Интересная задача для школьников на сравнение корпусов космических аппаратов

В настоящее время много говорят об унификации космических аппаратов (КА). В частности, готовится серийное производство малых КА типа «Кубсат». Кубическая форма для корпуса КА является простой для изготовления но не рациональной по отношению вместимости к площади поверхности, то есть массе оболочки. Угловые соединения тоже проблематичны хотя бы с позиции прочности и концентрации напряжений.

Предлагаемое исследование является продолжением авторского научного направления оптимизации корпуса КА с внутренними перегородками по критерию в виде отношения объема к площади поверхности оболочки. В проекте приведены результаты сравнительного анализа лепесткового тора, составленного из сферических сегментов, с обычным тором. Объемы обоих корпусов предполагаются одинаковыми. Новизна работы заключается в соблюдении габаритного ограничения корпуса по внешнему диаметру конструкции. Если в предыдущих задачах сравнивались два корпуса с совпадающей кольцевой центральной линией, то теперь совпадает внешняя описанная габаритная окружность. Результат практически не отличается от рассмотренного ранее случая. Лепестковый тор с внутренними перегородками легче обычного тора того же объема с тем же числом перегородок на 3-4%, в зависимости от количества перегородок. Это существенный выигрыш в массе для КА, когда счет идет на килограммы. Особенностью предложенной методики расчета является ее прсотота. Расчеты вполне доступны старшеклассникам для вовлечения их в тематику конструирования КА.

Выводы

1. Без перегородок обычный тор легче лепесткового. Этот вывод часто применяется в практике космического машиностроения. Например, это традиционные баки для компонентов топлива в виде традиционных торов. Такие корпусы нужны для вращающихся систем [4,5].
2. С перегородками лепестковый тор легче обычного на 3-8% в зависимости от количества модулей и перегородок. Наибольший эффект экономии массы корпуса получается при четырех модулях в виде сферических сегментов в кольцевой конструкции лепесткового тора.
3. Вряд ли есть смысл проводить сравнение двух конструкций по внутреннему радиусу, потому что этот размер не является габаритным. Это третий вариант сравнения форм корпусов. Разработанная методика позволяет выполнить такое исследование, если в Техническом задании будет содержаться требование о компоновке оборудования внутри указанной окружности.
4. Разработанная методика позволяет выполнять сравнение корпуса в виде лепесткового тора с перегородками с другими формами КА или их составных частей.