В статье подробно описывается процесс работы над созданием МКА в системе 3D-моделирования и конструкторской подготовки производства T-FLEXCAD— от наброска на бумаге до готовой параметрической 3D-модели.
Общая идея заключалась в создании модели беспилотного многоразового космического аппарата для вывода полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту, эффективно используя при этом максимально разнообразные инструменты T-FLEX CAD. Опустим инженерные расчеты, но, по задумке, аппарат должен быть примерно в два раза меньше «Шаттла» и «Бурана» (общая длина 13 660 мм), но массивнее как старых проектов, вроде «МиГ-105» и X-20 Dyna-Soar, так и относительно новых, вроде «Клипера», Dream Chaser и Boeing X-37. Скорее, по габаритам он близок к орбитальному самолету нереализованного европейского проекта Hermes без так называемого ресурсного модуля. Вывод полезной нагрузки предполагался, «как в Шаттле»: с помощью манипулятора через раскрываемые створки, а «беспилотность» позволила бы увеличить объем грузового отсека и снизить массу за счет отсутствия систем жизнеобеспечения.
Запуск планировалось осуществлять как в качестве ступени традиционной ракеты вертикального взлета, так и с помощью сверхзвукового самолета-разгонщика, причем второй, экзотический способ был бы даже интереснее с точки зрения инженерного дизайна.
Изначально было сделано множество эскизов, определяющих облик и общую конструкцию как самого аппарата, так и его носителя (рис. 1).
Рис. 1. Коллаж из очень малой части карандашных эскизов
Модель задумана как полностью зависимая от ссылочной геометрии. Был создан разметочный файл, содержащий геометрию, определяющую облик аппарата, — на нее ссылаются большинство элементов каркаса и обшивки. С помощью нового функционала работы со сплайнами были созданы профили (рис. 2), настроена гладкость, указаны граничные условия (рис. 3). Однако основным инструментом определения линейной геометрии и формирования размерных цепочек был базовый в T-FLEX CAD механизм линий построения.
Рис. 2. Построение профиля с помощью сплайнов
Рис. 3. Граничные условия по сечениям
Применялись почти все основные команды работы с поверхностями, но главным, формообразующим инструментом оказалось Тело по сечениям. Законцовки килей созданы переходной поверхностью (рис. 4).
Рис. 4. Построение законцовки килей
Рис. 5. Разметочная модель с набором рабочих плоскостей
Каркас состоит из шпангоутов, лонжеронов и стрингеров. Все они ссылаются на базовые поверхности в разметочном файле (рис. 5). Для удобства в тоновой закраске все элементы конструкции покрашены в разные цвета в зависимости от материала: голубой — алюминий, синий — титан, темно-синий — сталь, зеленый — углекомпозит и т.д. Позже отдельные цвета назначены на отдельные узлы и механизмы, а также на трубопроводы, электропроводку и композитные элементы теплозащиты. С помощью инструментов эквидистантного создания 3D-путей по элементам каркаса размечены пути для отверстий под крепеж. Разумеется, взаимные зависимости элементов каркаса продуманы заранее, дабы избежать рекурсий. Сами отверстия просверлены по массиву 3D-узлов, расположенных на путях с определенным шагом.
Нервюры аппарата составные, то есть состоят из верхнего и нижнего поясков и стоек с композитными стержнями, работающих на усилия растяжения и сжатия. Каждый поясок моделировался как секция крыла между двумя плоскостями и вырезом-выталкиванием, поэтому, чтобы получить следующий поясок, нужно просто сдвинуть базовую рабочую плоскость на длину секции, и только потом настроить позиции отверстия под длины стержней (рис. 6). Это значительно сократило время работы.
Рис. 6. Аппарат со снятой верхней обшивкой, изоляцией и теплозащитой
Рассверливание отверстий нервюр производилось, преимущественно ссылаясь на отверстия шпангоутов (с помощью механизма указания соосности в команде Отверстие), которые размечались по координатам на самих шпангоутах.
Лонжероны секции изгиба крыла моделировались довольно оригинальным способом — они отсекались плоскостью на основе путей, построенных по изопараметрическим кривым.
Особо стоит сказать про кромку крыла, моделирование которой заняло значительную часть времени (рис. 7).
Рис. 7. Секция кромки
Кромка крыла — набор нетривиальных сборок секций, размеченных по общим обводам, но крепящихся к первому лонжерону крыла через специальные стальные кронштейны, разметка которых подбиралась вручную, дабы обеспечить собираемость конструкции и возможность замены секций в случае их деформации или износа. Между секциями предусмотрены специальные вставки, а в несущем лонжероне крыла — монтажные окна. Также есть различия и в способах крепления термостойких секций к лонжерону, к титановым пластинам носовой обшивки и композитному колпаку обтекателя, но сделано так местами не столько из инженерных соображений, сколько для отработки методик работы с большими сборками (рис. 8).
Рис. 8. Подсвеченная секция теплозащиты крыла
Рули мало чем отличаются от самолетных по методикам построения модели, однако имеют ряд конструкционных особенностей: разметочная геометрия обработана с отступом под изоляцию и теплозащиту, а внутри конструкции — сотовый наполнитель, состоящий из более чем 8 тыс. элементов (рис. 9).
Рис. 9. Элевон в контексте сборки
В топливную систему входят баки топлива и окислителя, баки наддува, трубопроводы и система клапанов (рис. 10). Основные баки крепятся на специальных кронштейнах, состоящих из цапф и подкосов, — их взаимное расположение было заранее размечено, а детали баков были, как правило, несложными моделями, сделанными вращением профиля вокруг оси. А вот двигатель представляет собой значительно переработанную модель ранее смоделированной двухкамерной модели двигателя (условный аналог РД-180) в однокамерную модификацию с коррекцией почти всех узлов и деталей, а также с заново проложенными траекториями трубопроводов.
Рис. 10. Двигательная установка и баки. Каркасные элементы погашены
Задняя панель, огораживающая сопло маршевого двигателя ДУ, — довольно «тяжелая» модель, из 86 геометрических операций, полученная путем отсечения базовой геометрии и дальнейшей обработки с помощью операций Оболочка, Тело смещения, Сглаживание и расстановкой Отверстий (рис. 11). Модель крепится к заднему шпангоуту через шпильки, вкрученные в специальные впрессованные втулки. На ней же расположены отверстия со стальными втулками для установки двухсекционного кожуха, обеспечивающего замену отработавшего ресурс двигателя силами бригады умелых рабочих.
Рис. 11. Вид на ДУ сзади с погашенной обшивкой
Гондолы рулевых двигателей, помимо двух шпангоутов, состоят из трех панелей обшивки: двух композитных и одной алюминиевой (рис. 12). В качестве маневровой ДУ используется набор из конструктивно простых двигателей, работающих на однокомпонентном топливе. Соответственно, под них тоже сделаны отдельные баки с системой наддува, разводкой трубопроводов и электропроводки, а также блоками управляющих клапанов. Кроме того, специально сконструирован механизм открытия предохранительной крышки для передних двигателей.
Рис. 12. Гондолы маневровых двигателей
Коммуникации топливной и вспомогательных гидравлических систем разведены стандартным механизмом создания трубопроводов по трассам в контексте сборки, а вот электрическая разводка полностью сделана с помощью модуля Электротехника (рис. 13). В качестве соединителей использовались доработанные библиотечные соединители, подсоединяемые к электрическим блокам непосредственно в сцене с последующей правкой траектории проводки по отсекам. Для этого были заранее подготовлены специальные скобы с опорными внешними 3D-узлами, крепящиеся к каркасным элементам.
Рис. 13. Разводка электрики, трубопроводы и окно модуля Электротехника
Шасси переработано из самолетного, однако механизм открытия створок доработан с учетом толщины обшивки: ведь в случае с космическим аппаратом на створке расположен еще и относительно толстый слой плиток теплозащиты. Кроме того, под шасси собраны компактные блоки приводов (рис. 14), состоящие из электромотора, гидрораспределителей, бачка и блока клапанов.
Рис. 14. Фотореализм блока приводов
Манипулятор для вывода полезной нагрузки сделан заранее (рис. 15), даже отдельно от всего аппарата, и только позже доработан под установку внутри грузового отсека. Было создано несколько вариантов с разными длинами штанг и вывернутым захватом, расставлены манипуляторы для удобного доворота штанг на нужный угол. В основной модели рука манипулятора может складываться по переменной.
Рис. 15. Манипулятор в контексте сборки
Обшивка из алюминиевого листа (рис. 16), разумеется, тоже нарезалась с разметочного файла: командой Тело смещения задавался отступ от базовой поверхности. Многочисленные заклепочные швы реализованы через ссылочную геометрию, базовая геометрия для шва — 3D-путь и первый 3D-узел на нем, взятые с соответствующего каркасного элемента. Далее, с помощью команд Массив по пути и Отверстие по массиву формировался сам шов. В панелях прорезались окна под створки шасси, технические лючки и т.д.
Рис. 16. Лист обшивки в контексте сборки
Некоторые лючки должны быть утоплены в криволинейных панелях, окна для них проецировались на панель как 3D-профиль, а затем с помощью нескольких команд Выталкивание и Оболочка (с указанием требуемых толщин граней) формировалась утопленная область под крышку. С помощью команды Кривая смещения к 3D-кривой на поверхности формировался путь, по которому должны быть рассверлены крепежные отверстия. Подобный способ особенно хорошо зарекомендовал себя при работе с панелями из композитных материалов.
Поверх обшивки укладывался аналогично моделируемый слой изоляции. Поверх слоя изоляции — три вида теплозащиты: самый толстый слой на носу, а также «под брюхом» и снизу крыла (рис. 17). Плитки теплозащиты нарезались индивидуально: с учетом симметрии получилось 1260 плиток. Разумеется, все слои оболочек формировались с заранее рассчитанным значением отступа от разметочных поверхностей.
Рис. 17. Теплозащитная плитка нижней части аппарата
Заклепочный крепеж, а также болты крепления секций передней теплозащиты вставлялись с помощью интеллектуальной операции Массив по образцу, когда пользователь указывает только один крепежный элемент и массив отверстий для вставки, а система самостоятельно расставляет крепеж по всей модели.
Все фрагменты сборки разнесены по 21 слою для удобства работы и презентации (рис. 18).
Рис. 18. Общий вид аппарата с закрытыми створками грузового отсека
Всего в модели получилось около 28 600 тел, в модели с заклепками — 72 640 тел. Конфигурация компьютера, на котором производилась работа: Intel Core i7 7700, 3.6GHz, 32 Гб ОЗУ, NVVIDIA GeForce GTX 1060 3 Гб. Процесс создания модели доставил массу удовольствия и позволил еще лучше оценить потенциал T-FLEX CAD при комплексной работе cо сборками средней сложности.
Демонстрацию модели смотрите на нашем YouTube-канале T-FLEXPLM
https://www.youtube.com/user/TopSystemsLTD
