CC BY
21"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 669.713.7
А. И. Орлов
Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова, Россия, Санкт-Петербург
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ УПРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматриваются особенности проектирования гибких соединительных элементов и гибких механизмов для трансформируемых конструкций космических аппаратов (КА). Даются определения основных критериев, определяющих эффективность таких соединений и механизмов. Приводятся некоторые разработанные схемы соединений с их характеристиками.
Гибкие упругие соединения и механизмы являются альтернативой традиционным конструкциям, таким как шарниры, ползуны, шарниры Гука (двухстепенные шарниры), сферические (трехстепенные) шарниры и т. п., используемым механизмах КА для выполнения ряда типовых задач (трансформация устройств КА; расчековка, фиксация и отделение систем и устройств КА; юстировка и подстройка антенн, панелей СБ, линз, зеркал).
По сравнению с традиционными механическими соединениями, гибкие соединения обладают следующими особенностями:
а) соединение выполняется единой деталью, следовательно, отсутствуют трущиеся детали. Это устраняет такие проблемы, как необходимость смазки, люфты, шумность;
б) соединения такого типа выполняются из современных композиционных материалов (КМ), благодаря специальным свойствам которых возможно минимизировать температурные деформации соединения, существенно снизить массу конструкции без потери прочностных и жесткостных свойств конструкции. Управляемая анизотропия свойств КМ при этом позволит создавать конструкции с заранее заданными свойствами;
в) возможность включения в состав материала активных материалов позволит создавать гибкие соединения с управляемыми диссипативно-жесткостными характеристиками, а также соединения с управляемой кинематикой.
Можно выделить несколько основных подходов к проектированию гибких механизмов:
- проектирование гибкого механизма на основе существующей кинематики традиционных механизмов (замена механических кинематических пар на гибкие соединения);
- проектирование гибкого механизма с распределенной податливостью (гибкие соединения являются интегрированными в механизм).
При разработке гибкого упругого соединения вводится понятие эффективной жесткости механизма, равное суммарной жесткости упругих элементов соединения по «рабочим» степеням свободы. Данная величина характеризует усилие, которое необходимо приложить, чтобы получить заданное перемещение. Данная эквивалентная жесткость в общем случае
должна быть минимизирована, либо приведена к заданной величине.
Проектирование гибкого соединения должно осуществляться с соблюдением ряда критериев, определяющих его эффективность. На начальном этапе работ ими стали:
а) диапазон движения. Работа гибкого соединения или механизма должна происходить в зоне упругости, т. е. допускаемые напряжения и деформации ограничиваются пределом упругости. При этом ограничением является и конструкция соединения;
б) смещение центра (оси) вращения при заданном диапазоне движения. Данная проблема актуальна как для гибких элементов, обеспечивающих поворот соединяемых ими деталей друг относительно друга, так и для гибких элементов, обеспечивающих поступательное движение соединяемых деталей друг относительно друга.
Одним из способов решения данной проблемы может быть использование параллельной кинематики. Однако вместе с тем это увеличивает эффективную жесткость соединения;
в) жесткость гибкого соединения по «нерабочим» степеням свободы. Работоспособность гибкого соединения в частности определяется податливостью его упругих элементов в заданных направлениях (по «рабочим» степеням свободы). Но вместе с тем обеспечение этой податливости (обеспечение заданной эффективной жесткости соединения), может снизить жесткость по другим направлениям и привнести в заданную кинематику «паразитную» составляющую.
Численной характеристикой данного критерия может быть отношение жесткости по «рабочим» степеням свободы к жесткостям по «нерабочим» степеням свободы;
г) концентрация напряжений. Ввиду того, что гибкое соединение является комбинацией массивных жестких и тонких упругих элементов, в местах их стыковки могут возникать значительные концентраторы напряжений. Данная проблема, как и предыдущие, во многом решается поиском рациональной схемы упругих элементов гибкого соединения.
В ходе выполнения работ были разработаны несколько видов упругих одно- и двухстепенных шарниров (одна из таких схем представлена на рисунке). Предварительные расчеты их жесткостных и прочно-
Решетневскце чтения
стных характеристик были проведены с использованием пакета конечно-элементного моделирования ANSYS, в качестве характеристик материала соединения брались усредненные характеристики углеродного КМ (модуль упругости 1,6-iO11 Па, коэффициент Пуассона 0,33, плотность материала 1 800 кг/м3). По результатам работ были получены следующие предварительные характеристики такого типа конструкций: масса от 30 до 80 грамм; жесткость при осевом
сжатии от 4-106 до 8-106 Н/м (в некоторых схемах до 2-108 Н/м); необходимый момент для поворота шарнира на максимальный угол 2,8 Н-м (определяется эффективной жесткостью упругих элементов, см. выше). Все эти характеристики были признаны удовлетворительными, дальнейшие работы будут направлены на поиск рациональной формы и сечения упругих элементов.
A. I. Orlov
Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D. F. Ustinov, Russia, Saint Petersburg
THE SPECIALTIES OF DESIGN OF FLEXIBLE ELASTIC JOINTS AND MECHANISMS FOR TRANSFORMABLE DESIGNS SV
The specific features of design of flexible connectors and flexible mechanisms for transformable structures of spacecrafts are discussed. There are definitions given to the main criteria for determining the effectiveness of such compounds and mechanisms. Also there are some examples of developed schemes of connections with their characteristics.
© Орлов А. И., 2012
УДК 629.7.01
Ю. П. Похабов
ФГБУН «Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск
УЧЕТ ФАКТОРОВ НАДЕЖНОСТИ ПРИ УНИФИЦИРОВАНИИ ШАРНИРНЫХ УЗЛОВ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОДНОРАЗОВОГО СРАБАТЫВАНИЯ
Рассматривается подход к унификации шарнирных узлов механических устройств одноразового срабатывания на основе вероятностного представления о показателе избыточности движущего момента над моментом сопротивления в шарнирном узле.
Как показано в работе [1], обеспечение принципов модульности и унификации элементов раскрытия солнечных батарей для современных космических аппаратов (КА) позволяет добиться высоких показателей по удельно-массовым характеристикам, уменьшению трудозатрат при проектировании и производ-
стве, а также по унификации производственных процессов. Однако указанные принципы конструирования можно эффективно использовать для обеспечении надежности функционирования шарнирных узлов механических устройств (МУ) одноразового срабатывания (ОС).
