CC BY
23"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
N. E. Bauman. 2013. No. 6 URL: http://technomag. bmstu.ru/doc/574243.html. (accessed 12.09.2016) (In Russ.).
2. Pugach I. Y. Razrabotka metodicheskogo obespecheniya povysheniya tochnosti modelirovaniya dinamicheskikh kharakteristik elementov konstruktsiy KA DZZ na stadii proyektirovaniya i nazemnoy otrabotki [Development of methodical maintenance of improving the accuracy of the simulation of dynamic characteristics of structural elements ERS satellites at the design stage and ground tests] : Author. dis. ... cand. tehn. sciences: 05.07.02. Moscow, 2015. 22 p.
3. Zuev A. K., Gross V. Y. [Some questions vibration isolation theory] // Voprosy avtomatizatsii proizvodst-vennykh protsessov s ispol'zovaniyem silovykh
impul'snykh sistem: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Questions of automation of production processes with the use of pulsed power systems: Interuniversity collection of scientific works.]. Novosibirsk, 1984. P. 68-75 (In Russ.).
4. Zuev A. K. [Ways to improve designs rearranging antivibration mechanisms] // Snizheniye vibratsii na sudakh: sb. nauch. tr. [Reduced vibration on ships: a collection of scientific works.]. Novosibirsk, 1988. P. 3-18 (In Russ.).
5. Gurova E. G. Towards to use of electromagnets in rolling-stock machines vibroisolation devices Transsib. news: Pr. sc. lett. Omsk, 2012. № 3 (11). P. 30-34 (In Russ.).
© Гурова E. Г., Панченко Ю. В., 2016
УДК 629.76
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ШТАНГ НА ТОЧНОСТЬ НАВЕДЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. Д. Егорова, А. П. Колесников, Д. О. Шендалев
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Работа посвящена анализу влияния температурных деформаций штанг рефлекторов диаметром до 12 м на точность наведения антенн. Оценка влияния перепадов температур во время работы КА по целевому назначению в расчетных случаях летнего солнцестояния и зимнего солнцестояния показала, что заданные требования по точности антенн выполняются для штанг. В процессе исследования проведен анализ факторов, влияющих на температурные деформации.
Ключевые слова: крупногабаритная антенна, композиционные материалы, температурный анализ, температурные деформации, штанга.
ANALYSING INFLUENCE OF THE BOOM THERMAL DISTORTIONS ON THE POINTING ACCURACY OF SPACE LARGE-SIZE ANTENNA
V. D. Egorova, A. P. Kolesnikov, D. O. Shendalev
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research analyses the influence of the thermal distortions of reflector booms with a diameter up to 12m on the accuracy of the antennas. It evaluates the effect of temperature differences during operating the spacecraft for its intended purpose in the calculating cases of the summer solstice and the winter solstice. This shows that specified requirements for antenna accuracy are satisfactory for booms. In the course of research the factors affecting the thermal distortions are analised.
Keywords: large-size antenna, composite materials, thermal analysis, thermal distortions, boom.
В условиях открытого космоса основным фактором, влияющим на тепловой режим антенны, является нагрев за счет солнечного излучения. Для оценки влияния перепада температуры, вызванного нагревом, в процессе штатной эксплуатации на орбите, на точность наведения антенн необходимо проводить расчет температурных деформаций элементов конструкции антенны.
Требования по точности, предъявляемые к штанге в составе антенны, включают в себя линейные отклонения фокуса не более 9 мм, а также угловые отклонения фокальной оси не более 1 угл. мин.
Конструкция штанги рефлектора (рис. 1) представляет собой сплошную цилиндрическую трубу диаметром 200 мм, выполненную из высокомодульного углепластика со схемой армирования (±15°)*3,
<Тешетневс^ие чтения. 2016
где 15° - слой углеродного жгута, намотанного под углом к оси трубы.
Штанга
Рис. 1. Общий вид крупногабаритного трансформируемого рефлектора на штанге
Исходными данными для расчёта являются значения и распределение температур по элементам конструкции в условиях эксплуатации на высокоэллиптической орбите, полученные в результате теплового анализа. Для расчета температурных деформаций штанг крупногабаритных рефлекторов рассматривались расчетные случаи начала и конца срока активного существования (САС) для летнего солнцестояния (ЛСС) и зимнего солнцестояния (ЗСС).
Для каждого расчётного случая проведен анализ температурных деформаций штанг и определены угловые отклонения фокальной оси и линейные отклонения фокуса на каждом шаге изменения температуры. Согласно обобщающему анализу результатов всех проведённых расчётов влияние температурных деформаций штанг на точность наведения антенн обусловлено в основном изгибом труб штанг вследствие неравномерного температурного поля по сечению штанг. В течение всего срока активного существования для всех расчетных случаев САС ЛСС и САС ЗСС заданные для штанги рефлектора требования по угловым отклонениям фокальной оси и линейным отклонениям фокуса не выполняются.
С целью снижения теплового воздействия на поверхность штанг рассмотрены варианты использования в их составе экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ). Подбор соответствующего количества слоев ЭВТИ позволил получить расчётные величины параметров точности антенны (угловое отклонение фокальной оси и линейное отклонение фокуса) ниже максимально допускаемых пределов. С помощью ЭВТИ удаётся свести к минимуму воздействие внешних тепловых потоков на штангу, являющихся основным источником неравномерности её температурного поля. Из полученных расчётных данных следует, что за счёт повышения термического сопротивления ЭВТИ достигается следующее:
снижается градиент температуры в поперечном сечении штанги;
снижается градиент температуры в продольном направлении штанги;
повышается минимальный уровень эксплуатационных температур, что является положительным фактором, так как с повышением температуры теплопроводность углепластика возрастает.
Однако масса данной теплоизоляции для трубы длиной 7 670 мм составляет 3,8 кг, что значительно
утяжеляет конструкцию. В связи с этим требуется проведение дополнительного комплексного анализа, включающего отыскание наиболее рационального сочетания схемы армирования и состава и структуры ЭВТИ.
Возникла необходимость проведения анализа эффективности всего комплекса возможных конструктивных решений, обеспечивающих снижение температурных деформаций штанги, и реализация наиболее рационального набора таких решений.
Анализ геометрических факторов, влияющих на температурные деформации, показал, что увеличение внешнего размера поперечного сечения штанги пропорционально снижает угол поворота концевого сечения (при неизменном распределении температур) [1]. Возможность увеличения размера должна быть проработана с точки зрения массы и компоновки. Также увеличение толщины стенки штанги снижает температурный перепад и, как следствие, угол поворота концевого сечения. Целесообразность увеличения толщины стенки должна быть оценена на основании теплового расчета для ряда толщин с точки зрения допустимой массы.
Влияние термоупругих характеристик монослоя на коэффициенты теплового расширения в направлениях ортотропии определяется, прежде всего, углом армирования [2-4]. С применением разработанной конечно-элементной модели штанги были выполнены расчеты угла поворота концевого сечения штанги для ряда углов армирования при условии одинакового распределения температуры. Результаты расчета приведены на рис. 2.
Угоп арыяравашш, градус
Рис. 2. Зависимость угла поворота концевого сечения штанги от угла армирования
Из анализа графика следует, что для снижения угла поворота концевого сечения вследствие температурных деформаций необходимо либо уменьшать угол армирования до минимально возможного, либо увеличивать до значения ~ 45°, но это приведет к существенному снижению жесткости штанги, что недопустимо. Наиболее оптимальный угол армирования с точки зрения равенства жесткостей на изгиб и кручение близок к 25°. Увеличение угла армирования повышает коэффициент теплопроводности в кольцевом направлении, что в свою очередь снижает перепад температуры по сечению и угол поворота концевого сечения.
Для повышения теплопроводности в кольцевом направлении целесообразно также рассмотреть введение дополнительных слоев с увеличенным углом ар-
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
мирования (при неизменных углах армирования имеющихся слоев), что увеличат общую толщину и также приведет к снижению перепада температур.
Анализ влияния перепадов температур во время работы КА по целевому назначению в расчетных случаях ЛСС и ЗСС с применением теплоизоляционных покрытий показал, что заданные требования по точности всей антенны выполняются для штанги. Согласно проведенному анализу факторов, влияющих на температурные деформации, необходимо проведение дополнительных работ для выбора наиболее рационального варианта конструкции штанги с ЭВТИ (по критерию минимальной массы).
Библиографические ссылки
1. Сапунов В. Т. Задачи прикладной теории упругости. М. : НИЯУ МИФИ, 2011. 208 с.
2. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. М. : Машиностроение, 1990. 512 с.
3. Композиционные материалы : справочник / Д. М. Карпинос. Киев : Наукова думка, 1985. 592 с.
4. ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012.
References
1. Sapunov V. T. Zadachi prikladnoy teorii uprugosti [Problems of the applied theory of elasticity]. Moskow : MEPhI, 2011. 208 p.
2. Vasilev V. V., Protasov V. D., Bolotin V. V. Kompozitsionnyie materialyi: Spravochnik [Composite Materials: Handbook]. Moskow : Mashinostroenie, 1990. 512 p.
3. Karpinos D. M. Kompozitsionnyie materialyi: Spravochnik [Composite Materials: Handbook]. Kiev, Naukova dumka, 1985. 592 p.
4. ISSN 0236-3941. Vestnik Bauman MSTU. "Mashinostroenie". 2012.
© Егорова В. Д., Колесников А. П., Шендалев Д. О., 2016
УДК 621.01
НАЗЕМНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА И ОСОБЕННОСТИ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С. А. Захаров
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Для обеспечения высокого качества НЭО важно принять правильную концепцию подтверждения надежности БС с учётом специфики построения БС и реальных возможностей экспериментальной базы.
Ключевые слова: солнечная батарея, устройство обезвешивания, дифференциальные уравнения, панель, шарнирный узел, экспериментальная отработка, надёжность.
GROUND EXPERIMENTAL DEVELOPMENT TEST AND FEATURES OF RELIABILITY DEMONSTRATION FOR LARGE SIZE SPACECRAFT SOLAR ARRAY
S. A. Zakharov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
To ensure high quality GTD it is important to accept the correct concept of SA reliability demonstration, taking into account the features of the SA design and the real capabilities of the test facilities.
Keywords: a Solar Array, a gravity off-loader, differential equations, a panel, a hinge, ground experimental development test, reliability.
Введение. 26 декабря 2013 года осуществлен запуск спутника «Экспресс-АМ5», а 15 декабря 2014 года выведен на рабочую орбиту спутник «Ямал-401» [1]. В качестве модуля служебных систем в этих аппаратах применена унифицированная негерметичная
платформа «Экспресс-2000» мощностью порядка 15 кВт [2]. Размах крыльев батарей солнечных платформы «Экспресс-2000» превышает 33 метра.
Актуальность проблемы. Имеющееся в отрасли оборудование не позволяет выполнять полномас-
