CC BY
15Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.76/78.001.63
ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ ШТАНГИ РЕФЛЕКТОРА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
А. С. Евдокимов, О. К. Валишевский, Д. О. Шендалев
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: evdokimov-as@iss-reshetnev.ru
Рассматривается штанга крупногабаритного трансформируемого рефлектора. Представлены результаты расчета температурных деформаций для различных схем армирования труб звеньев штанги. Приведен сравнительный анализ механических и теплофизических свойств штанги с разными схемами армирования.
Ключевые слова: штанга, конечно-элементная модель, деформации, углепластик, схема армирования.
OPTIMIZATION OF LAMINATE OF REFLECTOR BOOM FOR DECREASE TEMPERATURE DEFORMATIONS
A. S. Evdokimov, O. K. Valishevsky, D. O. Shendalev
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: evdokimov-as@iss-reshetnev.ru
Large deployable reflector boom is considered. Article presents calculation results of temperature deformations for different boom tube laminate. Comparison analysis of mechanical and thermophysical properties of boom with different laminates.
Keywords: boom, finite element model, deformations, CFRP, laminate.
К таким крупногабаритным конструкциям, как штанга, предъявляются высокие требования по стабильности при воздействии температурных факторов. Штанга должна удерживать рефлектор в рабочем положении с высокой точностью на всем сроке эксплуатации.
На рис. 1 показан общий вид рефлектора в рабочем положении (ОКР «Рефлектор-2025»). Штанга является ключевым конструктивным элементом, определяющим наибольший вклад в суммарные отклонения за счет температурных деформаций. Целью оптимизации являлось снижение уровня температурных деформаций штанги за счет схемы армирования труб звеньев штанги.
Длина штанги в рабочем положении достигает нескольких метров. Штанга (2) состоит из следующих конструктивных элементов: корневое звено, концевое звено и шарнирные узлы. Корневое и концевое звенья представляют собой цилиндрические трубы сплошного сечения, выполненные из углепластика. На конце корневого звена устанавливается шарнирный узел, через который штанга закрепляется на борту космического аппарата (3). Промежуточный шарнирный узел соединяет корневое и концевое звенья между собой. На концевом звене крепится рефлектор (1).
По своей природе структура углепластика имеет ярко выраженную анизотропию. Теплофизические свойства углепластика (коэффициент теплопроводно-
сти и коэффициент линейного температурного расширения) отличаются по направлениям (вдоль волокна, поперек волокна) в несколько раз [2]. При правильном и рациональном использовании такой закономерности можно найти комбинацию углов укладки слоев, которая позволит существенно снизить температурные деформации.
Для звеньев штанги рассматривалась структура из шести слоев: три пары слоев с вариацией углов намотки [±А/±В/±В], где «А» - угол намотки (армирования) слоя углепластика, предназначенный для обеспечения жесткости, а «В» - угол намотки (армирования) слоя углепластика, предназначенный для обеспечения теплопроводности по поперечному сечению. Диапазон изменения углов намотки «А» и «В»: от 5° до 65°.
Исходными данными для расчёта температурных деформаций штанги является информация о распределении температуры по элементам звеньев штанги, полученная в результате теплового анализа. В силу необходимости последовательного решения тепловой и механической задач был выбран программный комплекс ANSYS [1], который позволяет осуществлять передачу данных поля температуры по слоям на механическую модель. Поэтому создание тепловой и механической моделей и непосредственно сами расчёты выполнены в программном комплексе ANSYS [3].
Решетневскуе чтения. 2018
Рис. 1. Общий вид рефлектора в рабочем положении: 1 - рефлектор; 2 - штанга; 3 - космический аппарат
При расчете температурных деформаций рассматривался предельный случай теплового потока, направленного с одной стороны перпендикулярно продольной оси штанги. При этом параметры орбиты, взаимное затенение и переизлучение между элементами конструкции штанги не учитывались, полагая, что в этом случае деформации будут максимальными.
В результате расчетов были вычислены линейные и угловые отклонения штанги, а также модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент линейного температурного расширения для пакета из шести слоев с различными углами армирования.
Был проведен сравнительный анализ, который показал, что угол армирования слоев существенно влияет на деформации.
На рис. 2 показан график угловых отклонений конца штанги для различных углов намотки.
Выбор схемы армирования для штанги осуществлялся, исходя из требований по жесткости и минимальных отклонений штанги. В результате была выбрана схема армирования с минимальным значением КЛТР, удовлетворяющая этим требованиям. Таким
образом, оптимизация схемы армирования позволяет снизить температурные деформации почти в 40 раз.
Библиографические ссылки
1. Басов К. А. ANSYS : справочник пользователя. М. : ДМК Пресс, 2014. 640 с.
2. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. М. : Машиностроение, 1990. 512 с.
3. ANSYS, «ANSYS Academic Research», 13.0 Ed, 2010.
References
1. Basov K. A. ANSYS: spravochnik polzovatelya. M. : DMK Press, 2014. 640 s.
2. Kompozicionnie materialy: Spravochnik / V. V. Vasilyev, V. D. Protasov, V. V. Bolotin et al. M. : Mashinostroeine, 1990. 512 s.
3. ANSYS, "ANSYS Academic Research", 13.0 Ed, 2010.
© Евдокимов А. С., Валишевский О. К., Шендалев Д. О., 2018
