CC BY
29Решетневскце чтения
одном упругом элементе функции двух и более простейших кинематических пар;
- возможность создания ГСЭ с управляемыми диссипативно-жесткостными характеристиками - решение проблемы безударного раскрытия крупногабаритных конструкций КА (раскрывающихся ферменных конструкций, панелей солнечных батарей и т. п.);
- включение в состав КМ Smart materials (сплавов с памятью формы, матрицы из полимеров с памятью формы, пьезоэлектрики, магнитострикционных материалов), позволяющих создавать ГСЭ с управляемой кинематикой, в том числе элементы - аналоги дифференциальных механизмов, осуществляющие точные перемещения целевых устройств.
Исследование механизмов, передающих энергию или движение за счет упругих деформаций составляющих его звеньев (в зарубежной литературе такие механизмы получили название compliant joint), уже давно ведется в мировом научном сообществе, но разработки идут в основном в области малых деформаций гибких элементов. В данной работе основное внимание уделено именно проблеме использования больших упругих деформаций в механизмах такого типа. При этом ввиду геометрически нелинейного поведения конструкций оказываются несправедливыми основные положения строительной механики и сопротивления материалов о действии сил и моментов
при изгибе, кручении и т. п. Следует также упомянуть, что геометрическая нелинейность не обязательно является единственной при моделировании такого рода механизмов.
В ходе работы были проанализированы существующие типы соединений, применяемых в трансформируемых устройствах КА, выявлены их достоинства и недостатки, предложена и обоснована концепция создания ГСЭ из КМ. Была оценена возможность применения ГСЭ в космической отрасли. Предложены структурные и конструктивные схемы ГСЭ для ряда типовых приложений для космических аппаратов. Разработаны аналитические математические модели некоторых видов гибких соединений, использующих большие структурные деформации, для простых видов напряженно-деформированного состояния упругих элементов с последующей перспективой соз -дания более сложных, комбинированных видов ГСЭ. Построенные в целях верификации конечно-элементные модели полностью подтвердили полученные аналитическим путем результаты. Также были предложены и разработаны некоторые конструкции ГСЭ, построены и проанализированы их расчетные модели для конкретных заданных условий эксплуатации. Полученные результаты позволяют говорить о применимости выбранных решений для задач отрасли.
A. I. Orlov, A. N. Likhachev Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D. F. Ustinova, Russia, Saint-Petersburg
USAGE OF FLEXIBLE ELASTIC ELEMENTS MADE OF MODERN COMPOSITE MATERIALS IN SWIVEL JOINTS OF SPACECRAFT ELEMENTS
The objective of this research is a development of the concept for replacement of rigid mechanical combinations on flexible, because in flexible ones an elastic structural deformations of materials used for connected details mobility vs each other. For creation of such flexible connections it is planned to use modern composite materials.
© Орлов А. И., Лихачев А. Н., 2011
УДК 629.78.015
А. С. Орлов, С. А. Орлов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ АНАЛИЗА БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НЕГЕРМЕТИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Рассматривается подход, позволяющий заменять анализ стойкости бортовой аппаратуры к случайной вибрации и ударному воздействию с использованием конечно-элементного моделирования оценкой нагружения бортовой аппаратуры по формуле Миллса.
При разработке и испытаниях бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов необходимо учитывать воздействие на нее всех внешних факторов. Особенностью требований к современной аппаратуре КА негерметичного исполнения является требование к
стойкости к повышенным механическим нагрузкам. Это отличает ее от БА КА герметичного исполнения, в которых основная масса аппаратуры находилась в гермоконтейнере. Ошибки в задании величины нагрузок на БА или неправильная оценка их влияния может
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
привести либо к отказу аппаратуры при эксплуатации, либо к необоснованному увеличению массы приборов и агрегатов и росту расходов на дополнительную отработку. Стоимость экспериментальной отработки достаточно велика, поэтому для сокращения времени разработки БА и снижения затрат на проектирование и отработку необходимо максимально использовать численное моделирование на всех этапах проектирования аппаратуры. Для механического анализа применяются хорошо себя зарекомендовавшие пакеты конечно-элементного моделирования (КЭМ): МА8ТЯЛМ, А№У8, БУТЯАМ и т. д. Расчеты проводятся на квазистатические, вибрационные (на гармоническую вибрацию в диапазоне частот 5.. .100 Гц и случайную вибрацию в диапазоне частот 20.2 000 Гц) и ударное воздействие (как правило, представляемое в форме ударного спектра ускорений). Первыми этапами расчетов после построения КЭ-модели является модальный анализ (определение форм и частот исследуемой БА) и анализ на квазистатические нагрузки. Если первые собственные частоты конструкции БА выше 150 Гц, то гармоническая вибрация становится эквивалентной квазистатическим воздействиям (как правило, для БА существуют требования по отсутствию резонанса элементов конструкций в диапазоне частот до 140.150 Гц) и дальнейший анализ проводится на случайную вибрацию и удар. При наличии высокопроизводительных рабочих станций методических проблем с квазистатическим и вибрационным анализом, как правило, не возникает. Основной проблемой здесь является величина и модель демпфирования (принимаемое значение добротности). Если БА имеет прототип, то добротность можно принять по результатам испытаний прототипа. В противном случае принимается максимальное значение добротности (0> ~ 25.30). Иногда по результатам модального ана-лиза оценку стойкости БА к случайной вибрации достаточно провести с использованием хорошо известной формулы Милса (см., например [1; 2]):
где Sвх(fp) - значение спектральной плотности мощности широкополосной случайной вибрации на основной частоте собственных колебаний элемента конструкции (задается нормативной функцией); е - добротность; ур - значение собственной частоты колебаний элемента конструкции в рассматриваемом диапазоне частот (принимается по результатам модального анализа); с - среднеквадратическое значение ускорения.
Для оценки «сверху» напряжений, возникающих в элементах конструкции БА, можно провести статический анализ конструкции (расчет напряжений в конструкции) на уровень с (3 с). И такой подход является общепризнанным (допустимые напряжения в материале также являются кумулятивной величиной). При этом оценка амплитудного спектра гармониче-
ской вибрации должна приниматься по формуле A( f ) = л/2ст [3]. Данная зависимость используется при выборе комплектующих для бортовой аппаратуры (если для комплектующих отсутствуют требования по случайной вибрации).
Расчет на ударные нагрузки, когда внешнее воздействие задается в форме ударного спектра ускорений (УСУ), связан с некоторыми методическими проблемами. Во-первых, требуется существенная доработка модели (необходимый для анализа частотный диапазон существенно шире, чем при анализе даже на случайную вибрацию). Во-вторых, алгоритмы расчетов с использованием модального анализа дают значительно худшие результаты, чем использование алгоритмов прямого интегрирования уравнений. В силу этого первым этапом расчетов на удар является замена ударного спектра на временную функцию. Это можно сделать, например, по алгоритму [4], когда воздействие представляется в виде суммы экспоненциально затухающих импульсов таким образом, чтобы ударный спектр суммарного результирующего сигнала аппроксимировал необходимый УСУ с произвольной степенью точности. Следует обратить внимание на то, что сформированное таким образом ударное воздействие не должно прикладываться к какому-то локальному узлу, а нагрузка должна распределяться по ряду узлов конечно-элементной модели исследуемой аппаратуры. Возможна также оценка уровней нагружения БА с использованием модального анализа и формулы Милса. Ударное воздействие оценивается аналогично, как и при случайной вибрации, но уже исходя из того, что УСУ приравнивается к спектру, получаемому по формуле Милса, на уровне 3 с. Безусловно, воздействие будет большим, но и стойкость комплектующих к ударным воздействиям значительно выше. Если требования по стойкости комплектующих по УСУ отсутствуют, а сами требования представлены в виде одиночных импульсов, то для любого одиночного импульса строится УСУ, а затем проводится их сравнение. Необходимое для сравнения количество ударов можно получить по методике, предложенной в [5].
Библиографические ссылки
1. Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. М. : Мир, 1976.
2. Wijker J. Random Vibrations in Spacecraft Structures Design. Springer Science, 2009.
3. Гудкин О. П., Черняев В. Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. М. : Энергия, 1980.
4. Пат. 2234690 РФ, МПК7 G01M7/00. Способ испытаний на ударные воздействия аппаратуры и оборудования / Орлов С. А., Орлов А. С.
5. Пат. 2399032 РФ, МПК G01M 7/00. Способ испытаний оборудования на механические воздействия / Орлов С. А., Орлов А. С.
Решетневские чтения
A. S. Orlov, S. A. Orlov JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk
ON SOME ANALYSIS ASPECTS OF S/C EQUIPMENT
This article provides mechanical analysis of spacecraft equipment with using the finite element modeling and approaches allowing to apply Miles formula to evaluate a response of the spacecraft equipment to exposure the random vibration and shock loads.
© Орлов А. С., Орлов С. А., 2011
УДК 621.396.677
А. С. Першин, Ю. И. Сошенко
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
МНОГОЛУЧЕВЫЕ АНТЕННЫ С КЛАСТЕРНОЙ СХЕМОЙ
Рассмотрены варианты построения облучающих решеток многолучевых антенн по принципу «кластер-луч».
Быстрое развитие современных систем связи требует искать новые возможности увеличения качества обслуживания и быстродействия спутниковых систем связи. Первым шагом стала разработка многолучевых антенн (МЛА), построенных по схеме «облучатель-луч», которые позволили формировать набор узких высокоэнергетических лучей в заданной зоне обслуживания (ЗО). Каждому лучу антенны соответствовал свой облучатель антенны. Однако поиски дальнейшего увеличения уровня сигнала в ЗО не прекращались. Следующим этапом стала разработка новых схем построения антенно-фидерных систем многолучевых антенн на основе кластерной схемы облучающей решетки антенны [1].
Приведены варианты построения облучающих решеток на основе кластерных схем, а также результаты моделирования данных антенн.
В отличие от МЛА, построенных по схеме «облучатель-луч», в кластерной схеме каждый луч антенны формируется семеркой облучателей. Использование кластера позволяет формировать более узкую ДН на рефлектор антенны, что уменьшает перелив энергии за апертуру рефлектора и улучшает коэффициент использования поверхности (КИП) рефлектора. Схема АФУ таких антенн построена на основе направленных ответвителей и фазовращателей. Ответвители и фазовращатели спроектированы таким образом, чтобы обеспечить требуемое амплитудно-фазовое распределение на облучателях. Графическое представление двух схем построения кластерной облучающей решетки приведено на рисунке.
Для сравнения представленных кластерных схем облучающих решеток между собой, а также с классической схемой «облучатель-луч», в ПО GRASP проведено моделирование и расчет РТХ данных антенн. Антенны должны формировать набор из семи лучей шириной 1* 1°, рабочая частота антенны 20 ГГц.
Принцип формирования лучей в кластерной схеме облучающей решетки МЛА: схема 1 + 1, каждый облучатель решетки участвует в формировании двух лучей (слева); схема 1 + 6, каждый облучатель решетки участвует в формировании семи лучей (справа)
Результаты моделирования антенн сведены в таблицу.
Сравнение характеристик антенн
Тип схемы АФУ Количество облучателей КУ в ЗО
Облучатель-луч 7 36,3 дБ
Кластерная 1 + 1 37 40,3 дБ
Кластерная 1 + 6 19 40,6 дБ
Геометрические параметры антенн следующие.
Схема «облучатель-луч»: диаметр рефлектора -900 мм; фокусное расстояние - 900 мм; клиренс - 40 мм.
Кластерная схема 1 + 1: диаметр рефлектора -1 100 мм; фокусное расстояние - 1 100 мм; клиренс -70 мм.
Кластерная схема 1 + 6: диаметр рефлектора -1 100 мм; фокусное расстояние - 1 800 мм; клиренс -50 мм.
Рассчитанные варианты многолучевых антенн, построенных по кластерной схеме, позволяют получить увеличение КУ в ЗО на 4 дБ по сравнению с классической схемой «облучатель-луч». Однако стоит отме-
