Раскрытие элементов устройств космических аппаратов при помощи гибкого ленточного профиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.785

РАСКРЫТИЕ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ПОМОЩИ ГИБКОГО ЛЕНТОЧНОГО ПРОФИЛЯ

Е. В. Чубенко1 Научный руководитель - И. В. Трифанов2

1АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: chubenko@iss-reshetnev.ru

Данная работа посвящена перспективным решениям в области крупногабаритных трансформируемых конструкций для космических аппаратов с солнечным парусом и способам его раскрытия.

Ключевые слова: солнечный парус, гибкая ленточная штанга, трансформируемая конструкция, способ раскрытия.

OPENING OF SPACECRAFT ELEMENTS IS REALIZED BY THE USING OF FLEXIBLE BELT PROFILE

E. V. Chubenko1 Scientific Supervisor - I. V. Trifanov2

1JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: chubenko@iss-reshetnev.ru

The work is devoted to promising solutions in large-size convertible constructions for spacecraft with solar sail and the way of it opening.

Keywords: Solar sail, a beltprofile, convertible design, the method of disclosure.

В настоящее время ряд ведущих мировых космических держав проводят исследования и проектные разработки для создания миссий к планетам солнечной системы. В качестве приоритетных путей решения поставленной задачи, учитывая требования снижения стоимости миссий, высокой энергоемкости для дальних перелетов и снижения массы космического аппарата в целом, является использование новых физических принципов движения в космическом пространстве. Одним из таких принципов является создание космических аппаратов (КА) с солнечным парусом - двигательной установки малой тяги. В основе подобной двигательной установки лежит принцип движения КА под действием давления, созданного отражением солнечного света от поверхности паруса. Другим перспективны направлением применения солнечного паруса является его использование на малых космических аппаратах, масса которых не превышает десятки килограмм, где использование любой другой двигательной установки не представляется возможным, главным образом по причине минимально-возможной массы, которая может превышать массу самого КА. Масса солнечного паруса определяется только его площадью (в зависимости от необходимого значения тяги) и выбором материала паруса, с учетом требований по температуре, коэффициенту излучения, удельно-массовых и прочностных характеристик.

Кроме отработки технологии изготовления и укладки в минимальный объем полотна, снижения массы конструкции, минимальных затрат при максимальной эффективности и многих других задач, не менее актуальной проблемой является определения эффективного способа раскрытия полотна

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 2

солнечного паруса. По принципу развертывания выделяют следующие, наиболее распространенные группы способов [1]:

- механические, в которых элементы конструкции шарнирно соединены в единую кинематическую систему, где раскрытие происходит под действием энергии пружин;

- вращающиеся, в которых раскрытие и сохранение формы происходит за счет центробежных сил, возникающих при вращении конструкции;

- пневматические, в которых раскрытие и сохранение формы происходит за счет создания избыточного давления во внутренних полостях конструкций;

- гибкие, в которых раскрытие происходит за счет запасенных упругих сил исполнительного элемента.

Вариант раскрытия полотна солнечного паруса гибкими элементами, только за счет собственных упругих сил обладает рядом преимуществ в сравнении с другими подходами в решении задач раскрытия. К таковым следует отнести:

- высокий коэффициент развертывания - отношение размеров конструкции в развернутом и сложенном положениях;

- низкие удельно-массовые показатели (определяются выбором упругого композиционного материала);

- простая кинематическая схема, ввиду отсутствия многозвенных элементов, и как следствие более высокая надежность механизма раскрытия в целом.

После предварительного анализа, учитывая приведенные выше преимущества, одной из актуальных задач является выбор наиболее полно отвечающего поставленным задачам конструкторского решения для гибкого исполнительного элемента как средства раскрытия.

Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день являются ленточные штанги с незамкнутым профилем (рис. 1, рис. 2).

/7

Рис. 1. Вариант незамкнутого ленточного профиля

Способ раскрытия полотна солнечного паруса за счет упругих сил ленточной штанги заключается в следующем: ленточная штанга в плоском состоянии наматывается на барабан силовой конструкции; один конец штанги крепится к барабану; интерфейс между полотном и штангой выполнен в виде заделок, обеспечивающих их жесткое сцепление. В процессе раскрытия под действием запасенных в ленточной штанге упругих сил происходит ее сматывание с барабана - переход из плоского состояния в сформированное круглое сечение; сматывание организовано в виде вращения штанги вокруг барабана, и как следствие равномерного развертывания полотна.

Рис. 2. Варианты незамкнутого ленточного профиля с различной степенью перекрытия кромок

В качестве альтернативного варианта исполнения гибкой ленточной штанги, с аналогичным принципом работы, для повышения жесткостных характеристик на изгиб и кручение гибкого элемента, был выбран вариант замкнутого профиля «чечевичного» типа (рис. 3).

Подобные гибкие элементы замкнутого типа являются относительно новым техническим решением и не получили широкого изучения в рамках опытно-конструкторских работ отечественных предприятий космической отрасли. Данный вариант исполнительного механизма раскрытия полотна солнечного паруса требует определения оптимальных геометрических параметров из условия максимальных жесткостных характеристик, анализа вариантов материала для изготовления, исходя из максимальной запасенной упругой энергии в сложенном состоянии, а также удовлетворения требований технологичности изготовления, на уровне современного производства.

1. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции / Г. Г. Райкунов, В. А. Комков, В. М. Мельников, Б. Н. Харлов. М. : Физматлит, 2009. 448 с.

2. Поляхова Е. Н., Введение в теорию солнечного паруса // Книжный дом «Либроком», 2010.

Рис. 3. Ленточный профиль замкнутого типа

Библиографические ссылки

111 с.

3. Поляхова Е. Н. Космический полет с солнечным парусом. М. : Наука, 1986. 304 с.

© Чубенко Е. В., 2016