ES2945727T3 - Uso de al menos una estructura secundaria en un ingenio espacial, ingenio espacial y procedimiento - Google Patents

Abstract

Se describen el uso de al menos una estructura secundaria al menos parcialmente como estructura primaria en una nave espacial, una nave espacial con al menos una estructura secundaria que asume al menos parcialmente las funciones estructurales primarias de una estructura primaria, un método para producir tal nave espacial, y un producto de programa de computadora y un medio de almacenamiento legible por computadora. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Uso de al menos una estructura secundaria en un ingenio espacial, ingenio espacial y procedimiento

La invención se refiere al uso de al menos una estructura secundaria en un ingenio espacial, a un ingenio espacial y a un procedimiento para fabricar un ingenio espacial.

En el caso de los ingenios espaciales y también de las aeronaves, se distingue en general entre una estructura primaria y estructuras secundarias desde un punto de vista estructural. La estructura primaria asume funciones estructurales o mecánicas, también denominadas en lo sucesivo funciones primarias estructurales, tales como absorber las cargas principales y sostener las estructuras secundarias. Las estructuras secundarias son necesarias para cumplir ciertas funciones secundarias. Están adosadas a la estructura primaria y convencionalmente solo sirven para cumplir la función secundaria respectiva. Ejemplos de estructuras secundarias son los conductos de suministro, tales como los conductos de los depósitos. La estructura primaria y las estructuras secundarias son estructuras completamente separadas.

Recientemente, han surgido conceptos que prevén la integración de al menos algunas estructuras secundarias en la estructura primaria. Esto conduce a modificaciones adicionales de la estructura primaria original, como por ejemplo mediante rigidizadores para cargas locales, interfaces adicionales, así como a un mayor esfuerzo de integración. Un ejemplo de integración de una estructura secundaria en una estructura primaria en una aeronave se muestra en la solicitud de patente DE 102011 083553 A1. Un ejemplo de integración de una estructura secundaria en una estructura primaria dada en una aeronave o ingenio espacial se muestra en la solicitud de patente DE 102007044389 A1.

En la figura 1 se muestra un soporte de grupo motopropulsor 1 convencional de un ingenio espacial tal como un vehículo de lanzamiento. El soporte de grupo motopropulsor 1 comprende una estructura primaria 2 que conecta un grupo motopropulsor 4 y un depósito 6. Una carga principal, en este caso un empuje del grupo motopropulsor 8, es transferida a través de la estructura primaria 2 al vehículo de lanzamiento o al resto de su estructura (10a, 10b, 10c). Para ello, la estructura primaria 2 es una cubierta cónica rigidizada que está conectada al depósito 6 por una interfaz circunferencial, por ejemplo, un faldón de depósito. Además, la estructura primaria 2 sirve para sujetar estructuras secundarias 12. Las estructuras secundarias 12 comprendan en este caso varios conductos de fluido o conductos del grupo motopropulsor para suministrar combustible al grupo motopropulsor 4. Las estructuras secundarias 12 están suspendidas o sujetas al exterior de la estructura primaria 2 por medio de soportes 14.

Es un objetivo de la invención crear un uso alternativo de una estructura secundaria en un ingenio espacial y un ingenio espacial con un peso total reducido y un esfuerzo de integración reducido. Además, es un objetivo de la invención proporcionar un procedimiento para fabricar un ingenio espacial de este tipo y crear un uso de una estructura secundaria en un ingenio espacial. Además, es un objetivo de la invención hacer que el procedimiento se lleve cabo de manera eficiente y fiable. Este objetivo se consigue usando al menos una estructura secundaria con las características de la reivindicación 1 de la patente, mediante un ingenio espacial con las características de la reivindicación 2 de la patente y mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 3 de la patente.

De acuerdo con la invención, al menos una estructura secundaria en un ingenio espacial, y similares, se usa al menos por secciones como estructura primaria. Un ingenio espacial de este tipo se caracteriza por un peso reducido.

Un ingenio espacial de acuerdo con la invención tiene al menos una estructura secundaria que asume o cumple funciones primarias estructurales de una estructura primaria propiamente dicha. Una estructura primaria que convencionalmente asume las funciones primarias estructurales como estructura separada queda diluida en esta área del ingenio espacial e integrada en la estructura secundaria. Las estructuras secundarias están posicionadas, orientadas y diseñadas de tal manera que absorban y transfieran las cargas principales en este punto. La ventaja es un peso total reducido, ya que la estructura primaria en esta área del ingenio espacial queda diluida como estructura propia, ya que la estructura secundaria no solo asume su función secundaria propiamente dicha, sino también las funciones primarias estructurales de la estructura primaria, tales como absorber un empuje del grupo motopropulsor y alojar otras estructuras secundarias. Por lo tanto, la estructura primaria se omite en el área de la estructura secundaria. Además, se reduce el esfuerzo de integración, ya que ya no es necesaria la sujeción convencional de la estructura secundaria a la estructura primaria. El ingenio espacial de acuerdo con la invención tiene así una estructura secundaria multifuncional. De acuerdo con la invención, la estructura secundaria se usa al menos por secciones como estructura primaria en ingenios espaciales.

De acuerdo con la invención, una estructura secundaria en forma de conductos de fluido y de un sistema de distribución de fluido, en forma de un depósito de helio o en forma de una caja de electrónica, está configurada para la transmisión del empuje del grupo motopropulsor.

En otras palabras, de acuerdo con la invención, el ingenio espacial tiene al menos una estructura secundaria que asume al menos por secciones las funciones primarias estructurales de una estructura primaria.

Como ingenios espaciales se entienden, entre otros, vehículos de lanzamiento tales como etapas inferiores, etapas superiores, satélites y sondas espaciales, vehículos espaciales, naves espaciales, cápsulas espaciales y estaciones espaciales como la iSs, depósitos, estructuras entre depósitos, estructuras de carga útil, adaptadores de carga útil, así como partes respectivas de los mismos. Esta lista es a modo de ejemplo y no limitativa. Un método de fabricación a modo de ejemplo para implementar la solución de acuerdo con la invención es el uso de fabricación aditiva (additive manufacturing).

En la reivindicación 3 se proporciona un procedimiento de acuerdo con la invención para crear un ingenio espacial, cuya al menos una estructura secundaria asume funciones primarias estructurales.

Preferentemente, se lleva a cabo una optimización en la que un espacio de diseño libremente disponible entre las condiciones límite se malla con, por ejemplo, elementos finitos. Entonces, el espacio de diseño o su volumen se puede minimizar con la ayuda de una función objetivo, por ejemplo, maximizando la rigidez y/o minimizando la energía de deformación, mientras se respetan otras condiciones límite, como una resistencia y estabilidad suficientes con respecto a las cargas estructurales aplicadas en la dirección de las trayectorias de carga primaria.

En la tercera etapa, con el conocimiento de las trayectorias de carga primaria, la al menos una estructura secundaria se coloca al menos por secciones coincidiendo o casi coincidiendo con las trayectorias de carga primaria. La fórmula "coincidiendo o casi coincidiendo" significa también en lo sucesivo "a lo largo de las trayectorias de carga primaria".

Por supuesto, la primera etapa también puede comprender determinar o averiguar las trayectorias de carga primaria y la segunda etapa puede comprender determinar o seleccionar o establecer la al menos una estructura secundaria.

Como resultado, se crea un ingenio espacial que presenta al menos una estructura secundaria que asume por secciones funciones primarias estructurales de la estructura primaria. La estructura primaria que disuelta como estructura individual independiente en el área de la al menos una estructura secundaria multifuncional -que asume funciones primarias estructurales y cumple funciones secundarias propiamente dichas- o no está presente como estructura individual independiente. Por lo tanto, un ingenio espacial de este tipo se caracteriza por un menor peso y un menor esfuerzo de instalación que los ingenios espaciales conocidos.

En particular, por razones de cumplimiento óptimo de las funciones secundarias, es ventajoso que las condiciones límite propias de la al menos una estructura secundaria y las funciones primarias estructurales y funciones secundarias respectivas se tengan en cuenta al posicionar la al menos una estructura secundaria a lo largo de las trayectorias de carga primaria. A este respecto, la estructura secundaria se puede modificar o adaptar respetando estas funciones y las condiciones límite propias para cumplir tanto las funciones primarias estructurales como las funciones secundarias de la mejor manera posible.

Para evitar un debilitamiento estructural del ingenio espacial en secciones de las trayectorias de carga primaria a lo largo de las cuales no se extiende ninguna estructura secundaria, se puede disponer una estructura auxiliar para asumir las funciones primarias estructurales. Ejemplos de esto son áreas entre diferentes estructuras secundarias. Estas pueden estabilizarse mediante puntales, extensiones, sujeciones y similares.

El sistema global puede dimensionarse para la optimización constructiva o de diseño del sistema global creado, comprendiendo al menos una estructura secundaria y/o estructura auxiliar. Para este propósito, las cargas (tanto cargas primarias como secundarias) se aplican en nuevos análisis. Sobre la base de los resultados, el sistema global se adapta previendo material adicional en los puntos en los que se superan valores de materiales, desplazamientos u otros límites, por ejemplo, en forma de rigidizadores adicionales o mayores grosores de pared, y el material se reduce por ejemplo en puntos en los que exista gran seguridad. Este proceso se efectúa en tantas iteraciones hasta optimizar el resultado.

El procedimiento es principalmente asistido por ordenador, aunque también puede llevarse a cabo analíticamente. En particular, también se reivindica un producto de programa informático, que comprende órdenes que, cuando el programa es ejecutado por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo el procedimiento, así como un medio de almacenamiento legible por ordenador, que comprende órdenes que, cuando son ejecutadas por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención. El producto de programa informático y el medio de almacenamiento legible por ordenador permiten que el procedimiento de acuerdo con la invención se lleve a cabo de manera eficiente y fiable.

Otros ejemplos de realización ventajosos de la invención son objeto de reivindicaciones dependientes adicionales.

A continuación se explica un ejemplo de realización preferido de la invención mediante las figuras adjuntas, muy simplificadas. Muestran

la Figura 1 un soporte de grupo motopropulsor de un ingenio espacial con al menos una estructura secundaria y una estructura primaria de acuerdo con el estado de la técnica,

la Figura 2 un soporte de grupo motopropulsor de un ingenio espacial de acuerdo con la invención con una estructura secundaria multifuncional, y

la Figura 3 un diagrama de flujo de un procedimiento preferido de acuerdo con la invención para fabricar el ingenio espacial de acuerdo con la invención.

En la figura 2 se muestra un grupo motopropulsor 21 a modo de ejemplo de un ingenio espacial de acuerdo con la invención. El soporte de grupo motopropulsor 21 comprende una estructura secundaria 22a, 22b y una estructura auxiliar 24 que conecta un grupo motopropulsor 26 y un depósito 28. No hay presente ninguna estructura primaria como en el estado de la técnica ilustrado en la figura 1, ya que esta o sus funciones primarias estructurales son asumidas de acuerdo con la invención por la estructura secundaria 22a, 22b y, en este caso, adicionalmente por la estructura auxiliar 24. La estructura secundaria 22a, 22b está diseñada, dimensionada y adaptada en orientación y posicionamiento, así como en forma y comportamiento de material, de tal manera que asume las funciones primarias estructurales de la estructura primaria del soporte de grupo motopropulsor 21.

La estructura secundaria 22a, 22b consta de una pluralidad de conductos de fluido o conductos de grupo motopropulsor 22a y de un sistema de distribución de fluido 22b para suministrar combustible al grupo motopropulsor 26. Por motivos de claridad, están previstos dos conductos de fluido con la referencia 22a, que son representativos de todos los conductos de fluido. Los conductos de fluido 22a se extienden distribuidos por la circunferencia del sistema central de distribución de fluido 22b y terminan en este caso a la misma altura vertical del depósito 28. La estructura secundaria 22a, 22b cumple así, además de su función secundaria propiamente dicha de "conducir combustible", la función primaria estructural de "transferencia de cargas principales generadas por el grupo motopropulsor hacia el depósito y el resto de la estructura del vehículo de lanzamiento o transferencia de un empuje del grupo motopropulsor". Además, a través de la estructura secundaria 22a, 22b, el empuje del grupo motopropulsor 30 central se divide en porcentajes de carga 32a a 32c y 34a a 34d individuales.

La estructura auxiliar 24 es en este caso un rigidizador en forma de riostras transversales entre los conductos de fluido 22a individuales en el área de un depósito de helio 38 adosado a la estructura secundaria 22a, 22b a través de soportes 36. La estructura secundaria 22a, 22b asume así, además de la función primaria estructural de "transferencia de un empuje del grupo motopropulsor", también la función primaria estructural de "fijación o soporte de equipos".

Un procedimiento preferido de acuerdo con la invención se explica a continuación mediante la figura 3 haciendo referencia a las figuras 1 y 2. El procedimiento es asistido por ordenador y, como tal, es transferido a un (producto de) programa informático. En el ejemplo se trata de un soporte de grupo motopropulsor con conductos de fluido.

En una primera etapa 40 se determinan o registran funciones y condiciones límite del soporte de grupo motopropulsor y de los conductos de fluido. Funciones esenciales del soporte de grupo motopropulsor son "transferir un empuje del grupo motopropulsor así como fijar estructuras secundarias y equipos". Una función esencial de los conductos de fluido es el "transporte de fluidos líquidos y gaseosos desde un depósito a un grupo motopropulsor". Como se muestra en la figura 1, convencionalmente está prevista una estructura primaria 2 para cumplir las funciones del soporte de grupo motopropulsor. Convencionalmente está prevista una estructura secundaria 12 para cumplir las funciones de los conductos de fluido.

De acuerdo con la invención, como función primaria estructural esencial de la estructura primaria se registra ahora la "transferencia de las cargas principales generadas por el grupo motopropulsor al depósito y al resto de la estructura del vehículo de lanzamiento". Como otra función primaria estructural esencial se registra el "soporte de la estructura secundaria y de los equipos". Las condiciones límite de la estructura primaria 2 son la introducción del empuje del grupo motopropulsor 8 en el punto cardánico inferior, una interfaz con el depósito 4 en la parte superior y la restricción geométrica por una cúpula del depósito en la parte superior.

En este caso, la estructura secundaria 22a, 22b consta de conductos de fluido (incl. un sistema de distribución de fluido). Como función esencial de los conductos de fluido se registra el "transporte de fluidos líquidos y gaseosos entre el depósito 28 y el grupo motopropulsor 26". Las condiciones límite de la estructura secundaria 12 son los puntos de entrada y salida entre los que deben transportarse los fluidos, el diámetro interior y la compatibilidad de materiales con los respectivos fluidos.

En una segunda etapa 42 se determinan trayectorias de carga primaria, por ejemplo, con la ayuda de lo que se conoce como un optimizador de elementos finitos, tal como Altair OptiStruct®. Las trayectorias de carga primaria se determinan mediante una optimización de diseño o de topología asistida por ordenador o un programa de optimización de diseño o de topología.

Con referencia a la figura 2, un volumen entre el grupo motopropulsor 26 y el depósito 28, menos un espacio para equipos, la cúpula del depósito y una distancia mínima entre los elementos, por ejemplo el depósito, el grupo motopropulsor y los equipos, se malla con elementos finitos. Tras aplicar las condiciones límite mencionadas a modo de ejemplo en la primera etapa y las cargas del grupo motopropulsor, tales como el empuje del grupo motopropulsor 30, la malla de elementos se reduce con la ayuda de una función objetivo. Por ejemplo, la función objetivo puede ser: maximizar la rigidez y/o minimizar la energía de deformación. Una condición límite puede ser: El volumen debe ser menor que una parte porcentual de un espacio de diseño, que es del orden del volumen de la estructura secundaria.

En una tercera etapa 44, la estructura secundaria 22a, 22b y las estructuras auxiliares 24 se posicionan a lo largo de las trayectorias de carga primaria.

Dado que la mayoría de los conductos de fluido en el soporte del grupo motopropulsor transportan fluidos entre los depósitos 28 y el grupo motopropulsor 26, hay muchos conductos de fluido 22a (incl. el sistema de distribución de fluido 22b) cuyas condiciones límite permiten un posicionamiento entre el depósito 28 y la introducción del empuje del grupo motopropulsor 30. Los conductos de fluido 22a, 22b se posicionan conforme a las trayectorias de carga primaria y se mallan en el optimizador. En una nueva optimización, que tiene en cuenta los conductos de fluido 22a, 22b, se determinan las trayectorias de carga primaria en las que es necesario material adicional. Se añaden en este caso estructuras auxiliares 24 adicionales desde el punto de vista constructivo al nuevo sistema global, que comprende la estructura secundaria 22a, 22b y la estructura auxiliar 24.

En una cuarta etapa 46, las cargas primarias, tales como las cargas del grupo motopropulsor, y cargas secundarias, tales como las cargas de equipos, se aplican al modelo del soporte de grupo motopropulsor generado por ordenador en las etapas 1 a 3 (40, 42, 44) en análisis de elementos finitos. La estructura secundaria 22a, 22b se dimensiona. Por ejemplo, en puntos en los que se superan límites dados de material o desplazamiento, se incrementan el grosor de pared de conducto o el número o volumen de las estructuras de apoyo. En puntos en los que hay gran seguridad, por ejemplo, estos se reducen. Como resultado, se crea un soporte de grupo motopropulsor 21 sin una estructura primaria independiente, pero con una estructura secundaria 22a, 22b multifuncional para ello. La estructura secundaria 2a, 22b asume, además de su función secundaria propiamente dicha de "conducir combustible", las funciones primarias estructurales de una estructura primaria de "transferencia de las cargas principales provocadas por el grupo motopropulsor 26 al depósito 28 y al resto de la estructura del vehículo de lanzamiento, así como soporte de equipos 38".

Lista de referencias

1 soporte de grupo motopropulsor

2 estructura primaria

4 grupo motopropulsor

6 depósito

8 empuje del grupo motopropulsor

10a, b, c carga de empuje

12 estructura secundaria (en este caso: conductos de fluido)

14 soporte

21 soporte de grupo motopropulsor

22a, 22b estructura secundaria (en este caso: conductos de fluido y sistema de distribución de fluido) 24 estructura auxiliar (en este caso: rigidizadores)

26 grupo motopropulsor

28 depósito

30 empuje del grupo motopropulsor

32a, b, c porcentaje de carga

34a a d porcentaje de carga

36 soporte

38 depósito de helio (en este caso, a modo de ejemplo, equipos, aunque también puede ser una estructura secundaria que asume funciones primarias estructurales)

40 primera etapa (registrar las funciones y condiciones límite)

42 segunda etapa (determinar las trayectorias de carga primaria)

44 tercera etapa (posicionar las estructuras secundarias y estructuras auxiliares)

46 cuarta etapa (dimensionamiento)

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Uso de al menos una estructura secundaria en forma de conductos de fluido (22a) y de un sistema de distribución de fluido (22b), en forma de un depósito de helio (38) o en forma de una caja de electrónica en un ingenio espacial al menos por secciones como estructura primaria para transferir un empuje del grupo motopropulsor (30).

2. Ingenio espacial con al menos una estructura secundaria en forma de conductos de fluido (22a) y de un sistema de distribución de fluido (22b), en forma de un depósito de helio (38) o en forma de una caja de electrónica, en donde la estructura secundaria asume funciones primarias estructurales para transferir un empuje del grupo motopropulsor (30).

3. Procedimiento para la fabricación de un ingenio espacial de acuerdo con la reivindicación 2, con las etapas de:

• determinar al menos una estructura secundaria en forma de líneas de fluido (22a) y de un sistema de distribución de fluido (22b), en forma de un depósito de helio (38) o en forma de una caja de electrónica, en donde la estructura secundaria debe asumir funciones primarias estructurales para transferir un empuje del grupo motopropulsor (30), • determinar trayectorias de carga primaria, y

• posicionar la al menos una estructura secundaria (22a, 22b) al menos por secciones coincidiendo o casi coincidiendo con las trayectorias de carga primaria.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en donde al posicionar la al menos una estructura secundaria (22a, 22b) se tienen en cuenta condiciones límite y/o funciones secundarias de la estructura secundaria (22a, 22b).

5. Procedimiento según la reivindicación 3 o 4, en donde se dispone una estructura auxiliar (24) para asumir funciones primarias estructurales en caso de trayectorias de carga primaria a lo largo de las cuales no se extiende ninguna estructura secundaria (22a, 22b).

6. Procedimiento según la reivindicación 3, 4 o 5, en donde se optimizan la estructura secundaria (22a, 22b) y/o, cuando depende de la reivindicación 5, la estructura auxiliar (24).