CC BY
12РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
УДК 629.78.01
Б01 10.26732/^12022.4.03
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ ЗОНТИЧНОГО РЕФЛЕКТОРА
А. В. Иванов®, К. А. Кушнир, В. О. Шевчугов, А. Н. Климов
АO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация
В подавляющем числе трансформируемых рефлекторов для обеспечения требуемой точности отражающей поверхности используется формообразующая структура. В зонтичных рефлекторах формообразующая структура представляет собой в раскрытом положении систему натянутыхразмеростабильных нитей и шнуров. На всем этапе жизненного цикла изделия на шнуры формообразующей структуры оказывают влияние внешние факторы, которые приводят к изменению их длины. Оценку стабильности геометрических размеров шнуров, с точки зрения трудоемкости, целесообразно проводить на фрагменте формообразующей структуры - арочной системе. Для проведения подобных исследований требуется разработка специальной технологической оснастки. В статье сформулированы требования к оснастке и обеспечению испытаний. Авторами предложена оригинальная конструкция технологической оснастки, которая позволяет закреплять шнуры арочной системы с близкими к конструкции рефлектора граничными условиями. Разработана 3D-модель оснастки, на основе которой был изготовлен опытный образец. Собрана отдельная арочная система, соответствующая штатной конструкции по размерам, конфигурации и усилиям натяжения шнуров. Проведены испытания по оценке погрешности измерений арочной системы в изготовленном макете оснастки. Результаты испытаний подтвердили возможность использования разработанной оснастки для проведения автономных испытаний формообразующей структуры.
Ключевые слова: трансформируемый рефлектор, зонтичный рефлектор, формообразующая структура, технологическая оснастка.
Введение
В настоящее время возросла необходимость создания крупногабаритных трансформируемых рефлекторов с высокой точностью отражающей поверхности с целью улучшения качества сигнала спутниковой связи и увеличения объемов передаваемой информации. В России и за рубежом, в связи с простотой конструкции, наибольшее распространение получили зонтичные трансформируемые рефлекторы с металлическим трикотажным полотном в качестве радиоотражающей поверхности [1-5].
Для формирования отражающей поверхности с требуемой точностью в таких рефлекторах используется формообразующая структура (ФОС), представляющая собой в раскрытом полоН 2481ghj@mail.ru © Ассоциация «ТП «НИСС», 2022
жении систему натянутых размеростабильных нитей и шнуров [6-10]. На рис. 1 представлен общий вид конструкции одного сектора ФОС зонтичного рефлектора.
На шнуры формообразующей структуры в процессе изготовления рефлектора и его штатной эксплуатации воздействуют различные внешние факторы, которые приводят к изменению геометрии ФОС, что в конечном счете влияет на радиотехнические характеристики антенны в целом.
Вопрос стабильности геометрических размеров ФОС на протяжении всего жизненного цикла изделия требует дополнительных исследований, которые целесообразно проводить на отдельном фрагменте ФОС - арочной системе, состоящей из кольцевого шнура, тыльного шнура и соединяющих их оттяжек (рис. 1). Этот элемент формообразующей структуры может дать полное представление об изменении геометри-
ческих характеристик при наименьших трудозатратах.
Однако для проведения автономных испытаний арочной системы ФОС требуется специальная технологическая оснастка.
1. Постановка задачи
Технологическая оснастка должна обеспечить сборку автономных арочных систем, соответствующих по размерам, конфигурации и усилиям натяжения шнуров арочным системам, входящим в состав ФОС существующих рефлекторов зонтичного типа [11; 12].
В ходе автономных испытаний арочной системы предполагается смоделировать процесс
укладки кольцевого и тыльного шнуров, поэтому оснастка должна обеспечить неподвижное расположение точек А и В и допускать перемещение точек С и Б в направлении оси Х.
Для достоверности проводимых исследований в конструкции технологической оснастки должны быть организованы заделки шнуров арочной системы с близкими к конструкции рефлектора граничными условиями:
• при переводе арочной системы из сложенного в рабочее состояние положения точек В и С должны восстанавливаться по двум координатам (Х, У);
• при переводе арочной системы из сложенного в рабочее состояние положения точек А и D должны восстанавливаться по одной координате (Х).
247
Рис. 1. Конструкция сектора формообразующей структуры трансформируемого зонтичного рефлектора
2. Описание конструкции разработанной оснастки
На этапе проектирования была разработана 3D-модель технологической оснастки, представленная на рис. 2. В данной конструкции шнуры арочной системы с одной стороны крепятся за силовую раму 3, а с другой за подвижную стойку 4, перемещающуюся в направлении оси Х.
В рабочем положении подвижная стойка 4 фиксируется ограничителями 8, расположенными на направляющей шпильке 7. Данное конструктивное исполнение узла фиксации также позволяет на этапе сборки арочной системы регулировать усилия натяжения шнуров за счет дискретного перемещения стойки 4 по направляющей шпильке 7.
В узлах крепления 5 воспроизведена фиксация тыльного шнура 2 за жесткие спицы силового каркаса, положение которых остается постоян-
ным даже при изменении усилия натяжения тыльного шнура.
В узлах крепления 6 смоделированы места фиксации кольцевого шнура 1 за упругие радиальные ленты ФОС, положение которых изменяется в направлении оси У при изменении усилия натяжения в кольцевом шнуре. Для организации близких граничных условий в конструкции узла была применена пружина 9 с жесткостью, равной жесткости натянутой радиальной ленты. Жесткость радиальной ленты была определена в конечно-элементной модели зонтичного рефлектора [11] и составила 3400 Н/м при усилии натяжения ленты 170 Н на периферии ФОС.
Для исключения возможности проскальзывания шнуров в местах заделки, а также для предотвращения изломов и чрезмерного натяжения шнуров, в узлах крепления 5 и 6 был установлен коуш 10, формирующий петлю с плавным изгибом.
Том 6
248
Рис. 2. 3D-модель оснастки: 1 - кольцевой шнур, 2 - тыльный шнур, 3 - силовая рама, 4 - подвижная стойка, 5 - узел крепления кольцевого шнура, 6 - узел крепления тыльного шнура, 7 - шпилька, 8 - ограничитель, 9 - пружина, 10 - коуш
3. Изготовление опытного разработанной оснастки на результаты испытаний
образца был изготовлен опытный образец, представлен-
ный на рис. 3.
Для проверки правильности конструктив- Поскольку наиболее представительными
ных решений и оценки влияния несовершенства при испытаниях являются арочные системы с наи-
Рис. 3. Изготовленный опытный образец: 1 - технологическая оснастка, 2 - арочная система
большими габаритными размерами (чем больше длина шнуров арочной системы, тем существеннее будут изменения ее геометрических размеров под действием внешних факторов), то для изготовления опытного образца была выбрана арочная система, расположенная на периферии ФОС зонтичного рефлектора [11]. Основные параметры арочной системы, собранной в изготовленном образце технологической оснастки, представлены в таблице.
Таблица
Основные параметры изготовленной арочной системы
Параметр Значение Единица измерения
Длина кольцевого шнура 3380,7 мм
Длина тыльного шнура 3459,1 мм
Усилие натяжения кольцевого шнура 2,1 кгс
Усилие натяжения тыльного шнура 0,6 кгс
Для проведения измерений в ходе испытаний на основные элементы оснастки и шнуры арочной системы были установлены контрольные элементы в соответствии со схемой, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Схема расположения контрольных элементов: ^1-^4 - контрольные элементы на силовой раме, Р1 и Р2 - контрольные элементы на подвижной стойке, ^1-^4 - контрольные элементы на коушах, К1-К5 - контрольные элементы на кольцевом шнуре, 71-75 - контрольные элементы на тыльном шнуре
Ключевые узлы изготовленной технологической оснастки с установленными контрольными элементами представлены на рис. 5 и 6.
Контрольные элементы на тыльном шнуре были установлены в местах фиксации оттяжки согласно рис. 7. Для закрепления контрольных элементов были использованы технологические подложки, изготовленные на 3D-принтере.
Контрольные элементы на кольцевом шнуре были установлены с обратной стороны узлов регулировки, предназначенных для изменения длины оттяжек, в соответствии с рис. 8.
Рис. 5. Узел крепления тыльного шнура: 1 - тыльный шнур, 2 - силовая рама, 3 - подвижная стойка, 4 - коуш
249
Рис. 6. Узел крепления кольцевого шнура: 1 - кольцевой шнур, 2 - силовая рама, 3 - подвижная стойка, 4 - коуш
Рис. 7. Закрепление контрольного элемента на тыльном шнуре: 1 - тыльный шнур, 2 - оттяжка, 3 - технологическая подложка
Рис. 8. Закрепление контрольного элемента на кольцевом шнуре: 1 - кольцевой шнур, 2 - оттяжка, 3 - узел регулировки
4. Оценка влияния несовершенства разработанной оснастки на результаты испытаний
В процессе испытаний арочной системы измеряемые величины будут получены с некоторым отклонением от их действительного значения, что обусловлено как погрешностью измерительного прибора, так и несовершенством оснастки, используемой для проведения испытаний.
Для измерения координат контрольных то-25° чек арочных систем используется бесконтактная система измерения и контроля геометрических размеров - лазерный трекер. Средняя погрешность измерения таким прибором на расстоянии 3 м (расстояние между трекером и опытным образцом оснастки) составляет не более 0,03 мм [13].
К несовершенствам разработанной оснастки следует отнести факторы, которые будут препятствовать возвращению (после внешнего воздействия) арочной системы в номинальное положение:
• наличие трения в узлах крепления шнуров арочной системы;
• погрешность перемещения подвижных элементов оснастки.
Для оценки величины вклада этих факторов в результаты измерений выполнялись действия по следующему алгоритму:
1) Измерение координат контрольных точек опытного образца в номинальном положении (измерение № 0);
2) Изменение положения кольцевого шнура в направлении оси У на величину 3-5 см и рез-
Том 6
кое возращение арочной системы в номинальное положение для создания колебаний, после которых арочная система может изменить положение в связи с наличием трения в узлах крепления шнуров;
3) Измерение координат контрольных точек после затухания колебаний (измерение № 1);
4) Перемещение подвижной стойки на величину 50 см ± 2 см;
5) Возвращение подвижной стойки в исходное положение;
6) Измерение координат контрольных точек (измерение № 2);
7) Выполнение действий по пунктам 4-6 в количестве 4 раза (измерения №№ 3-5).
Результаты измерений представлены на рис. 9-11.
Перемещение контрольных элементов К1-К5 и Т1-Т5, расположенных на шнурах арочной системы в направлении оси У после затухания колебаний, составило не более 0,02 мм (рис. 9, измерение № 1), что сопоставимо с погрешностью измерительного прибора.
Согласно графику, представленному на рис. 11, после перемещений подвижной стойки установленные на ней контрольные элементы Р1 и Р2 изменяли свое положение в отрицательном направлении оси Х до 0,3 мм.
Уменьшение расстояния между заделками шнуров приводило к закономерному перемещению контрольных элементов К1-К5 и Т1-Т5 в положительном направлении оси У в связи со снижением усилий натяжения в шнурах арочной системы (рис. 9, измерения №№ 2-5). Максимальное отклонение составило:
Рис. 9. Перемещение контрольных элементов К1-К5 и Т1-Т5 по оси OY
251
Рис. 10. Изменение длин тыльного шнура (Ьт) и кольцевого шнура (ЬК)
Рис.
Номер измерения 11. Перемещение контрольных элементов Р1 и Р4 по оси ОХ
• для контрольных элементов К1-К5, установленных на кольцевом шнуре - 0,89 мм;
• для контрольных элементов Т1-Т5, установленных на тыльном шнуре - 0,82 мм.
Однако по результатам, представленным на рис. 10, следует отметить, что, несмотря на значительные отклонения контрольных элементов К1-К5 и Т1-Т5 от номинального положения, изменение длины шнуров арочной системы составило не более 0,25 мм.
Поскольку положительным критерием для автономных испытаний арочной системы является изменение длины шнуров не более 0,05 % после всех видов воздействий, то для кольцевого и тыльного шнуров собранной арочной системы
(таблица) изменение длины не должно превысить 1,69 мм и 1,73 мм соответственно. Учитывая ожидаемую величину изменения длин шнуров, отклонения, вызванные несовершенством оснастки, принимается считать допустимыми для проведения автономных испытаний арочной системы.
Заключение
В статье рассмотрен вариант конструкции технологической оснастки для проведения принципиально новых испытаний на фрагменте формообразующей структуры зонтичного рефлектора - арочной системе.
(ociweÉe
аппараты l/l
технологии «вши
№ 4 (42) 2022
Том 6
В обеспечение достоверности исследований сформулированы требования к оснастке в части организации граничных условий. Разработана 3D-модель оснастки, на основе которой был изготовлен опытный образец. Изготовленный макет обеспечил сборку отдельной арочной системы, соответствующей штатной конструкции по размерам, конфигурации и усилиям натяжения шнуров.
Проведена оценка погрешности измерений арочной системы в изготовленном макете, результаты которой подтвердили возможность использования разработанной оснастки для проведения автономных испытаний арочной системы. Однако, для снижения влияния несовершенства оснастки на результаты измерений, целесообразно проводить испытания на арочных системах с длиной кольцевого шнура не менее 2 м.
Список литературы
252
[1] Пономарев С. В. Трансформируемые рефлекторы антенн космических аппаратов // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2011. № 4 (16). С. 110-119.
[2] Imbriale W. A., Gao S., Boccia L. Space Antenna Handbook. John Wiley & Sons Ltd., 2012. 744 p.
[3] Гряник М. В. Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа. М. : Радио и связь, 1987. 72 с.
[4] Лопатин А. В., Рутковская М. А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (часть 1) // Вестник СибГАУ 2007. № 2. С. 51-57.
[5] Im E., Thomson M., Fangand H. Prospects of Large Deployable Reflector Antennas for a New Generation of Geostationary Doppler Weather Radar Satellites. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
[6] Голдобин Н. Н., Тестоедов Н. А. Алгоритм построения периферийного шнура фронтальной сети для трансформируемого сетчатого рефлектора космического аппарата // Вестник СибГАУ 2014. № 2 (54). С. 100-106.
[7] Возов В. В., Шендалев Д. О., Черкашина Е. К., Шальков В. В. Разработка формообразующей структуры с треугольными фацетами для крупногабаритного трансформируемого рефлектора // Решетневские чтения : материалы XV Междунар. науч.-практ. конф. 2011. Ч. 1. С. 50-51.
[8] Шевчугов В. О., Шальков В. В. Разработка параметрической модели фронтальной сети формообразующей структуры рефлектора с трапецеидальной формой фацет // Решетневские чтения : материалы XXII Междунар. науч.-практ. конф. 2018. Ч. 1. С. 185-188.
[9] Tibert G. Deployable Tensegrity Structures for Space Applications : Doctoral Thesis. Stockholm. 2002. 244 p.
[10] Harless R. I. Surface edge enhancement for space-deployable mesh antenna. Patent no. 2001/6278416 US. 2001.
[11] Тестоедов Н. А., Халиманович В. И., Шипилов Г. В., Романенко А. В., Шальков В. В., Величко А. И., Акчурин В. П. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата. Пат. № 2350519 Российская Федерация, 2009. Бюл. № 9.
[12] Тестоедов Н. А., Халиманович В. И., Шипилов Г. В., Романенко А. В., Шальков В. В., Величко А. И., Акчурин В. П. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата. Пат. № 2350518 Российская Федерация, 2009. Бюл. № 9.
[13] Гришанов В. Н., Ойнонен А. А. Современные лазерные измерительные системы в производственном цикле космической техники // Вестник Самарского государственного университета. 2012. № 1 (32). С. 24-35.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR AUTONOMOUS TESTING OF THE SHAPING STRUCTURE OF THE UMBRELLA REFLECTOR
A. V. Ivanov, K. A. Kushnir, V. O. Shevchugov, A. N. Klimov
JSC «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems», Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation
A shaping structure is element in most transformable reflectors to ensure the required accuracy of the reflective surface. An umbrella reflector shaping structure is a system of tensioned di-
mensionally stable cords in the open position. External factors influence the cords of the shaping structure, which lead to a change in the length of the cords throughout the entire life cycle of the product. It is advisable to assess the stability of the geometric dimensions of the cords, from the point of view of labor intensity, on a piece of the shaping structure - the arch system. To conduct this kind of research, there is a need to develop special technological equipment. The article considers the requirements for technological equipment and testing. The authors propose an original design of technological equipment, which allows fixing the cords of the arch system with boundary conditions similar to a real reflector. The paper describes a 3D model of the technological equipment, on the basis of which a prototype was made. The prototype ensured the assembly of a separate arch system corresponding to the standard design in terms of size, configuration and cord tension. Tests were carried out to assess the measurement error of the arch system in the manufactured experimental model. The test results confirmed the possibility of using the developed technological equipment for component tests of the shaping structure. 253
Keywords: transformable reflector, umbrella reflector, shaping structure, technological equipment.
References
[1] Ponomarev S. V Transformiruemye reflektory antenn kosmicheskikh apparatov [Transformable reflectors of spacecraft antennas] // Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics, 2011, no. 4 (16), pp. 110-119. (In Russian)
[2] Imbriale W. A., Gao S., Boccia L. Space Antenna Handbook. John Wiley & Sons Ltd., 2012. 744 p.
[3] Gryanik M. V., Loman V. I. Razvertyvaemye zerkal'nye antenny zontichnogo tipa [Unfurlable reflector umbrella type-antennas]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1987, 72 p. (In Russian)
[4] Lopatin A. V., Rutkovskaya M. A. Obzor konstruktsiy sovremennykh transformiruemykh kosmicheskikh antenn (chast' 1) [The review of designs of modern transformed space antennas (part 1)] // Siberian Aerospace Journal, 2007, no. 2, pp. 51-57. (In Russian)
[5] Im E., Thomson M., Fangand H. Prospects of Large Deployable Reflector Antennas for a New Generation of Geostationary Doppler Weather Radar Satellites. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
[6] Goldobin N. N., Testoedov N. A. Algoritm postroeniya periferijnogo shnura frontal'noj seti dlya transformiruemogo setchatogo reflektora kosmicheskogo apparata [A construction algorithm of the peripheral cord of the frontal network for the space reflector with the cable-mesh deployable structure] // Siberian Aerospace Journal, 2014, no. 2, pp. 100-106. (In Russian)
[7] Vozov V. V., Cherkashina E. K., Shalkov V. V., Shendalev D. O. Razrabotka formoobrazuyushchey struktury s treugolnymi fatsetami dlya krupnogabaritnogo transformiruyemogo reflectora [Development of shape-generating structure with triangle facets for large deployable reflector] // Reshetnev readings : materials of the XV International scientific-practical conference, Krasnoyarsk, 2011, part 1, pp. 113-115. (In Russian)
[8] Shevchugov V. O., Shal'kov V V. Razrabotka parametricheskoy modeli frontalnoy seti formoobrazuyushchey struktury reflektora s trapetseidalnoy formoy fatset [Development of parametric model of a front net of the shape-generating structure with trapezoidal form of facets] // Reshetnev readings : materials of the XXII International scientific-practical conference, Krasnoyarsk, 2018, part 1, pp. 185-188. (In Russian)
[9] Tibert G. Deployable Tensegrity Structures for Space Applications : Doctoral Thesis, Stockholm, 2002, 244 p.
[10] Harless R. I. Surface edge enhancement for space-deployable mesh antenna. Patent no. 2001/6278416 US. 2001.
[11] Testoedov N. A., Khalimanovich V. I., Shipilov G. V., Romanenko A. V, Shal'kov V. V., Velichko A. I., Akchurin V. P. Razvertyvaemyy krupnogabaritnyy reflektor kosmicheskogo apparata [Space vehicle deployable bulky reflector]. Patent RU 2350519, 2009, bulletin no. 9.
[12] Testoedov N. A., Khalimanovich V. I., Shipilov G. V., Romanenko A. V, Shal'kov V. V., Velichko A. I., Akchurin V. P. Sposob izgotovleniya razvertyvaemogo krupnogabaritnogo reflectora kosmicheskogo apparata [Method for production of space vehicle deployable bulky reflector]. Patent RU 2350519, 2009, bulletin no. 9.
[13] Grishanov V N., Oynonen A. A. Sovremennyye lazernyye izmeritelnyye sistemy v proizvodstvennom tsikle kosmicheskoy tekhniki [Up-to-date laser measuring systems in the production cycle of space technique] // Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, 2012, vol. 32, no. 1. pp. 24-35. (In Russian)
Сведения об авторах
Иванов Артем Васильевич - инженер-конструктор 2 категории АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Окончил Сибирский государственный университет науки и технологий
Том 6
имени академика М. Ф. Решетнева в 2019 году. Область научных интересов: механические устройства трансформируемых конструкций космических аппаратов. ORCID: 0000-0002-3252-3987
Климов Алексей Николаевич - ведущий инженер по наладке и испытаниям АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Окончил Восточно-Казахстанский государственный университет имени С. Аманжолова в 2005 году. Область научных интересов: бесконтактные дистанционные измерения оптическими методами.
Кушнир Ксения Андреевна - инженер-конструктор 3 категории АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Окончила Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева в 2021 году. Область научных интересов: механические устройства трансфор-254 мируемых конструкций космических аппаратов.
Шевчугов Василий Олегович - инженер 2 категории АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Окончил Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева в 2019 году. Область научных интересов: анализ трансформируемых конструкций космического аппарата по прочности и динамике.
