CC BY
31Решетневские чтения
УДК 629.78:531.395
В. Н. Зимин, А. Н. Сдобников Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ*
Рассмотрены особенности построения математических моделей анализа динамики раскрытия крупногабаритных трансформируемых космических конструкций.
В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования, направленные на создание в космосе конструкций различного класса, которые имеют большие размеры в том или ином измерении: космические телескопы и антенны, энергетические и научные платформы, крупногабаритные солнечные батареи и т. д. Проблема создания навесных систем специального функционального назначения с габаритами, превышающими размеры космических аппаратов, сводится к разработке складных конструкций, удовлетворяющих таким противоречивым требованиям, как минимальные вес и объем в сложенном транспортном состоянии, высокая надежность раскрытия из транспортного состояния в рабочее положение и функционирования на орбите, максимальная площадь рабочей поверхности в раскрытом состоянии, стабильные эксплуатационные характеристики в условиях действия нагрузок. Работоспособность таких конструкций определяется, главным образом, тем, насколько велики возникающие в них усилия при развертывании, поэтому обеспечение их надежного раскрытия связано с решением сложных задач механики.
На практике, как правило, динамическое поведение конструкции анализируют с помощью совокупности моделей, каждая из которых нацелена на решение конкретной технической задачи: либо на определение динамических характеристик конструкции, либо на исследование динамики процесса раскрытия конструкции. Таким образом, говоря о модели динамики таких конструкций, мы имеем в виду не одну модель, а совокупность дополняющих и развивающих друг друга моделей - своего рода иерархию моделей. Можно ожидать, что темпы усложнения проектируемых трансформируемых конструкций и роста их размерности как динамических систем будут постоянно опережать развитие методов и технических средств математического моделирования подобных конструкций. Поэтому представляется целесообразным проводить анализ динамики раскрывающихся крупногабаритных трансформируемых конструкций в том объеме, который необходим для решения частных технических задач их проектирования, создания и экспериментальной отработки на основе совокупности специализированных моделей.
На ранних стадиях проектирования особую ценность представляют расчетные модели, которые с достаточной для практики степенью точности при ма-
лых вычислительных затратах позволяют провести конструктивные проработки различных вариантов, оценить их характеристики и выбрать наиболее рациональный вариант. Особое место среди создаваемых в настоящее время трансформируемых систем занимают ферменные конструкции, раскрытие которых происходит автоматически при срабатывании механизма расчековки за счет первоначально накопленной упругой энергии пружин, расположенные в шарнирных соединениях. Так решение задачи по определению уровня напряжений, возникающих в элементах ферменной трансформируемой конструкции пружинно-стержневого типа при раскрытии, в точной постановке чрезвычайно затруднительно. При определенном сочетании конструктивных параметров могут оказаться полезными приближенные оценки (сверху) уровня возникающих при раскрытии напряжений. Такие оценки могут быть получены с использованием следующих допущений: при решении задачи раскрытия ферменную конструкцию можно рассматривать как плоскую конструкцию; можно считать, что в момент постановки складывающихся стержней на упор кинетическая энергия конструкции определяется, в основном, скоростью движения ее элементов в ее плоскости; может быть использован подход, в рамках которого возникающие при постановке складывающихся стержней на упор и связанные со сложными динамическими эффектами напряжения оцениваются как напряжения от некоторой фиктивной статической нагрузки, закон распределения которой определяется законом распределения скоростей точек конструкции в ее плоскости при раскрытии; кинетическая энергия конструкции в процессе раскрытия может быть представлена в виде двух составляющих, связанных с движением ее точек в продольном и поперечном направлениях; допустимо использование континуальной модели ферменной конструкции в предположении, что диагональные (связывающие верхний и нижний пояса) стержни нагрузок не воспринимают и на эффективную жесткость моделирующей поведение панели (в ее плоскости) влияния не оказывают.
Преимущества надувных конструкций из тканевых и пленочных материалов перед конструкциями, выполняемыми по классическим схемам, состоят в том, что на орбиту выводится легкая и компактно уложенная в контейнере система, которая после наполнения ее рабочим газом развертывается и принимает проектную форму.
*Исследования проведены в рамках поисковой научно-исследовательской работы (госконтракт № П776 от 20 мая 2010 г.) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2013 гг.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
При этом габаритные размеры развернутых надувных конструкций могут достигать внушительных размеров - десятков и сотен метров, что реализация при раскрытии традиционных механически трансформируемых систем является трудно выполнимой задачей. К настоящему времени в России проведен натурный эксперимент по развертыванию на орбите крупногабаритных антенных кольцевых контуров диаметром 20 м. Конструкция кольцевых антенн представляла собой надувной тор, выполненный из резинотехнической ткани, который находился в токо-проводящем рукаве из аримидной ткани. В транспортном положении надувной тор укладывался в виде гармошки в контейнер путем перегиба рукава (формирования одноосных зон) и складывания его в виде
прямолинейных колен (звеньев), «гармошки». Разворачивание происходило при подаче избыточного давления в полость рукава. Оценка характеристик процесса раскрытия конструкции была проведена с использованием простейшей расчетной модели. Процесс развертывания тора моделировался раскрытием системы, состоящей из двух «мягких» цилиндров, жестко связанных между собой и сложенных в виде гармошки. В сочетании с технологиями отверждения открываются реальные перспективы создания выигрышных по стоимости и массе объектов космической техники различного целевого назначения. Эти технологии пока не заняли надлежащего места в официальной космической индустрии и находятся на стадии разработки и совершенствования.
V. N. Zimin, A. N. Sdobnikov Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow
THE FEATURES OF LARGE TRANSFORMABLE SPACE STRUCTURES DYNAMIC SIMULATION
Some features of mathematical model formulation for analysis of large transformable space structures deploy dynamics are considered.
© Зимин В. Н., Сдобников А. Н., 2010
УДК 621.372.83.001.24
С. К. Злобин
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
ПАЙКА ТОНКОСТЕННЫХ ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТОВ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Представляется оборудование и технология для сборки пайкой элементов волноводно-распределительных систем космических аппаратов связи с использованием источника индукционного нагрева.
Внедренный в ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева» технологический процесс пайки облегченных волноводных трактов из сплава АД31 с использованием индукционного нагрева был разработан совместно с СибГАУ.
Технологический процесс пайки волноводных трактов из алюминиевых сплавов обладает рядом преимуществ (в сравнении с процессом производства сварных волноводов):
- возможностью получения соединения тонкостенных (0,65-1,4 мм) волноводных труб со значительно более массивными (толщиной 6 мм и более) фланцами и муфтами;
- возможностью применения автоматического режима пайки волноводов различной конфигурации и сечения;
- отсутствием концентраторов напряжений в связи с образованием плавной галтели в месте соединения деталей, что позволяет данным соединениям успешно работать при знакопеременных и вибрационных нагрузках;
- температурой пайки всегда ниже температуры солидуса соединяемых материалов;
- снижением массы изделий на 15-20 %, стоимостью в 2-2,5 раза.
Данный процесс пайки отличается значительной простотой, производительностью и чистотой производства по сравнению с пайкой во флюсовых ваннах и вакуумной пайкой аналогичных конструкций. В качестве оборудования для пайки используется генератор средней частоты (66 кГц), набор индукторов, выполненных в виде плоской рамы с рабочим отверстием прямоугольного сечения, а также блок автоматической системы управления АСУ, состоящий из ПК с соответствующим программным обеспечением, стенд управления постом пайки волноводов и согласующего устройства (см. рисунок).
Разработанная в Сибирском государственном аэрокосмическом университете методика отладки технологического процесса пайки позволяет определить оптимальные режимы пайки для волноводных трактов любых сечений.
