Применение численных методов моделирования в разработке прецизионных размеростабильных конструкций телескопов космического базирования

Демкович Н.А.; Додонов П.А.; Кожеватов И.Е.; Руденчик Е.А.

ния приборного блока до критичного нижнего уровня жидкостный контур отсоединяется от газового с помощью клапана перепускного (КП). В результате циркуляция жидкости осуществляется в пределах внешнего жидкостного контура, в обход теплообменника. В линейной схеме плавное регулирование тепловой связи приборного блока с радиатором осуществляется путем изменения расхода теплоносителя с помощью терморегулятора (ТР) или клапана-регулятора (КР). Линейная схема позволяет сузить диапазон изменения температуры приборного блока. КР является дублирующим агрегатом ТР и включается при наземных испытаниях и в полёте на втором и третьем витке, когда заказывающей организации демонстрируют работу резервных систем. После этого до конца срока активного существования (САС) КР при нормальной работе ТР-регулятора прямого действия никогда не включается. Однако при отказе ТР КР должен обеспечить требуемый САС КА. Поэтому исследование линейного регулятора КР в СТР КА является задачей актуальной и ответственной.

Библиографические ссылки

1. Двирный В. В. Технологические особенности агрегатов автоматики систем терморегулирования

космических аппаратов с длительным сроком активного существования : дис. ... канд. техн. наук / САА. Красноярск, 1993. С. 44.

2. Агрегаты автономных энергетических систем : монография / Головёнкин Е. Н. и др. ; под. ред. К. Г. Смирнова-Васильева / КрПИ, Красноярск, 1986.

3. Чеботарев, В. Е., Косенко, В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. С. 488.

References

1. Dvirnyy V. V. Technological features of aggregates automation systems thermal control of spacecraft with a long active lifetime : Dis. ... candles. technical Sciences. CAA. Krasnoyarsk, 1993. S. 44.

2. The units stand-alone power systems: tutorialmonograph / Golovenkin E. N. and others ; edit K. G. Smirnova-Vasileva. Krasnoyarsk, 1986.

3. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Design basis spacecraft information support : textbook. manual ; Sib. state. aerocosmic. university, Krasnoyarsk, 2011. S. 488.

УДК 681.7.062

ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ В РАЗРАБОТКЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ РАЗМЕРОСТАБИЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕЛЕСКОПОВ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Н. А. Демкович1, П. А. Додонов1, И. Е. Кожеватов2, Е. А. Руденчик3

1СП ЗАО «Би Питрон» Российская Федерация, 191014, г. Санкт-Петербург, Виленский пер., 4. Е-mail: dna@beepitron.com; dpa@beepitron.com 2Научно-исследовательский радиофизический институт Российская Федерация, 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12a. E-mail: kozh-ie@mail.ru 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова

Российской академии наук Российская Федерация, 142190, г. Москва, г. Троицк, Калужское шоссе, 4. E-mail: ruden_ea@mail.ru

Статья посвящена использованию численных методов моделирования в разработке прецизионных размеро-стабильных конструкций. Возможности предлагаемых методов показаны на примере облегченной конструкции главного зеркала телескопа космического базирования проекта «Интергелиозонд».

Ключевые слова: численные методы моделирования, облегченные зеркала.

NUMERICAL SIMULATION IN DEVELOPMENT OF HIGH-PRECISION DIMENSION-STABLE DESIGNS FOR SPACE-BASED TELESCOPES

N. A. Demkovich1, P. A. Dodonov1, I. E. Kozhevatov2, E. A. Rudenchik3

1Bee Pitron Co. Ltd

4, Vilensky ln., Saint-Petersburg, 191014, Russian Federation. Е-mail: dna@beepitron.com; dpa@beepitron.com

2Radiophysical Research Institute 25/12a, Bolshaya Pecherskaya str., Nigniy Novgorod, 603950, Russian Federation. E-mail: kozh-ie@mail.ru

3Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences 4, Kaluzhskoe shosse, Troitsk, Moscow, 142190, Russian Federation. E-mail: ruden_ea@mail.ru

Решетневскуе чтения. 2014

The use of numerical modeling techniques in the development of high-precision dimension-stable designs is focused. The proposed methods have been applied to a lightweight primary mirror for a space-based telescope developed for "Interheliozond" mission.

Keywords: numerical simulation, lightweight mirrors.

Одним из основных способов повышения разрешающей способности космического телескопа является увеличение диаметра главного зеркала. При этом на массу конструкции телескопа накладываются жесткие ограничения, связанные с грузоподъемностью космического аппарата. Перед разработчиком ставится цель минимизировать массу главного зеркала, сохраняя высокое качество формы рабочей поверхности, а также обеспечивая стойкость конструкции зеркала к механическим нагрузкам в ходе вывода на орбиту. Успешное решение этой проблемы является обязательным условием создания телескопа с требуемыми характеристиками.

В рамках исследования ставилась задача разработки конструкции главного зеркала многофункционального оптического телескопа, предназначенного для исследования тонкой структуры солнечной атмосферы; характеристик магнитного поля солнечной фотосферы; исследования магнитных полей в приполярных областях Солнца [1].

К конструкции главного зеркала телескопа предъявлялись следующие основные требования:

- диаметр главного зеркала телескопа - от 450 до 500 мм;

- минимальная масса конструкции зеркала при обеспечении требуемой жесткости и стойкости к механическим (вибрационным, ударным) нагрузкам, действующим на этапе вывода на орбиту; масса узла главного зеркала не должна превышать 5 кг;

- качество рабочей поверхности зеркала, характеризующееся среднеквадратическим отклонением деформаций рабочей поверхности зеркала не более 0,03 мкм, которое должно быть обеспечено при эксплуатации на орбите.

Режим эксплуатации телескопа на орбите характеризуется значительным перепадом температур между рабочей поверхностью зеркала, нагреваемой потоком излучения от Солнца, и нерабочей поверхностью зеркала, охлаждаемой излучением в открытый космос.

На начальном этапе проектирования конструкции главного зеркала телескопа в подтверждение принимаемых конструкторских решений были проведены расчетные исследования с использованием численных методов моделирования (авторы использовали программный комплекс конечно-элементного анализа OOFELIE®).

Расчетные исследования применялись при решении следующих задач:

1. Выбор материала зеркала.

2. Выбор конструкции облегченного зеркала, включая выбор формы выборок материала на тыльной стороне зеркала.

3. Оценка температурных деформаций рабочей поверхности облегченного зеркала выбранной конструкции в режиме штатной эксплуатации.

4. Оценка температурных деформаций прозрачных компонентов системы, нагреваемых за счет объемного поглощения потока излучения от Солнца.

5. Выбор режима испытаний для оценки температурных деформаций рабочей поверхности облегченного зеркала при контроле в земных условиях.

Стоит отметить, что вышеперечисленные задачи требовали совместного решения, так как на начальных этапах проектирования было сложно ранжировать возможные материалы и конструкции по предпочтительности применения для изготовления рассматриваемого главного зеркала.

На основе вышеперечисленных основных требований к конструкции зеркала и в соответствии с методикой, изложенной в [2], были предложены два варианта облегченной конструкции: с использованием выборок квадратной и шестиугольной формы.

Для выбранных вариантов облегченной конструкции было проведено исследование температурных деформаций рабочей поверхности зеркала при граничных условиях, характеризующихся следующими параметрами:

- НС - поток излучения от Солнца, падающий на рабочую поверхность зеркала. На поверхность зеркала нанесено покрытие, поглощающее 6,5 % падающего излучения. Поглощение происходит в тонком слое;

- Т - температура равновесного теплового излучения со стороны прибора;

- Т2 - температура стенок вакуумной камеры / открытого космоса в режиме штатной эксплуатации.

Для определения требуемых режимов испытаний для оценки температурных деформаций рабочей поверхности зеркала температура Т2 при проведении расчетных исследований варьировалась в пределах от 0 до -273,15 °С.

При оценке деформаций рабочей поверхности зеркала рассматривался рисунок деформаций рабочей поверхности в направлении оптической оси по сечению плоскостью, проходящей через оптическую ось, с наложением на полученную кривую окружности методом наименьших квадратов с указанием радиуса этой окружности и изображением отклонений от этой окружности. Для решения этой задачи авторы использовали систему МаШешайса.

Дополнительно проводился анализ температурных деформаций прозрачных компонентов оптической системы, нагрев которых происходит за счет объемного поглощения потока излучения от Солнца. Анализ проводился в два этапа с использованием системы автоматизированного проектирования оптических систем 2ешах® и программного комплекса конечно-элементного анализа ООББЫБ®. На первом этапе было выполнено моделирование объемного поглощения в прозрачном материале на основе данных о спектральном составе падающего излучения и о зависимости коэффициента пропускания рассматриваемого материала от длины волны. Найденные значения мощностей объемных источников тепла были использованы для численного решения уравнения теплопро-

водности в дифференциальной форме. Таким образом, была проведена оценка распределения температур в объеме зеркала и его температурных деформаций.

По результатам проведенных численных исследований были сделаны выводы о наиболее предпочтительной в контексте задачи конструкции облегченного зеркала, сформулированы рекомендации по выбору материала для изготовления зеркала, выбран температурный режим испытаний в вакуумной камере для оценки стабильности размеров конструкции зеркала.

Библиографические ссылки

1. Многофункциональный оптический телескоп «Тахомаг». Общее описание / В. Н. Обридко, И. Е. Кожеватов, Е. А. Руденчик и др. // Проект Ин-тергелиозонд : тр. рабочего совещания. Таруса, 11-13 мая 2011 г. / ред. В. Д. Кузнецов. М. : Ротапринт ИКИ РАН, 2012.

2. Vukobratovich D. Lightweight Mirror Design // Optomechanical Engineering Handbook/ ed. Anees Ahmad. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999.

References

1. Obridko V. N., Kozhevatov I. E., Rudenchik E. A.,

et al. Proekt INTERGELIOZOND. Trudy rabochego soveshhanija (INTERHELIOZOND Project. Working Conference Proceedings.) Tarusa, May 11-13, 2011. Moscow, Rotaprint SRI RAS, 2012.

2. Vukobratovich D. Lightweight Mirror Design. Optomechanical Engineering Handbook. Ed. Anees Ahmad. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999.

УДК 629.76/78.001.63

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ СЕТЧАТОГО РЕФЛЕКТОРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МАКЕТИРОВАНИЯ

А. С. Евдокимов, Д. О. Шендалев

ОАО «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, shendalev_d@iss-reshetnev.ru

Исследуется форма фацеты формообразующей структуры рефлектора. Приводятся результаты сравнения измеренных данных с расчетной моделью.

Ключевые слова: сетчатый рефлектор, эффект подушки, фацета, формообразующая структура, среднеквадратичное отклонение.

INCREASING THE MESH REFLECTOR FEM ACCURACY USING MOCK-UP TESTING RESULTS

A. S. Evdokimov, D. O. Shendalev

JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: evdokimov-as@iss-reshetnev.ru, shendalev_d@iss-reshetnev.ru

The analysis of facet large reflector surface is presented.

Keywords: mesh reflector, pillow effect, facet, cable structure, root mean square.

Современные тенденции в развитии крупногаба- Радиоотражающая поверхность рефлектора состо-

ритных трансформируемых рефлекторов антенн кос- ит из множества ячеек (фацетов), границы которых

мических аппаратов охватывают расширение частот образованы шнурами фронтальной сети. Чем больше

рабочего диапазона, снижение удельной массы и воз- размер ячейки фронтальной сети, тем больше поверх-

растание общих габаритов их конструкций. ность сетеполотна отклоняется от параболической

Крупногабаритные трансформируемые рефлекто- формы. Кроме отклонений за счет размера фацеты

ры для перспективных спутников связи должны со- возникает «эффект подушки». При отсутствии нор-

хранять высокую точность формы и размеры при дли- мальных нагрузок изотропная равномерно натянутая

тельной эксплуатации в космосе. Экспериментальная мембрана должна иметь нулевую гауссову кривизну,

отработка в наземных условиях требует больших ма- то есть седловидную форму. На границе ячеек напря-

териальных и временных затрат. Поэтому численное жения в сетеполотне меняют знак, нормальная ре-

моделирование таких конструкций является одним из зультирующая сила стремится выгнуть шнур вверх. наиболее эффективных способов оценки прочности, Для исследования формы поверхности были про-

прогнозирования и оптимизации конструкций. ведены испытания макета фацеты.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Демкович Н.А., Додонов П.А., Кожеватов И.Е., Руденчик Е.А.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Демкович Н.А., Додонов П.А., Кожеватов И.Е., Руденчик Е.А.

NUMERICAL SIMULATION IN DEVELOPMENT OF HIGH-PRECISION DIMENSION-STABLE DESIGNS FOR SPACE-BASED TELESCOPES