силовая ферма космического телескопа

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 Ш_i;

где r_i - 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 Ш_i;

где r_i - 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 Ш_i (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.