Конструкція перетворюваного об’єму

Реферат: Конструкція перетворюваного об'єму містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер, вихідний патрубок якого заведений до перетворюваного об’єму конструкції через нерухому донну заглушку, що має кріплення до об’єкту застосування. Газовий контейнер виконаний у вигляді нерухомої донної заглушки кюветного типу, наприклад циліндричного або конічного стакана, що гідравлічно щільно з'єднаний по відкритому торцю бокової стінки з крайньою ланкою радіально гофрованої поверхні по підставі конуса з відповідним діаметром. Центри донних заглушок з’єднані між собою через гнучкий напружений тяж змінної нормованої довжини, наприклад через тросик на котушці, вісь якої закріплена до осі мотор-редуктора, що закріплений до нерухомої донної заглушки. UA 82742 U (54) КОНСТРУКЦІЯ ПЕРЕТВОРЮВАНОГО ОБ’ЄМУ UA 82742 U UA 82742 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до задач трансформації оболонок, розміри яких мають бути зменшені на період транспортування або зберігання до розмірів транспортних або утилізаційних контейнерів і може бути використаний для аерокосмічної техніки. Відомі конструкції перетворюваного об'єму (КПО), що використовують м'які несучі оболонки стосовно до будівництва, створення літальних та космічних апаратів [1…5]. Широкому застосуванню таких конструкцій сприяє можливість багаторазової прямої і зворотної трансформації їх поверхонь, проте недостатня жорсткість, необхідність постійного підтримання у внутрішній порожнині надлишкового тиску та низька стійкість матеріалу оболонки до коливань температури і ультрафіолетового випромінювання звужує сферу їх використання в аерокосмічній техніці, а в багатьох випадках робить використання неможливим. Відомі КПО [6…9], створення яких базується на технології ізометричного формоперетворення тонкостінних металевих оболонок, що дозволяє підвищити жорсткість та стійкість конструкції, звільняє від необхідності постійного підтримання у внутрішній порожнині надлишкового тиску. Найбільш близькою до КПО, що заявляється, є тонколистова КПО конічного типу [9], що дозволяє орієнтуватися на досить широкий діапазон типорозмірів і параметрів. Згадана КПО одержується при формоперетворенні замкненої конічної зрізаної оболонки у диск із багаторазовими кільцевими гофрами. Необхідна кількість окремих гофрованих дисків об'єднується за допомогою зварювання по великих і малих підставах в єдину структуру, яка після перетворення під дією надлишкового тиску, що створюється у внутрішньому об'ємі конструкції, одержує форму багатоконусної оболонки потрібних розмірів і конфігурації. Дана КПО потребує зовнішнього до оболонки джерела надлишкового тиску (наприклад балону), що в принципі погіршує питомі лінійні характеристики у співвідношенні з масою конструкції і створює незручності при експлуатації в умовах космосу. Така конструкція не передбачає можливості зворотної трансформації в умовах космосу, задача осьової стабілізації процесу розгортання в ній також не вирішена. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечення сталого процесу прямої та зворотної трансформації КПО в умовах космосу, поліпшення експлуатаційних характеристик конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що в КПО, що містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер, вихідний патрубок якого заведений до перетворюваного об'єму конструкції через нерухому донну заглушку, що має кріплення до об'єкту застосування, згідно з корисною моделлю, газовий контейнер виконаний у вигляді нерухомої донної заглушки кюветного типу, наприклад циліндричного або конічного стакана, що гідравлічно щільно з'єднаний по відкритому торцю бокової стінки з крайньою ланкою радіально гофрованої поверхні по підставі конуса з відповідним діаметром, а центри донних заглушок з'єднані між собою через гнучкий напружений тяж змінної нормованої довжини, наприклад через тросик на котушці, вісь якої закріплена до осі мотор-редуктора, що закріплений до нерухомої донної заглушки, крім того, на підставах гофрованих зрізаних конусів закріплені внутрішні мембранні перетинки, що мають центральні отвори, в яких закріплені втулки, осі яких співпадають з подовжньою віссю конструкції. Крім того, вихідний патрубок газового контейнера приєднаний до закріпленого на оболонці газового контейнера відсічного клапана, рухома частина якого приєднана до важеля, що має на протилежному кінці петльову пастку, що охоплює переріз тросика, що з'єднує донні заглушки, при цьому тросик на ділянці, прилеглій до місця кріплення до котушки з довжиною, що менша за висоту стакана нерухомої донної заглушки, виконаний із локальним, переважно конусоподібним потовщенням. Крім того, внутрішній простір донної заглушки кюветного типу містить конфігуровані перетинки, що газоущільнено закріплені до внутрішньої поверхні донної заглушки і утворюють разом з її оболонкою одну або декілька герметичних порожнин, що сполучуються з внутрішнім об'ємом конструкції перетворюваного об'єму через відсічні клапани, що газоущільнено закріплені в стінках конфігурованих перетинок. Конструкція КПО представлена графічно: Фіг. 1 - в транспортному або законсервованому стані (габаритна схема); Фіг. 2 - в фронтальному розрізі у стані, що наближений до розгорнутого; Фіг. 3 - розміщення допоміжного обладнання нерухомої донної заглушки в плані по перерізу А-А (Фіг.2); Фіг.4 - конструкція нерухомої донної заглушки - вид збоку по перерізу Б-Б (Фіг.3). 1 UA 82742 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Основою показаної на Фіг. 1…4 КПО є гнучка герметична оболонка із тонколистового металу, що утворена ланцюгом зрізано-конусних елементів 1 з радіально гофрованою поверхнею і донними заглушками 2,3 на торцях крайніх ланок, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по периметрах підстав відповідного діаметра. Нерухома донна заглушка 2, що має кріплення 4 до об'єкту застосування КПО, виконана у вигляді стакана (на малюнках показаний циліндричний), діаметр якого співпадає з відповідним діаметром підстави крайньої ланки ланцюга зрізано-конусних елементів 1. Очевидно, що використання конічної форми стакана в ряді практичних випадків може вимагатися необхідністю співпадіння з геометрією стикувального місця космічного апарату. Центри внутрішніх поверхонь донних заглушок 2 і 3 з'єднані між собою через тросик 5, один кінець якого безпосередньо закріплений до рухомої донної заглушки 3, а другий закріплений до осі котушки 6, що закріплена, наприклад, на нерухомих опорах ковзання, до нерухомої донної заглушки 2. Довжина тросика 5 відповідає повздовжньому розміру КПО в розгорнутому стані. Вісь котушки 6 закріплена до осі мотор-редуктора 7, що має в своєму складі мотор-генератор постійного струму і електромагнітне гальмо (стандартна комплектація обладнання, що випускається серійно, наприклад виробництва "Shayang ye industrial" або "King right motor"). Вихідний патрубок 8 газового контейнера кюветного типу 2 приєднаний до закріпленого на оболонці газового контейнера відсічного клапана 9, рухома частина якого приєднана до важеля 10, що має на протилежному кінці петльову пастку 11, що охоплює переріз тросика 5, який на ділянці, прилеглій до місця закріплення до осі котушки 6 з довжиною, що менша за висоту стакана нерухомої донної заглушки 2, виконаний із локальним конусоподібним потовщенням 12, максимальний діаметр якого перевищує мінімальний розмір внутрішнього перерізу петлі пастки 11. По підставах гофрованих зрізано-конусних елементів 1 закріплені внутрішні мембранні перетинки 13, що мають центральні отвори, в яких закріплені втулки 14, осі яких співпадають з подовжньою віссю КПО, а внутрішні діаметри максимально наближені до зовнішнього діаметра тросика 5, аж до умов взаємного ковзаючого руху. Внутрішній простір донної заглушки кюветного типу 2, що вільний від допоміжного обладнання 6,7,9,10,11,12 містить конфігуровані перетинки 15(Фіг.4), які разом з оболонкою донної заглушки 2 утворюють окремі герметичні порожнини, наприклад дві, що симетрично розташовані відносно допоміжного обладнання, як це показано на Фіг. 3, 4. На стінках конфігурованих перетинок 15 газоущільнено закріплені відсічні клапани 16, а на стінках нерухомої донної заглушки 2, що суміжні до герметичних порожнин, що утворені конфігурованими перетинками 15, закріплені заправні штуцери 17 вентильного типу. Вентильний штуцер 18 газоущільнено закріплений на ділянці оболонки нерухомої донної заглушки 2, що обмежує простір розташування допоміжного обладнання 6,7. Вихідним станом до використання КПО є транспортне або очікувальне положення (Фіг. 1), коли подовжній габарит конструкції складається з висоти стакана нерухомої донної заглушки 2 та сумарної товщини гофрованих дисків, що попередньо формоперетворені з зрізано-конусних елементів 1, що показані на Фіг.2 після зворотної трансформації. Оскільки товщина гофрованого диску має порядок глибини формованого ребра, яка для тонколистових матеріалів може витримуватися на рівні 3…5 мм, то співвідношення подовжніх габаритів конструкції у вихідному (Фіг.1) і розгорнутому (Фіг.2) стані (коефіцієнт трансформації КПО) може досягати пріоритетних значень: Ктр= 50…60. Розгортання КПО забезпечується надлишковим тиском газу (переважно хімічно інертного, наприклад азоту) розрахунковими кількостями якого постачаються гермооб'єми конструкції через заправні штуцери 17 і 18 в процесі доексплуатаційної підготовки. При цьому, тиск в гермооб'ємах, що утворені конфігурованими перетинками 15 має витримуватись на рівні або вище рівня нормального атмосферного, а тиск в основному об'ємі КПО, де знаходиться допоміжне обладнання 6,7, переважно може встановлюватись на рівні, що нижче атмосферного, чим спрощується задача компенсації осьових розтягуючих сил, що прикладені до протилежно векторно орієнтованих елементів оболонки конструкції. Компенсація цих розтягуючих сил забезпечується тросиком 5, відповідний напружений стан якого для аретирування конструкції в транспортному положенні забезпечується зустрічним моментом сили, що створюється на котушці 6 за допомогою мотор-редуктора 7. При зберіганні і транспортуванні готової до використання КПО режим аретирування забезпечується електромагнітним гальмом мотор-редуктора 7. Вихідним станом до розгортання КПО є фіксація кріплень 4 нерухомої донної заглушки 2 до об'єкту застосування з приєднанням гермоелектророз'єму двигуна мотор-редуктора 7 до штатної електромережі космічного апарату. Розгортання КПО відбувається при подачі командного імпульсу на електромагнітне гальмо мотор-редуктора 7, що забезпечує припинення аретируючої дії тросика 5, який переводиться в силовий режим напруженого тяга під зустрічною силовою дією потенціальних сил надлишкового 2 UA 82742 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тиску, що виникають на оболонці КПО і реакції мотор-редуктора 7, що обумовлена переходом електродвигуна постійного струму в режим мотор-генератора. При цьому, реакція моторгенератора демпфує процес розгортання КПО, нормуючи швидкість переміщення елементів оболонки в осьовому напрямку, а робота розширення, що виконується надлишковим тиском газу на оболонці КПО, перетворюється в еквівалентну електричну енергію, що передається в бортову систему акумуляції космічного апарату. Контроль швидкості розгортання КПО забезпечується регулюванням потужності мотор-генератора на електричній стороні. Реакція мотор-генератора визиває напружений стан тросика 5, а через це і фіксацію центруючих ковзаючих втулок 14 і мембранних перетинок 13 по повздовжній осі КПО, чим забезпечується її поперечна стабілізація в процесі розгортання. Виконання проектної довжини розгортання КПО забезпечується відповідним вибором довжини тросика 5. При повному розкручуванні тросика 5 на котушці 6 мотор-редуктор 7 зупиняється, генерація струму припиняється і спрацьовує електромагнітне гальмо, яке фіксує напружений стан тросика 5 на його проектній довжині, що, в свою чергу, забезпечує механічну стабільність і проектні розміри розгорнутої КПО. В разі необхідності подальшої зворотної трансформації КПО, її внутрішня порожнина має бути дегазована, що забезпечується в конструкції наявністю відсічного клапана 9, який спрацьовує в заключний момент процесу розгортання під механічною дією важеля 10 з петльовою пасткою 11, що охоплює переріз тросика 5, що має на розрахунковій довжині конусоподібний захват 12, який, потрапляючи у петльову пастку 11, приводить в дію механічну систему: важіль - відсічний клапан. Зворотна трансформація КПО забезпечується механічним зусиллям мотор-редуктора 7, який отримує електропостачання з борту космічного апарата. Зусилля зворотної трансформації прикладається до рухомої донної заглушки 3 через тросик 5, що накручується на котушку 6. Оскільки зусилля деформації і шляхи переміщення пружно-пластичних елементів оболонки КПО в процесах прямої і зворотної трансформацій в першому наближенні рівні, можна стверджувати, що повний цикл трансформування пристрою, що заявляється, балансово є практично безвитратним для космічного апарата - носія. В конструкції, що заявляється, одночасно вирішуються проблеми усунення надмірних напружень складових елементів і сталості процесу розгортання. Так, основна частина газу для розгортання КПО знаходиться у відокремлених гермооб'ємах з нерухомими стінками, що утворені конфігурованими перетинками 15, що дає можливість споряджати конструкцію до експлуатації з досить високими негативними значеннями тиску в основному гермооб'ємі, який обмежений поверхнями з трансформованою геометрією 1. В свою чергу, це дозволяє орієнтуватися на задані, відносно невеликі розтягуючі зусилля при побудові системи аретирування і мінімізувати масо-габаритні характеристики її конструкції. При скиданні аретиру (знятті електромагнітного гальма) трансформована оболонка одержує свободу осьового переміщення, відбувається повільне, під дією відносно невеликого перепаду тисків збільшення об'єму КПО і напруження тросикового тяжа 5,- трансформована оболонка набуває стабільності, одержуючи головний силовий вектор, що співпадає з віссю конструкції. Далі, при досягненні в об'ємі КПО визначених мінімальних рівнів тиску послідовно спрацьовують відсічні клапани 16, які налагоджені на відповідні тестові значення перепадів тиску, в робочий гермооб'єм послідовно надходять розрахункові кількості газу і оболонка КПО трансформується до проектних геометричних характеристик. Темп і сталість процесу трансформування КПО забезпечуються можливостями конструкції до регулювання процесу електромеханічного енергоперетворення. Відповідно до викладеного, перевагами КПО, що заявляється, є: можливість прямої і зворотної трансформації в автоматичному режимі в умовах космосу; статична і динамічна сталість процесу трансформації; енергетична безвтратність процесів трансформації в умовах космосу; можливість реалізації конструкції на технічно відпрацьованих серійних елементах; відсутність проблем інтеграції в конструкцію космічних апаратів, оскільки необхідність будьякої конічної конфігурації ніяких обмежень на побудову конструкції нерухомої донної заглушки не накладає. Таким чином, конструкція КПО, що заявляється, відповідає поставленій задачі забезпечення сталого процесу прямої та зворотної трансформації в умовах космосу та поліпшенню її експлуатаційних характеристик. Перелік джерел інформації: 1. Надувные конструкции // www.lindstrandusa.com. 2. Воздухоопорные конструкции // www.vinqida.ru. З. Воздухоопорные сооружения для военных целей // www.ilcdover.com. 3 UA 82742 U 5 10 4. The design and application of a versatile HF radar calibration target in low-earth orbit / A.Bernhardt, C.L.Siefring, J.F.Thomason et.al. // Radio Sci.-2008.- №8. 5. Описание проекта PAGEOS // www.nssdc.gsfs.nasa.gov. 6. Космос: технологии, материаловедение, конструкции: Сб. науч. тр./ Под ред. Б.Е.Патона.Киев: ИЭС им.Е.О.Патона НАН Украины, 2000. 7. Патон Б.Е., Лапчинский В.Ф. Сварка и родственные технологии в космосе. - Киев: Наук, думка, 1998. 8. Miura, K. and Tachi, Т., Synthesis of rigid foldable cylindrical polyhedra.J. ISIS.Symmetry, Special Issues for the Festival-Congress, Gmuend, Austria, 2010. 9. Расчет и особенности технологии изготовления крупногабаритной сварной конструкции преобразуемого объема / Б.Е.Патон, Л.М.Лобанов, В.Н. Самилов и др. //Автомат. Сварка.-2006.№7. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 35 40 1. Конструкція перетворюваного об'єму, що містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер, вихідний патрубок якого заведений до перетворюваного об'єму конструкції через нерухому донну заглушку, що має кріплення до об'єкту застосування, яка відрізняється тим, що газовий контейнер виконаний у вигляді нерухомої донної заглушки кюветного типу, наприклад циліндричного або конічного стакана, що гідравлічно щільно з'єднаний по відкритому торцю бокової стінки з крайньою ланкою радіально гофрованої поверхні по підставі конуса з відповідним діаметром, а центри донних заглушок з'єднані між собою через гнучкий напружений тяж змінної нормованої довжини, наприклад через тросик на котушці, вісь якої закріплена до осі мотор-редуктора, що закріплений до нерухомої донної заглушки, крім того, на підставах гофрованих зрізаних конусів закріплені внутрішні мембранні перетинки, що мають центральні отвори, в яких закріплені втулки, осі яких співпадають з подовжньою віссю конструкції. 2. Конструкція перетворюваного об'єму за п. 1, яка відрізняється тим, що вихідний патрубок газового контейнера приєднаний до закріпленого на оболонці газового контейнера відсічного клапана, рухома частина якого приєднана до важеля, що має на протилежному кінці петльову пастку, що охоплює переріз тросика, що з'єднує донні заглушки, при цьому тросик на ділянці, прилеглій до місця кріплення до котушки з довжиною, що менша за висоту стакана нерухомої донної заглушки, виконаний із локальним, переважно конусоподібним потовщенням. 3. Конструкція перетворюваного об'єму за п. 1, яка відрізняється тим, що внутрішній простір донної заглушки кюветного типу містить конфігуровані перетинки, що газоущільнено закріплені до внутрішньої поверхні донної заглушки і утворюють разом з її оболонкою одну або декілька герметичних порожнин, що сполучуються з внутрішнім об'ємом конструкції перетворюваного об'єму через відсічні клапани, що газоущільнено закріплені в стінках конфігурованих перетинок. 4 UA 82742 U 5 UA 82742 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6