Spacecraft trusses

Ферменные конструкции космических аппаратов

Введение

Рис. 1. Конфигурация спускаемого аппарата Апполон.

Конструкции космических аппаратов начали разрабатываться сравнительно недавно, но уже имеют свою историю, достигли определенного уровня развития и продолжают развиваться, что обусловлено задачами, которые ставятся перед разработчиками космических систем.
При проектировании и изготовлении космических аппаратов (КА), как и при проектировании любого другого нового вида техники, конструкторы и технологи опираются на опыт, накопленный в других отраслях науки и техники (например, в авиастроении, автомобилестроении и т.д.), учитывают специфические условия эксплуатации и требования, предъявляемые к КА характером выполняемых ими задач, разрабатывают новые технологии, чтобы успешно решить поставленные перед ними задачи.

Факторы окружающей среды и условия эксплуатации.

Рассмотрим основные, специфические для КА факторы окружающей среды и условия эксплуатации, которые необходимо учитывать при их проектировании и изготовлении.

1. 1. Отсутствие силы тяжести на орбите и повышенные нагрузки, вызванные ускорением, при выводе на орбиту. Если сюда добавить, возникающие часто требования иметь на орбите большие пространственные конструкции (солнечные батареи, выносные элементы, и т.д.), то задача кажется противоречивой и  трудноразрешимой. Одной из основных проблем при проектировании таких конструкций является не прочность, а вибрация. Кроме того, вследствие ограниченности полезного объема на ракетоносителях, ферменные конструкции часто бывают разворачиваемые или собираемые на орбите.
2. 2. Космический вакуум на околоземной орбите, который изменяется от 1.310-7 kPa на высоте 200 км до менее чем 1.310-12 kPa на высоте 6,500 км. В этих условиях полимерные материалы могут распадаться (decompose) а металлы сублимировать (терять молекулы). Сублимация может быть причиной роста нитевидных кристаллов или  вызвать осаждение на оптических или термических системах. Это может разрушить систему передачи данных или привести к перегреву и разрушению космического аппарата. Некоторые материалы имеют высокий уровень сублимации даже при температурах меньше 200С (например цинк, олово, магний, кадмий) и поэтому не могут быть использованы. Также композитные матрицы имеют более высокое давление пара чем металлы, и поэтому имеют более высокую скорость сублимации. Эта тенденция делает композитные материалы менее желательными для длительных миссий, хотя это можно исправить применением новых композитных технологий. Дегазация, выделение абсорбированных газов с поверхности конструкции – общая проблема для всех материалов. Выделенные частицы будут осаждаться на других частях конструкции и могут быть причиной неисправностей (разрушение термического покрытия, загрязнение). Для применения в КА, полимерные материалы не должны быть дегазирующими. Эту проблему можно уменьшить применением покрытий нанесенных в вакууме при высокой температуре. Композиционные материалы из-за высокого уровня абсорбции в вакууме могут существенно снизить свои эксплутационные характеристики.
3. 3. Диапазон и максимальные уровни температур, в которых приходится работать конструкциям КА, сильно отличается от условий работы конструкций и аппаратов на Земле. Самые высокие температуры, влияющие на конструктивное исполнение КА, обычно возникают во время возвращения с орбиты при входе в атмосферу, и в мощных двигательных установках. Эти условия требуют использования специальных материалов и(или) изоляции. Для КА работающих на околоземной орбите, температура элементов конструкций может изменяться от -160С до +180С, что вынуждает использовать различные системы термического контроля, а для некоторых типов КА учитывать термодеформационные процессы в конструкции. При полетах  к внешним планетам, температурные условия для КА являются относительно благоприятными, т.к. при охлаждении обычно возрастают предел прочности, предел пластичности и модуль Юнга материалов. Влияние на пластичность и ударную вязкость, однако, различно для разных материалов, что требует проведение проверки на хрупкое разрушение.
4. 4. Высокий уровень, состоящей из различных видов, радиации способный привести к удалению (remove) конструкционных материалов. Его уровень обычно не более 1 мг/см2, который не имеет большого влияния на дизайн большинства конструкций. Радиация также снижает пластичность большинства материалов, что необходимо учитывать для длительных миссий.
5. 5. Магнитное поле созданное Землей, требует чтобы на КА вращающихся вокруг Земли использовались немагнитные материалы.

КА в зависимости от назначения могут иметь различные типы элементов: топливные баки, жилые и аппаратные модули, солнечные батареи, разворачиваемые и выносные элементы конструкций, фермы и рамы. Сами конструктивные элементы могут изготовляться из различных конструкционных материалов с применением всего многообразия современных технологий.
Фермы и рамы могут выступать как объединяющий элемент конструкции, так и играть самостоятельную роль, например в качестве выносных и(или) разворачиваемых элементов.

Исторический аспект

Применение ферменных конструкций (ФК) в виде отдельных элементов КА прослеживается еще с 1960-х годов, например в спускаемых аппаратах Апполон, лунной программы США (Рис.1) [1].