Проектирование адаптивного к действию градиентов температур размеростабильного корпуса космического телескопа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.78

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АДАПТИВНОГО К ДЕЙСТВИЮ ГРАДИЕНТОВ ТЕМПЕРАТУР РАЗМЕРОСТАБИЛЬНОГО КОРПУСА КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА

© 2013 Р. Н. Ахметов, Н. Р. Стратилатов, А. Н. Шайда, А. С. Нонин, Ю. В. Потапова

ФГУП «ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс"», г. Самара

Изложен метод проектирования размерностабильных корпусов космических телескопов, позволяющий получить простые и надёжные корпуса телескопов, адаптивные к действию градиентов температур.

Размеростабильный корпус, криволинейная биметаллическая пластина, телескоп.

В современной космической технике при проектировании и создании космических телескопов, работающих при различных температурах, возникает термооптическая аберрация увеличения и расфокусировки оптической системы за счёт изменения размеров силового корпуса, связывающего оптическую систему.

Особенно актуальна эта задача при разработке корпусов космических телескопов дистанционного зондирования Земли.

Одним из путей уменьшения изменения размеров корпусов космических телескопов, обусловленных воздействием неравномерного поля температур, является использование конструктивных элементов, выполненных из материалов с низким коэффициентом линейного расширения, типа ИНВАР, а=0,8-10-6 1/°С, у=8,2 г/см3, высоко термостабильной композиционный материал на основе углепластиков типа КМУ-4Л, а=Ы0-6 1/°С, у=1,6 г/см .

Уменьшить температурные деформации можно также за счёт создания требуемого теплового режима, обеспечивающего снижение перепадов температур на корпус телескопа, применяя активные и пассивные средства обеспечения теплового режима [2].

Однако указанные способы уменьшения изменения размеров приводят к усложнению конструкции, снижению её

надёжности и, как правило, к увеличению массы космического аппарата. Применение неметаллических материалов на основе углепластиков не позволяет в полной мере обеспечить достаточную геометрическую стабильность корпуса конструкции телескопа, поскольку эта характеристика напрямую зависит от значения коэффициента линейного расширения, применяемого полимерного композитного материала, который является нестабильным, хотя и имеет малую величину.

Таким образом, существует потребность в простом и надёжном способе обеспечения размерной стабильности корпусов космических телескопов.

Рассматриваемый в настоящей статье метод проектирования адаптивных к действию градиентов температур корпусов телескопов апробирован в конструкциях КА ДЗЗ, разрабатываемых ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

В перспективном космическом аппарате предполагается изготовление силового корпуса фотоприёмного устройства (ФПУ ИК) и поворотного корпуса радиатора - излучателя в виде рамы из биметаллических пластин, что позволит снизить массу конструкции и для ФПУ ИК улучшить целевой параметр (разрешение).

\\ XV/ & 1 |

" Ь

// \\ ¡г г

Ж V // Г" ^ к

т--> (

X

\\ // ч /У\ \\

Рис. 1. Корпус космического телескопа

Рис.3

Рис. 2. Корпус космического телескопа

На рис. 1, 2 изображён общий вид фермы космического телескопа (КТ) с высокой геометрической стабильностью по длине В и диаметру Б при действии неравномерного поля температур.

Силовой корпус состоит из продольных, поперечных и диагональных криволинейных биметаллических пластин 1, 2, 3, соединённых между собой в узлах пересечения 4.

На рис. 3 изображён общий вид раз-меростабильной биметаллической пластины силового корпуса КТ.

На рис. 4, 5 изображён процесс деформирования размеростабильных биметаллических пластин от действия положительного и отрицательного перепадов температур соответственно.

* А*' •-;:"-. &

Т>Тц АГ=Т-Та

Рис.4

шь АГ = Ш Рис.5

На рис. 6, 7 изображён элементарный участок длиной ёх криволинейной биметаллической пластины.

вй

Рис.6

Рис. 7

Внешний слой каждой криволинейной биметаллической пластины 1, 2, 3 толщиной Ь1 имеет коэффициент линейного расширения (например, алюминиевый сплав АК4-1) и называется активным в отличие от инертного слоя толщиной к2 с меньшим коэффициентом линейного расширения СС2 (например, титановый сплав ОТ-4). При действии положительного или отрицательного (Т > или ) перепада температуры на биметаллическую пластину она изгибается или расправляется, изменяя нормальную кривизну поверхности 1

— (рис. 4, 5).

но

При этом её края удлиняются или укорачиваются по оси X на величину ДА. Проекция деформации слоя спая от действия перепада температур равна ДС\., направлена в противоположную сторону и может быть равной по величине значению

ДА

Для определения значений ДЛ! и выделим из криволинейной биметаллической пластины элементарный участок

1

длиной с!х и номинальной кривизной — (рис. 6).

Относительное удлинение волокна, отстоящего на расстоянии У от поверхности спая, складывается из двух величин: из удлинения в спае В0 и удлинения обусловленного изгибом пластины: П 1 \

1

где — -новая кривизна. Н

Таким образом, суммарное относительное удлинение волокна равно /1 1 \

Напряжения от действия температуры действующие в волокне расположенном на расстоянии У от поверхности

спая, для активного слоя толщиной И 3 пластины равно

аг ■ I

для инертного слоя толщиной Н2 пластины равно

где Ег,Е2 ~ модули упругости первого рода материалов слоёв биметаллических пластин.

Нормальное усилие N и изгибающий 0

момент М в сечении биметаллической д/ = I о±- Ь- у- <1у + I а2-Ь- у

пластины, подверженной только теплово- _{ му воздействию, равны нулю. Поэтому

= 0,

N= ( а± -Ъ

V +

О2 ■ Ь

= 0,

где Ь - ширина биметаллической пластины.

Подставляя в выражение для N и М выражение для сг^ и и интегрируя, полу-

чим:

1 1

Ео^Л+^и- (а^Я^-ЬЯаЕгЛг) ■ £ + - — ) (Е^ - Е21%) = 0,

Исключая £с„ определим изменение кривизны биметаллической пластины:

-- — --( - )

К й0 2

1_1

К Р.П

Ч ~

кЧ-Ь I

Ех-Е2- Ьл ■ И2 ■ (Ь, + Ь.г)

Очевидно, что изменение кривизны будет наибольшим, если

Е1 ■ Н* = Е2 ■ Ь2.

Зная изменение кривизны, определим перемещение края пластины (точка С) (рис. 4, 5) за счёт её изгиба с помощью интеграла Мора:

/(¿-¿к

дя

где М1 - изгибающий момент от единич-

Биметаллические пластины 1, 2, 3, ной нагрузки, приложенной в направлении искомого перемещения точки С, I -

длина биметаллической пластины по дуге

удовлетворяющие этому условию, называются нормальными.

Тогда наибольшее изменение кри- радиуса К0. визны для нормальной биметаллической пластины 1, 2, 3 равно

Подставляя в выражение для ДХ выражение наибольшего изменения кривизны. получим:

АХ = — - (а, — а7 ) —-— 2 4 1 2

С* ^

где $ - угол полураствора криволинейной _ ^ . ^ + а , /г ) , ^ ' @

биметаллической пластины радиусом Яа.

к1 + ¡г2

и направлена в противоположную сторону

Интегрируя данные выражения,

перемещения биметаллической пластины за счет её изгиба (перемещение АХ).

Таким образом, из условия АХ=АСх определим соотношение геометрических размеров нормальных биметаллических пластин и физико-механические характе-

Проекция деформации слоя спая на

ристики применяемых материалов обес-

ось X при действии температуры I равна

определим:

3

печивающее равенство нулю перемещение краев пластин:

аг~ я2 ■ = • -I,

где К - коэффициент, учитывающий упругость пластин корпуса в местах их соединения в узлах.

Для шарнирного соединения пла-

V 3

стин можно принять К = -.

Определённый интерес представляет неметаллический корпус космического телескопа, в котором активный слой пластины толщиной Ь1 с коэффициентом линейного расширения а1 выполнен из стеклопластика, а инертный слой толщиной Ь2 с меньшим коэффициентом линейного расширения а2 - из углепластика.

Поскольку корпус состоит из множества размеростабильных от действия температуры биметаллических пластин, то и в целом он будет размеростабильным по длине и по ширине.

Предложенный метод проектирования позволяет создать размеростабильный адаптивный к действию температур силовой корпус, обеспечивающий минимальную дефокусировку телескопа при действии температур, которая определяется точностью измерения деформаций с помощью лазерного трекера ЛР1-Каё1аи и фотограмметрической системы У-БТЛЯБ - 7 и 10 микрон, соответственно.

Применение в корпусе космического телескопа криволинейных биметаллических пластин позволяет уменьшить массу корпуса и повысить его термическую стабильность.

Область применения предлагаемой конструкции не исчерпывается космической техникой. Простота, надёжность, технологичность и низкая стоимость позволяют предположить, что данная конструкция может найти широкое применение во всех случаях, когда нужно создать конструкцию с минимальным изменением её размеров от действия температур.

Библиографический список

1. Проектирование, адаптивный к действию градиентов температур размерно-стабильной силовой фермы космического телескопа [Текст] / Р.Н. Ахметов, Н.Р. Стратилатов, А.Н. Шайда, С.В. Максимов // Космическая техника и вооружение: науч.-техн. сб. Вып. 1. - Днепропетровск: ГП «КБ «Южное», - 2012.

2. Фомин, Г.Е. Проектирование адаптивных к действию градиентов температур размеростабильных силовых конструкций летательных аппаратов [Текст]/ Г.Е. Фомин, А. Н. Шайда, В. Д. Байкин // Полет. - 2000. - №06. - С. 42-45.

3. Биткин, В.Е. Особенности проектирования стержневых размеростабиль-ных крупногабаритных космических конструкций [Текст] / В.Е. Биткин, И.В. Сальников, А. Н. Шайда // Сборник научно-технических статей по ракетно-космической тематике. - 1991. - С. 43-49.

4. Фомин, Г.Е. Проектирование раз-меростабильных стержневых конструкций рефлекторов антенн, адаптивных к действию градиентов температур [Текст] / Г.Е. Фомин, А. Н. Шайда // Сборник научно-технических статей по ракетно-космической тематике. - 1991. - С. 61-64.