Стенд для випробування конструкції космічного апарата на міцність
Номер патенту: 88963
Опубліковано: 10.04.2014
Автори: Дупліщева Ольга Михайлівна, Порубаймех Володимир Ілліч, Мокін Олександр Васильович, Мажирін Володимир Федорович, Сало Максим Петрович, Мокін Андрій Олександрович
Формула / Реферат
Стенд для випробування конструкції космічного апарата на міцність, що містить опорну основу з пружинним блоком вертикального обтиснення, стикувальне кільце для кріплення космічного апарата і пристрій вимірювання інерційних перевантажень космічного апарата, який відрізняється тим, що він споряджений рухомою платформою, встановленою на заданій висоті відносно пружинного блока, напрямними стояками, жорстко змонтованими на опорній основі, каретками, котрі закріплені на рухомій платформі і забезпечують вертикальне переміщення рухомої платформи вздовж напрямних стояків, пристроєм фіксації рухомої платформи відносно напрямних стояків, балансирним вантажем і демпфуючим пристроєм, закріпленим на нижній поверхні рухомої платформи для взаємодії з пружинним блоком, при цьому стикувальне кільце встановлено на рухомій платформі зверху і на ньому змонтовані пристрої його нахилу і зміщення у горизонтальній площині відносно рухомої платформи.
Текст
Реферат: Стенд для випробування конструкції космічного апарата на міцність, містить опорну основу з пружинним блоком вертикального обтиснення, стикувальне кільце для кріплення космічного апарата і пристрій вимірювання інерційних перевантажень космічного апарата. Він споряджений рухомою платформою, встановленою на заданій висоті відносно пружинного блока, напрямними стояками, жорстко змонтованими на опорній основі, каретками, котрі закріплені на рухомій платформі і забезпечують вертикальне переміщення рухомої платформи вздовж напрямних стояків, пристроєм фіксації рухомої платформи відносно напрямних стояків, балансирним вантажем і демпфуючим пристроєм, закріпленим на нижній поверхні рухомої платформи для взаємодії з пружинним блоком, при цьому стикувальне кільце встановлено на рухомій платформі зверху і на ньому змонтовані пристрої його нахилу і зміщення у горизонтальній площині відносно рухомої платформи. UA 88963 U (12) UA 88963 U UA 88963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до випробувальних стендів і може використовуватися у ракетнокосмічній галузі для проведення наземного відпрацювання конструкції малих космічних апаратів (КА) на міцність. Аналіз випадків навантаження КА показує, що більшість їх носить імпульсний характер, котрий наближується до низькочастотної гармонічної дії з частотою коливань 2-5 Гц, період коливань Т=0,5-0,2 с, у тому числі навантаження КА на перехідних режимах руху під час транспортування їх різними видами транспорту, підйомно-такелажних робіт з КА, польотні випадки ділянки виведення КА ракетою-носієм (РН): старт, розділення ступенів РН, скидання головного обтічника, відокремлення КА від РН. Тому умови роботи конструкції у більшості розрахункових випадків можливо розглядати як квазістатичні навантаження. Квазістатичні навантаження - це навантаження, які повільно змінюються за часом з частотою не більше 5 Гц. Відомими є стенди для випробувань на статичну міцність, які застосовують поетапно для навантаження конструкції КА зосередженими (дискретними) силами і моментами за допомогою балочно-важільних систем (див. книгу "Конструкция летательных аппаратов" под ред. С.Н. Кана, М, "Оборонгиз", 1963, с. 167, 168, рис. 6.26). Недоліком відомого стенда є його невисокі експлуатаційні якості, такі як: - у зв'язку з компактністю силових корпусів і мініатюрністю складових частин і елементів КА (масою до 200-250 кг), такі стенди навантаження непридатні для випробувань конструкцій КА, тому що у цьому випадку потрібно виготовлення великої кількості спеціальних силових макетів приладів, громіздких балочно-важільних систем і ланцюгів для навантаження (випробувальної оснастки) для забезпечення прикладання зосереджених навантажень до конструкції КА; - спрощення схем навантаження і зменшення об'ємів допоміжної оснастки, з другого боку, призведе до неточності створення напружено-деформованого стану конструкції, що випробують, до можливого надлишкового навантаження або недовантаження її окремих елементів. Проведення випробувань конструкції на міцність з використанням даного стенда потребує виготовлення спеціальних опитних зразків, які оснащені силовими макетами, призначеними для прикладання випробувальних навантажень, а також великого об'єму оснастки у вигляді балочно-важільних систем і силових ланцюгів для навантаження, що призведе до значних витрат під час відпрацювання міцності. Відомими є стенди для ударних випробувань (див. книгу "Технология сборки и испытаний космических аппаратов" под ред. И.Т. Беляева, И.А. Зернова, "Машиностроение", М, 1990, с. 133 та патент України № 52722u. МПК G01М 7/00, 2010 р.) і установки копрового типу (див. книгу "Нестационарная аэроупругость тонкостенных конструкций" под ред. А.В. Кармишина, "Машиностроение", М., 1982, с. 132, 133, рис. 8.1а), які не дозволяють навантажити конструкцію КА квазістатичними навантаженнями, в області низьких частот не більше 5 Гц, а реалізують навантаження на конструкції КА виключно діями ударного характеру в області високих частот, які перевищують частоту 100 Гц (тривалість ударного імпульсу менше 0,005 с). Вказані стенди не дозволяють у повній мірі і точно провести імітацію штатних умов навантаження конструкції під час її наземного відпрацювання на міцність, особливо щодо тривалості дії випробувальних навантажень, тобто не дозволяють провести випробування конструкції від дії квазістатичних (низькочастотних) навантажень. Наприклад, час дії навантажень на конструкції, що випробують, у процесі проведення випробувань на стенді прикладання зосереджених навантажень на 1-2 порядки більше часу силових дій на конструкцію в умовах штатної експлуатації. Це відбувається через значний час прикладання і балансування навантажень, що прикладають до конструкції, за допомогою балочно-важільних навантажувальних систем. Крім того, для випробувань на статичну і динамічну міцність необхідно виготовлення як мінімум двох випробувальних зразків конструкції: один - силовий макет конструкції, що випробують, для проведення статичних випробувань, а другий - натурноваговий макет для проведення динамічних випробувань. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип стенд для випробування конструкції КА на міцність за книгою "Технология сборки и испытаний космических аппаратов" под ред. И.Т. Беляева, И.А. Зернова, "Машиностроение", М., 1990, с. 137. Цей стенд являє собою резонансну установку і містить опорну основу, на якій змонтований пружинний привод (блок) вертикального обтиснення, стикувальне кільце для закріплення конструкції КА, встановленого на пружинний привод, і пристрій вимірювання інерційних навантажень. Навантаження конструкції КА здійснюється за рахунок коливань на пружинному блоку (приводі) з частотами, які відповідають резонансним частотам власних коливань конструкції. Недоліком відомого стенда є його невисокі експлуатаційні якості, такі як: 1 UA 88963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 неможливість навантаження конструкції, що випробують, квазістатичними (статичними) навантаженнями у низькочастотній області до 5 Гц, котрі діють в одному напрямку по відношенню до будь якої осі конструкції. Цей стенд дозволяє навантажити конструкцію знакозмінними навантаженнями коливального характеру, причому у навколо резонансної області максимальними навантаженнями з реалізацією (отриманням) максимальних коефіцієнтів підсилення, тобто провести випробування конструкції на динамічну міцність; - складність регулювання пружинного привода під змінну масу різних конструкцій КА і настроювання (змінювання жорсткості) пружинного привода у відповідності з резонансними частотами власних коливань різних конструкцій. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленої конструкції стенда для випробування конструкції КА на міцність, яка б дозволила забезпечити підвищення його експлуатаційних якостей шляхом уведення в неї нових елементів і технічних рішень, таких як: - наявність рухомої платформи, встановленої на заданій висоті відносно пружинного блока, напрямних стояків, жорстко змонтованих на опорній основі, кареток, котрі закріплені на рухомій платформі і забезпечують вертикальне переміщення рухомої платформи вздовж напрямних стояків, пристрою фіксації рухомої платформи відносно напрямних стояків, балансирного вантажу і демпфуючого пристрою, закріпленого на нижній поверхні рухомої платформи для взаємодії з пружинним блоком, що дозволяє забезпечити навантаження конструкції, що випробують, квазістатичними навантаженнями (в області низьких частот до 5 Гц), які діють в одному напрямку; - стикувальне кільце встановлюється на рухомій платформі зверху і на ньому монтується пристрій його нахилу і зміщення у горизонтальній площині відносно рухомої платформи, що дозволяє розширити функціональні можливості стенда. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропонований стенд для випробування конструкції КА на міцність, який містить опорну основу з пружинним блоком вертикального обтиснення, стикувальне кільце для кріплення космічного апарата і пристрій вимірювання інерційних перевантажень космічного апарата, він споряджений рухомою платформою, встановленою на заданій висоті відносно пружинного блока, напрямними стояками, жорстко змонтованими на опорній основі, каретками, котрі закріплені на рухомій платформі і забезпечують вертикальне переміщення рухомої платформи вздовж напрямних стояків, пристроєм фіксації рухомої платформи відносно напрямних стояків, балансирним вантажем і демпфуючим пристроєм, закріпленим на нижній поверхні рухомої платформи для взаємодії з пружинним блоком, при цьому стикувальне кільце встановлено на рухомій платформі зверху і на ньому змонтовані пристрої його нахилу і зміщення у горизонтальній площині відносно рухомої платформи. Для пояснення конструкції стенда і його роботи додаються креслення і її детальний опис. На кресленнях зображено: - на фіг. 1 - загальний вигляд стенда у вихідному положенні; - на фіг. 2 - вигляд А фіг. 1 (вигляд стенда збоку); - на фіг. 3 - загальний вигляд стенда у кінцевому положенні. Запропонований стенд складається з нерухомої і рухомої частин. Нерухома частина стенда складається з опорної основи 1, пружинного блока 2, закріпленого на опорній основі 1, і напрямних стояків 3, вертикально змонтованих на опорній основі 1 (фіг. 1, 2). Пружинний блок 2 складається з верхньої 4 і нижньої 5 плат, між якими встановлений набір пружин 6 стискання. Нижня плата 5 кріпиться на опорній основі 1, а верхня плата 4 взаємодіє з рухомою частиною стенда. Набір пружин 6 складається з окремих пружин різного діаметру і жорсткості, об'єднаних у групи і встановлених співвісно одна в одну (паралельне з'єднання пружин) таким чином, щоб сумарна жорсткість усіх пружин блока була постійна і вибрана із умови забезпечення частоти власних коливань пружинного блока 2 з конструкцією, що випробують, не більше 5 Гц (оптимальною з точки зору габаритів пружин блока і навантаження конструкції квазістатичними навантаженнями може бути частота 2-4 Гц). Рухома частина стенда складається з рухомої платформи 7, на якій зверху закріплене стикувальне кільце 8 з можливістю регулювання свого положення на платформі 7, а знизу балансирний вантаж 9 (при необхідності) і демпфуючий пристрій 10. На стикувальне кільце 8 встановлюється конструкція 11, на якій розміщуються у необхідних точках пристрої (датчики) вимірювання інерційних перевантажень (на кресленнях датчики не зображені). Рухома платформа 7 споряджена каретками 12 з роликами 13, які дозволяють їй переміщуватися внизвгору вздовж напрямних стояків 3. Стенд споряджений також пристроями регулювання положення стикувального кільця 8 з закріпленою конструкцією 11 відносно рухомої платформи 7 і пристроєм фіксації платформи 7 2 UA 88963 U 5 10 15 20 25 на напрямних стояках 3 на заданій висоті. Необхідний нахил стикувального кільця 8 здійснюється за допомогою опорних вузлів: одна пара опорних вузлів 14 споряджена циліндричними шарнірами 15 типу вісь-вушко, а друга пара опорних вузлів 16 споряджена регульованими гвинтовими стяжками 17 (фіг. 2). Регулювання положення стикувального кільця 8 у горизонтальній площині відносно платформи 7 здійснюють за рахунок зміщення опорних вузлів 14 і 16 у відповідних пазах (пази на кресленнях не зображені). Можливість регулювання нахилу і положення стикувального кільця 8 дозволяє: - навантажити конструкцію 11 навантаженнями у різних бічних напрямках під час випробувань; - забезпечити проходження вектора прикладання навантажень від пружинного блоку 2 через спільний центр мас рухомої частини стенда (платформи 7, стикувального кільця 8 і двох кареток 12), балансирного вантажу 9 і конструкції 11. Рухома частина стенда утримується на заданій висоті за допомогою пристрою 18 фіксації, встановленого на напрямних стояках 3 між платформою 7 і пружинним блоком 2. Пристрій 18 фіксації забезпечує утримання рухомої платформи 7 перед випробуваннями, переміщення (скидання) рухомої платформи 7 на пружинний блок 2, а також вловлювання, гальмування і утримання її в кінці навантаження конструкції 11 на зворотному ході пружин блока 2. Це виключає повторне падіння платформи 7 на пружинний блок 2 з нерозрахункової висоти. Гальмування і утримання платформи 7 здійснюється на меншій висоті у порівнянні з розрахунковою величиною скидання. У процесі гальмування на пружинному блоку конструкція навантажується напівсинусоїдальним (гармонічним) імпульсом, максимальне (амплітудне) значення котрого буде залежати від висоти переміщення (падіння) конструкції. З відомих співвідношень руху тіл під час вільного падіння і теорії коливань маси на пружині постійної жорсткості (див. книгу "Колебания в инженерном деле", С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг, У. Уивер, "Машиностроение", М, М, 1985, глава 1, параграф 1.1, с. 6-20) амплітудне значення перевантаження, що діє на конструкцію, дорівнює: n 2f 2h / g 2f V / g , 30 35 40 45 50 55 (1) дe h - висота підйому конструкції; g 9,81 м/с2 - прискорення вільного падіння; f 1/ 2 k / Мп const - циклічна частота власних коливань пружинного блока і вантажу, що гальмується на ньому; k const - жорсткість пружинного блока; Мп=Мк+Мбв+Мст - сумарна постійна маса вантажу, що гальмується на пружинному блоку; Мк - маса конструкції; Мбв - маса балансирного вантажу; Мст - маса рухомої частини стенда; Робота запропонованого стенда здійснюється наступним чином. На опорну основу 1 встановлюють пружинний блок 2 з необхідною постійною жорсткістю. На рухому платформу 7 закріплюють балансирний вантаж 9 з заданою масою, необхідною для забезпечення низькочастотних коливань (з частотою не більше 5 Гц) конструкції 11 на пружинному блоку 2. Потім виконують настроювання і контроль навантажувальних характеристик стенда, для чого на стикувальне кільце 8 встановлюють ваговий макет (ВМ) (ВМ на кресленнях не зображений), маса якого дорівнює масі конструкції 11. Проводять попередні скидання рухомої платформи 7 з ВМ з вимірюванням перевантажень на ВМ за допомогою датчиків, по результатах чого визначають випробувальну висоту скидання для ВМ. В якості ВМ може використовуватися динамічний макет. Після цього замість ВМ на стикувальне кільце 8 встановлюють конструкцію 11 у необхідне положення для випробувань, а положення стикувального кільця 8 регулюють за допомогою опорних вузлів 14, 16 і гвинтової стяжки 17. Далі піднімають рухому платформу 7 з конструкцією 11 за допомогою крана на висоту, яка складає 15-25 % від попередньо визначеної висоти переміщення для ВМ, і проводять тарировочні (пробні) випробування з вимірюванням інерційних перевантажень на конструкцію 11, по результатах яких уточнюють (при необхідності) і остаточно визначають висоту переміщення конструкції 11. Після цього рухому платформу 7 з конструкцією 11 піднімають на уточнену висоту над пружинним блоком 2 і фіксують за допомогою пристрою 18. 3 UA 88963 U Під час розфіксації пристрою 18 рухома платформа 7 переміщується вниз (падає) до контакту з пружинним блоком 2, при цьому під час переміщення з заданої висоти h рухома частина стенда (платформа 7 з кареткою 12, стикувальне кільце 8, балансирний вантаж 9 і 5 10 15 20 25 30 35 конструкція 11) досягає швидкості V 2gh . Після контакту демпфуючого пристрою 10 з верхньою платою 4 (фіг. 3) відбувається стискання пружинного блока 2 за рахунок інерції вантажу, що падає, і його гальмування на пружинному блоку 2. При цьому відбувається навантаження конструкції 11 відповідними навантаженнями, котрі визначаються висотою h і залежать від жорсткості k набора пружин 6. Демпфуючий пристрій 10, виготовлений з гуми, зм'якшує удар і виключає високочастотні ударні навантаження. Діюче максимальне перевантаження під час випробувань визначається співвідношенням (1). Тобто від маси конструкції 11 Мк перевантаження залежати не буде, тому що рухома частина стенда довантажена до постійної маси Мп для того, щоб забезпечити фіксовану частоту f зовнішнього навантаження (не більше 5 Гц), прикладеного з боку пружинного блока 2 до конструкції 11. Після максимального стискання пружинного блока 2 (відповідає перевантаженню n) починається зворотній рух пружин 6 блока 2 і зменшення навантажень від n до 0. При цьому платформа 7 може відірватися від пружинного блока 2 (при цьому відбувається зняття навантаження з конструкції 11). Малі КА розміщуються на головному блоку за патентом України № 53792С2, МПК B64G 1/22, B64G 1/02, B64G 1/10, 2000 р. і виводяться на орбіту на РН за промисловими зразками № 2738, 2739, МКПЗ 22-03, 1999 р. Таким чином, запропонований стенд, який має просту і надійну конструкцію, забезпечує точне відтворення навантажень, діючих на конструкцію КА. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Стенд для випробування конструкції космічного апарата на міцність, що містить опорну основу з пружинним блоком вертикального обтиснення, стикувальне кільце для кріплення космічного апарата і пристрій вимірювання інерційних перевантажень космічного апарата, який відрізняється тим, що він споряджений рухомою платформою, встановленою на заданій висоті відносно пружинного блока, напрямними стояками, жорстко змонтованими на опорній основі, каретками, котрі закріплені на рухомій платформі і забезпечують вертикальне переміщення рухомої платформи вздовж напрямних стояків, пристроєм фіксації рухомої платформи відносно напрямних стояків, балансирним вантажем і демпфуючим пристроєм, закріпленим на нижній поверхні рухомої платформи для взаємодії з пружинним блоком, при цьому стикувальне кільце встановлено на рухомій платформі зверху і на ньому змонтовані пристрої його нахилу і зміщення у горизонтальній площині відносно рухомої платформи. 4 UA 88963 U 5 UA 88963 U 6 UA 88963 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюDuplischeva Olha Mykhailivna, Mokin Andrii Oleksandrovych, Mokin Oleksandr Vasyliovych, Porubaimekh Volodymyr Illich
Автори російськоюДуплищева Ольга Михайловна, Мокин Андрей Александрович, Мокин Александр Васильевич, Порубаймех Владимир Ильич
МПК / Мітки
Мітки: випробування, апарата, стенд, міцність, космічного, конструкції
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/9-88963-stend-dlya-viprobuvannya-konstrukci-kosmichnogo-aparata-na-micnist.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Стенд для випробування конструкції космічного апарата на міцність</a>
Попередній патент: Спосіб утилізації відходів металевої стружки
Наступний патент: Пристрій фільтрації початкових фаз складових ofdm-сигналу при обробці “в цілому”
Випадковий патент: Пристрій моніторингу поточного стану ізоляції обмоток групи трифазних асинхронних електродвигунів з їх автоматичним сушінням