CC BY
20"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 539.3
Н. Н. Головин, Г. Н. Кувыркин
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ *
Предложены феноменологические и структурные механико-математические модели композитных материалов на основе углерода, используемых в конструкциях термонагруженных элементов ракетно-космической техники. Описаны особенности численного моделирования полей температур и термонапряжений в конструкциях методом конечных элементов с помощью специализированных программных комплексов. Приведены примеры расчетов конкретных термонагруженных конструкций.
Разработка современных конструкций ракетно-космической техники, подвергающихся в процессе функционирования высокоинтенсивному термосиловому нагружению, невозможна без широкого использования композитных материалов, среди которых особое место в силу своих уникальных характеристик занимают композиты на основе углерода, в частности углерод-углеродные композиты (УУК) и углепластики (УП), и материалы, модифицированные такими наноразмерными объектами (НРО), как углеродные нанотрубки и фуллерены. Для УУК характерны высокая степень анизотропии и температурная зависимость теплофизических и физико-механических характеристик, сочетающаяся с их склонностью к псевдопластическому деформированию и разносопротивляе-мостью растяжению и сжатию. Эффективная модификация материалов НРО приводит к существенным изменениям их макроскопических характеристик.
Авторами предложен многоуровневый подход к анализу термодеформирования деталей и узлов из этих материалов, сочетающий в себе традиционные гомогенные и микромеханические модели композитов.
Так, при рассмотрении композита как сплошной анизотропной среды с эффективными характеристиками формулируются положения феноменологической теории пластичности деформационного типа для анизотропных разносопротивляющихся растяжению и сжатию материалов. В этом случае определение параметров производится путем обработки результатов испытаний образцов материалов в главных направлениях анизотропии путем численного решения задачи минимизации функции ошибок как нормы рассогласования теоретических и экспериментальных результатов.
Анализ термодеформирования композитов на основе углерода с учетом их внутренней структуры проводится в соответствии с моделью, представляющей их в виде смеси нескольких компонентов, для каждого из которых рассматриваются законы сохранения массы, количества движения, момента количества движения, первый и второй законы термодинамики. Распределение температур в конструкциях из УУК описывает система дифференциальных уравне-
ний относительно температур матрицы и наполнителя. Численное моделирование представительного элемента УУК позволяет определить значение параметра межкомпонентного теплообмена в законе Генри. Система уравнений для термореактивных УП включает в себя уравнения нестационарной теплопроводности пористой насыщенной среды и нестационарной фильтрации продуктов терморазложения связующего, выражение аррениусовского типа, описывающее производство массы продуктов терморазложения, коэффициенты которого определяются путем математической обработки экспериментальных дери-ватограмм при различных скоростях нагрева, и функцию, определяющую тепловой эффект этой реакции.
При исследовании распределения термонапряжений применяется математическая модель, представляющая УУК как совокупность пространственно ориентированных армирующих стержней и первоначально изотропной матрицы. Для описания процесса накопления повреждений в наполнителе и матрице предложен вариант эндохронной теории с введением системы внутренних времен, связанных с компонентами композита. Идентификация параметров модели проводится на основании информации, получаемой из испытаний макрообразцов композита в характерных направлениях.
Для численного моделирования могут быть использованы конечно-элементные программные комплексы MAPAT/Composite и ORTOPLASCON/Composite.
Первый программный комплекс предназначен для численного моделирования полей температур в составных конструкциях, включающих в себя детали из пространственно армированных и терморазлагаю-щихся композитов, а также из традиционных материалов с учетом анизотропии и зависимости их характеристик от температуры и изменения геометрии нагреваемых поверхностей. При этом в каждом узле расчетной сети заданы либо неизвестные температуры компонентов композита для зон УУК, либо температура пористого каркаса и давление продуктов пиролиза для зон УП. Стыковка расчетных зон из разнородных материалов осуществляется с помощью дополнительных граничных соотношений.
* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 09-08-00699а) и программы Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-4046.2010.8.
Решетневскце чтения
Для предотвращения получения лишенных физического смысла результатов расчета используется диагональная форма матрицы обобщенной теплоемкости, что позволяет автоматизировать процесс выбора шага и схемы интегрирования по времени.
Второй программный комплекс ориентирован на исследование полей термонапряжений в тех же конструкциях с учетом различных механических характеристик компонентов композитов, неупругого характера деформирования и внутрипорового давления продуктов деструкции. Кроме того, в нем реализован алгоритм численного решения задачи контактного
взаимодействия отдельных деталей конструкции между собой с учетом зазоров и клеевых соединений.
Авторами было проведено численное моделирование нестационарного деформирования элементов конструкций ракетно-космической техники и выполнен анализ термодеформирования силовой конструкции крупногабаритного антенного параболического отражателя искусственного спутника Земли, выполненного из высокомодульного УП и установленного на углепластиковой пространственной ферменной конструкции, при воздействии высокоинтенсивного теплового потока.
N. N. Golovin, G. N. Kuvyrkin Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow
NUMERICAL SIMULATION OF THERMOSTRESSED STATE OF SPACE-ROCKET HARDWARE ELEMENTS MADE OF COMPOSITE MATERIALS
Phenomenological and structural mechano-mathematical models are proposed for carbon-based composites used in thermostressed space-rocket hardware elements. Specific features of numerical simulation of temperature and thermostress fields in constructions using finite element method on specialized software packages are described. Examples of computation for certain thermostressed constructions are presented.
© Головин Н. Н., Кувыркин Г. Н., 2011
УДК 621.396.67.001.4
В. В. Двирный, И. В. Болдина, Г. В. Двирный ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
М. С. Пакман
Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск
ВОЗМОЖНЫЙ ПУТЬ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИВОДНЫХ УСТРОЙСТВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрена возможность усовершенствования приводного устройства механизма прецизионного позиционирования крупногабаритных трансформируемых антенн за счет использования инновационных бесколлекторных двигателей постоянного тока.
Механизм прецизионного позиционирования (МПП) осуществляет перевод антенны в раскрытую (орбитальную) конфигурацию. Основным элементом МПП является приводное устройство, которое обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к МПП:
- поддержание заданных параметров по кинематике и динамике раскрытия антенны, юстировке зеркала антенны;
- обеспечение заданной надежности работы в процессе эксплуатации на орбите при больших перепадах температур;
- размещение антенны в стартовом положении в заданном объеме зоны полезного груза космического аппарата.
В настоящее время в конструкцию крупногабаритных трансформируемых антенн зонтичного типа с
радиальными профилируемыми спицами введены дополнительные шарниры, соединяющие шарниры спиц со ступицей рефлектора и имеющие ось вращения в плоскости раскрытия спицы. Все шарниры снабжены своими электроприводами, причем оси каждой пары «шарнир-привод» совпадают. Антенна, имеющая шесть силовых спиц, оборудована 18 встроенными электроприводами, которые должны обеспечивать высокий уровень точностных, динамических и ресурсных характеристик МПП, а также возможность работы привода в качестве ограничителя скорости даже в обесточенном режиме.
В качестве электропривода авторы предлагают использовать бесколлекторные двигатели постоянного тока с дублированием обмоток.
Достоинствами этих двигателей являются:
- широкий диапазон изменения частоты вращения;
