CC BY
94Решетневскуе чтения. 2018
УДК 629.7
ПРИМЕНЕНИЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БЕСПИЛОТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С. А. Пикулин, Е. В. Красилова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: 19pikulin@mail.ru
Рассмотрена возможность применения топологической оптимизации в процессе проектирования беспилотных КА, перечислены основные достоинства и недостатки данного метода при расчете деталей.
Ключевые слова: топологическая оптимизация, автоматизация, компоновка.
USAGE OF TOPOLOGY OPTIMIZATION IN THE DESIGN OF UNMANNED SPACECRAFTS
S. A. Pikulin, E. V. Krasilova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 19pikulin@mail.ru
The article reveals the possibility of the usage of topology optimization in process of design of the unmanned spacecrafts, advantages and disadvantages of this method while calculation of the parts are enumerated.
Keywords: topology optimization, automatization, layout.
Топологическая оптимизация - это процесс последовательного приближения к оптимальной с точки зрения заданных условий конструкции, результатом которого является изменение ее формы и размеров, появление новых элементов. Подробно об алгоритмах работы программ, реализующих данный метод, написано в статье [1]. В настоящее время основной целью данного метода является снижение массы конструкции при сохранении или увеличении ее прочности и/или жесткости (например, [2]), что крайне важно в аэрокосмической отрасли [3]. От массы спутника зависит цена его доставки на орбиту, а от массы конструкции ракеты количество топлива, требуемого для достижения ей заданной скорости. Однако проблемы прочности и снижения массы не единственные, с которыми сталкиваются инженеры при проектировании деталей и узлов космической техники. Также необходимо разместить все необходимое оборудование в ограниченном объеме, рассчитать конструкцию с учетом влияния температур, вибрации, аэродинамического сопротивления и многое другое.
При проектировании беспилотных космических аппаратов важнейшими ограничивающими факторами являются масса и размеры конструкции. Ограничения массы вызваны стоимостью и энергетическими возможностями существующих РН, а габаритов - размерами головного обтекателя.
Так как беспилотным аппаратам не требуется наличие пространства для перемещения экипажа, плотность компоновки определяется размерами отдельных элементов аппаратуры, необходимостью прокладки кабелей и трубопроводов системы охлаждения, эле-
ментами силовых конструкций, необходимым распределением масс для обеспечения требуемых моментов инерции для лучшей управляемости и другими условиями [4]. Однако многие приборы и системы доставляются на завод-изготовитель КА в собранном виде и не подлежат изменению. Например, масса электронной аппаратуры, установленной на КА может составлять до 60 % его массы [4]. В космической технике широко распространен принцип модульной компоновки, который позволяет легко тестировать КА и быстро заменять неисправные модули [4]. Такой подход удобен для отработки аппарата, но он не позволяет вносить изменения в размеры модулей и существенно ограничивает возможности рассматриваемого метода. Кроме того, необходимо учитывать специфику работы аппаратуры и бортовых систем, назначение аппарата, необходимость его ориентации в пространстве [4]. Все эти факты говорят о том, что применить рассматриваемый метод к произвольному КА для оптимизации его компоновки в настоящее время не представляется возможным, так как анализ возможности применения и сам процесс оптимизации для конкретного аппарата может занять значительное время.
Можно сделать вывод, что в настоящее время круг задач, решаемых с применением топологической оптимизации при проектировании беспилотных КА ограничивается внесением изменений в конструкцию отдельных элементов КА. Однако даже этого может быть достаточно, чтобы существенно снизить стоимость аппарата. К примеру, масса конструкции ИСЗ составляет до 15 % от массы всего спутника, включая
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
систему отделения от носителя [4]. Пример оптимизации детали КА можно найти в статье [5]. Полученное снижение массы составило 24 %. Таким образом, при условии сохранения того же показателя и для других деталей снижение общей массы спутника может достигать 3,6 %. Однако в будущем возможно добиться и большей экономии.
Отметим основные достоинства применения метода при оптимизации деталей КА:
1. Повышение удельной прочности изделия.
2. Уменьшение объема, занимаемого деталью. При наложении соответствующих ограничений деталь может иметь отверстия для прокладки кабелей или трубопроводов, либо принимать форму с учетом размещения неизменяемых элементов.
3. Современные системы позволяют создавать некоторые детали практически с нуля [6].
4. Упрощение процесса проектирования за счет автоматизации.
5. Независимость метода от каких-либо параметров исходной геометрии [5]. То есть созданная деталь является по сути новой, а не улучшенной.
Однако, как и любой другой метод, топологическая оптимизация имеет недостатки, не позволяющие быстро внедрить ее в проектирование КА:
1. Сложность форм полученных деталей. Проблема может решаться системами обработки оптимизированных деталей и приведением их к виду, подходящему по технологии изготовления. Также возможно применение 3Б-печати. Однако ввиду не освоенности данного метода не может быть применено в больших масштабах в настоящее время в космической промышленности в связи с требованиями надежности КА. Приведение модели к приемлемому для изготовления виду занимает значительное время [7].
2. Процесс сложен, а его разработка ведется в настоящее время зарубежными фирмами. Поэтому для его применения в России необходимо закупать дорогостоящее программное обеспечение. Для преодоления этого необходимо в ближайшее время начинать разработку отечественных программ, что проще всего будет сделать на основе российской САПР «КОМПАСА».
3. Метод имеет множество нерешенных или решенных не до конца проблем, связанных с несовершенством алгоритма разбиения детали конечно-элементной сеткой и других, приводящих к необходимости постоянной его доработки.
4. Необходимость наличия больших вычислительных мощностей.
5. Проблематичность контроля полученных деталей ввиду сложности формы и отсутствия стандартов качества для подобных изделий.
Таким образом, топологическая оптимизация подходит для решения в космической промышленности тех же задач, что и в общем машиностроении. С развитием метода будут возможны и иные способы его применения: совершенствование сборок; проектирование развертываемых конструкций; проектирование менее габаритных аппаратных модулей; прокладка кабельной сети и труб системы охлаждения; компоновка КА.
Библиографические ссылки
1. Сысоева В. В., Чедрик В. В. Алгоритмы оптимизации топологии силовых конструкций // Ученые записки ЦАГИ. 2011. № 2. С. 91-101.
2. Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ, 2017. [Электронный ресурс]. URL: http://fea.ru/project/199 (дата обращения: 11.08.2018).
3. Башин К. А., Торсунов Р. А., Семенов С. В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник ПНИПУ. 2017. № 51. С. 51-59.
4. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 2003. С. 192-195.
5. Захаров В. О. Топологическая оптимизация в современном космическом машиностроении. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rusnauka.com/ 13_NPE_2017/Tecnic/9_224608.doc.htm (дата обраще-ния:12.08.2018).
6. DM Labs - Live Parts. [Электронный ресурс]. URL: https://labs.desktopmetal.com/liveparts (дата обращения: 13.08.2018).
7. Четыре основных ошибки при топологической оптимизации, 2017 [Электронный ресурс]. URL: https://cae-club.ru/publications/chetyre-osnovnyh-oshibki-pri-topologicheskoy-optimizacii (дата обращения: 13.08.2018).
References
1. Sysoeva V. V., Chedrik V. V. [Algorithms of topology optimization of the power structures]. Uchenye zapiski CAGI. 2011. No. 2. P. 91-101 (In Russ.).
2. Pereproektirovanie kronshtejna reflektora na os-nove topologicheskoj optimizacii s primeneniem ISKPI [Redesign of the reflector bracket based on topological optimization with the use of ICPS] (In Russ.). Available at: http://fea.ru/project/199 (accessed: 11.08.2018).
3. Bashin K. A., Torsunov R. A., Semenov S. V. [Methods of topological optimization of structures used in the aerospace industry] // Vestnik PNIPU. 2017. No 51. P. 51-59 (In Russ.).
4. Gushchin V .N. Osnovy ustrojstva kosmicheskih apparatov [Basics of spacecraft design]. Moscow, Mashinostroenie publ., 2003. P. 192-195 (In Russ.).
5. Zaharov V. O. Topologicheskaya optimizaciya v sovremennom kosmicheskom mashinostroenii [Topologi-cal optimization in modern space engineering] (In Russ.). Available at: http://www.rusnauka.com/ 13_NPE_2017/Tecnic/9_224608.doc.htm (accessed: 12.08.2018).
6. DM Labs - Live Parts. Available at: https://labs.desktopmetal.com/liveparts (accessed: 13.08.2018).
7. Chetyre osnovnyh oshibki pri topologicheskoj optimizacii [Four major errors in topological optimization] (In Russ.). Available at: https://cae-club.ru/publications/ che-tyre-osnovnyh-oshibki-pri-topologicheskoy-optimizacii (accessed: 13.08.2018).
© Пикулин С. А., Красилова Е. В., 2018
