CC BY
41
УДК 621.01
КОНЦЕПЦИЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Н. С. Жуль, С. А. Захаров
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected], [email protected]
Надёжность механической системы крупногабаритных солнечных батарей (КТМС БС) для применения в составе космических аппаратов определяющим образом зависит от качества их наземной экспериментальной отработки (НЭО). Предлагаются составляющие концепции для подтверждения надёжности КТМС БС при НЭО. Получена система дифференциальных уравнений раскрытия БС совместно с оборудованием стенда обезвешивания и в результате её решения приведена оценка погрешностей, вносимых стендовым оборудованием в динамику движения элементов БС. Предлагаемый концептуальный подход позволяет проводить экспериментальную отработку любых разрабатываемых крупногабаритных МС БС для новых перспективных космических аппаратов на существующих экспериментальной базе и оборудовании.
Ключевые слова: солнечная батарея, устройство обезвешивания, дифференциальные уравнения, панель, шарнирный узел, экспериментальная отработка, стенд обезвешивающий, вероятность, надёжность, космический аппарат.
THE CONCEPT OF SPACECRAFT LARGE SOLAR ARRAY GROUND EXPERIMENTAL DEVELOPMENT TEST
N. S. Zhul, S. A. Zakharov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The reliability of mechanical system large solar array (MSLSA) to be implemented onboard a spacecraft depends mainly on the quality of their ground experimental test development (GTD).
The paper describes constituent parts of the concept allowing to validate the large-sized foldable solar arrays reliability at the phase of ground experimental test development. There has been obtained a system of differential equations which describes SA deployment using the off-loading system and, as a result of solving of the differential equations system an estimate of errors introduced to the SA elements motion dynamics by the test equipment is given. This approach allows to perform experimental test development of any large-size SA under development for new generation spacecrafts using existing experimental test facilities and equipment.
Keywords: a Solar Array, a gravity off-loader, differential equations, a panel, a hinge, ground experimental development test, zero-gravity facility, probability, reliability, spacecraft.
Введение. В качестве модуля служебных систем в аппаратах «Экспресс-АМ5», «Ямал-401» [1; 2] применена унифицированная негерметичная платформа «Экспресс-2000» мощностью порядка 15 кВт [3]. Размах крыльев батарей солнечных платформы «Экспресс-2000» превышает 33 метра.
Актуальность проблемы. Имеющееся в отрасли и на предприятии оборудование не позволяет выполнять полномасштабную наземную экспериментальную отработку КТМС БС с имитацией всех факторов космического пространства. Для решения задач по подтверждению надёж-
Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов»
ности срабатывания всех элементов КТ БС требуются соответствующие обоснования и отдельный подход, учитывающий возможности имеющейся экспериментальной базы и доказательства по декомпозиции особо ответственных составных частей конструкций солнечных батарей.
Концепция подтверждения надежности солнечной батареи при НЭО. Прочность и надёжность элементов конструкции МС БС определяется из условия воздействия технологических нагрузок этапа изготовления, нагрузок участка выведения КА и этапа развертывания КТ БС на орбите из стартового положения в рабочее.
Описание предмета исследования. Предметом исследования является конструкция крыла БС космического аппарата «Ямал-401».
Специальное оборудование при НЭО БС состоит из специальной оснастки, устройств и стендов обезвешивания при раскрытии крыла БС в условиях действия земной гравитации, которые необходимы для компенсации весовой составляющей каждого подвижного звена МС БС.
Применительно к каждой новой крупногабаритной конструкции БС разрабатываются строго индивидуальные соответствующие схемы и методы испытаний, при этом, разрабатываются и методы декомпозиции таких конструкций для обоснования возможностей проведения их наземной экспериментальной отработки с использованием ранее разработанных схем и оборудования [4].
Концепция подтверждения прочности конструкции БС. Для оценки влияния характеристик стендового оборудования на достоверность результатов измерений параметров многозвенных механизмов необходимо: получить уравнения движения системы БС на стенде совместно с его элементами, произвести расчет параметров движения механической системы БС, оценить погрешность экспериментально измеренных параметров движения системы БС по сравнению с параметрами движения в реальных условиях космического пространства (моделируемых условиях).
Вывод системы дифференциальных уравнений раскрытия БС на стенде обезвешивания [5-7]. При анализе движения системы БС процесс раскрытия разбит на четыре последовательных этапа. Система дифференциальных уравнений, описывающих движение пакета панелей БС и пакета поворотных балок на этапах движения, имеет вид, представленный в таблице.
Дифференциальные уравнения движения панелей БС и поворотных балок стенда
На этапе 1 (для БС и стенда) На этапе 2 (для МС БС)
3п • Ф1 = Мдв.п. - М доп.п-Маэр.п. - Мс.п. 3п.б.- Ф 1б = Мдв.б.- Мдоп.б.- Мс.б. ф _ а22 • С 11 -а12 • С12 а11 • а22 - а12 • а22 Ф _ а11 ^ С 12 - а21 • С11 Ц>2 а11 • а22 - а12 • а21
На этапе 2 (для поворотных балок) На 3 этапе (для концевых панелей и балок)
б б б б .. а22 • сп - а12 • с12 Фб " а6 • аб2 - а1б2 • а6 б б б б Ф _ а11 • С12 - а21 • С11 Ф 2б б б б б а11 • а22 - а12 • а21 3к.п. Ф к.п. '^^дв.к.пю '^^доп.к.п. '^^аэр.к.п 3к.п. • Фк.п. _-Мдоп.к.б.+ Мдв.к.б
Уравнение движения боковой панели имеет вид:
30 Фбп = Мпр. - Мдоп. - Мэр. - Мс .
Интегрирование системы дифференциальных уравнений проводилось методом Рунге -Кутта с постоянным шагом.
Результаты проведенных расчетов. По результатам расчетов получены значения, определяющие параметры движения (время раскрытия, угловые скорости панелей БС в момент заче-ковки и др.) системы БС, что позволяет определить погрешности по сравнению с параметрами движения системы в условиях космоса. Определены элементы стенда, оказывающие максимальное влияние на параметры движения БС.
Область применения результатов исследования. Разработанные математический аппарат и методика расчета параметров движения МС БС позволяют проводить оперативную оценку функциональных характеристик стендового испытательного оборудования. Применение метода декомпозиции позволяет проводить испытания на подтверждение надёжности всех составных частей конструкции крупногабаритных БС, в том числе в условиях воздействия вакуума и экстремальных температур, на имеющейся экспериментальной базе.
Заключение. Разработанные методики наземной экспериментальной отработки совместно с численным моделированием позволили подтвердить надёжность всех составных частей конструкций КТМС БС, на воздействие всех экстремальных факторов как статического, так и динамического характера, применительно к имеющейся экспериментальной базе при НЭО. Проведенные расчеты позволили определить погрешности, которые вносит в параметры движения стендовое оборудование, определить пути уменьшения этих погрешности.
Результаты исследований использованы в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» при наземных экспериментальных отработках крупногабаритных трансформируемых конструкций БС космических аппаратов класса «Ямал-401» и других типов.
Библиографические ссылки
1. Второй Сибирский «Ямал» // Сибирский спутник / ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева». 2014. № 19 (373). С. 3.
2. Пат. 92619 Российская Федерация, МКПО 12-07. Платформа космическая [Текст] / Н. А. Тестоедов, С. А. Захаров и др. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Информационные спутниковые системы». № 2013505012; заявл. 30.12.13; опубл. 24.03.15. 6 с.: ил.
3. Пат. 92570 Российская Федерация, МКПО 12-07. Платформа космическая [Текст] / Н. А. Тестоедов, С. А. Захаров и др. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Информационные спутниковые системы». № 2013505011; заявл. 30.12.13; опубл. 20.03.15. 6 с.: ил.
4. Особенности наземной экспериментальной отработки крупногабаритных солнечных батарей / С. А. Захаров, В. И. Кузоро, Н. А. Тестоедов и др. // Наукоемкие технологии. 2016. Т. 17, № 7. С. 22-28.
5. Захаров С. А. Обеспечение надежности механических систем крупногабаритных солнечных батарей космических аппаратов при наземной экспериментальной отработке // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 4. С. 68-77.
6. Захаров, С. А. Assessment of spacecraft solar array reliability during ground experimental development test // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 964-974.
7. Моделирование процесса раскрытия крупногабаритных трансформируемых механических систем при комплексных проверках функционирования на этапе НЭО / И. В., Романенко В В. Двирный, В. А. Куклин и др. // Вестник СибГАУ. 2013. № 6 (52). С. 132-137.
© Жуль Н. С., Захаров С. А., 2017
