силовая ферма космического телескопа
Классы МПК: | G02B23/16 корпуса; крышки; оправы; подставки, например с противовесами |
Автор(ы): | Шайда Анатолий Николаевич (RU), Стратилатов Николай Ремирович (RU), Кирилин Александр Николаевич (RU), Ахметов Равиль Нургалиевич (RU), Максимов Сергей Валентинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-03-03 публикация патента:
27.04.2011 |
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.
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-18.jpg)
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-19.jpg)
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-20.jpg)
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-21.jpg)
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-22.jpg)
![силовая ферма космического телескопа, патент № 2417389](/images/patents/43/2417389/2417389-23.jpg)
Формула изобретения
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; 1,
2 - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца;
ст - коэффициент линейного расширения материала стержня;
H1, H2 - толщины слоев материалов биметаллического кольца;
E1, E 2 - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца; - длины продольных прорезей шириной Шi;
где ri - радиусы срединной поверхности составного стержня; i - толщины составного стержня;
i=1, 2; - коэффициент, учитывающий упругость стержней в местах их соединения с биметаллическим кольцом.
Описание изобретения к патенту
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;
1,
2 - коэффициенты линейного расширения материалов биметаллического кольца,
1>
2;
Н1, Н2 - толщины активного и пассивного слоев материалов биметаллического кольца;
Е1, Е2 - модули упругости первого рода материалов биметаллического кольца;
ст - коэффициент линейного расширения материала составного цилиндрического стержня;
- длины продольных прорезей в составных цилиндрических стержнях шириной Шi;
где ri - радиусы срединной поверхности составного цилиндрического стержня;
i - толщины стенок составного цилиндрического стержня.
i=1, 2;
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 1,
2 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 1 и превосходит коэффициент линейного расширения
2 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<Т 0) перепада температуры t=Т-T0 длины l1, l2 каждого составного цилиндрического стержня 1, 2, 3 удлиняются (укорачиваются) на величины
l1,
l2, а биметаллическое кольцо 7, проворачиваясь на угол
, перемещает свои края на величину
K в направлении, противоположном сумме удлинений
L=
l1+
l2.
Величины l1,
l2 зависят от действия температуры, длины, материала, геометрических характеристик поперечного сечения составных цилиндрических стержней 1, 2, 3. Величина
K 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.
K=
·c·sin
·c·
,
где c=b-a - ширина биметаллического кольца;
- коэффициент, учитывающий упругость составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 в местах их соединения с биметаллическим кольцом 7;
- 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) -
=1, а при отсутствии прорезей по отношению к биметаллическому кольцу стержней, в приближенных расчетах можно принять
=0,5.
Для определения K 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
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 и перемещения вследствие поворота сечения вокруг точки О -
.
=у·
.
Радиальное перемещение точки А равно
+у·
,
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 1 и
2 и исключая
, определяем
Очевидно, что будет наибольшим, если
Тогда
Подставляя в выражение для K значение
max, определяем
K=
·c·
max
При действии перепада температур t суммарные значения удлинения (укорочения) цилиндрических стержней равны
L=(l1·
ст·
t+l2·
ст·
t)=(l1+l2)
ст
t
где l1, l2 - длины составных цилиндрических стержней
ст - коэффициент линейного расширения материала стержней.
Приравниваем значения выражений
L=
K
Определяем соотношение геометрических размеров составных цилиндрических стержней 1, 2, 3 биметаллического кольца 7 и физико-механических характеристик применяемых материалов.
и, введя обозначение l1+l 2=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.
Класс G02B23/16 корпуса; крышки; оправы; подставки, например с противовесами