Разработка лабораторного стенда для проведения полунатурного тестирования систем ориентации космических аппаратов класса CubeSat [1] Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

международный научный журнал «инновационная наука» №12/2015 issn 2410-6070

УДК 52.08, 629.7.01

Д.М. Зуев

Магистрант института космических исследований и высоких технологий Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

E-mail: [email protected] С.А. Бабич

Студент института космических исследований и высоких технологий Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

А.П. Кравчуновский Студент института космической техники Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

г. Красноярск, Российская федерация

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛУНАТУРНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ КЛАССА CUBESAT1

Аннотация

Система ориентации является важным компонентом космического аппарата. Для определения эффективности ее работы, исключения ошибок проектирования и выбора оптимальных характеристик требуется проведение лабораторных испытаний. Целью работы является разработка стенда для проведения тестов системы ориентации наноспутников класса CubeSat при имитации некоторых физических условий. В работе приведены основные конструктивные решения для аппаратной части стенда.

Ключевые слова

Имитационный стенд, имитатор магнитного поля, магнитная система ориентации, CubeSat, испытания

космических аппаратов

В последние годы получил популярность стандарт космических аппаратов (КА) CubeSat. Стандарт устанавливает внешние габариты и массу КА кратную 10x10x10 см3 и 1.3 кг (CubeSat 1U). Существуют форматы 2U и 3U: 20x10x10 cм3 , 2.66 кг и 30x10x10 см3 и 4 кг, соответственно [1, c.9].

В Сибирском государственном аэрокосмическом университете им. М.Ф. Решетнева разрабатывается «SibCube» - КА класса CubeSat [2], который будет оснащен активной магнитной системой ориентации (АМСО). Исполнительными органами (ИО) системы являются магнитные катушки. Таким образом, встает вопрос о создании лабораторной установки для проведения тестов магнитной СО.

Общая концепция и постановка требований

Для тестирования магнитного типа СО стенд должен создавать трехосное изменяемое магнитное поле с необходимыми параметрами и обеспечивать свободное одноосное вращение испытываемого КА. Общая концепция стенда представлена в [3, c.554]. Стенд состоит из: имитатора магнитного поля Земли (ИМПЗ), управляемой системы электропитания (СЭП), струнного подвеса (СП), массо-инерционного макета и несущей конструкции стенда.

Общими требования для стенда являются: использование немагнитных и общедоступных материалов, простота изготовления.

Разработка ИМПЗ

ИМПЗ должен создавать трехосное магнитное поле, имеющее достаточный размер области однородности поля (ООП) и напряженность для испытаний КА класса CubeSat. Среди возможных вариантов конструкции ИМПЗ были выбраны соосные квадратные магнитные катушки (катушки Фанселау). Такая конструкция проще в изготовлении по сравнению с круглыми катушками Гельмгольца, т.к. сборка

1 Работа выполнена при поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-

технической деятельности»

международный научный журнал «инновационная наука» №12/2015 issn 2410-6070

квадратного каркаса из металлического профиля является более простой технологической операцией, чем изготовление круглого каркаса. Анализ однородности магнитного поля катушек Фанселау произведён в [4, с.20]. Дальнейший расчет для катушек Фанселау производился, как для катушек Гельмгольца вписанных в размеры квадратных катушек, так как различие между характеристиками катушек незначительно.

Для оценки напряженности поля использовалась методика [5, c. 5]. С перспективой дальнейшего расширения функционала стенда для испытаний последующих после «SibCube» КА производилась оценка для CubeSat типа 3U и магнитного момента ИО порядка 0.2-0.3 А/м2. При времени одной осцилляции 30-60 секунд было получено значение напряженности поля порядка 300 А/м.

Диаметр ООП был выбран так, чтобы КА CubeSat типа 1U размещался в зоне с некоторым запасом. Было выбрано значение диаметра области однородности порядка 170 мм (остается запас порядка 15 мм от каждого борта КА). Для испытаний форматов 2U и 3U, ООП остается достаточной, так как ИО СО редко превышают размеры CubeSat 1U.

Согласно [5, c. 9] радиус катушки для такого размера ООП составляет 1200 мм. Методика расчета катушек была использована из [5, c. 8-10]. Полученные параметры представлены в таблице:

Таблица 1

Полученные параметры катушек ИМПЗ

Характеристики катушек (одной в паре) X Y Z

Электрические характеристики Число витков провода 27 27 27

Диаметр провода (медь), мм 2,3 2,3 2,3

Макс. напряжение питания, В 6,0 5,6 5,4

Сопротивление, Ом 0,6 0,56 0,54

Макс. ток, А 10 10 10

Макс. мощность, Вт 60 60 60

Напряженность поля, А/м 300 300 300

Геометрические характеристики Внешний размер катушки 1200 1170 1140

Масса вместе с проводом, кг 5,9 5,7 5,6

Диаметр зоны однородности , мм 175,5 171 166,5

Площадь сечения обмотки мм2 127 127 127

Каждая пара соосных катушек будет последовательно соединена для формирования единого канала электрического питания на ось ИМПЗ. Управление напряженностью поля осуществляется путем изменения величины силы тока, протекающего через обмотки катушек.

Конструкционно каждая катушка будет представлять собой квадратную раму из алюминиевого швеллера (в нашем случае 15x25x1,5 мм, номер профиля 440079, согласно ГОСТ 13623-90), соединенного в углах болтовым либо сварным креплением. На алюминиевую раму между полками швеллера будет намотан провод обмотки. Внешний вид катушки представлен на рисунке 1, «а», вид болтового скрепления профилей на рисунке 1, «б».

Рисунок 1 - «а»: вид каркаса катушки с проводящей обмоткой, «б»: вид болтового соединения

алюминиевого профиля в углах каркаса

Несущая конструкция

После разработки катушек требуется объединить все пары катушек в единую конструктивную систему. Традиционным подходом является изготовление отдельного несущего каркаса, на который производится крепление катушек и другого рода аппаратуры. В качестве примера можно привести следующие установки [6, с.16,7, с. 5].

Данный тип конструкции удобен при креплении круглых катушек ИМПЗ либо при наличии большого количества навесной аппаратуры: имитатора звездного неба или солнца и т.п. Также при больших размерах катушек нежелательно наличие силовой нагрузки на каркас во избежание прогибов.

В нашем решении отсутствует отдельная несущая конструкция. Ее роль должны выполнять каркасы катушек стенда, соединенных между собой металлическими креплениями (монтажными скобами) в жесткую конструкцию. Вид используемых креплений представлен на рисунке 2.

Плюсами данного решения является сокращение расходов на конструкционные материалы и упрощение сборки стенда.

На конструкцию ,собранную из каркасов катушек, устанавливается каркас для установки СП. Вся конструкция устанавливается и закрепляется на тяжелое фанерное основание. Разработанная конструкция представлена на рисунке 3. Прочностной анализ, проведенный в САПР «Компас 3D», показывает, что прогибы не превышают значения 0.05 мм. Пространственное распределение прогибов представлено на рисунке 4.

Рисунок 3 - Разработанная конструкция стенда. Бирюзовой сферой обозначена ООП. Желтый цвет - опорное основание. Темно серый - кронштейн для крепления струнного подвеса. Зеленый, красный, синий - катушки ИМП

а

б

Рисунок 2 -крепление каркасов катушек между собой («а»), крепление каркаса катушки

к опорному основанию («б»).

международный научный журнал «инновационная наука»

№12/2015

2410-6070

Рисунок 4 - Распределение прогибов разработанной конструкции. Величина прогибов соотносится через цветовую шкалу значений (слева на рисунке, шкала в мм).

Макет

В случае КА «81ЬСиЬе» испытания будут проведены с самим КА для тестирования всей платформы в сборе. КА будет получать команды по полудуплексному радиоканалу, выполнять их и посылать на комплекс управления телеметрию. Будет проведена калибровка датчиков с учетом влияния помех от работы служебных систем КА. Закрепление КА на СП будет произведено с помощью специального кронштейна, устанавливаемого вместо одной из панелей солнечных батарей (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Кронштейн для крепления прототипа КА к СП («а»). Справа кронштейн установлен

на КА «81ЬСиЬе» («б»).

Для отдельных измерений магнитных моментов ИО СО либо проведения опытов с отдельными системами КА иных разработчиков был разработан лабораторный макет КА с возможностью изменения массо-инерционных характеристик и установки необходимого для тестирования оборудования. Для этого макет оснащен комплектом посадочных отверстий и набором грузиков. (Рисунок 7, а и б).

Для испытания ИО СО «81ЬСиЬе» [8, с. 502] макет оснащается комплектом боковых посадочных отверстий требуемого размера (Рисунок 7, в) Габаритный и массо-инерционные характеристики макетов, кронштейна и грузиков представлены в таблице №2.

а б в

Рисунок 7 - Внешние виды массо-инерционного макета («а»), грузика («б»), массо-инерционного макета с

боковыми посадочными отверстиями («в»)

Таблица 2

Габариты и массо-инерционные характеристики макетов и грузиков

Изделие Масса, г Габариты, мм Момент инерции, 10 2 кг • см2

x у z x у z

Кронштейн 21,0 99,6 60,0 6,0 2,0 22,0 24,0

Макет «а» 83,0 100,0 100,0 130,0 176,0 194,0 210,0

Макет «в» 93,0 114,0 104,0 104,0 214,0 240,0 256,0

Грузик 5г 5,0 8,8 8,8 8.8 0,1 0,1 0,1

Грузик 10г 10,0 11,0 11,0 11,0 0,2 0,2 0,21

Грузик 15г 15,0 12,6 12,6 12,6 0,4 0,4 0,41

Грузик 25г 25,0 14,8 14,8 14,8 1 1 1

Грузик 50г 50,0 18,7 18,7 18,7 2,92 2,92 2,93

Грузик 100г 100,0 23,5 23,5 23,5 9,17 9,17 9,2

Струнный подвес

Струнный подвес должен выдерживать массу CubeSat 3U - 4 кг. Струна должна обладать достаточной прочностью и быть изготовленной из немагнитных материалов. Наиболее удобным будет использование медной проволоки в качестве струны. Длина струны составит порядка 650 мм. Предел упругой деформации для меди составляет 00.05 = 70 МПа. Таким образом, с двукратным запасом прочности необходимый диаметр составит не менее 1.4 мм.

Крепление струны к стенду будет осуществляться с помощью кронштейна (рисунок 8), закрепленного сверху конструкции стенда (рисунок 1, обозначен серым). Крепление струны к макету происходит с помощью разработанного крепления (рисунок 9, а). Крепление устанавливается на макет с помощью болтового крепления на посадочные отверстия (рисунок 9, б). В случае всех используемых креплений используется принцип, похожий на крепление гитарной струны в колке - струна наматывается на крепление и пропускается в отверстие для центрирования положения струны.

Рисунок 8 - Вид крепления на кронштейне струнного подвеса имитационного стенда

а б

Рисунок 9 - Крепление струны для макета («а»), расположение крепления на макете («б»). Заключение. Были разработаны основные технические решения для лабораторного имитационного стенда для проведения полунатурного тестирования СО наноспутников класса CubeSat. Разработанный стенд отличается малыми габаритами и простотой изготовления. Список использованной литературы:

1. Стандарт «CubeSat Design specification», Revision 13 от 04.06.2015 г. [Электронный ресурс]. URL: http://wdww.cubesat.org/images/developers/cds_rev 13_final2.pdf (дата обращения: 01.11.15).

2. Сайт проекта космического аппарата «SibCube» [Электронный ресурс]. URL: http://sibcube.com. - (дата обращения: 01.11.2015)

3. Бабич С.А., Зуев Д.М., Долидудко Д.А., Костюков А.С. Концепция имитационного стенда для полунатурных испытаний систем ориентации космических аппаратов класса CubeSat // Рештеневские чтения: материалы XVIII Междунар. науч. конф. /Сиб. Гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2014. - Ч. 1. - С. 554-555.

4. Ness N.F. "Magnetic fields: Reasons for simulation methods available" // NASA-Goddard Space Flight Center, Greenbelt Maryland, 1964, p. 53

5. М.Ю. Овчинников, Е.А. Цветков, Проектирование катушек имитатора геомагнитного поля. Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша РАН. Москва, 2005, № 55, 28с.

6. С. О. Карпенко, М. Ю. Овчинников, "Лабораторный стенд для полунатурной отработки систем ориентации микро- и наноспутников", Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша, 2008, 038, 32 с

7. Poppenk F. M., Amini R., Brouwer G. F. Design and application of a Helmholtz cage for testing nano-satellites //Delft University of Technology, The Netherlands. - 2007.

8. Костюков А.С., Зуев Д.М., Бабич С.А. Разработка исполнительных органов активной магнитной ориентации для студенческого наноспутника SibCube класса CubeSat // Решетневские чтения: материалы XVIII Междунар. Науч. Конф. /Сиб. Гос. Аэрокосмический. Ун-т. Красноярск, 2014. Ч.1. С. 502-503

© Зуев Д.М., Бабич С.А., Кравчуновский А.П., 2015

УДК 33

Т.Н. Казьмина, А.А. Сокоренко

ст. гр. СМ-5-15, Институт строительства и ЖКХ Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Г. Волгоград, Российская Федерация

К ВОПРОСУ О НАЛОГООБЛАЖЕНИИ ОБЪЕКТОВ НЕДВИЖИМОСТИ ПО КАДАСТРОВОЙ СТОИМОСТИ

Аннотация

В статье рассмотрены судебные дела с пересмотром кадастровой стоимости. Приведены основания для