CC BY
23Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
УДК 629.764.7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНИЗОГРИДНОГО АДАПТЕРА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Д. А. Замятин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрена конструкция и конечно-элементная математическая модель адаптера для крепления тяжёлого космического аппарата информационного обеспечения к разгонному блоку ракеты-носителя.
Ключевые слова: космический аппарат, разгонный блок, ракета-носитель, метод конечных элементов. DESIGN OF ANISOGRID ADAPTER FOR SPACECRAFT D. A. Zamyatin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article describes the design and finite-element mathematical model of the adapter for fastening heavy information support spacecraft to upper stage of carrier rocket.
Keywords: spacecraft, upper stage, carrier rocket, finite element method.
В настоящее время для крепления космических аппаратов, как правило, используются адаптеры ани-зогридной конструкции; основание адаптера геометрически представляет собой усечённый конус, на котором расположены либо крепёжные элементы для одного космического аппарата, либо цилиндрическая часть, также анизогридной конструкции, для крепления нескольких КА, для группового запуска [1; 2].
В обоих случаях одной из ключевых задач проектирования адаптера является обеспечение диапазона частот колебаний, в котором отклонения адаптера и размещённых на нём космических аппаратов от продольной оси ракеты-носителя минимальны, с целью предотвращения соударения КА друг с другом и с обтекателем РН, а также во избежание нарушения целостности конструкции адаптера.
Особенно актуальна проблема минимизации амплитуды колебаний для крупногабаритных космических аппаратов, закреплённых непосредственно на коническом основании адаптера. Это обусловлено тем, что для крепления такого КА может быть использована только нижняя его часть, при котором закрепление будет консольным, и центр масс крупногабаритного полезного груза может быть расположен на достаточно большом удалении от места крепления. Всё это может привести к значительному росту амплитуды колебаний КА относительно продольной оси.
Проблема может быть частично решена путём использования для крепления к адаптеру силового каркаса самого космического аппарата, что повысит жёсткость связи КА со ступенью ракеты-носителя или разгонным блоком, приведя к росту частоты колебаний, а, следовательно, и к снижению их амплитуды.
Логично предположить, что для дополнительного повышения частоты и снижения амплитуды колебаний полезного груза целесообразно применение ка-
кой-либо дополнительной внешней конструкции, ограничивающей возможность отклонения КА от продольной оси РН. Такая конструкция должна фиксировать КА в верхней и средней его частях, благодаря чему консольное закрепление будет дополнено независимым подвесом.
Рассмотрим вариант крепления космического аппарата при помощи внешнего опоясывающего каркаса, представляющей собой ферму, оболочку, сетчатую анизогридную конструкцию, либо оптимальное сочетание этих силовых элементов. Подобная система крепления может быть выполнена из композиционных материалов и иметь относительно небольшую массу, обладая при этом достаточно высокой прочностью и эффективно справляясь с задачей снижения амплитуды колебаний закреплённого на ней груза, рассеивая вибрации при помощи многочисленных стержневых или сетчатых элементов.
Исходной точкой для проектирования усиленной системы крепления космического аппарата служит классическая конструкция анизогридного адаптера, имеющая форму усечённого конуса, но в данном случае расширяющаяся к верхней части, для эффективной поддержки торцевой грани КА, диаметр описанной окружности которой превышает диаметр платформы РБ.
Снаружи КА поддерживается анизогридной оболочкой, состоящей из двух частей - конической и цилиндрической, в сборе представляющих собой подобие корзины.
Для параметрической генерации конечно-элементной модели адаптера используется ряд программ, написанных на внутреннем языке программного пакета COSMOS/M GeoSTAR 2010, и позволяющих вносить оперативные изменения в значения проектных параметров и выполнять перестроения модели в автоматическом режиме [3; 4].
Решетневскуе чтения. 2018
Значения геометрических параметров модели адаптера
Основная анизогридная коническая опора для установки космического аппарата
нижний диаметр 3 000 мм
верхний диаметр 3 600 мм
высота конструкции 1 350 мм
количество спиральных рёбер 36 шт.
угол наклона спиральных рёбер 17°
высота профиля ребра 60
ширина профиля ребра 20
Внешняя коническая анизогридная оболочка
нижний диаметр 3 000 мм
верхний диаметр 4 800 мм
высота конструкции 3 100 мм
количество спиральных рёбер 36 шт.
угол наклона спиральных рёбер 17°
высота профиля ребра 50
ширина профиля ребра 10
Внешняя цилиндрическая анизогридная оболочка
диаметр 4 800 мм
высота конструкции 4 700 мм
количество спиральных рёбер 36 шт.
угол наклона спиральных рёбер 20°
высота профиля ребра 50
ширина профиля ребра 10
В основе создания математических моделей ани-зогридных конструкций в настоящее время лежат методы численного моделирования, такие, как метод конечных элементов. Суть метода заключена в его названии. Область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами. Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравнений имеет разреженный вид, что существенно упрощает её решение.
Конечно-элементная модель адаптера служит основным объектом для всестороннего анализа технических характеристик конструкции. Грамотный подход к проектированию позволяет получить, зарегистрировать и проанализировать все интересующие теоретические данные с высокой степенью их точности и достоверности.
Библиографические ссылки
1. Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов : патент РФ 2350818 [Электронный ре-
сурс]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2350818 (дата обращения: 14.04.2018).
2. Адаптер и способ его изготовления [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/ 220/2209162.html (дата обращения: 14.04.2018).
3. COSMOS/M: Finite Element Analysis System. COSMOS/M Basic System User Guide. USA, CA, LA, SRAC, 2002. 222 с.
4. Замятин Д. А., Кольга В. В., Нестеров В. А. Проектирование адаптера космического аппарата информационного обеспечения // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы IV Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2018.
References
1. Adapter v vide setchatoy obolochki vrashcheniya konicheskoy formy iz polimernyh ompozitsionnyh mate-rialov - patent RF 2350818 [Adapter in the form of a grid shell of rotation of the conical form from polymeric composite materials-the patent of the Russian Federation 2350818] (In Russ.). Available at: http://www.freepatent.ru/ patents/2350818 (accessed 14.04.2018).
2. Adapter i sposob ego izgotovleniya [Adapter and method of its manufacture] (In Russ.). Available at: http://www.findpatent.ru/patent/220/2209162.html (accessed 14.04.2018).
3. COSMOS/M: Finite Element Analysis System. COSMOS/M Basic System User Guide. USA, CA, LA, SRAC, 2002. 222 p.
4. Замятин Д. А., Кольга В. В., Нестеров В. А. The design of the adapter of the information support spacecraft // Актуальные проблемы авиации и космонавтики ; Sib. gos. aehrokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2018
© Замятин Д. А., 2018
