Метод решения основных задач проектирования раскрывающихся конструкций космических аппаратов на базе математического моделирования

Актуальность работы. Особый класс космических конструкций образуют так называемые раскрывающиеся конструкции (РК), т. е. конструкции, схема которых допускает автоматическое изменение конфигурации. Возрастающие требования к космическим аппаратам (КА) с раскрывающимися конструкциями выдвигают на передний план вопросы обеспечения их необходимой жесткости, прочности и надежного приведения в рабочее положение. Большой практический интерес представляет взаимное влияние друг на друга этих конструкций и КА при эксплуатации на орбите.

Проектирование и создание раскрывающихся конструкций порождает ряд задач, связанных с особенностями эксплуатации КА. К традиционным задачам механики, которые решаются при создании новых образцов космической техники, добавляются проблемы, связанные с относительно низкой жесткостью и большими размерами РК. Энергетические платформы, космические радиоантенны, космические телескопы, панели солнечных батарей установленные на КА характеризуются большими размерами и относительно малой массой, лимитируемой стоимостными ограничениями, связанными с расходами по доставке конструкции на заданную орбиту. Поэтому данные конструкции и оказываются весьма гибкими. В то же время, к конструкциям указанного типа предъявляются высокие требования по жесткости, обусловленные необходимостью точной ориентации конструкции и обеспечением точности функциональных поверхностей.

Крупногабаритные РК, предназначенные для эксплуатации на околоземных орбитах, испытывают действие разнообразных нагрузок и при их проектировании предъявляются повышенные требования к выбору конструкционных материалов, анализу внешних и внутренних силовых воздействий, определению жесткостных’характеристик конструкции.

Нестационарные воздействия, обеспечивающие большие пространственные развороты конструкции, приводят к деформации конструктивных элементов КА, смещению его центра масс, искажению формы рабочих поверхностей. Описание пространственных движений, при которых упругие деформации конструкции приводят к изменению динамических параметров аппарата, таких, как положение центра масс, главных моментов инерции, ориентации главных осей, требует разработки специальных подходов к решению совместных задач динамики пространственного движения конструкции и её упругих деформаций.

Проведение научно-исследовательских, проектных и конструкторских работ в перспективных областях развития космической техники требуют развития новых инженерных подходов, разработку ключевых технологий и методов. Это согласуется с принятой 7 июля 2006 года Правительством РФ стратегией развития ракетно-космической промышленности до 2015 года. Основная идея новой стратегии — создание высокотехнологичной отрасли, которая будет выдавать на мировой рынок конкурентоспособную продукцию.

Целью диссертационной работы является повышение надежности раскрывающихся конструкций космических аппаратов путем создания метода решения основных задач проектирования этих конструкций, базирующегося на математическом моделировании объектов проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

— систематизация знаний обо всех этапах эксплуатации, условиях функционирования, особенностях конструкций и требованиях предъявляемых к раскрывающимся конструкциям космических аппаратов;

— разработка рекомендаций для моделирования РК с применением метода конечных элементов (МКЭ);

— решение основных задач проектирования конкретных РК: панелей солнечных батарей (ПСБ) КА «Е4», ПСБ малого космического аппарата (МКА) «Нева-ОЭ», трансформируемой фермы для размещения приборного контейнера с научной аппаратурой проекта «Нуклон» и штанги электромагнита 14Ф138 0057;

— подтверждение достоверности результатов расчетов по результатам лабораторных и натурных испытаний полноразмерных образцов исследуемых конструкций.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— Создан метод проектирования РК КА, отличающийся от существующих тем, что структура математической модели взаимодействия элементов проектируемой конструкции формируется на начальном этапе проектирования, а не по результатам проектирования отдельных подсистем. Анализ и синтез проектируемой системы, а также эвристические приемы, применяемые для поиска более рациональных и новых конструктивных решений, выполняются с помощью единой математической модели проектируемой конструкции, что позволяет одновременно контролировать все необходимые проектные параметры и критерии работоспособности разрабатываемой конструкции на всех этапах ее проектирования с учетом всех наиболее существенных факторов.

— Ранее при проектировании РК КА в достаточной мере не учитывались следующие факторы: совместное действие внешних нагрузок на РК при функционировании КА на орбите, действие центробежных нагрузок на РК при их приведении в рабочее положение и учет больших кинематических перемещений и колебаний конструкции в целом, а также малых упругих деформаций ее отдельных элементов.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование разработанного метода проектировании РК КА, интегрированного с программным обеспечением для анализа нагрузок, прочности и жесткости позволяет:

— увеличить точность расчетов РК;

— полностью и оперативно контролировать все основные проектные параметры и критерии работоспособности РК;

— установить четкую связь между конструкторскими, технологическими и расчетными подразделениями КБ, взаимодействующими в процессе проектирования РК;

— минимизировать сроки и материальные затраты за весь цикл разработки КА в целом.

Достоверность полученных результатов подтверждена сходимостью результатов численных конечно-элементных решений с результатами лабораторных и натурных экспериментов на полноразмерных образцах исследуемых конструкций.

Результаты экспериментов показали эффективность разработанного метода.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинарах кафедры «Машиноведение, системы приводов и детали машин», на конференциях «Окуневские чтения», «ВЕМ&РЕМ' 2003», «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в изделиях ракетно-космической техники разработки ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», а также на XXV Российской школе по проблемам науки и технологий.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

4.3. Выводы по четвертой главе.

1. Результаты моделирования раскрытия конструкции антенны ТКСА-5 подтверждают необходимость применения МКЭ при проектировании РК. Погрешности, полученные при сравнении данных натурного эксперимента и результатов различных вариантов расчета с применением модели из КЭ, составляют не более 5,8%.

2. Расчет момента сопротивления развороту СП, при принятых допущениях, показал удовлетворительные результаты при сравнении с результатами лабораторного эксперимента. Погрешность, полученная при сравнении данных эксперимента и результатов расчета, составляет 14,6%. Результаты моделирования системы «кабели-СП» подтверждают необходимость применения МКЭ при проектировании РК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате диссертационных исследований:

1. Создан метод решения основных задач проектирования раскрывающихся конструкций космических аппаратов, служащий для повышения надежности раскрывающихся конструкций. Задачи проектирования решаются с помощью единой математической модели проектируемой конструкции сформированной на начальном этапе проектирования, что позволяет одновременно контролировать все необходимые проектные параметры и критерии работоспособности разрабатываемой конструкции на всех этапах ее проектирования.

2. На основе систематизации знаний обо всех этапах эксплуатации, условиях функционирования, особенностях конструкций и требованиях, предъявляемых к РК КА, выделены факторы, которые ранее в достаточной мере не учитывались при проектировании РК КА: совместное действие внешних нагрузок на РК при функционировании КА на орбитедействие центробежных нагрузок на РК при их приведении в рабочее положениебольшие кинематические перемещения и колебания конструкции в целом, а также малые упругие деформации ее отдельных элементов.

3. Обоснован выбор метода конечных элементов, учитывающего при динамических расчетах большие кинематические перемещения и колебания РК КА, а также малые упругие деформации их отдельных элементов.

4. Разработаны рекомендации для моделирования РК с применением МКЭ.

5. Обоснован выбор метода оптимизации РК по критериям прочности, жесткости и устойчивости.

6. В результате применения разработанного метода решения основных задач проектирования РК КА:

— В два раза сокращено расчетное время раскрытия ПСБ КА «Е4»;

— Определен вариант нештатной ситуаций, последствия которой приведут к нарушению конструктивной прочности МКА «Нева-ОЭ». Доказана необходимость учета угловой скорости КА при проведении проектных расчетов РК. Предложен метод оценки работоспособности МКА «Нева-ОЭ» при возникновении нештатных ситуаций, связанных с недопустимыми скоростями его вращения.

— Спроектирована система раскрытия трансформируемой фермы для размещения приборного контейнера с научной аппаратурой проекта «Нуклон».

— Выбрана энергия торсиона, для приведения в рабочее положение штанги 14Ф138 0057. При этом обеспечивается надежная фиксация штанги и ее прочность. Стоимость торсиона в несколько десятков раз меньше стоимости ранее установленного ЭМП 14Ф138 0058.

7. Достоверность результатов расчетов подтверждена результатами лабораторных и натурных испытаний на полноразмерных образцах исследуемых конструкций.

8. Результаты моделирования раскрытия конструкции антенны ТКСА-5 подтверждают необходимость применения МКЭ при проектировании РК. Погрешности, полученные при сравнении данных натурного эксперимента и результатов различных вариантов расчета с применением модели из КЭ, составляют не более 5,8%.

9. Расчет момента сопротивления развороту СП, при принятых допущениях, показал удовлетворительные результаты при сравнении с результатами лабораторного эксперимента. Погрешность, полученная при сравнении данных эксперимента и результатов расчета, составляет 14,6%. Результаты моделирования системы «кабели-СП» подтверждают необходимость применения МКЭ при проектировании РК.

10. Установлено, что использование при проектировании РК моделей, созданных на основе МКЭ, упрощает анализ поведения реальной конструкции и позволяет оперативно вносить изменения в проектируемые конструкции.

11. Разработанный метод решения основных задач проектирования РК КА реализован при проектировании ЭМП 14Ф138 0058 и системы раскрытия штанги 14Ф138 0057.

Перспективой дальнейших исследований является корректировка методики расчета моментов сопротивлений в узлах поворота РК и проектирование новых крупногабаритных РК.