RU2710126C2 - Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material - Google Patents
Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2710126C2 RU2710126C2 RU2018103495A RU2018103495A RU2710126C2 RU 2710126 C2 RU2710126 C2 RU 2710126C2 RU 2018103495 A RU2018103495 A RU 2018103495A RU 2018103495 A RU2018103495 A RU 2018103495A RU 2710126 C2 RU2710126 C2 RU 2710126C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- panels
- mca
- foam
- panel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
- B64G1/54—Protection against radiation
- B64G1/546—Protection against radiation shielding electronic equipment
Abstract
Description
Изобретение относится к несущим конструкциям малых космических аппаратов (далее МКА), изготовленных из новых конструкционных материалов, включающих в себя элементы из вспененного алюминия, предназначенные для поглощения вибраций, повышения прочности и жесткости конструкции при снижении массы конструкционных элементов, повышения защиты МКА от воздействия метеоритных частиц и ионизирующего излучения космического пространства.The invention relates to supporting structures of small spacecraft (hereinafter MCA) made of new structural materials, including elements made of foamed aluminum, designed to absorb vibrations, increase the strength and rigidity of the structure while reducing the mass of structural elements, increase the protection of the MCA from exposure to meteor particles and ionizing radiation of outer space.
В настоящее время очень распространено изготовление корпусов малых космических аппаратов из сотовых алюминиевых панелей с использованием каркасно-силовой рамы. Указанные панели содержат два поверхностных слоя, выполненных из листового алюминиевого материала с вклеенным между ними внутренним наполнителем. Наполнитель выполнен в виде сотовой конструкции с ячейками в форме правильных полых призм с шестиугольным основанием и имеющих одну общую грань с каждой соседней. Так, например известны несущие панели корпуса космического аппарата (КА), содержащие элементы рамы, а также несущие верхнее и нижнее основания, между которыми герметично установлен заполнитель в виде сот (патент RU 2283799 от 28.06.2004, МПК B64G 1/22, В32В 3/12). Для таких аппаратов уже достигнуто оптимальное соотношение масса/прочность (жесткость) и их существенная модернизация невозможна. Таким образом, остается нерешенной задача снижения веса и повышения прочности конструкции МКА. Вместе с тем, при современной высокой ценности единицы веса полезной нагрузки, выведенной на орбиту, всегда остается актуальной проблема снижения веса основной конструкции до допустимого минимума.Currently, it is very common to manufacture small spacecraft bodies from cellular aluminum panels using a frame-and-power frame. These panels contain two surface layers made of aluminum sheet material with an internal filler glued between them. The filler is made in the form of a honeycomb structure with cells in the form of regular hollow prisms with a hexagonal base and having one common face with each neighboring one. So, for example, supporting panels of the spacecraft (SC) body are known, containing frame elements, as well as supporting upper and lower bases, between which a filler in the form of honeycombs is sealed (patent RU 2283799 from 06/28/2004, IPC B64G 1/22, B32B 3 /12). For such devices, the optimum mass / strength (stiffness) ratio has already been achieved and their significant modernization is impossible. Thus, the problem of reducing weight and increasing the structural strength of the MCA remains unsolved. At the same time, with the modern high value of a unit of payload weight put into orbit, the problem of reducing the weight of the main structure to an acceptable minimum always remains relevant.
Также, существуют проблемы обеспечения качества данных российских систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обеспечения высокой степени защиты радиоэлектронной аппаратуры МКА от естественного ионизирующего излучения космического пространства и воздействия метеоритных частиц, а также продления срока активного существования МКАAlso, there are problems of ensuring the quality of data from Russian Earth remote sensing systems (ERS), ensuring a high degree of protection of the spacecraft’s electronic equipment from natural ionizing radiation in outer space and the effects of meteoritic particles, as well as prolonging the life of the spacecraft
Технической задачей, решаемой предложенным изобретением, является создание несущей конструкции МКА, альтернативной используемым в настоящий момент конструкциям из сотовых алюминиевых панелей с каркасно-силовой рамой, для:The technical problem solved by the proposed invention is the creation of the supporting structure of the MCA, an alternative to the currently used structures of honeycomb aluminum panels with a frame-power frame, for:
- получения более точных результатов работы прецизионного бортового оборудования;- obtaining more accurate results of precision on-board equipment;
- увеличения срока активного существования МКА;- increase the life of the ICA;
- оптимизации соотношения массы полезной нагрузки к массе конструктивных элементов.- optimization of the ratio of the mass of the payload to the mass of structural elements.
Решение поставленной задачи в заявленном изобретении обеспечено использованием в конструкции нового для этой области материала (пеноалюминия), обладающего следующими преимуществами по сравнению с используемыми сотовыми алюминиевыми панелями:The solution of the problem in the claimed invention is ensured by the use in the design of a new material for this area (foam), which has the following advantages compared to used honeycomb aluminum panels:
- более высокая удельная жесткость;- higher specific stiffness;
- более высокие прочностные характеристики;- higher strength characteristics;
- более высокая способность к защите от ионизирующего излучения;- higher ability to protect against ionizing radiation;
- высокая демпфирующая способность;- high damping ability;
- относительная простота механической обработки материала и технологических манипуляций с ним.- the relative simplicity of the machining of the material and technological manipulations with it.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Благодаря своей пористо-ячеистой структуре пеноалюминий обладает высокой вибростойкостью, высоким значением отношения модуля упругости и прочности к плотности, а также способностью равномерно поглощать энергию при деформации.Due to its porous-cellular structure, foam aluminum has high vibration resistance, a high ratio of elastic modulus and strength to density, as well as the ability to uniformly absorb energy during deformation.
Как уже было сказано выше, в настоящее время в качестве конструкционного материала для изготовления корпуса МКА используются сотовые алюминиевые панели (фиг. 1), представляющие собой алюминиевые обложки, между которых вклеены соты из алюминиевой фольги. В виду своей низкой жесткости, сотовые панели сами по себе не могут обеспечить необходимую прочность корпуса, кроме того, высокая дискретность материала существенно усложняет закрепление закладных, а значит соединение панелей в единую конструкцию и закрепление на них полезной нагрузки. Из-за этого при сборке корпуса такие панели помещаются в специальные алюминиевые каркасы (каркасы также помещаются на отверстия, необходимые для размещения приборов космического аппарата), что существенно увеличивает вес конструкции, а также стоимость сравнительно дешевых сотовых панелей. Кроме того, сотовые клееные панели при физических ударах о борт МКА космического мусора могут расслаиваться и, как следствие, терять прочность, что ведет к неблагоприятным последствиям.As mentioned above, at present, honeycomb aluminum panels (Fig. 1), which are aluminum covers, between which honeycombs from aluminum foil are glued, are used as a structural material for the manufacture of the MCA case. Due to its low stiffness, honeycomb panels alone cannot provide the necessary strength of the case, in addition, the high discreteness of the material significantly complicates the fixing of mortgages, which means connecting the panels into a single structure and securing a useful load on them. Because of this, when assembling the case, such panels are placed in special aluminum frames (frames are also placed on the openings necessary to accommodate spacecraft devices), which significantly increases the weight of the structure, as well as the cost of relatively cheap honeycomb panels. In addition, the cellular glued panels during physical impact on the spacecraft debris spacecraft can be stratified and, as a result, lose strength, which leads to adverse consequences.
По сравнению с сотовой панелью, панель на основе вспененного алюминия (фиг. 2) обладает гораздо большей изотропностью свойств, меньшей дискретностью и большей жесткостью, что обуславливает высокую прочность корпуса МКА без использования тяжелого и дорогостоящего каркаса, что в свою очередь приводит к снижению массы основной конструкции.Compared with the honeycomb panel, a panel based on foamed aluminum (Fig. 2) has much greater isotropic properties, less discreteness and greater rigidity, which leads to high strength of the MCA case without using a heavy and expensive frame, which in turn leads to a decrease in the mass of the main designs.
Согласно исследованиям пенометалла (пеноалюминия) в Институте перспективных материалов им. Фраунгофера (Германия) (источник: С. Цукров, к.т.н, Уральский рынок металлов №11, ноябрь 2009), обладает целым рядом свойств: теплоизоляционных и звукопоглощающих. При деформации он ведет себя нелинейно, что характерно для пористых структур. Это свойство может быть использовано в МКА для демпфирования ударов мелкого космического мусора. Хорошая обрабатываемость материала пилением, сверлением, фрезерованием, обточкой значительно упрощает производственное изготовление деталей для МКА из пеноалюминия. Кроме того, у пеноалюминия низкая гигроскопичность (1-3%), что обуславливает морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Такой материал обладает высокой удельной жесткостью, малой термической и электрической проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения энергии.According to studies of foam metal (foam) at the Institute of Advanced Materials named. Fraunhofer (Germany) (source: S. Tsukrov, Ph.D., Ural Metals Market No. 11, November 2009), has a number of properties: heat-insulating and sound-absorbing. During deformation, it behaves nonlinearly, which is characteristic of porous structures. This property can be used in the MCA for damping impacts of small space debris. The good workability of the material by sawing, drilling, milling, and turning significantly simplifies the production of parts for MCA from foam aluminum. In addition, foam aluminum has low hygroscopicity (1-3%), which leads to frost resistance and the absence of cracks at a temperature difference. Such a material has high specific stiffness, low thermal and electrical conductivity, does not burn and is well suited for energy absorption.
Существует множество различных способов получения пористых алюминиевых материалов. В настоящее время пеноалюминий в промышленных масштабах получают двумя основными способами - литейным и порошковым.There are many different methods for producing porous aluminum materials. At present, foamed aluminum on an industrial scale is obtained in two main ways - foundry and powder.
Суть литейного метода получения пенометалла заключается во введении в жидкий металл порофоров (карбоната кальция СаСО3, гидридов TiH2, MgH, ZrH2 и др.) либо углекислого газа СО2 в случае прямого вспенивания жидкого металла.The essence of the casting method for producing foam metal is the introduction of porophores (calcium carbonate CaCO 3 , hydrides TiH 2 , MgH, ZrH 2 , etc.) or carbon dioxide CO 2 in the case of direct foaming of a liquid metal into a liquid metal.
В порошковом методе вместо непосредственного вспенивания расплавленного металла сначала получают прессованную заготовку из алюминиевого порошка и равномерно распределенного вспенивающего вещества (порофора). Этот процесс начинается со смешивания порошка металла или сплава с порофором, после чего смесь уплотняется до получения плотной заготовки, чтобы при вспенивании выделяющийся газ не улетучился из материала. Уплотнение может быть достигнуто холодным прессованием с последующей холодной экструзией, либо за счет проката смеси. Также для этой цели применимо прессование с подогревом до температуры ниже той, которая может вызвать разложение порофора. Последний метод применяется в основном для производства пен из алюминия и различных алюминиевых сплавов, а в качестве вспенивающего агента используется гидрид титана (TiH2), бикарбонат натрия (NaHCO3) или карбонат кальция (СаСО3) в количестве 0,5-1% от общей массы.In the powder method, instead of directly foaming the molten metal, a pressed billet is first obtained from aluminum powder and a uniformly distributed foaming agent (porophore). This process begins by mixing the metal or alloy powder with a porophore, after which the mixture is compacted to obtain a dense preform so that the foaming gas does not escape from the material during foaming. Compaction can be achieved by cold pressing followed by cold extrusion, or by rolling the mixture. Also for this purpose, pressing with heating to a temperature below that which can cause the decomposition of porophore is applicable. The latter method is mainly used for the production of foams from aluminum and various aluminum alloys, and titanium hydride (TiH 2 ), sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) or calcium carbonate (CaCO 3 ) in an amount of 0.5-1% of total mass.
Соответственно, в зависимости от метода изготовления пены, сердцевина в панели типа «сэндвич» может приклеиваться к алюминиевой основе (обложке) специальным полимерным составом, в случае литейного способа производства пены (фиг. 2а), либо напрямую припаиваться к обложке под воздействием высокой температуры и давления на стадии вспенивания, при использовании порошкового способа (фиг. 2б).Accordingly, depending on the method of manufacturing the foam, the core in the sandwich panel can be glued to the aluminum base (cover) with a special polymer composition, in the case of the foundry method of foam production (Fig. 2a), or directly soldered to the cover under the influence of high temperature and pressure at the stage of foaming, using the powder method (Fig. 2B).
Также стоит обратить внимание на совершенно новый для России развивающийся в настоящий момент способ производства металлических изделий с помощью аддитивных технологий и 3D-печати. 3D-печать или «аддитивное производство» - процесс создания трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели. 3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Таким образом, формирование материала сэндвич-панели аддитивным методом позволяет получать пористую сердцевину с осознанно распределенными заданными характеристиками, например, регулировать количество и размер пор, с, соответственно, прочность и жесткость материала в конкретной области. Также при получении материала этим способом возникает возможность «вырастить» не только саму сэндвич-панель целиком, но и, при необходимости, сразу нарастить на ее поверхности приспособления для скрепления панелей в единую конструкцию или прикрепления к панели полезной нагрузки - кронштейнов (фиг. 3). Кроме того, стоит отметить такое достоинство аддитивного метода формирования конструкции как наличие программного обеспечения, при помощи которого возможно проводить оптимизацию конструкции с целью снижения веса и количества используемого материала при сохранении прочностных характеристик.It is also worth paying attention to a completely new for Russia currently developing method of manufacturing metal products using additive technologies and 3D printing. 3D printing or “additive manufacturing” is the process of creating three-dimensional objects of almost any geometric shape based on a digital model. 3D printing is based on the concept of constructing an object with sequentially applied layers that display the contours of the model. Thus, the formation of the material by the sandwich panel by the additive method allows one to obtain a porous core with consciously distributed predetermined characteristics, for example, to regulate the number and size of pores, and, accordingly, the strength and stiffness of the material in a particular area. Also, when obtaining material in this way, it becomes possible to “grow” not only the entire sandwich panel, but, if necessary, immediately build up on its surface devices for fastening the panels into a single structure or attaching to the panel a payload - brackets (Fig. 3) . In addition, it is worth noting the advantage of the additive method of forming the structure as the availability of software, with which it is possible to optimize the structure in order to reduce the weight and amount of material used while maintaining strength characteristics.
Рассмотрим особые свойства и преимущества сэндвич-панелей на основе вспененного алюминия. Этот материал, защищает от проникновения электромагнитных волн частотой от 0,1 до 1000 МГц, что положительно влияет на работоспособность электронных приборов на борту МКА. Удельный вес пеноалюминия колеблется от 0,15 до 0,35 г/см3 в зависимости от количества газовых пузырьков на единицу объема. Неоспоримым преимуществом сэндвич-панелей, изготовленных порошковым методом, является возможность в процессе производства подвергать заготовку формованию с применением обычных штамповочных операций и в результате получить поверхность практически любой кривизны. Также можно отметить, что уже готовые пеноалюминиевые сэндвич-панели с легкостью обрабатываются специальным оборудованием: фрезерные и гибочные станки, а также профессионального ручного инструмента. С помощью резки, фрезеровки, сгибания, вальцовки и т.д. готовым панелям можно придавать множество различных форм, так как они имеют важное свойство - изменение листовой формы на радиусную без расслоения материала при сгибании. Опытные исследования показали, что сэндвич-панели, изготовленные любым описанным выше методом, имеют преимущества перед сотовыми алюминиевыми панелями по всем показателям, ключевым с точки зрения эксплуатации в условиях космического пространства.Consider the special properties and benefits of foamed aluminum sandwich panels. This material protects against the penetration of electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 1000 MHz, which positively affects the performance of electronic devices on board the ICA. The specific gravity of foam aluminum ranges from 0.15 to 0.35 g / cm 3 depending on the number of gas bubbles per unit volume. The indisputable advantage of the sandwich panels made by the powder method is the ability to subject the billet to molding during the production process using conventional stamping operations and as a result to obtain a surface of almost any curvature. It can also be noted that ready-made foam aluminum sandwich panels are easily processed with special equipment: milling and bending machines, as well as professional hand tools. By cutting, milling, bending, rolling, etc. ready-made panels can be given many different shapes, as they have an important property - changing the sheet shape to a radius without delaminating the material when bent. Experimental studies have shown that sandwich panels made by any of the methods described above have advantages over cellular aluminum panels in all respects, key from the point of view of operation in outer space.
С увеличением высоты орбиты функционирования МКА изменяются величины параметров окружающей среды: давления, температуры, ионизирующего излучения космического пространства, плотности и сопротивления окружающей среды. Вместе с тем, к примеру, от степени пористости сердцевины сэндвич-панели зависит способность материала к демпфированию ударов инородных тел и поглощению ионизирующего излучения, а от толщины металлических обложек - жесткость и прочность конструкции МКА. Поэтому плотность алюминиевой пены и толщина металлических обложек и слоя пеноалюминия могут варьироваться и выбираются в соответствии с параметрами окружающей среды на предполагаемой орбите функционирования конкретного МКА.With an increase in the orbit of the functioning of the MCA, the values of environmental parameters change: pressure, temperature, ionizing radiation of outer space, density and resistance of the environment. At the same time, for example, the ability of a material to dampen impacts of foreign bodies and absorb ionizing radiation depends on the degree of porosity of the core of the sandwich panel, and the rigidity and strength of the MCA structure depend on the thickness of the metal covers. Therefore, the density of aluminum foam and the thickness of the metal covers and the foam layer can vary and are selected in accordance with the environmental parameters in the proposed orbit of operation of a particular MCA.
Таким образом, использование материала на основе вспененного металла вместо использующихся в настоящее время сотовых алюминиевых панелей приведет к следующим улучшениям:Thus, the use of foamed metal material instead of the currently used honeycomb aluminum panels will result in the following improvements:
- высокая способность пенометалла к поглощению вибраций существенно снизит общий вибрационный фон на орбитальном участке, что позволит получать более точные результаты работы прецизионного бортового оборудования;- the high ability of the foam metal to absorb vibrations will significantly reduce the overall vibration background in the orbital section, which will allow to obtain more accurate results of the precision on-board equipment;
- демпфирующие свойства вспененного металла повысят защиту МКА от воздействия метеоритных частиц и существенно снизят ударные нагрузки на бортовое оборудование при отделении МКА от ракеты-носителя, что в совокупности с более высокими прочностными характеристиками корпуса из нового материала приводит к продлению срока активного существования МКА;- the damping properties of the foamed metal will increase the protection of the MCA from the effects of meteorite particles and significantly reduce shock loads on the onboard equipment when separating the MCA from the launch vehicle, which, together with higher strength characteristics of the hull of the new material, prolongs the life of the MCA;
- общее повышение плотности материала приведет к улучшению защиты бортового оборудования от воздействия ионизирующего излучения космического пространства;- a general increase in the density of the material will lead to improved protection of on-board equipment from the effects of ionizing radiation in outer space;
- за счет уменьшения количества производственных этапов из-за отказа от силовой рамы и большей технологичности пенометаллических панелей по сравнению с сотовыми произойдет сокращение общего времени изготовления МКА.- due to the reduction in the number of production stages due to the rejection of the power frame and the greater manufacturability of foam-metal panels compared to cellular panels, the overall manufacturing time of MCA will be reduced.
Итак, использование нового конструкционного материала на основе вспененного металла приведет к оптимизации и дальнейшему улучшению характеристик МКА.So, the use of a new structural material based on foamed metal will lead to optimization and further improvement of the MCA characteristics.
Принципиальная схема:Circuit diagram:
Из-за более высокой жесткости пеноалюминиевых панелей типа «сэндвич» (панель, состоящая из двух алюминиевых основ с вклеенной между основами равномерно вспененной пористой массой алюминия - сердцевиной) при изготовлении из них корпуса МКА появляется возможность отказаться от каркасной силовой рамы. В этом случае элементы корпуса из пенометаллического материала будут скрепляться непосредственно между собой, а не через силовую раму. Учитывая специфику материала, а именно относительно низкие прочностные свойства металлической пены, при скреплении деталей необходимо максимально снять нагрузку с внутренних слоев панели. Поэтому для скрепления пенометаллических сэндвич-панелей между собой угловым и тавровым способом был применен специальный вид соединения (фиг. 4).Due to the higher stiffness of sandwich-type foam aluminum panels (a panel consisting of two aluminum substrates with a uniformly foamed porous mass of aluminum glued between the substrates - the core), when manufacturing an ICA casing from them, it becomes possible to abandon the frame power frame. In this case, the elements of the housing made of foam material will be fastened directly to each other, and not through the power frame. Given the specifics of the material, namely the relatively low strength properties of metal foam, when bonding parts, it is necessary to remove the load from the inner layers of the panel as much as possible. Therefore, to fasten foam metal sandwich panels to each other in an angular and T-shaped manner, a special type of joint was used (Fig. 4).
В одну из панелей (1) фронтально вклеивается алюминиевый закладной элемент (втулка) с резьбовым отверстием в торце (2) так, чтобы соединительный болт (3), проходящий через другую панель (4) фронтально и входящий в панель с закладным элементом с торца, был вкручен также и в отверстие закладного элемента. Таким образом, основную нагрузку в соединении принимает на себя закладной элемент.An aluminum embedded element (sleeve) is frontally glued into one of the panels (1) with a threaded hole in the end (2) so that the connecting bolt (3) passing through the other panel (4) is frontally and enters the panel with the embedded element from the end, was also screwed into the hole of the embedded element. Thus, the main load in the connection is assumed by the embedded element.
Другой специальный бескаркасный способ скрепления пеноалюминиевых сэндвич-панелей подразумевает собой наращивание на поверхности панелей кронштейнов (требуемой проектом МКА формы) аддитивным методом. В этом случае скрепление панелей (также как и крепление к ним полезной нагрузки) происходит за счет скрепления между собой выращенных аддитивно кронштейнов (или скрепления выращенных кронштейнов с крепежными элементами полезной нагрузки) способом, зависящим от выбранной конфигурации кронштейнов. При этом полностью снимается нагрузка с алюминиевой пены внутренних слоев панели, а также отпадает необходимость некоторых производственных этапов (например, фрезерование в панели отверстий под закладные элементы, изготовление и вклейка закладных элементов в панель и т.д.)Another special frameless method of fastening foam aluminum sandwich panels involves building up the brackets (required by the MCA design form) on the surface of the panels using the additive method. In this case, the fastening of the panels (as well as the fastening of the payload to them) occurs due to the bonding of the brackets grown additively between themselves (or the bonding of the grown brackets with the fasteners of the payload) in a way that depends on the selected configuration of the brackets. In this case, the load is completely removed from the aluminum foam of the inner layers of the panel, and also there is no need for some production steps (for example, milling holes for embedded elements in the panel, manufacturing and pasting of embedded elements into the panel, etc.)
Из сказанного выше видно, что масса МКА значительно снижается за счет отказа от каркасно-силовых рам и использования специально разработанных методов соединения панелей в конструкции МКА при помощи закладных элементов или выращенных аддитивно кронштейнов без потери прочности.From the above it is seen that the mass of the MCA is significantly reduced due to the rejection of frame-power frames and the use of specially developed methods for connecting panels in the MCA design using embedded elements or brackets grown additively without loss of strength.
Как уже было сказано выше, при создании алюминиевой сэндвич-панели аддитивным методом возникает возможность вырастить на поверхности панели элементы конструкции необходимые для скрепления панелей или прикрепления к ним полезной нагрузки. Это приведет к дальнейшему упрочнению бескаркасной конструкции. Также возможен вариант аддитивного наращивания элементов крепления на поверхности уже готовой пеноалюминиевой сэндвич-панели.As mentioned above, when creating an aluminum sandwich panel using the additive method, it becomes possible to grow structural elements on the panel surface necessary for fastening the panels or attaching a payload to them. This will lead to further hardening of the frameless structure. The option of additive extension of fastening elements on the surface of an already finished foam aluminum sandwich panel is also possible.
В этом случае, если для наращивания используется панель с клеевым соединением вспененного алюминия и обложек (алюминиевых основ), интенсивное воздействие температуры при аддитивном процессе может привести к локальному расслаиванию панели. Для того чтобы избежать такого эффекта проводят тепловой расчет.In this case, if a panel with an adhesive joint of foamed aluminum and covers (aluminum bases) is used for building, intensive exposure to temperature during the additive process can lead to local delamination of the panel. In order to avoid such an effect, a thermal calculation is carried out.
Для определения изменения температуры на поверхности пенометаллической панели при наращивании детали на нее используют формулу для движущегося точечного источника тепла на поверхности полупространства. При определении зависимости изменения температуры от глубины ΔT(z), для упрощения расчетов можно пренебречь площадью пятна лазера и принять лазер за точечный источник тепла:To determine the temperature change on the surface of the foam panel when building parts on it using the formula for a moving point source of heat on the surface of the half-space. When determining the dependence of the temperature change on the depth ΔT (z), to simplify the calculations, we can neglect the laser spot area and take the laser as a point heat source:
где q - мощность точечного источника тепловой энергии; K - коэффициент теплопроводности; R - расстояние до точки от начала координат; u - скорость движения точечного источника тепла; α - коэффициент температуропроводности (коэффициент тепловой диффузии).where q is the power of a point source of thermal energy; K is the coefficient of thermal conductivity; R is the distance to the point from the origin; u is the velocity of the point heat source; α is the thermal diffusivity (thermal diffusion coefficient).
Используя исходные данные по свойству материала и режиму работы лазера, рассчитывают распределение температуры в толще алюминиевого листа, являющегося обложной пеноалюминиевой панели типа «сэндвич» (фиг. 5).Using the initial data on the property of the material and the laser operating mode, the temperature distribution in the thickness of the aluminum sheet, which is a sandwich type foam-aluminum panel, is calculated (Fig. 5).
Другим способом избежать теплового расслаивания панели при аддитивном наращивании кронштейна является наращивание кронштейна на отдельном алюминиевом листе. Для этого с поверхности панели удаляют участок алюминиевой обложки (фиг. 6а), аддитивным методом формируют участок обложки (аналогичный удаленному) с кронштейном необходимой конфигурации (фиг. 6б), а затем соединяют такой кронштейн с пеноалюминиевой панелью (фиг.6в).Another way to avoid thermal delamination of the panel during additive extension of the bracket is to extend the bracket on a separate aluminum sheet. To do this, remove the portion of the aluminum cover from the surface of the panel (Fig. 6a), add a portion of the cover (similar to the removed one) with the bracket of the desired configuration using the additive method (Fig. 6b), and then connect such a bracket to the foam-aluminum panel (Fig. 6c).
Результатом от применения изобретения является:The result of the application of the invention is:
- существенное снижение уровней ударных нагрузок на бортовые приборы космического аппарата и МКА в целом при подрыве пиросредств на этапе отделения от ракеты-носителя благодаря высокой способности пенометалла к поглощению вибраций;- a significant reduction in the levels of shock loads on board the instruments of the spacecraft and the spacecraft in general when pyromedics are detonated at the stage of separation from the launch vehicle due to the high ability of the foam metal to absorb vibrations;
- получение более точных результатов работы прецизионного бортового оборудования за счет общего снижения вибрационного фона на орбитальном участке;- obtaining more accurate results of the work of precision on-board equipment due to the general reduction of the vibration background in the orbital section;
- снижение массы несущей конструкции МКА за счет отказа от каркасной силовой рамы из-за более высокой удельной жесткости, прочности при сжатии и изгибе и изотропности нового материала;- reduction of the mass of the supporting structure of the MCA due to the rejection of the frame power frame due to the higher specific stiffness, compressive and bending strength and isotropy of the new material;
- повышение защиты МКА от воздействия метеоритных частиц благодаря высокой способности вспененного металла к демпфированию ударов;- improving the protection of the MCA from the effects of meteorite particles due to the high ability of the foamed metal to damping impacts;
- повышение защиты МКА от воздействия ионизирующего излучения космического пространства за счет общего увеличения плотности материала;- improving the protection of the spacecraft from the effects of ionizing radiation from outer space due to the general increase in the density of the material;
- снижение общего времени изготовления, а также существенное снижение стоимости корпуса МКА за счет уменьшения количества производственных этапов из-за отказа от силовой рамы и большей технологичности пенометаллических сэндвич-панелей по сравнению с сотовыми алюминиевыми панелями.- reduction of the total manufacturing time, as well as a significant reduction in the cost of the MCA case due to the reduction in the number of production stages due to the rejection of the power frame and the greater manufacturability of foam metal sandwich panels compared to honeycomb aluminum panels.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103495A RU2710126C2 (en) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103495A RU2710126C2 (en) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018103495A3 RU2018103495A3 (en) | 2019-08-01 |
| RU2018103495A RU2018103495A (en) | 2019-08-01 |
| RU2710126C2 true RU2710126C2 (en) | 2019-12-24 |
Family
ID=67586351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018103495A RU2710126C2 (en) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2710126C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2283799C2 (en) * | 2004-06-28 | 2006-09-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Load-bearing panel of spacecraft case (versions) |
| US8882469B2 (en) * | 2010-07-26 | 2014-11-11 | Airbus Operations Gmbh | Structural element for an aircraft or spacecraft and method for producing such a structural element |
| US20150056464A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-26 | U.S.A. Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Functionally Graded Metal-Metal Composite Structures |
| CN204414690U (en) * | 2014-11-26 | 2015-06-24 | 宁波禾顺新材料有限公司 | A kind of metallic fiber foamed aluminium composite layered plate |
| US20160257433A1 (en) * | 2015-03-03 | 2016-09-08 | York Space Systems LLC | Mission agnostic space vehicle |
| EP3210757A1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-30 | Airbus Operations GmbH | Fixture and method of installing a fixture by additive manufacturing |
-
2018
- 2018-01-30 RU RU2018103495A patent/RU2710126C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2283799C2 (en) * | 2004-06-28 | 2006-09-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Load-bearing panel of spacecraft case (versions) |
| US8882469B2 (en) * | 2010-07-26 | 2014-11-11 | Airbus Operations Gmbh | Structural element for an aircraft or spacecraft and method for producing such a structural element |
| US20150056464A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-26 | U.S.A. Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Functionally Graded Metal-Metal Composite Structures |
| CN204414690U (en) * | 2014-11-26 | 2015-06-24 | 宁波禾顺新材料有限公司 | A kind of metallic fiber foamed aluminium composite layered plate |
| US20160257433A1 (en) * | 2015-03-03 | 2016-09-08 | York Space Systems LLC | Mission agnostic space vehicle |
| EP3210757A1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-30 | Airbus Operations GmbH | Fixture and method of installing a fixture by additive manufacturing |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Thomas Hipke, Jorg Hohlfeld, Susi Rybandt. Functionally aluminum foam composites for building industry. 8-th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, Metfoam 2013/2211-8128. Published by Elsevier Ltd. 2014, c.133-138. Интернет: https://ac.els-cdn.com/S2211812814009158/1-s2.0-S2211812814009158-main.pdf?_tid=5d585de6-9763-4568-a404-9f9b4b4fd4ec&acdnat=1550251032_335808ac0dd0968a9d1d998bd08c5bf2 * |
| Thomas Hipke, Jorg Hohlfeld, Susi Rybandt. Functionally aluminum foam composites for building industry. 8-th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, Metfoam 2013/2211-8128. Published by Elsevier Ltd. 2014, c.133-138. Интернет: https://ac.els-cdn.com/S2211812814009158/1-s2.0-S2211812814009158-main.pdf?_tid=5d585de6-9763-4568-a404-9f9b4b4fd4ec&acdnat=1550251032_335808ac0dd0968a9d1d998bd08c5bf2;. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2018103495A3 (en) | 2019-08-01 |
| RU2018103495A (en) | 2019-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Metal foaming by a powder metallurgy method: Production, properties and applications | |
| Evans et al. | Cellular metals | |
| Movahedi et al. | The temperature effect on the compressive behavior of closed-cell aluminum-alloy foams | |
| Wadley | Multifunctional periodic cellular metals | |
| Arenas et al. | Recent trends in porous sound-absorbing materials | |
| Tianjian | Ultralight porous metals: from fundamentals to applications | |
| Arjunan et al. | Acoustic performance of metallic foams | |
| US6793037B1 (en) | Structured molded parts for sound absorption | |
| Baumeister et al. | Applications of aluminum hybrid foam sandwiches in battery housings for electric vehicles | |
| DE59306374D1 (en) | Thermally and acoustically insulating composite structure and method for its production and use | |
| Cops et al. | Measurement and analysis of sound absorption by a composite foam | |
| Shafer | An overview of constrained-layer damping theory and application | |
| Medvedev et al. | Perspectives on additive manufacturing for dynamic impact applications | |
| Madgule et al. | Aluminium metal foam production methods, properties and applications-a review | |
| RU2710126C2 (en) | Bearing structure of small spacecraft made from foamed aluminium material | |
| Lee et al. | Enhancement of vibration attenuation and shock absorption in composite sandwich structures with porous foams and surface patterns | |
| Lv et al. | Quasi-static and blast resistance performance of octet-truss-filled double tubes | |
| Yu et al. | Mechanical properties of metallic foams | |
| Farhadi et al. | Review of aluminum foam applications in architecture | |
| CN112549686B (en) | Foamed aluminum lattice structure composite material, preparation method and composite board | |
| Afshin et al. | Static analysis of cylindrical sandwich panels with a flexible core and laminated composite face sheets | |
| JP2004021246A (en) | Sound-absorption structure by specification of particle structure of foamed body | |
| CN106494012A (en) | Zigzag high damping alloy plate based on interfacial effect | |
| CN103954416A (en) | Analysis method for deflection of foam core structure after being impacted | |
| Xu et al. | Shock wave attenuation characteristics of aluminum foam sandwich panels subjected to blast loading |