CC BY
18Космическое и специальное электронное приборостроение
УДК 621.396
КОНЦЕПЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРИСТЫХ СТРУКТУР В БАЗОВЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ БОРТОВОЙ РЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. С. Никитин1' 2, В. М. Карабан1
1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: xr91@mail.ru
Предлагается концепция базовой несущей конструкции бортовой РЭА, выполненной с применением аддитивных технологий и пористого алюминия.
Ключевые слова: рамка, несущая конструкция, пористый алюминий, приборостроение, аддитивные технологии.
A CONCEPT OF POROUS STRUCTURES APPLICATION FOR SPACECRAFT ELECTRONIC MODULES' SUPPORT SYSTEMS
A. S. Nikitin1, 2, V. M. Karaban1
1Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
40, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
E-mail: xr91@mail.ru
Authors suggest using porous aluminum and additive technologies as a new concept for spacecrafts' electronic modules' support structures making.
Keywords: frame, support structure, porous aluminum, instrument making industry, additive technologies.
Требования к массогабаритным показателям (МГП) бортовой РЭА космических аппаратов (БРЭА КА) постоянно растут. Поиск способов снижения МГП является неизменно актуальной задачей. Так, стоимость запуска «Протон-М» составляет около 70 млн долл., при этом стоимость вывода 1 кг груза на орбиту составляет около 2 800 долл. для низкой опорной орбиты и около 13 000 долл. для геопереходной орбиты. В этой связи даже небольшое снижение массы КА несет реальный экономический эффект.
Отечественные КА в своей БРЭА используют базовые несущие конструкции (БНК) в виде металлических рамок. Конструкция таких рамок обеспечивает высокие показатели механической прочности при небольшом весе [1], но при этом отличается сложностью изготовления. Фрезерование такой рамки на станке с ЧПУ занимает 80-100 часов непрерывной работы, а отходы достигают 70-90 % от веса заготовки.
Последние разработки в области 3Б-печати позволяют говорить о перспективе изготовления в будущем многих деталей КА на 3Б-принтере из металлических порошков [2]. В этой связи разумно поставить вопрос о максимально возможном приближении к идеальному исполнению отдельной конкретно взятой детали, в данном случае - БНК. Критерием оценки может
служить минимизация массы рамки при соответствии её механических и тепловых характеристик требуемым значениям.
Сейчас набирают обороты исследования пористого алюминия [3-5]. Экспериментальные исследования показывают, что материал обладает набором уникальных свойств: низкая плотность, высокие характеристики по поглощению ударов и вибраций, высокая прочность, возможность поглощения электромагнитных помех. Есть основания полагать, что применение данного материала в космической отрасли является перспективным [6]. Опыт его применения за рубежом уже есть [7].
В АО «ИСС» ведутся разработки по внедрению в рамку гипертеплопроводящих сред (ГТПС), представляющих собой систему теплопроводящих каналов для отведения теплового потока от теплонагруженных участков рамки. Результаты данных исследований могут быть применены при разработке новой рамки, так как при помощи 3Б-печати можно выполнить те-плоотводящие каналы любой формы.
Изготовление детали сложной формы, к тому же с закрытыми пустотами в объеме, является технологически очень сложной процедурой, освоение которой нецелесообразно. В то же время печать такой детали на 3Б-принтере - вполне реальная задача.
Решетневскуе чтения. 2018
Учитывая все вышесказанное, авторы предлагают следующую концепцию БНК БРЭА КА:
- БНК изготавливается путем печати из металлического порошка на 3Б-принтере;
- места крепления БНК к несущим конструкциям вышестоящего уровня выполняются сплошным материалом для повышения прочности;
- в теплонагруженные участки БНК интегрируется система каналов ГТПС;
- остальные участки БНК выполняются в виде сплошной оболочки с пористой сердцевиной.
Для доказательства состоятельности концепции необходимо провести следующие исследования:
- выбрать тип полостей (шарообразные поры, поры в виде многогранных фигур, заполнение трубками (балками), случайный размер и расположение пор либо строгая повторяющаяся структура и другие варианты);
- создать трехмерную модель новой БНК;
- выполнить численное моделирование для подтверждения механических параметров;
- оценить конструкцию с точки зрения защиты от радиационного излучения, так как снижение массы влечет снижение эквивалентной толщины поглощающего слоя;
- изготовить опытный образец для проведения испытаний.
Принимая во внимание сложность моделирования пористых структур с точки зрения затрат вычислительных ресурсов, может понадобиться создание специальной математической модели для упрощения процедуры расчета. На основе математической модели возможно создание специального программного обеспечения для определения параметров моделирования в зависимости от типа, количества, формы, порядка расположения пор, а также от типа материала.
Ожидаемые преимущества новой конструкции:
- снижение массы БНК на 15-30 %. На уровне прибора возможен выигрыш 0,1-0,5 кг;
- повышение вибро- и ударостойкости благодаря свойствам пористого алюминия.
В качестве недостатков предлагаемой концепции можно выделить:
- дорогостоящее оборудование и расходные материалы;
- необходимость отработки технологии 3Б-печати, обучения персонала;
- нанесение дополнительных защитных слоев для повышения радиационной стойкости.
Библиографические ссылки
1. Карабан В. М., Зырин И. Д. Разработка новой несущей конструкции печатных плат, а также ее механический анализ для электронных модулей в космических аппаратах // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (10-12 ноября 2011, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Ло-
гинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 225-227.
2. Аддитивные технологии в космической отрасли / А. Н. Киселёва, В. В. Кудинов, Е. А. Максимов и др. Обзор АО «ИСС» по материалам НТИ, 2017 г.
3. Aluminium foam sandwich structures for space applications / Dirk Schwingela, Hans-Wolfgang Seeligera, Claude Vecchionacci и др. - Acta Astronautica, Vol. 61, Iss. 1-6, June-August 2007. P. 326-330. Doi: 10.1016/ j.actaastro.2007.01.022.
4. Impact behaviour testing of aluminium foam / M. Peroni, G. Solomos, V. Pizzinato. - International Journal of Impact Engineering, Vol. 53, March 2013. P. 74-83. Doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.07.002.
5. Eric P. Fahrenthold. Computational evaluation of metal foam orbital debris shielding // 2015 IEEE Aerospace Conference. Doi: 10.1109/AERO. 2015.7119145.
6. Возможность использования пеноалюминия для изготовления элементов конструкций малых космических аппаратов / В. Я. Геча, А. А. Кирякин, В. Д. Позднякова и др. // Известия академии наук. № 2. Энергетика. 2018.
7. Aluminium foam sandwich structures for space applications 2007. Doi: 10.1016/j.actaastro.2007.01.022.
References
1. Karaban V. M., Zyrin I. D. [A new printed board support structure development and its mechanical analysis for electronic modules in spacecraft]. Materialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2013. P. 225-227. (In Russ.)
2. Additivnyye tekhnologii v kosmicheskoy otrasli / A. N. Kisekva, V. V. Kudinov, E.A. Maksimov et al. Obzor AO "ISS" po materialam NTI, 2017 g.
3. Aluminium foam sandwich structures for space applications / Dirk Schwingela, Hans-Wolfgang Seeligera, Claude Vecchionacci и др. Acta Astronautica, Vol. 61, Iss. 1-6, June-August 2007. P. 326-330. Doi: 10.1016/ j.actaastro.2007.01.022.
4. Impact behaviour testing of aluminium foam / M. Peroni, G. Solomos, V. Pizzinato. - International Journal of Impact Engineering, Vol. 53, March 2013. P. 74-83. Doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.07.002.
5. Eric P. Fahrenthold. Computational evaluation of metal foam orbital debris shielding // 2015 IEEE Aerospace Conference. Doi: 10.1109/AER0.2015.7119145.
6. Vozmozhnost' ispol'zovaniya penoalyuminiya dlya izgotovleniya elementov konstruktsiy malykh kosmiche-skikh apparatov / V. Ya. Gecha, A. A. Kiryakin, V. D. Pozd-nyakova et al. // Izvestiya akademii nauk. Energetika. 2018. № 2.
7. Aluminium foam sandwich structures for space applications 2007. Doi: 10.1016/j.actaastro.2007.01.022.
© Никитин А. С., Карабан В. М., 2018
