CC BY
40Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.783
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТНЫХ СТЕРЖНЕЙ
Ф. К. Антонов1, А. В. Макаровская2, В. В. Папченко2, А. Ю. Шаенко2
1 Сколковский институт науки и технологий Российская Федерация, 143025, Московская область, Одинцовский район, Сколково, ул. Новая, 100
Е-mail: antonof@gmail.com 2Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1. E-mail: ark4110@gmail.com
Рассматривается вариант исполнения ферменного рефлектора с более высокой жесткостью и надёжностью раскрытия, относительно традиционных. Настоящая конструкция представляет собой пространственную ферму, образованную тонкостенными композитными стержнями, профиль которых при приложении определенных нагрузок уплощается, обеспечивая возможность их складывания. Изготовление антенны только из углепластика за счет его высокой удельной прочности, жесткости и малого коэффициента термического расширения позволяет обеспечить повышенную частоту первого тона колебаний и размеростабильность конструкции в широком температурном диапазоне. В предлагаемой конструкции отсутствуют металлические детали, что позволяет дополнительно снизить массу и избежать решения проблемы стыка «металл-композит».
Ключевые слова: композитный материал, тонкостенные конструкции, космические конструкции, раскрывающийся космический рефлектор, конечно-элементное моделирование.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF DEPLOYABLE THIN-WALLED
ALL-COMPOSITE SPACE REFLECTOR
F. K. Antonov1, A. V. Makarovskaya2, V. V. Papchenko2, A. Yu. Shаenko2
1 Skolkovo Institute of Science and Technology 100, Novaya str., Skolkovo, 143025, Russian Federation. E-mail: antonof@gmail.com 2Bauman State Technical University 5, Baumanskay 2-ya str., Moscow, 105005, Russian Federation. E-mail: ark4110@gmail.com
In current research the new deployable space reflector design is proposed, that possesses all the advantages of space truss reflectors while reducing structural complexity and price, rising low eigenfrequencies and guaranteeing needed deployed shape. The proposed design is a space truss made of foldable composite rods with thin-walled collapsible cross-section. The design structural integrity allows the manufacturing of reflector as a single part made of carbon fiber reinforced plastics with high specific strength and stiffness as well as low thermal expansion, thus providing necessary rigidity and stability of the structure in wide temperature range. All-composite design will additionally reduce the mass and will allow avoiding composite-metal joining issues.
Keywords: composite materials, space structures, deployable space reflector, thin-walled structures, finite element modeling.
Потребности спутниковой радиосвязи и дистанционного зондирования Земли приводят к появлению раскрывающихся космических рефлекторов с увеличивающейся апертурой, что приводит к ужесточению требований к снижению их массы и объема в транспортном положении и повышению их коэффициента укладки. Современные ферменные рефлекторы обладают описанными характеристиками, однако им свойствен и ряд недостатков, а именно: большая сложность изготовления и юстировки, наличие большого количества подвижных частей и малая первая собственная частота колебаний.
Выбор антенны для определенного космического аппарата делается с учетом требований, предъявляемых к апертуре рефлектора и его рабочей длине волны, коэффициента укладки, отношения характерных
размеров. Рефлекторы, как правило, состоят из большого количества механических соединений, имеющих свои собственные степени свободы и размерные допуски, что приводит к высокой сложности их изготовления и настройки.
Традиционно композиционные материалы с высокой удельной жесткостью и хорошими прочностными свойствами широко используются в больших космических конструкциях, обеспечивая превосходные рабочие характеристики при небольшой массе, но поле их применения значительно ограничено вследствие, в частности, непроработанности вопроса образования соединений исключительно из композиционных соединяемых и крепежных деталей. Поэтому множество ферменных антенн изготовляются из композитных деталей с применением металлических крепежных
Решетневскуе чтения. 2014
элементов. Это решение частично уменьшает преимущества композитного материала за счет увеличения общего веса конструкции, снижения первой собственной частоты колебаний и наличия технологических проблем с металлокомпозитными соединениями.
Однако в мире широко исследуются раскрывающиеся конструкции на иных принципах, в том числе и на основе бистабильных тонкостенных оболочек [1]. Большинство из этих конструкций используются как каркас антенн или мачт, а также в качестве подпружиненных шарниров [2].
Конструкция раскрывающегося космического рефлектора, представленная в данной работе, сохраняет все преимущества ферменной конструкции при сокращении стоимости и снижении сложности ее изготовления. Предлагаемая ферменная антенна, состоящая из бистабильных стержней с закрытым сечением, может уплощаться при определенных нагрузках, приложенных в поперечной плоскости. Жесткость такого уплощенного стержня существенно снижается, что приводит к образованию так называемого «динамического» шарнира в конструкции, позволяющего сложить конструкцию. Поперечное сечение бистабильного стержня схематически показано ниже (см. рисунок).
Поперечное сечение предложенного бистабильного стрежня
Нижняя поверхность стержня предполагается плоской для соединения с тканью рефлектора и возможности ее изгиба согласно заданной форме.
Для подтверждения возможности данных свойств, были изготовлены образцы с указанным поперечным сечением и проведены их укладка и раскрытие. Испытания показали положительный результат.
Математическое моделирование складывания и развёртывания предполагаемой конструкции было произведено с использованием программного обеспечения LS-DYNA. Треугольная ячейка конструкции, состоящая из предполагаемых бистабильных стержней, моделировалась как представительный элемент реальных пространственных ферм.
Численный анализ блока был разделен на два этапа. Сначала был произведен расчет возможности складывания: использование сосредоточенных сил для укладки конструкции и накопления потенциальной энергии деформации. На втором этапе, при моделировании развертывания, сложенная ферма была освобождена от связей и развернулась в конечное состоянии.
Таким образом, основные принципы космической цельнокомпозиционной бистабильной ферменной антенны подтверждены технологическими и численными экспериментами. Разработанная математическая модель применима для дальнейшего детального изучения подобных структур.
References
1. Soykasap О. Deployment analysis of a self-deployable composite boom // Composite Structures, ,
2009, july, vol. 89, iss. 3, p. 374-381.
2. Hoffait S., Bruls O., Granville D., Cugnon F., Kerschen G. Dynamic analysis of the self-locking phenomenon in tape-spring hinges // Acta Astronautica,
2010, april-may, vol. 66, iss. 7-8, p. 1125-1132.
© Антонов Ф. К., Макаровская А. В., Папченко В. В., Шаенко А. Ю., 2014
УДК 629.73.02
СИЛОВАЯ КРУПНОГАБАРИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Д. Ю. Багрянцев, А. В. Балановский, Ю. А. Оберемок, Д. А. Овчинников, А. В. Усольцев
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: dao@iss-reshetnev.ru
На примере разработки силового крупногабаритного шпангоута для подкрепления исполнительных механизмов управления формой рабочей поверхности зеркал системы оптической космического телескопа «Милли-метрон» показано построение конструкции кессонного типа из полимерных композиционных материалов.
Ключевые слова: крупногабаритная конструкция, полимерный материал, кессон.
