CC BY
16УДК 621.372.83.001.24
О НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ КОНСТРУКЦИЙ ВОЛНОВОДНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ*
В. И. Халиманович1, М. М. Михнёв1, В. Н. Наговицин1, О. Б. Гоцелюк1 П. Н. Сильченко2, И. В. Кудрявцев2
1ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: [email protected]
2Сибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26. E-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы оценки влияния тепловых воздействий на напряженно-деформированное состояние волноводно-распределительных систем космических аппаратов при эксплуатации на орбите.
Ключевые слова: космический аппарат, волноводно-распределительная система, солнечное излучение, нагрев, сигнал большой мощности, скин-слой, усталость.
ON STRESS-STRAIN STATE OF CONSTRUCTIONS OF WAVEGUIDE-DISTRIBUTION
SYSTEMS IN THE OUTER SPACE
V. I. Halimanovich1, M. M. Michnev \ V. N. Nagovitsyn1, O. B. Gotseliukk P. N. Sil'chenko2, I. V. Kudriavtsev2
1JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: [email protected]
2Siberian Federal University 26, Kirenskii str., Krasnoiarsk, 660074, Russia. E-mail: [email protected]
Assessment problems of influence of thermal effect on stress-strain state of waveguide-distribution systems of spacecrafts at operation in an orbit are considered.
Keywords: spacecraft, waveguide-distribution system, solar radiation, heating, high power signal, skin layer, fatigue.
В процессе эксплуатации космических аппаратов (КА) на орбите все их элементы, узлы и системы подвергаются периодическому воздействию солнечного излучения, которое приводит к нагреву областей конструкций в зоне досягаемости прямых солнечных лучей и охлаждению остальных поверхностей, находящихся в тени. В результате такого неравномерного нагрева во всех открытых элементах космического аппарата, в частности волноводно-распределитель-ных системах (ВРС), появятся температурные напряжения и деформации.
ВРС представляет набор жестко соединенных в протяженную пространственную систему тонкостенных трубчатых элементов прямоугольного поперечного сечения [1].
Проблема расчета ВРС на статическую и динамическую прочность на этапах изготовления, сборки и вывода КА на орбиту подробно рассмотрена в [1; 2] и др. Разработана методика расчета ВРС как стержневой конструкции с возможностью выделения локальных участков [1; 2] более точными методами теории пластин и оболочек, на основе которых получена система дифференциальных уравнений равновесия тонкостенного элемента с граничными условиями [3].
В процессе работы расположение ВРС и ее элементов относительно Солнца изменяется в широком
диапазоне в зависимости от точки орбиты, где находится КА. Следовательно, нагрев волноводов и полученное при этом напряженно-деформированное состояние от температурных воздействий будет постоянно изменяющимся и неопределенным.
Выполнение термоупругого анализа для всех возможных ориентаций ВРС относительно Солнца является практически невыполнимой задачей. При проектировании из всех возможных положений ВРС относительно Солнца необходимо выбрать такое положение, которое приводит к опасному напряженно-деформированному состоянию (НДС) от температурных излучений.
Определить направление вектора наиболее опасного температурного излучения на конструкцию ВРС КА является задачей весьма сложной, так как необходимо учитывать взаимосвязь между собой всех соединенных тонкостенных элементов прямоугольного поперечного сечения при их тепловых деформациях [4], а также их взаимодействие с платформой всего КА, на которую и устанавливается ВРС.
Предлагается на первом этапе исследовать возможные конфигурации отдельных участков ВРС на действие вектора температурных излучений различных направлений с учетом всех возможных краевых условий, определяющих установку этого участка на платформу КА.
* Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-257.2013.8.
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
По результатам расчета НДС можно определить опасные точки конструкции участка ВРС и обосновать методы их конструктивного исполнения для обеспечения условий прочности.
Регулировать НДС участка волновода можно изменением толщины стенки элементов, установкой дополнительных опор, применением накладок (см. рисунок) и др.
Результаты термоупругого анализа, полученные при расчете участков ВРС различной конфигурации, показали, что наиболее опасными будут являться случаи, когда при нагреве солнечным излучением волноводов образуется критическое НДС, вызывающее остаточные деформации формы прямоугольного поперечного сечения, мест соединения и крепления участков волноводов. Помимо солнечного излучения, дополнительным источником нагрева волноводов является выделение тепла при передаче по ним электромагнитных сигналов большой мощности. В этом случае часть сигнала рассеивается в тонком проводящем скин-слое в виде тепла, нагревая волновод изнутри.
Периодический нагрев солнечным излучением в сочетании с выделением тепла от регулярной передачи электромагнитных сигналов, с последующим охлаждением волноводов до температуры открытого космоса приводит к появлению температурных напряжений, которые изменяются по циклическому закону. С учетом длительности срока активного существования современных КА (15-20 лет) такое циклическое нагружение может привести к тому, что число циклов «нагрев-охлаждение» достигнет предела выносливости материала волноводов с возникновением микротрещин и возможными разрушениями.
Одним из условий проектирования ВРС является выполнение требований по обеспечению прочности при минимальной массе. Достижение условия минимальной массы можно выполнить снижением толщины стенки волноводов, рациональной расстановкой опор и др. Но при этом должны быть обеспечены требования по выполнения определенного динамического состояния как отдельных участков, так и ВРС в целом. Можно сделать толщину стенку волновода малой, но при этом может возникнуть ситуация, что при выводе на орбиту в некоторых точках ВРС будет образовываться критическое НДС или собственные и вынужденные частоты будут находиться в опасной области от требуемых. В этом случае возможно регулирование НДС производить установкой дополнительных накладок, как это выполнено в КА «ЕхргеББ-АМ6» (см. рисунок). Но будут ли обеспечены условия минимума массы, достаточной прочности, жесткости и термоусталостной прочности при установке этих дополнительных накладок на срок активной эксплуатации КА 15-20 лет, остается неясным.
Для оценки нагрева волноводов от солнечного излучения и передачи по ним электромагнитных сигналов большой мощности нами разрабатывается методика расчета, которая позволит определять их температурные поля при различных граничных и началь-
Участок ВРС с накладками
ных условиях, а также соответствующие им температурные напряжения. Разработанная методика позволяет оценивать полное статическое и динамическое состояние ВРС на всех стадиях жизненного цикла космического аппарата.
Библиографические ссылки
1. Методика расчета напряженно-деформационного состояния волноводно-распределительных систем космических аппаратов / П. Н. Сильченко, И. В. Кудрявцев, М. М. Михнёв, В. Н. Наговицин // Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии. 2012. № 2. С 150-161.
2. Анализ динамического состояния волноводно-распределительных систем от воздействия вибрационных нагрузок на этапе вывода космического аппарата на орбиту / П. Н. Сильченко, И. В. Кудрявцев, М. М. Михнёв, В. И. Халиманович, В. Н. Наговицин // Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии. 2012. № 2. С. 205-219.
3. Система дифференциальных уравнений для элемента волноводного тракта космических аппаратов / П. Н. Сильченко, И. В. Кудрявцев, М. М. Михнёв // Междунар. конф. по дифференциальным уравнениям и динамическим системам. Суздаль, 2-7 июля 2010 года. С. 172-174.
4. Сильченко П. Н. Обеспечение прочности и точности крупногабаритных волноводно-распределитель-ных систем космических аппаратов связи / П. Н. Силь-ченко, М. М. Михнёв, А.В. Анкудинов, И. В. Кудрявцев // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2012. № 1. С. 112-117.
References
1. Sil'chenko P. N. Metodika raschjota naprjazhjonno-deformacionnogo sostojanija volnovodno-raspredelitel'nyh sistem kosmicheskih apparatov / P. N. Sil'chenko, I. V. Kudrjavcev, M. M. Mihnjov, V. N. Nagovicin // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Serija: Tehnika i tehnologii. 2012 g. № 2. S. 150-161.
2. Sil'chenko P. N. Analiz dinamicheskogo sostojanija volnovodno-raspredelitel'nyh sistem ot
vozdejstvija vibracionnyh nagruzok na jetape vyvoda kosmicheskogo apparata na orbitu / P. N. Sil'chenko, I. V. Kudrjavcev, M. M. Mihnjov, V. I. Halimanovich, V. N. Nagovicin // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Serija: Tehnika i tehnologii. 2012 g. № 2. S. 205-219.
3. Sistema differencial'nyh uravnenij dlja j elementa volnovodnogo trakta kosmicheskih apparatov / Sil'chenko P. N., Kudrjavcev I. V., Mihnev M. M. Mezhdunarodnaja konferencija po differencial'nym uravnenijam i
dinamicheskim sistemam - Suzdal', 2-7 ijulja 2010 goda. S. 172-174.
4. Sil'chenko P.N. Obespechenie prochnosti i tochnosti krupnogabaritnyh volnovodno-raspredelitel'nyh sistem kosmicheskih apparatov svjazi / P. N. Sil'chenko, M. M. Mihnev, A.V. Ankudinov, I. V. Kudrjavcev // Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin. 2012. № 1. S. 112-117.
© Халиманович В. И., Михнёв М. М., Наговицин В. Н., Гоцелюк О. Б., Сильченко П. Н., Кудрявцев И. В., 2013
УДК 629.7(075.8)
СИЛОВОЙ МИНИ-ПРИВОД РУЛЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
И. Я. Шестаков1, Ц. Г. Надараиа2, А. А. Фадеев1
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: [email protected]
2 ООО «КВОНТ» Россия, 660041, Красноярск, просп. Свободный, 75
Показана схема электромеханического привода, в котором внутри цилиндрических зубчатых колес установлены бесколлекторные вентильно-индукторные двигатели. Экспериментальный образец такого привода показал несомненные преимущества по сравнению с другими приводами.
Ключевые слова: электромеханический привод, зубчатое колесо, вентильно-индукторный двигатель.
POWER MINI WHEEL FOR STEERING SURFACES
I. Y. Shestakov1, C. G. Nadaraia2, А. А. Fadejev1
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]
2«CVONT» LLC 75, Svobodniy prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia
A diagram of the еlectromechanical drive is shown. The drive contains the cylindrical gears installed brushless valve-inductor motors inside. Experimental sample of such a drive demonstrates evident advantages in comparison with other drives.
Keywords: Electromechanical drive, gear wheel, a valve-inductor engine.
Системы управления рулями самолетов - одни из основных и важных бортовых систем, во многом определяющие его эксплуатационные и тактические возможности, включая безопасность полета. Они представляют собой сложный комплекс электронно-вычислительных, электрических, гидравлических и механических устройств, в совокупности обеспечивающих необходимые характеристики устойчивости и управляемости самолета, стабилизацию установленных летчиком режимов полета, программное автоматическое управление самолетом на всех режимах.
Широкое распространение в системе управления самолетом получили гидравлические приводы. Гидропривод позволяет создавать большое усилие, обеспечивает фиксацию промежуточных положений механизмов управления. Недостатки гидросистем: значительные массы и габариты, сложная схема трубопроводов, зависимость параметров рабочего тела от
температуры окружающей среды, при повреждении агрегатов и трубопроводов происходит потеря управления самолетом. Электромеханические приводы не имеют подобных недостатков, поэтому на данном этапе развития авиастроения принята концепция самолета с повышенным уровнем электрификации, предусматривающая использование электрической энергии для широкой номенклатуры потребителей, в том числе для электромеханических приводов [1].
Проектирование электромеханических приводов для самолетов 5-го поколения потребует, прежде всего, разработки и совершенствования основных элементов, входящих в электромеханический привод: электродвигателей и редукторов с лучшими массога-баритными и энергетическими характеристиками по сравнению с существующими.
Одной из наиболее перспективных кинематических схем электромеханических приводов является
