us to solve the problem and achieve a new technical result of obtaining an adapter design of minimum weight, increased rigidity, strength and reliability, which characterizes the proposed technical solution by significant differences from the prior art, analogs and prototype. The new technical solution is the result of analytical research, calculations and experimental work, creative contribution to the development and creation of new modifications of adapters, obtained without using standards or any recommendations in this field of technology, is original, not obvious to a specialist, in the aggregate of new and common known essential features meets the criterion of "inventive step".

Указанные отличительные признаки адаптера являются существенными, гак как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.These distinctive features of the adapter are essential, since each of them individually and jointly is aimed at solving the problem and achieving a new technical result.

Краткая сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.A brief summary of the invention is illustrated in FIG. 1-5.

Заявленный Адаптер для нескольких полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов, показанный на фиг. 1, содержит спиральные 1, кольцевые 2, продольные 3 ребра и шпангоуты 4, 5.The claimed adapter for multiple payloads in the form of a mesh shell made of polymer composite materials, shown in FIG. 1, contains spiral 1, annular 2, longitudinal 3 ribs and frames 4, 5.

К верхним торцевым шпангоутам кругового сечения прикрепляется полезная нагрузка 6, соединение с ракетой-носителем осуществляется через нижний торцевой шпангоут кругового сечения 4.The payload 6 is attached to the upper end frames of the circular cross section, the connection to the launch vehicle is carried out through the lower end frame of the circular cross section 4.

На фиг. 2 изображен вид сверху на Адаптер для двух полезных нагрузок. Показаны круговые сечения торцевых шпангоутов 4.FIG. 2 is a top view of the Dual Payload Adapter. Shown are the circular sections of the end frames 4.

Фиг. 3 показывает отклонение оси симметрии наклонных конических сетчатых оболочек вращения относительно оси симметрии Адаптера для нескольких полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов величиной 30-60°, а также наклон площадок для размещения полезной нагрузки величиной 1-15° относительно горизонтальной плоскости.FIG. 3 shows the deviation of the axis of symmetry of inclined conical mesh shells of revolution relative to the axis of symmetry of the Adapter for several payloads in the form of a mesh shell made of polymer composite materials with a size of 30-60 °, as well as the inclination of platforms for placing a payload of 1-15 ° relative to the horizontal plane.

На фиг. 4 изображен Адаптер для трех полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов.FIG. 4 depicts an Adapter for three payloads in the form of a mesh polymer composite shell.

На фиг. 5 изображен Адаптер для трех полезных нагрузок в виде сетчатой оболочки из полимерных композиционных материалов.FIG. 5 shows an Adapter for three payloads in the form of a mesh polymer composite shell.

Функционирование адаптера в виде сетчатой оболочки из композиционных материалов заключается в одновременном подключении к работе всех пересекающихся спиральных, кольцевых и продольных ребер 1-3, выполненных из перекрещивающихся спиральных, кольцевых и продольных лент из однонаправленного полимерного композиционного материала.The functioning of the adapter in the form of a mesh shell made of composite materials consists in the simultaneous connection to the operation of all intersecting spiral, circular and longitudinal ribs 1–3, made of intersecting spiral, circular and longitudinal ribbons of a unidirectional polymer composite material.

Расчеты, проведенные авторами, проектирование и испытание макетного образца устройства показывают значительную эффективность предложенного технического решения для крепления ПН в части: - массовых характеристик - исключение массы опорной платформы и объединение силовых конструкций наклонных площадок и адаптера ПН в единую конструкцию;The calculations carried out by the authors, the design and testing of the prototype of the device show the significant efficiency of the proposed technical solution for fixing the PN in terms of: - mass characteristics - elimination of the mass of the support platform and the unification of the load-bearing structures of the inclined platforms and the adapter of the PN into a single structure;

- технологичности - изготовление конструкции изобретения автоматизированными методами непрерывной мокрой намотки в виде интегральной конструкции с минимальным количеством механических соединений-интерфейсов;- manufacturability - manufacture of the structure of the invention by automated methods of continuous wet winding in the form of an integral structure with a minimum number of mechanical connections-interfaces;

- жесткостные характеристики (минимальные запасы по первым модам) собственных частот изделия, а также запасы прочности для типовых нагрузок не уступают аналогичным характеристикам известных адаптеров ПН представляющих собой правильный цилиндр и правильный усеченный конус.- the stiffness characteristics (minimum reserves for the first modes) of the natural frequencies of the product, as well as the safety margins for typical loads, are not inferior to those of the known PN adapters, which are a regular cylinder and a regular truncated cone.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и позволяет существенно снизить массу самого устройства, исключить ударные нагрузки на ПН в виду отсутствия операции разворота ПН при обеспечении необходимых жесткости и прочности изделия, повысить технологичность изготовления за счет применения автоматизированных технологических процессов интегральной конструкции, повысить надежность изделия за счет исключения большого количества механических соединений и механизмов разведения или наклона полезной нагрузки.The claimed device, in comparison with the prototype, has significant differences and allows to significantly reduce the weight of the device itself, to eliminate shock loads on the PN due to the absence of the PN reversal operation while ensuring the required rigidity and strength of the product, to improve manufacturability through the use of automated technological processes of an integral structure, to increase reliability products by eliminating a large number of mechanical connections and mechanisms for spreading or tilting the payload.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.Thus, the proposed technical solution in terms of design is new and effective in comparison with the prior art.

Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной намотки по известным технологиям.The proposed invention can be implemented on standard equipment using the method of automated winding according to known technologies.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле, чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.The scope of the invention should be understood broader than the specific implementation given in the description, claims, drawings. It should be borne in mind that the embodiment of the invention is only possible preferred variants of its implementation, there may be various combinations in relation to the shape, size and location of individual elements, if all this does not go beyond the scope of the technical solution set forth in the claims.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в адаптерах в виде сетчатых оболочек для летательных аппаратов, может быть использовано в других областях техники, где требуется применение сетчатой оболочки из композиционных материалов, повышенной жесткости, прочности и надежности, и других свойств, описанных в материалах заявки.In addition, the proposed technical solution is not limited to its use in adapters in the form of mesh shells for aircraft, it can be used in other fields of technology where the use of a mesh shell made of composite materials, increased rigidity, strength and reliability, and other properties described in application materials.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.The new technical solution in the proposed set of new and common known essential features also meets the criterion of "industrial applicability", i.e. level of invention.

Claims

1. A payload adapter in the form of a mesh shell made of polymer composite materials, mounted on a launch vehicle, for the simultaneous placement of at least two independent payloads, containing several areas of circular cross-section, having an inclination relative to the reference plane within 1-15 °, and made in the form of an integral mesh shell containing the upper and lower annular flange flanges, as well as a plurality of intersecting spiral, annular and longitudinal ribs made of unidirectional polymer composite material.

2. An adapter according to claim 1, designed to accommodate three payloads at the same time.

3. An adapter according to claim 1, designed to accommodate four payloads at the same time.

4. Adapter according to any one of paragraphs. 1-3, the end shelves of which are made with the use of metal embedded parts.

5. Adapter according to any one of paragraphs. 1-4, composed of several, in terms of the number of payloads, identical in shape to conical shells of revolution with an inclined axis of rotation within 30-60 ° relative to the axis of rotation of a regular cone, mechanically connected through frames.