Численное моделирование крупногабаритного развертываемого рефлектора вантово-стержневой схемы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 539.3:621.396.67

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНОГО РАЗВЕРТЫВАЕМОГО РЕФЛЕКТОРА ВАНТОВО-СТЕРЖНЕВОИ СХЕМЫ

В. Е. Мешковский, А. Н. Сдобников, С. А. Чурилин

Научно-исследовательский институт специального машиностроения МГТУ имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, Госпитальный пер., 10 E-mail: churilin@bmstu.ru

Рассмотрены вопросы численного моделирования конструкции космического трансформируемого рефлектора вантово-стержневой схемы, приведены результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния силовых элементов конструкции. Используются программные комплексы MSC.Patran-Nastran и MSC.ADAMS.

Ключевые слова: трансформируемый рефлектор, вантово-стержневая схема, силовой обод, напряженно-деформированное состояние, моделирование развертывания, численный анализ, метод конечных элементов.

LARGE DEPLOYABLE REFLECTOR WITH CABLE-TRUSS STRUCTURE NUMERICAL SIMULATION

V. E. Meshkovsky, A. N. Sdobnikov, S. A. Churilin

Scientific Research Institute of Mechanical Engineering of Bauman Moscow State Technical University 10, Gospitalny per., Moscow, 105005, Russian Federation E-mail: churilin@bmstu.ru

This paper describes numerical simulation of space deployable reflector with cable-truss structure using MSC. Patran-Nastran and MSCAdams software packages and results of numerical analysis of reflector structure units at deformation mode.

Keywords: deployable reflector, cable-truss structure, load-bearing rim, deformation mode, simulation of deployment, numerical simulation, numerical analysis, finite element method.

Ограниченные мощности средств выведения на орбиту полезной нагрузки приводят к необходимости использования новой технологии создания крупногабаритных объектов на орбите. В основу ее положена либо технология последовательного монтажа на орбите типовых модулей, образующих крупногабаритную конструкцию, либо технологии развертывания выведенного на орбиту компактно сложенного объекта. Конструкции, развертываемые на орбите для придания ей рабочей конфигурации, принято называть трансформируемыми.

Возрастающие потребности в трансформируемых рефлекторах с апертурой более 12 м для телекоммуникационных приложений ставят перед разработчиками таких систем задачи поиска наилучших концептуальных решений, отвечающих требованиям минимальной массы, высокой точности отражающей поверхности и необходимой динамической жесткости [1-4].

В работе рассмотрены варианты топологической схемы конструкции диаметром апертуры 12 метров с выбором наиболее рационального конструктивного решения, отвечающего требованиям экспериментальной отработки конструкции и ее функционирования в эксплуатационном режиме.

На рис. 1 показан общий вид выбранной конструкции трансформируемого рефлектора вантово-стержневой схемы в развернутом состоянии.

Рефлектор включает формообразующую структуру (ФОС) отражателя (лицевая и тыльная сети, связанные в узлах растяжками (вантами), определяющими параболическую форму лицевой сети с закрепленным на ней сетеполотном), которая с помощью верхнего и нижнего тросовых шпангоутов закрепляется на 12-ти стержневых стойках. Образованная таким образом вантово-стержневая система «ФОС + стойки» связана с помощью нижних и верхних растяжек с несущим кольцевым каркасом (ободом).

Силовой обод представляет собой замкнутый многоугольник, состоящий из двенадцати звеньев-труб, шар-нирно связанных между собой через двенадцать опор.

В шарнирах опор обода расположены силовые пружинные приводы с системой сдерживания, обеспечивающие управляемое раскрытие силового обода и связанную с ним с помощью растяжек ФОС из сложенного транспортного состояния в рабочую конфигурацию (рис. 2).

Для исследуемых вариантов конструкции рефлектора с апертурой 12 метров и диаметрами силового обода 16, 18 и 20 метров представлены расчеты напряженно-деформированного состояния стержневых и вантовых элементов конструкции методом конечных элементов в программном комплексе MSC.Patran-Nastran для различных положений процесса развертывания.

Решетневскуе чтения. 2017

верхним силовом

лицевая сеть

каркас (обод)

шпангоут

Рис. 1. Общий вид рефлектора вантово-стержневой схемы в развернутом состоянии

Следует отметить, что ввиду сложной сетчатой структуры ФОС на данном этапе численных исследований последняя заменялась ее упругим аналогом в виде шнуров ФОС. Расчеты показывают, что расположение узлов крепления растяжек на серединах звеньев-труб силового обода позволяет обеспечить равное напряженно-деформированное состояние всех растяжек при развертывании ФОС.

Рис. 2. Модульная структура трансформируемого вантово-стержневого рефлектора

Кинематика и динамика раскрытия конструкции моделировалась в пакете ADAMS с заменой системы ФОС ее упругим аналогом. Проведение вариантных расчетов в пакете ADAMS позволило определить номинальные параметры жесткостей пружин силовых приводов из условия минимальных контактных усилий при постановке на упоры раскрываемой конструкции [5].

Библиографические ссылки

1. Tibert G. Deployable tensegrity structures for space applications : Doctoral thesis - Royal Institute of Technology, Department of Mechanics, Stockholm, Sweden. 2002. 220 p.

2. Величко А. И., Белов С. В., Пономарев С. В. Моделирование рефлектора с тензогридным ободом //

Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12-14 ноября 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 61-62.

3. Пономарев С. В. Трансформируемые рефлекторы антенн космических аппаратов // Вестник Томского государственного университета. 2011. № 4. С. 110119.

4. Hedgepeth J. M., Thomson M. W., Chae D. Design of large lightweight precise mesh reflector structures. Astro Aerospace Corporation Technical Document, AAC-TN-1164, 8 November 1991.

5. Крылов А. В., Чурилин С. А. Моделирование развертывания многозвенных замкнутых космических конструкций // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 8.

References

1. Tibert G. Deployable tensegrity structures for space applications : Doctoral thesis - Royal Institute of Technology, Department of Mechanics, Stockholm, Sweden. 2002. 220 p.

2. Velichko A. I., Belov S. V., Ponomarev S. V. [Modelling a reflector with tensegrety rim] // Materialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVII Intern. Scientific. Conf. "Reshetnev reading"] / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2013. P. 61-62. (In Russ.)

3. Ponomarev S. V. [Transformable reflectors of spacecraft antennas] // Vestnik of Tomsk State University. 2011. № 4. P. 110-119. (In Russ.)

4. Hedgepeth J. M., Thomson M. W., Chae D. Design of large lightweight precise mesh reflector structures. Astro Aerospace Corporation Technical Document, AAC-TN-1164, 8 November 1991.

5. Krylov A. V., Churilin S. A. [Simulation of Deployment of Multi-Link Closed Space Structures]. Engineering Journal: Science and Innovation. 2012. № 8.

© Мешковский В. Е., Сдобников А. Н., Чурилин С. А., 2017