CC BY
33Решетнеескцие чтения. 2015
время, ч
Рис. 2. Суточное изменение температуры ДБ
Эффективность разработанного способа обеспечения теплового режима для внешних элементов подтверждена в процессе летных испытаний КА разработки АО «ИСС» (рис. 2) - эксплуатационный диапазон температур ДБ сужен на 17 °С.
Библиографические ссылки
1. Пат. 2362713 Российская федерация МПК Б6401/50, Б64в1/22. Способ компоновки космического аппарата / Загар О. В., Колесников А. П., Акчу-рин В. П. и т. д. ; опубл. 27.07.2009.
2. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением / пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук Б. А. Хрустале-ва. М. : Мир, 1975.
3. Thermica. Version 4.6.0. User manual. Ref: ASTRI.UM.757138.ASTR, 2013.
References
1. Pat. 2362713 Rossijskaja federacija MPK B64G1/50, B64G1/22. Sposob komponovki kosmicheskogo apparata / Zagar O. V., Kolesnikov A. P., Akchurin V.P. i t.d. / opubl. 27.07.2009.
2. Zigel' R., Khauell Dzh. Teploobmen izlucheniem [Thermal radiation heat transfer]. Per. s angliyskogo pod. red. d-ra tekhn. nauk Khrustaleva B. A. M. : Mir, 1975.
3. Thermica. Version 4.6.0. User manual. Ref: ASTRI.UM.757138.ASTR, 2013.
© Рудько А. А., Юртаев Е. В., Гордеев Е. А., Колесников А. П., Шаклеин П. А., 2015
УДК 629.78
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ КА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА
Ф. В. Танасиенко, Д. О. Шендалев, Е. В. Юртаев, А. А. Рудько
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина,52 E-mail: tanasienko@iss-reshetnev.ru
Рассмотрен процесс теплопередачи в элементах конструкции КА из композиционных материалов на основе углеродных волокон. Разработана методика теплового математического моделирования указанных конструкций, учитывающая анизотропность коэффициента теплопроводности, обусловленную составом и структурой композиционного материала.
Ключевые слова: конструкция КА, теплопроводность, композиционные материалы.
Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
MATHEMATICAL MODELING OF HEAT TRANSFER IN THE STRUCTURE OF SPACECRAFT ELEMENTS BASED ON THE CARBON FIBER COMPOSITE MATERIALS
F. V. Tanasienko, D. O. Shendalev, E. V. Yurtaev, A. A. Rudko
JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: tanasienko@iss-reshetnev.ru
Heat transfer process is considered for the structure of spacecraft elements based on the carbon fiber composite materials. Methodology of thermal mathematical modeling of these structures is developed, taking into account the anisotropy of thermal conductivity coefficient due to the composition and structure of composite.
Keywords: spacecraft structure, thermal conductivity, composite materials.
Конструкции из композиционных материалов получают все более широкое применение в современных КА благодаря своей высокой удельной прочности, жесткости, стойкости к действию высоких и низких температур [1; 3].
В настоящее время из композиционных материалов на основе углеродного волокна изготавливаются все более совершенные антенны для космического применения. Одновременно с увеличением площади поверхности рефлектора повышаются требования к точности профиля отражающей поверхности. Основной причиной искажения формы рефлектора по сравнению с номинальной являются температурные деформации конструкции штанги антенны и рефлектора, вызванные неравномерным нагревом под воздействием солнечного излучения и охлаждением при затенении. Достоверность расчета температурных деформаций зависит от точности расчета температур конструкции антенны.
Для этого при подготовке тепловой математической модели конструкции и проведении теплового анализа следует учитывать многие факторы, в том числе состав и особенности внутренней структуры материала.
Применяемые в конструкции современных антенн углепластики являются анизотропными материалами, т. е. имеют неодинаковые физические свойства в разных направлениях. Так, например, коэффициент теплопроводности в направлении вдоль оси армирующих углеродных волокон в десятки раз больше, чем в направлении поперек волокон.
Этот фактор следует учитывать при создании тепловых математических моделей элементов конструкции из углепластика.
Для исследования процесса теплопередачи в конструкциях из углепластика с различными схемами армирования в программной среде ANSYS была разработана тепловая математическая модель цилиндрической трубы длиной 1 м и диаметром 0,2 м (см. рисунок). Цилиндрическая поверхность трубы представлена набором взаимно пересекающихся витых полос (длина витка определяется схемой армирования). Каждый конечный элемент разработанной модели имеет локальную систему координат x'y'z'. Ось x' направлена вдоль оси углеродных волокон, ось у' направлена поперёк волокон, ось z' дополняет систему координат до правой.
Таким образом, в модели учитываются анизотропия коэффициента теплопроводности, обусловленная направлением волокон, а также схема армирования. В модели задаётся тепловая нагрузка в виде потока солнечного излучения на боковую поверхность трубы и граничное условие лучистого теплообмена с окружающим космическим пространством.
Тепловая математическая модель трубы из углепластика со схемой армирования 8 град.
Также в модели учитывается лучистый теплообмен внутри трубы [2].
Результатом разработки является исследование влияния анизотропии коэффициента теплопроводности и различных схем армирования на распределение температур по конструкции трубы.
На основе этих исследований рассчитаны эквивалентные коэффициенты теплопроводности в осевом и радиальном направлениях трубы, которые применяются в большеразмерных тепловых моделях конструкций антенн и обеспечивают необходимую точность расчета.
Библиографические ссылки
1. Композиционные материалы : справ. / Л. Р. Вишняков, Т. В. Грудина, В. Х. Кадыров и др. ; под ред. Д. М. Карпиноса. Киев : Наукова думка, 1985.
2. Излучательные свойства твердых материалов : справ. / под общ. ред. А. Е. Шейндлина. М. : Энергия, 1974.
3. Кулаков В. В., Непрошин Е. Л., Соккер Л. Г. и др. Структура и свойства углеродных материалов // Науч.тр. НИИграфит, 1987.
References
1. Kompozitsionnye materialy. Cpravochnik [Composite Materials. Handbook] / L. R. Vishnyakov,
Решетнееские чтения. 2015
T. V. Grudina, V. Kh. Kadyrov i dr. ; pod red. D. M. Karpinosa. Kiev : Naukova dumka, 1985.
2. Izluchatel'nye svoystva tverdykh materialov. Spravochnik [The radiative properties of solid materials. Handbook]. Pod obshch. red. A. E. Sheyndlina. M., Energiya, 1974.
3. Kulakov V. V., Neproshin E. L., Sokker L. G. i dr. Struktura i svoystva uglerodnykh materialov [The structure and properties of carbon materials]. // Nauch.tr. / Nllgrafit, 1987.
© Танасиенко Ф. В., Шендалев Д. О., Юртаев Е. В., Рудько А. А., 2015
УДК 629.78
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПОТОКА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОПУСКАЕМОГО СЕТЧАТЫМ АНТЕННЫМ РЕФЛЕКТОРОМ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ОРБИТЕ
Е. В. Юртаев, А. А. Рудько, Ф. В. Танасиенко
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: urtaev@iss-reshetnev.ru
Представлен способ расчета потока солнечного излучения, пропускаемого сетчатым антенным рефлектором при движении по орбите. Способ основан на применении математической модели, реализованной в программном комплексе THERMICA.
Ключевые слова: математическая модель, солнечный поток, коэффициент пропускания.
THE MATHEMATICAL MODEL TO CALCULATE SOLAR FLUX TRANSMITTED VIA MESH ANTENNA REFLECTOR DURING ORBITAL MOTION
E. V. Yurtaev, A. A. Rudko, F. V. Tanasienko
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: tanasienko@iss-reshetnev.ru
The research presents a method to calculate solar flux which is transmitted via mesh antenna reflector during orbital motions. The method is based on the use of a mathematical model which is implemented in the THERMICA software.
Keywords: mathematical model, solar flux, transmission coefficient.
Для решения новых задач в области космической связи, навигации, исследования природных ресурсов Земли, изучения планет, их спутников и других небесных тел создаются все более совершенные космические антенны. Эффективность работы антенн повышается с увеличением площади поверхности рефлектора. В конструкции крупногабаритных антенн широко применяются трикотажные металлические сетеполотна. Несмотря на их высокий интегральный коэффициент светопропускания тб = 0,85-0,92 при засветке под прямым углом, силы солнечного давления на большую площадь сетеполотна рефлектора могут оказывать существенные возмущающие моменты на КА. Кроме того, при больших габаритах антенны неизбежно затенение рефлектором панелей солнечных батарей, поэтому для расчета энергетического баланса КА требуется количественная оценка светового потока, прошедшего через сетеполотно.
Для решения этой задачи была разработана математическая модель в программном комплексе
ТНЕКМГСА. Математическая модель позволяет рассчитать переменный световой поток, пропускаемый сетеполотном при динамической засветке рефлектора во время движения по орбите.
Математическая модель (см. рисунок) состоит из двух поверхностей. Одна из них имитирует сетепо-лотно и подвергается засветке. Вторая поверхность является вспомогательной поглощающей и служит для количественной оценки потока солнечного излучения, прошедшего сквозь поверхность сетеполотна.
Распределение энергии падающего на поверхность солнечного потока в программе ТНЕИМГСА описывается следующим уравнением [2]:
а + (1 - а)-(т£ + тd + 5 + ф = 1,
где а - коэффициент поглощения солнечного излучения; Т5 - коэффициент прямого пропускания; тd - коэффициент диффузного пропускания; 5 - коэффициент зеркального отражения; d - коэффициент диффузного отражения.
