CC BY
17Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.78.018.3.015
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО БЛОКА УСТРОЙСТВА ПОВОРОТА БАТАРЕИ СОЛНЕЧНОЙ ДЛЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Т. Г. Хадкевич, Д. Б. Усманов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: hadkevic@mail.ru
Изложено краткое назначение устройства поворота батареи солнечной, которое входит в состав системы ориентации и стабилизации. Представлено исследование напряженно-деформированного состояния, а также проведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: устройство поворота батареи солнечной, предел текучести, прочность, напряженно-деформированное состояние.
INVESTIGATING STRESS-DEFORMED STATE, MECHANICAL DEVICE FOR TURNING SOLAR BATTERY FOR A SMALL SPACE APPARATUS
T. G. Khadkevich, D. B. Usmanov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: hadkevic@mail.ru
In this paper, we present a brief exposition, which is a part of orientation and stabilization system. A study on the stress-strain state is presented, as well as an analysis of the results.
Keywords: solar battery rotating device, yield strength, strength, stressed-deformed state.
Большинство спутников связи используют солнечные батареи (СБ) для обеспечения необходимой электрической энергии для питания бортового оборудования. Для достижения максимальной эффективности панели СБ должны быть непрерывно ориентированы по отношению к Солнцу таким образом, чтобы солнечные лучи падали по нормали на поверхность фотопреобразователей. Эту задачу выполняет специальное устройство поворота БС (УПБС). Кроме поворота, УПБС обеспечивает передачу электрической энергии и данных между БС и корпусом КА при их относительном движении. УПБС используется для поворота БС с требуемой угловой скоростью и в заданном направлении [1].
УПБС является одним из ключевых и критичных элементов бортового оборудования спутника, и обычно его конструкция оптимизирована для конкретной спутниковой платформы. В настоящей работе рассматривается УПБС для использования на борту малого космического аппарата (МКА).
На этапе выведения КА на орбиту, на конструкцию УПБС в составе КА действуют значительные инерционные нагрузки как в осевом, так и в поперечном направлениях относительно оси выходного вала в 12g и 15§ соответственно. Кроме того, со стороны конструкции крыла БС в транспортировочном и рабочем положении на выходной вал УПБС действуют сосредоточенные нагрузки (силы и моменты сил) [2]. На участке выведения действует сосредоточенная сила в 600 Н, а в транспортировочном положении действует момент в 260 Н-м.
Очевидно, что применение того или иного вида УПБС зависит от типа КА, его назначения и т. д.
В связи с этим является актуальным вопрос обеспечения целостности конструкции, устройства поворота батареи солнечной. Своевременное прогнозирование несущей способности конструкции УПБС в условиях воздействия эксплуатационных механических нагрузок является возможным на основании адекватной математической модели, которое охватывало бы все важнейшие аспекты механического взаимодействия силовых элементов конструкции УПБС. В настоящей работе для исследования несущей способности конструкции был использован подход на основе метода конечных элементов.
В настоящее время метод конечных элементов обладает весьма мощным программным обеспечением, ориентированным на решение сложных краевых задач механики деформируемого твердого тела; в данном случае он трактуется именно как специфический метод аппроксимации искомого решения кусочно-непрерывными функциями [3-5].
Для проведения всех необходимых расчетов при проведении механического анализа конструкции УПБС на основе разработанной конечно-элементной модели (КЭМ) используется программный комплекс ]^С.Ра&ап.
Исследование проводилось всего устройства поворота батареи солнечной. В работе выделены основные силовые элементы данного привода: корпус и выходной вал. На них действуют значительные нагрузки, поэтому все расчеты представлены только для них. Поведение элементов конструкции определяются физико-механическими характеристиками материалов, из которых изготовлены детали.
Решетневскуе чтения. 2017
Таблица 1
Физико-механические характеристики материалов
Наименование Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент Пуассона v Плотность материала р, кг/м3 Предел текучести [стТ], МПа
Сплав Амг6 71 0,32 2640 155
Сплав В95 74 0,33 2850 490
Титан ВТ-14 112 0,32 4520 1100
Таблица 2
Результаты статического анализа
Силовые элементы АМг6 (стТ = 155 МПа) В95 (ств = 510 МПа) ВТ14 (ств = 1100 МПа)
Мх Mz Мх Mz Мх Mz
Корпус аэкв > 179 МПа аэкв < 140 МПа аэкв < 192 МПа аэкв < 182 МПя - -
Вал аэкв > 357 МПа аэкв > 344 МПа аэкв > 600 МПа аэкв > 681 МПа аэкв < 514 МПа аэкв < 482 МПа
По результатам проведенного исследования выяснилось, что в случае нагружения сосредоточенными моментами сил (260 Н-м) начинается изгиб вала и возникают концентраторы напряжений в отверстиях корпуса, которые в дальнейшем могут привести к нештатным ситуациям на орбите. Предполагалось изготовить силовые элементы конструкции из материала АМг6, предел текучести, которого равен стт = 155 МПа. В связи с этим были рассмотрены возможные мероприятия по обеспечению несущей способности, указанных силовых элементов устройства поворота батареи солнечной.
Очевидным и самым оптимальным решением проблемы могло бы стать замена материала этих силовых элементов на аналогичный, но имеющий более высокие значения предела текучести. В качестве такого материала был выбран алюминиевый сплав В-95, у которого значение стт = 490 МПа.
По результатам расчетов, замена материала на В95 в корпусе привело к снижению уровня эквивалентных напряжений, следовательно, можно сказать, что для корпуса можно использовать данный материал. Но вот для выходного вала, замена на такой материал не является целесообразным, так как это не приводит к снижению уровня эквивалентных напряжений. В связи с этим была предпринята попытка замены материала В95 на титановый сплав ВТ14 для выходного вала, предел прочности которого равен ств = 1100 МПа. Результаты статического анализа для различных материалов приведены в табл. 2.
Таким образом, в результате исследования была разработана конечно-элементная модель в М8С.РЛТИЛК конструкции УПБС, позволяющая исследовать напряженно-деформированные состояния элементов конструкции УПБС. КЭМ создана как объединение математических моделей конструктивных элементов УПБС.
Проведен квазиостатический и статический анализы в М8С.МЛ8ТЯЛМ для основных случаев нагруже-ния, предусмотренных в соответствующих документах на конструкцию УПБС, произведен анализ полученных результатов. Выявлены критичные элементы силовой конструкции УПБС. Предложены оптимальные мероприятия по модификации силовых элементов конструкции.
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения : учеб. пособие. В 2 кн. Кн. 1. Внешнее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2004. 132 с.
2. Максимов Г. Ю. Теоретические основы разработки космических аппаратов. М. : Наука, 2004. 320 с.
3. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М. : Высш. шк., 1980. 408 с.
4. Математическое моделирование в нелинейной механике (обзор программных комплексов для решения задач моделирования сложных систем) / Е. Н. Чу-маченко, Т. В. Полякова, С. А. Аксенов и др. М. : Ротапринт ИКИ РАН, 2009. 23 с.
5. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
References
1. Chebotarev V. E. Proyektirovaniye kosmicheskikh apparatov sistem informatsionnogo obespecheniya [Design of space vehicles for information support systems]. Krasnoyarsk, SibGAU Publ., 2004. 132 p.
2. Maksimov G. Yu. Teoreticheskiye osnovy raz-rabotki kosmicheskikh apparatov [Theoretical basis for the development of space vehicles]. M. : Nauka Publ., 2004. 320 p.
3. Biderman V. L. Teoriya mekhanicheskikh kolebaniy [Theory of mechanical oscillations]. M. : Vysshaya Shkola Publ., 1980. 408 p.
4. [Mathematical modeling in nonlinear mechanics]. Matematicheskoye modelirovaniye v nelineynoy mek-hanike / Ye. N. Chumachenko, T. V. Polyakova, S. A. Aksenov et. al. M. : Rotaprint IKI RAN Publ., 2009. 23 p.
5. Rychkov S. P. Modelirovaniye konstruktsiy v srede Femap with NX Nastran [Modeling of structures in the environment Femap with NX Nastran]. M. : DMK Press Publ., 2013, 784 p.
© Хадкевич Т. Г., Усманов Д. Б., 2017
