Composite Truss Structures

Ферменные конструкции из композиционных материалов.

Ферменные конструкции (ФК) применяются человечеством уже длительное время. Первые фермы начали использоваться в примитивных деревянных конструкциях (например, строительные леса, крыши домов и др.), но  широкое применение нашли только в 19 веке, с началом промышленного производства стали и проката. В 20 веке технологии производства стальных ферм постоянно совершенствуются. В частности, внедрялись новые виды стали и формы проката. Появился новый способ получения неразъемного соединения - сварка. Параллельно с развитием технологических процессов, совершенствовались теория и методы расчета ферменных конструкций, которые особенно быстро стали развиваться после появления электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Одним из основных методов расчета элементов и узлов ФК стал метод конечных элементов (МКЭ), который, впрочем, и не смог бы получить широкого применения без использования ЭВМ.
Безусловно, накопленные знания и опыт пригодились и при создании ферменных конструкций из композиционных материалов (ФККМ). Их появление связано с нетрадиционными требованиями, которые предъявили к таким конструкциям новые направления человеческой деятельности (например, авиация, космические исследования, и др.), и было обусловлено развитием технологи производства композиционных материалов (КМ).

The Applications Technology Satellite (ATS)
Фото с сайта Goddard Space Flight Center
https://www.nasa.gov/centers/goddard/missions/ats.html
The first of the second-generation ATS spacecraft,
ATS-6 was also the last ATS project.
It was launched on May 30, 1974.
First spacecraft to use :
- A 9.14-meter parabolic reflector
- A digital computer for attitude control
- Solid state high power rf transmitters
- Graphite composite material for primary structure
- Heat pipes for primary thermal control
- Monopulse tracking for attitude control
- Rf interferometer for attitude determination and control

Впервые ФККМ стали применяться в конструкциях космических аппаратов (КА). Одним из пионеров в их использовании была фирма Alliant Techsystem Inc (США). Она изготовила углеродную ферму для спутника связи Fairchild Industries ATS-F, который был выведен на орбиту над Индией в 1973 году [1]. В последующие годы был накоплен большой опыт в производстве ФККМ. Это позволило уже в 80-х годах предыдущего столетия создать уникальный космический телескоп Hubble (США), который был выведен на орбиту в 1990 году. В этом телескопе два из трех самых ответственных узлов: Graphite-epoxy Metering Truss и focal plane structure являются фермами, и изготовлены они из углеродно-эпоксидного композиционного материала [2]. В настоящее время ФККМ продолжают активно использоваться в космической индустрии, не смотря на то, что появились и другие, альтернативные, решения для конструкций КА. Успехи в производстве композитных ферм для КА способствовали их внедрению и в других областях научной и технической деятельности человечества. И прежде всего в тех случаях, когда в какой-либо конструкции необходимо совместить небольшой вес и высокую прочность, либо к ним предъявляются требования, которые можно реализовать только с помощью уникальных свойств композиционных материалов (например, низкий коэффициент линейного термического расширения). Примерами использования ФККМ могут служить: углеродно-эпоксидные рамы велосипедов и мотоциклов; немагнитные стеклопластиковые мачты радиопередающих антенн [3]; мачты высоковольтных линий электропередач [4], ФККМ фюзеляжей летательных аппаратов [5], пространственные фермы рефлекторов различных радиотелескопов [6] [7] и др.
Но, не смотря на достаточно широкое применение ФККМ, в настоящее время все еще остается нерешенным целый ряд проблем. Прежде всего - это проблема стыковки стержневых элементов фермы в узлах. Предложено несколько подходов и решений этой проблемы, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. В связи с чем, есть смысл более подробно остановиться на применяемых способах соединения стержней в узлах ферм.