О постановке задачи проектирования раскрываемого космического рефлектора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Разработки последнего времени привели к значительному увеличению надежности раскрытия КА. Прежде всего, это произошло за счет применения центробежных муфт, значительно улучшились массо-габаритные характеристики изделий благодаря использованию силовых редукторов. Повысилась и удельная мощность. Разрабатываются привода, работающие во время всего функционирования изделия.

Появилась возможность складывать панели на время работы плазменных двигателей, что позволит увеличить ресурс работы бортовой системы (БС). В свою очередь, это дало огромный вклад в общий ресурс активного пребывания на орбите космических аппаратов.

Характеристики основных типов приводов приведены в таблице.

Технические данные приводов

Наименование изделия Номинальный момент сопротивления на выходном валу, кгс-м Скорость вращения выходного вала при номинальном моменте, град/с Масса, кг

Поток 0-3 2-8 1,4

Луч 0-6 1-4 3,1

Sesat 0-3 0,5-5 2,2

Олимп 0-4 1-3 0,7

Эксперсс-1000 6-9 0,4-1,5 0,5

Amos5 0-2,5 2-4 0,75

L. V. Chuykina, B. G. Porpylev, D. O. Chuykin JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

THE OPENED DRIVES DEVELOPMENT TENDENCIES

A Classification of the space vehicles opened drives development is presented. The comparative advantages and disadvantages of the main planes are considered.

© HyfiKHHE ïï. B., noprnrneB B. r., ^ytaH fl. O., 2010

УДК 629.78.01

А. К. Шатров, Д. О. Шендалев

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

О ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСКРЫВАЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА

Разработка раскрываемого космического рефлектора представлена как процесс оптимального проектирования. Подробно рассматриваются уровни оптимизации, из которых составлен весь процесс проектирования. В качестве целевой функции предложено использовать точность отражающей поверхности рефлектора. Выделены основные составляющие точности, учитываемые при выборе проектных параметров. С учетом выбранной целевой функции формулируется задача проектирования.

При проектировании высокотехнологичных изделий особую роль приобретает оптимальность конструкции с точки зрения соотношения затрат на производства и качества выполнения функциональных задач. Поэтому проектирование должно осуществляться с применением оптимизации.

Определение термина оптимизации предусматривает как перебор всех возможных вариантов исполнения, так и применение математических методов оптимизации. Под оптимальным проектированием объектов техники чаще всего понимается использование математических методов оптимизации. Однако, аналогично определению оптимизации, понятие оптимального проектирования несколько шире и включает

также неформализованные методы поиска оптимума (в частности, экспертные оценки).

Процесс проектирования в общем случае является итерационным. Итерации повторяются с оценкой и перепроектированием до тех пор, пока проект не будет удовлетворять ограничениям и целям, определенным в техническом задании (ТЗ), и не станет в некотором смысле оптимальным. В общем случае выделяют три уровня оптимизации в процессе проектирования.

Первый уровень состоит в выборе наилучшей технической идеи, принципа действия объекта проектирования (ОП). Это наименее формализованный этап и задача, как правило, решается с использованием экс-

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических.аппаратов

пертных оценок. При этом наряду с техническими факторами учитываются экономические показатели и возможности производства. Применительно к проектированию космических рефлекторов этот уровень состоит в выборе концепции рефлектора.

Второй уровень оптимизации - формирование начального варианта ТЗ. Оптимизация здесь заключается в выборе наиболее приемлемого сочетания ограничений, позволяющего, в частности, максимально расширить сферу применения.

Третий уровень оптимизации осуществляется на этапе разработки проекта на основе ТЗ и выбранной концепции ОП в процессе так называемого внутреннего проектирования. Процесс внутреннего проектирования включает в себя:

- структурный синтез, который состоит в определении перечня типов компонентов ОП и способа их связи между собой, поиск наилучшей структуры, схемы, а затем и соответствующей им математической модели в рамках выбранного принципа действия (концепции);

- параметрический синтез, который заключается в определении влияния числовых значений параметров (допусков на параметры) в рамках заданной структуры и условии работоспособности на выходные характеристики ОП.

Из приведенных определений структурного и параметрического синтеза следует, что эти процессы неотделимы друг от друга и должны проводиться одновременно. Поиск рационального технического решения при выбранном физическом принципе действия осуществляется методом структурного синтеза. Определение оптимальных значений параметров технической системы известной структуры - задача параметрического синтеза или параметрической оптимизации.

Ключевым моментом процессов структурной и па -раметрической оптимизации является создание моделей. Соответственно модели бывают двух типов:

- функционально-структурная (состав и логика соединений компонентов ОП). Основой для создания такой модели являются принципиальная схема или конфигурация рефлектора (концепция);

- математическая модель, которая также исходит из структурных описаний и существенных параметров, соответствующих целям проектирования.

Параметры объекта, которые могут варьироваться в процессе проектирования, называются управляемыми параметрами. Эти параметры объединяются в вектор X = (х1,..., хп ) , который характеризует систему с

точки зрения разработчика.

Параметры внешней среды, влияющие на ОП называются внешними параметрами. Внешние параметры, имеющие, в общем случае, случайную природу,

сведем в вектор Х = (Х1, . ., ). Внешние параметры

для рефлектора - это различные воздействия внешней среды: радиационные, механические и др.

Параметры, характеризующие количественные значения показателей ОП, называются характеристи-

ками ф = (ф1, . . ., фт ) . Характеристики рефлектора -

это такие параметры, как точность отражающей поверхности, размеры рефлектора в рабочем и транспортировочном положении, масса, жесткость и др. Вектор ф характеризует систему с точки зрения заказчика.

Под математической моделью ОП понимают отображение между двумя множествами параметров {X, X} и {ф} , которое, в общем случае, может быть

задано различными способами (аналитически, экспериментальной зависимостью, алгоритмически и т. д.).

Решение задач структурной и параметрической оптимизации, помимо создания математической модели, предполагает введение ограничений на изменения определенных параметров и выбор целевой функции. Целевая функция (функционал) представляет собой количественную меру (критерий) оценки степени достижения поставленной цели. Наиболее распространенными вариантами выбора целевой функции при оптимизации конструкций являются масса или жесткость. При этом, задача формулируется как, например, «спроектировать рефлектор минимальной массы, удовлетворяющий требованиям ТЗ» или «спроектировать рефлектор минимальной жесткости, удовлетворяющий требованиям ТЗ». Однако, как масса, так и жесткость рефлектора заданы в ТЗ в виде предельных значений, т. е. могут быть использованы как фиксированные параметры при оптимизации по другим целевым функциям. С этой точки зрения, равнозначной может быть постановка задачи оптимизации, например, в виде «спроектировать рефлектор максимальной точности при заданной массе и жесткости». Ввиду определяющего значения точности поверхности рефлектора (с точки зрения выполнения функциональных задач), а также большой доли неопределенности целесообразно в виде целевой функции выбирать функциональную характеристику рефлектора - точность отражающей поверхности рефлектора.

Точность отражающей поверхности рефлектора -комплексный параметр, зависящий от ряда факторов. Не все составляющие точности рефлектора однозначно определяются проектными решениями (например, погрешность сборки, стабильность раскрытия и др.), поэтому целесообразно выделить среди факторов (или источников), вызывающих отклонения поверхности, основные, которые будут учитываться при выборе конструктивных параметров.

В качестве основных составляющих функционала точности поверхности выделим следующие:

- разбивка на фацеты или клинья;

- эффект подушки;

- весовые деформации.

В отдельных случаях этот список можно расширить температурной стабильностью.

Степень влияния на точность остальных факторов (погрешность сборки, погрешность измерений и др.) может управляться не только выбором конструктив -ных параметров, но и технологическим и метрологическим обеспечением производства.

Учитывая сказанное выше, цель проектирования при выбранной концепции рефлектора и сформированном ТЗ может быть записана следующим образом: спроектировать рефлектор, удовлетворяющий требованиям ТЗ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести структурный синтез, т. е. выбрать тип и состав силовой структуры, а также тип формообразующей структуры. Состав силовой структуры, определенный на первом этапе, может изменяться по результатам параметрического синтеза;

- провести параметрический синтез, т. е. выполнить параметрическую оптимизацию.

Целевая функция оптимизации: точность отражающей поверхности рефлектора (с учетом вклада за счет разбивки на фацеты или клинья, эффекта подушки и весовых деформаций).

Управляемые параметры следующие:

- механические характеристики конструкционных материалов (выбираются из ряда доступных материалов);

- размеры сечений силовых элементов;

- линейные размеры силовых элементов;

- характерный размер фацета (или аналогичный параметр) и др.

Внешние параметры, а также ограничения на характеристики рефлектора задаются в ТЗ.

A. K. Shatrov, D. O. Shendalev JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

ABOUT THE STATEMENT OF THE PROBLEM OF THE UNFURLABLE SPACE REFLECTOR DEVELOPMENT

The development of the unfurlable space reflector is considered as the optimal design process. The tages of optimal design process are reviewed in detail. As an objective function it is proposed to use a reflective surface accuracy. Basic constituent elements of total surface accuracy are defined to be considered in design parameters selection. Taking into account the chosen objective function the development problem is stated.

© Шатров А. К., Шендалев Д. О., 2010

УДК 531.010

Е. А. Шевцов, П. А. Краевский, Э. А. Давлетбаев

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕХАНИЗМА РАСКРЫТИЯ ДЛЯ ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА КОСМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ «МИЛЛИМЕТРОН»

Рассмотрены основные требования, предъявляемые к приводным устройствам прецизионного механизма (ППМ) раскрытия главного зеркала космической обсерватории «Миллиметрон», проведен сравнительных анализ и выбор основного варианта механизма раскрытия.

В наши дни задача изучения других звездных систем, черных дыр, поиск проявления жизни во вселенной и др., интересна не только ученым. Это позволит взглянуть на мир по новому, дать толчок для прогресса. Для выполнения этих задач в рамках Федеральной космической программы России сегодня ведутся работы над целым рядом проектов космических обсерваторий. Одним из них является космическая обсерватория «Миллиметрон», представляющая собой космический аппарат (КА) с телескопом с раскрывающимся зеркалом - рефлектором диаметром 12 м (рис. 1).

Особенности конструкции рефлектора - зеркало телескопа образуется из автоматически раскладывающихся 24 лепестков и 3 м центрального элемента с доведением точности и стабильности формы поверхности до 10 мкм (СКО). Конструкция рефлектора накладывает ряд специфических требований к ППМ, а именно:

- жесткость конструкции механизма раскрытия должна быть такой, чтобы обеспечить частоту собственных колебаний рефлектора в рабочем положении 10 Гц, в стартовом - 25 Гц;

- в рабочем положении должна быть обеспечена погрешность отклонения силовой конструкции не более 1 мм и стабильность размеров при эксплуатации;

- материалы, применяемые в механизме раскрытия рефлектора, должны быть криостойкие;

- механизм раскрытия рефлектора должен сохранять стабильность геометрических размеров в интерфейсных точках;

- необходимо, чтобы было обеспечено управляемое контролируемое раскрытие элементов выведения рефлектора в рабочее положение;

- механизм раскрытия рефлектора - должен использовать один и тот же механизм, приводимый в движение электромеханическим приводом, чтобы первоначально зачековать механихм раскрытия реф-