Научная статья на тему 'СОЗДАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, РАЗВОРАЧИВАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА, ИЗ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ'

СОЗДАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, РАЗВОРАЧИВАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА, ИЗ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
62
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
крупногабаритные трансформируемые конструкции / космический аппарат / чечевицеобразный рукав / стартовое положение / жёсткостные параметры / расчётная модель / габариты / космическая техника / наземные условия / функциональные нагрузки / large-sized transformable structures / spacecraft / lenticular sleeve / launch configuration / stiffness parameters / design model / dimensions / space hardware / earth-bound applications / functional loads

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Белов Олег Александрович, Белоглазов Александр Павлович, Еремин Андрей Георгиевич, Верстаков Алексей Владимирович

В статье предложены конструкции трансформируемых систем космических аппаратов, создаваемых непосредственно в космосе. В их основе лежит принцип разворачивающихся чечевицеобразных рукавов. Предложенные технические решения основаны на существующей технологии изготовления рукавов и конструкции механизма подачи намотанного на барабан рукава. В результате реализованы технические решения, способные обеспечить, как показали модельные испытания, создание устройств для трансформирования различных конструкций на заданные расстояния при малых габаритах в стартовом положении. Показаны результаты оценочных расчётов жёсткостных параметров рассматриваемых систем при их различном конструкционном исполнении. Выполнен анализ возможности использования предлагаемых трансформируемых систем в космической технике. Предложены области использования таких систем в наземных условиях, в частности, в транспортабельных вышках для различных функциональных нагрузок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Белов Олег Александрович, Белоглазов Александр Павлович, Еремин Андрей Георгиевич, Верстаков Алексей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF LARGE-SCALE STRUCTURES DEPLOYABLE IN SPACE ENVIRОNMENT THAT ARE MADE OF TRANSFORMABLE CARBON FIBER ELEMENTS

The paper proposes designs for transformable systems of spacecraft that are built up directly in space. They are based on the principle of deployable lenticular-shaped sleeves. The proposed engineering solutions are based on the existing sleeve manufacturing process and the design of the mechanism for feeding the sleeve wound on a drum. Model tests have shown that the implemented engineering solutions enable development of transformable structures with devices that deploy to specified distances while having compact launch configuration. The paper presents results of estimative analyses of stiffness parameters for various structural design options of such systems. It analyses feasibility of using the proposed transformable systems in space hardware. It proposes possible earth-bound applications for such systems, in particular in transportable towers for various functional loads.

Текст научной работы на тему «СОЗДАНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, РАЗВОРАЧИВАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА, ИЗ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ»

УДК 629.78.021.6+678.067.7

создание крупногабаритных конструкций, разворачиваемых в условиях космического пространства, из трансформируемых углепластиковых элементов

© Белов O.A.1, Белоглазов А.П.2, Еремин А.Г.3, Верстаков А.В.3, 2023

1АО «НПО Лавочкина», ул. Ленинградская, 24, г. Химки, Московская обл., 141400, Российская Федерация,

e-mail: [email protected]

2ООО «Ниагара» (Ниагара) ул. Донская, 6, стр. 2, г. Москва, Российская Федерация, 119049, e-mail: [email protected]

3Московский авиационный институт (МАИ) Волоколамское ш., 4, г. Москва, Российская Федерация, 125993,

e-mail: [email protected]

В статье предложены конструкции трансформируемых систем космических аппаратов, создаваемых непосредственно в космосе. В их основе лежит принцип разворачивающихся чечевице образных рукавов. Предложенные технические решения основаны на существующей технологии изготовления рукавов и конструкции механизма подачи намотанного на барабан рукава. В результате реализованы технические решения, способные обеспечить, как показали модельные испытания, создание устройств для трансформирования различных конструкций на заданные расстояния при малых габаритах в стартовом положении. Показаны результаты оценочных расчётов жёсткостных параметров рассматриваемых систем при их различном конструкционном исполнении. Выполнен анализ возможности использования предлагаемых трансформируемых систем в космической технике. Предложены области использования таких систем в наземных условиях, в частности, в транспортабельных вышках для различных функциональных нагрузок.

Ключевые слова: крупногабаритные трансформируемые конструкции, космический аппарат, чечевицеобразный рукав, стартовое положение, жёсткостные параметры, расчётная модель, габариты, космическая техника, наземные условия, функциональные нагрузки.

EDN: DYELDY

development of large-scale structures deployable in space environment that are made of transformable carbon fiber elements

Belov O.A.1, Beloglazov A.P.2, Eremin A.G.3, Verstakov A.V.3

1JSC Lavochkin Association 24 Leningradskaya st., Khimki, Moscow region, 141402, Russian Federation,

e-mail: [email protected]

2LLC Niagara

6, Bld. 2, Donskaya st., Moscow, 119049, Russian Federation e-mail: [email protected]

3Moscow Aviation Institute (MAI) 4 Volokolamskoye shosse, Moscow, 125993, Russian Federation e-mail: [email protected]

The paper proposes designs for transformable systems of spacecraft that are built up directly in space. They are based on the principle of deploy able lenticular-shaped sleeves. The proposed engineering solutions are based on the existing sleeve manufacturing process and the design of the mechanism for feeding the sleeve wound on a drum. Model tests have shown that the implemented engineering solutions enable development of transformable structures with devices that deploy to specified distances while having compact launch configuration. The paper presents results of estimative analyses of stiffness parameters for various structural design options of such systems. It analyses feasibility of using the proposed transformable systems in space hardware. It proposes possible earth-bound applications for such systems, in particular in transportable towers for various functional loads.

Key words: large-sized transformable structures, spacecraft, lenticular sleeve, launch configuration, stiffness parameters, design model, dimensions, space hardware, earth-bound applications, functional loads.

БЕЛОВ O.A.

БЕЛОГЛАЗОВ А.П.

ЕРЕМИН А.Г.

ВЕРСТАКОВ А.В.

БЕЛОВ Олег Александрович — заместитель главного конструктора проекта НПО им. Лавочкина, e-mail: [email protected]

BELOV Oleg Aleksandrovich — Deputy chief designer of the project at JSC Lavochkin Association, e-mail: [email protected]

БЕЛОГЛАЗОВ Александр Павлович — директор ООО «Ниагара», e-mail: [email protected]

BELOGLAZOV Aleksandr Pavlovich — Director of LLC Niagara, e-mail: [email protected]

ЕРЕМИН Андрей Георгиевич — доктор технических наук, профессор МАИ, e-mail: [email protected]

EREMIN Andrey Georgievich — Doctor of science (Engineering), Professor at MAI, e-mail: [email protected]

ВЕРСТАКОВ Алексей Владимирович — аспирант МАИ, e-mail: [email protected]

VERSTAKOV Aleksey Vladimirovich — Postgraduate at MAI, e-mail: verstakov [email protected]

Введение

Усложнение задач, возлагаемых на космические аппараты (КА), вызывают необходимость разработки конструкций, ранее не применявшихся в космической технике. Например, конструкций, которые до вывода их на орбиту находятся в сложенном состоянии, а на орбите трансформируются в свою рабочую форму с заданными габаритами. В настоящее время в основе таких конструкций лежит принцип изготовления конструкционных элементов на Земле с их последующей компоновкой соответствующим образом на КА [1—3]. Например, конструкции, в которых реализован принцип раскладывания сложенных определённым образом балок [4], а также принцип телескопического раздвижения [5]. Все эти решения перестают удовлетворять выдвигаемым требованиям вследствие невозможности разместить элементы трансформирования на КА в стартовом положении под обтекателем существующих ракет-носителей. Требуется разработка новых технических решений. По нашему мнению, необходимо создание трансформируемых в космосе конструкций с требуемыми габаритами, базирующихся непосредственно на КА. Для этого КА должен быть снабжён материалом будущей конструкции и соответствующим оборудованием для её создания.

В настоящей работе предлагается система трансформирования на основе гибких углепластиковых элементов, предварительно свёрнутых в бухты на КА, и устройств, формирующих из этих элементов при разворачивании жёсткую конструкцию. Рассмотрено несколько вариантов моделей таких систем и выполнены предварительные оценки их прочностных параметров при исполнении этих систем в штатных габаритах.

Предложены также возможные пути использования таких трансформируемых систем для использования в наземных условиях.

описание рассматриваемых систем

Предлагаемая к рассмотрению система трансформирования основана на формировании фермы из первоначально

гибких элементов, которые в стартовом положении КА могут быть компактно свёрнуты, а затем при раскручивании и последующем соединении образовывать жёсткую конструкцию [6]. В качестве гибкого элемента, формирующего ферму, выбран рукав из углепластиковых лент, сваренных ультразвуком по кромкам, выполненный на основе термопластичного связующего, например полиэфирэфиркетона (рис. 1). Ферма образуется из трёх рукавов, сматываемых с трёх барабанов, размещённых на принадлежащем КА основании по сторонам равностороннего треугольника. Рукава при разматывании образуют в сечении чечевицеобразную форму с плоскими по краям кромками. Крепление рукавов между собой обеспечивается также ультразвуковой сваркой, выполняемой роликами, через которые проходят плоские кромки соседних рукавов. В результате формируется конструкция из углеплас-тиковых рукавов с сечением, представляющим собой треугольник из трёх чечевицеобразных профилей. На рис. 2 представлен макет такой конструкции с шириной ленты ~ 120 мм. В ней также выполнены отверстия для снижения её массы. Предварительные испытания показали, что такая трансформируемая система реализуема (рис. 3), а формируемая таким образом конструкция (ферма) обладает достаточной прочностью. Следует отметить, что в макете вместо ультразвуковой сварки применялась текстильная застежка.

Рис. 1. Исходный профиль гибкого рукава (фотография сделана авторами)

Рис. 2. Поперечный профиль гибкого рукава: 1 — рукав; 2 — место сварки отдельных рукавов (фотография сделана авторами)

Рис. 3. Макет устройства трансформирования (фотография сделана авторами)

Немаловажным достоинством такой системы является также отработанная технология получения гибких углепла-стиковых рукавов с чечевицеобразным профилем длиной ~50 м и шириной ~ 120 мм.

Увеличение размеров углепластиковых рукавов под будущие штатные габариты не отражается на технологии их формирования с последующим соединением в единую конструкцию фермы.

Проведённые модельные испытания подтвердили возможность реализации трансформируемой конструкции, способной перемещать в космосе объекты, входящие в состав КА. Она может представлять собой три устанавливаемых на КА барабана с намотанными на них гибкими рукавами, три пары роликов, формируемых под ультразвуковую сварку плоских нахлёстанных стыков соседних рукавов, и три пары сварочных головок. При этом свободный конец гибких рукавов механически состыкован с площадкой, на которой установлено отодвигаемое от КА оборудование (рис. 4). Расстояние, на которое отодвигается платформа с оборудованием, определяется длиной свёрнутых на барабанах гибких рукавов.

Рис. 4. Схема системы трансформирования: 1 —

отодвигаемая платформа; 2 — космический аппарат (рисунок создан авторами)

Подача гибких рукавов к сварочным головкам осуществляется через ролики от электропривода, снабжённого раздаточным механизмом.

В данном материале рассмотрена трансформируемая конструкция, состоящая из трёх соединяемых гибких

рукавов, но возможно создание аналогичной конструкции из большего количества рукавов. В этом случае необходимо заранее профилировать соединяемые участки рукавов под соответствующим углом к чечевицеобразному профилю. В результате получится конструкция в виде двойной оболочки, имеющей в сечении форму многогранника (рис. 5).

Рис. 5. Профиль фермы из нескольких рукавов: 1 —

гибкий рукав; 2 — сварной шов (рисунок создан авторами)

Следует отметить, что в настоящее время реализовано изготовление чече-вицеобразных гибких рукавов шириной 120 мм и длиной 50 м. Спроектировано и изготовлено устройство намотки гибких рукавов на барабан и их развёртывания (рис. 6).

Рис. 6. Механизм развертывания чечевицеобразного профиля (фотография сделана авторами)

На базе разворачивающихся рукавов из свариваемых ультразвуковой сваркой углепластиковых лент на основе термопластичного связующего (например, полиэфирэфиркетона) возможно построение другой конструкции трансформируемой фермы. Она состоит из продольных разворачивающихся рукавов и наматываемых на них диагональных

рёбер, которые ультразвуковой сваркой привариваются к образующимся продольным рукавам. Сами рёбра также выполнены из углепластиковых лент и намотаны на барабаны (рис. 7).

1 2

4 3

Рис. 7. Схема системы трансформирования: 1 —

механизм намотки диагональных рёбер; 2 — барабан с гибким рукавом; 3 — диагональные рёбра; 4 — продольные рукава (рисунок создан авторами)

В предлагаемой конструкции на некотором основании КА размещаются барабаны с намотанными на них рукавами, а по периферии основания — механизмы развёртывания и приварки к продольным рукавам диагональных рёбер (рис. 7). Представленная система также способна в орбитальном положении КА отодвинуть от него платформу с размещённым на ней оборудованием. Сама платформа закреплена на торце соединённых в единую конструкцию рукавов. В приводных устройствах возможен выбор шага намотки ленты для изменения прочностных характеристик создаваемой конструкции. Однако такая конструкция сложнее, чем рассмотренная выше, и требует тщательной конструкторской проработки.

Обе конструкции могут найти достаточно широкое применение в космосе. Они могут быть использованы для создания опорных трансформируемых конструкций под теплоизлучающие элементы системы обеспечения теплового режима КА, отодвижения от КА каких-либо функциональных модулей, развёртывания гибких плёночных солнечных батарей и т. д. [7]. Последнее, по нашему мнению, является наиболее актуальным, так как позволяет реализовать управляемое развёртывание солнечных батарей значительных габаритов при компактном размещении их при старте на КА.

Теоретически возможно создание универсальной системы, состоящей из нескольких приведённых выше устройств, позволяющей собирать конструкции различной конфигурации прямо в космическом пространстве, в зависимости от требуемых форм и габаритов. Одновременно прямолинейные участки, по которым свариваются чече-вицеобразные профили, могут быть использованы в качестве направляющих для перемещения по сформированной ферме платформы с каким-либо оборудованием.

Определённым недостатком предложенных конструкций является необходимость наличия на КА источника электрической мощности для проведения ультразвуковой сварки чече-вицеобразных рукавов. Однако этот недостаток компенсируется минимальными начальными (стартовыми) габаритами трансформируемой фермы (цилиндр 01 500 мм и высотой 1 000 мм). Существующие же трансформируемые конструкции на основе телескопического принципа или раскладывающихся балок в начальном (стартовом) положении КА имеют существенные габариты, которые зависят от расстояния необходимого трансформирования составляющих КА. В телескопической конструкции степень трансформирования определяет длину звеньев телескопа и их количество, поэтому её габариты заведомо больше представленных выше габаритов трансформируемой фермы. Это также относится к системе на основе раскладывающихся балок.

Принцип, используемый для транспортирования космических объектов, может быть применён и в наземных условиях. В частности, в качестве опорных конструкций для антенно-мачтовых систем, радиорелейной связи, осветительных вышек и других инженерных сооружений [8].

физико-математические модели

Для определения возможности использования предлагаемой трансформируемой системы в космосе, в частности её прочностных параметров, было рассмотрено четыре варианта разворачиваемой системы на основе профиля чечевицеобразной формы шириной 1 000 мм: сплошной, с перфорацией

круглыми отверстиями 0240 и 400 мм, а также с треугольной перфорацией со стороной треугольника 400 мм.

Общие параметры моделей на основе профиля чечевицеобразной формы: длина 26 м;

толщина стенки 1 мм;

материал углепластик

из углеродной ткани.

Расчётные модели указанных вариантов системы представлены на рис. 8.

Все расчёты проводились в программном комплексе ANSYS APDL.

в)

Рис. 8. Расчётные модели трёх вариантов разворачивающейся конструкции, выполненной из различных вариантов профилей: без отверстий (а), с отверстиями треугольной формы (б), с круглыми отверстиями (в)

(рисунок создан авторами)

Результаты расчёта собственных частот различных вариантов моделей на основе профиля чечевицеобразной формы приведены в табл. 1 (без присоединённой массы) и табл. 2 (с присоединённой массой 100 кг). Первые формы собственных колебаний каждого варианта конструкции показаны на рис. 9.

.01517 .030341 .045511 .060682 0 .007585 .022756 .037926 .053097 .068267

а)

^ .046973 Л6263 0 .007829 .023486 .039144 .054802 .070459

б)

.016014 .032027 .048041 .064055 0 .008007 .024021 .040034 .056048 .072062

в)

Рис. 9. Первые формы колебаний вариантов конструкции без перфорации (а), с круглой перфорацией (б) и с треугольной перфорацией (в) (рисунок создан авторами)

Также была проведена серия расчётов различных вариантов ферменной конструкции, образованной разворачиваемыми продольными трубами и наматываемой на них плоской лентой (рис. 10).

Рис. 10. Расчётная модель разворачивающейся фермы. Вариант с максимальной жёсткостью (рисунок создан авторами)

Параметры модели ферменной конструкции:

длина 26 м;

толщина стенки трубы 1 мм;

сечение плоской ленты 5*1 мм;

материал углепластик

из углеродной ткани.

Варианты модели отличаются радиусом окружности, на которой расположены продольные балки. Радиус изменялся от 100 до 1 000 мм. Шаг намотки при этом не менялся. Таким образом, у разных моделей фермы разные углы намотки ленты. Целью серии расчётов, помимо сравнения с моделями на основе профиля чечевицеобразной формы, был подбор оптимальной конфигурации фермы с точки зрения жёсткости.

Результаты расчёта собственных частот конструкций с присоединённой массой 100 кг и с разным радиусом намотки ленты приведены в табл. 3.

Таблица 1

Собственные частоты колебаний конструкции «трилистник» для каждого варианта перфорации. Присоединённая масса 0 кг

Вариант Масса конструкции, кг Собственная частота колебаний, Гц

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5

1. Сплошной (нет перфорации) 296 1,218 1,218 2,255 2,981 2,981

2.1. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 240 мм 270 1,102 1,103 2,540 3,011 3,098

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.2. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 360 мм 230 1,006 1,012 2,898 3,095 3,277

2.3. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 400 мм 224 0,943 0,949 2,581 2,679 2,718

3. С треугольной перфорацией 231 1,003 1,004 2,603 2,869 2,903

Таблица 2

Собственные частоты колебаний конструкции «трилистник» для каждого варианта перфорации. Присоединённая масса 100 кг

Вариант Масса конструкции, кг Собственная частота колебаний, Гц

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5

1. Сплошной (нет перфорации) 296 0,886 0,886 2,251 2,839 2,839

2.1. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 240 мм 270 0,787 0,788 2,540 3,000 3,086

2.2. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 360 мм 230 0,697 0,701 2,896 3,058 3,230

2.3. С круглой перфорацией, диаметр отверстий 400 мм 224 0,625 0,628 2,562 2,629 2,672

3. С треугольной перфорацией 231 0,701 0,702 2,603 2,837 2,870

Таблица 3

Собственные частоты колебаний ферменной конструкции в зависимости от радиуса намотки ленты. Присоединённая масса 100 кг

Радиус, мм Масса конструкции, кг Собственная частота колебаний, Гц

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5

100 51 0,112 0,120 1,525 1,525 4,466

150 52 0,172 0,173 2,000 2,000 5,343

200 52 0,221 0,225 2,203 2,203 5,241

250 53 0,259 0,261 2,193 2,193 4,257

300 53 0,284 0,287 2,081 2,081 3,561

350 54 0,295 0,296 1,941 1,941 3,046

360 54 0,297 0,299 1,913 1,913 2,959

370 54 0,294 0,296 1,885 1,886 2,876

400 55 0,293 0,294 1,805 1,805 2,651

450 55 0,282 0,284 1,680 1,680 2,340

500 56 0,272 0,274 1,568 1,568 2,090

750 61 0,208 0,208 1,188 1,188 1,350

1 000 66 0,168 0,170 0,991 0,991 0,998

результаты расчёта

Наиболее жёстким вариантом схемы трёх соединённых гибких рукавов «трилистника» предсказуемо является сплошной. Однако он проигрывает по массе остальным вариантам: на 9,6% — варианту с круглой перфорацией с диаметром отверстий 240 мм; на 32,1% — варианту с круглой перфорацией с диаметром отверстий 400 мм; на 28,1% — варианту с треугольной перфорацией.

Также был подобран такой диаметр отверстий для варианта с круглой перфорацией, чтобы первая собственная частота такой системы совпадала с первой собственной частотой системы с треугольной перфорацией. Таким образом, жёсткостные характеристики этих двух моделей почти совпадают, однако модель с круглыми отверстиями выглядит предпочтительнее, так как выполнение круглых отверстий технологически проще, чем треугольных. Масса такого варианта с круглой перфорацией на 28,7% меньше массы «сплошного» варианта «трилистника». Исходя из данных соображений и результатов расчёта, предпочтительнее вариант с круглой перфорацией.

Первая форма собственных колебаний наиболее жёсткого варианта конструкции с присоединённой массой (радиус намотки 36 см) показана на рис. 11. Значения первой собственной частоты наиболее жёсткого варианта фермы в три раза уступают наиболее жёсткому — сплошному — варианту «трилистника». Однако масса такой фермы меньше «трилистника» без отверстий в 5,5 раза, и меньше «трилистника» с круглой перфорацией (диаметр отверстий 400 мм) в 4,2 раза.

Рис. 11. Первая форма колебаний разворачивающейся фермы (рисунок создан авторами)

Результаты расчёта собственных частот ряда моделей ферменной конструкции в зависимости от радиуса намотки ленты без присоединённой массы приведены в табл. 4, с присоединённой массой 100 кг — в табл. 3. Зависимость величины первой собственной частоты колебаний конструкции от радиуса намотки ленты отражена на графике (рис. 12).

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Л

св н о н и

03

у

к

03

к к

си я н и \о о и

к

03

я а

с

-•- IV = ши

о

20

40 60 80 100 120

Радиус, см

Рис. 12. Зависимость первой собственной частоты колебаний ферменной конструкции от радиуса намотки ленты: М — присоединённая масса, кг (рисунок создан авторами)

График зависимости имеет выраженный пик, что говорит о существующем оптимальном радиусе и угле намотки ленты для подобной конструкции. Дальнейшее увеличение радиуса фермы приводит к снижению её жёсткост-ных характеристик. При этом прочностные характеристики приведённых вариантов фермы не будут сильно отличаться между собой, так как основная нагрузка ляжет на продольные трубы, а они в рассматриваемых моделях одинаковы. Таким образом, для подобных конструкций требуется проводить оптимизационные расчёты.

В то же время следует отметить, что конструктивный анализ фермы позволяет сделать вывод, что с увеличением радиуса расположения продольных разворачиваемых балок целесообразно увеличение их количества. Также следует учитывать массу механизмов развёртывания трансформируемых профилей. Поэтому в дальнейшем необходим комплексный анализ массовых характеристик предлагаемых трансформируемых систем и определение для каждой задачи оптимального варианта системы.

Таблица 4

Собственные частоты колебаний ферменной конструкции без присоединённой массы в зависимости от радиуса намотки ленты

Радиус, см Масса конструкции, кг Собственная частота колебаний, Гц

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5

10 51 0,391 0,391 2,274 2,274 5,787

15 52 0,555 0,555 2,894 2,894 6,270

20 52 0,690 0,690 3,101 3,101 4,84

25 53 0,778 0,778 3,035 3,035 3,904

30 53 0,811 0,811 2,863 2,863 3,241

31 53 0,812 0,812 2,824 2,824 3,131

32 53 0,812 0,812 2,784 2,784 3,027

35 54 0,801 0,801 2,663 2,663 2,748

40 55 0,765 0,765 2,370 2,462 2,462

45 55 0,717 0,717 2,072 2,266 2,266

50 56 0,668 0,668 1,831 2,074 2,074

75 61 0,479 0,479 1,116 1,228 1,228

100 66 0,375 0,375 0,780 0,796 0,796

Полученные результаты жёсткостных характеристик предлагаемых конструкций систем отодвижения были сравнены с аналогичными характеристиками наиболее распространённой телескопической системы. Собственная частота для неё составила —1,1 Гц при массе почти в 1,5 раза больше, чем для рассмотренных в статье систем отодвижения. Однако корректное сравнение систем необходимо проводить для реальных конструкций с учётом того, что особенно важно при конструировании трансформируемых систем — начальных (стартовых) габаритов космического аппарата.

Выводы

1. Предложены системы трансформирования элементов космического аппарата, позволяющие формировать их непосредственно в космосе.

2. Система трансформирования разворачивающихся гибких чечевицеобраз-ных рукавов базируется на существующей технологии изготовления рукавов и конструкции механизма подачи намотанного на барабан рукава.

3. Одной из наиболее востребованных областей применения предложенной трансформируемой системы является обеспечение развёртывания солнечных

плёночных батарей большой площади при компактном размещении их при старте на КА.

4. Целесообразно использование системы трансформирования на основе разворачивающихся гибких чечевице-образных рукавов в качестве опорных конструкций в наземных условиях для антенно-мачтовых систем, радиорелейной связи, осветительных вышек и других инженерных сооружений. Преимущества такой конструкции особенно интересны при использовании в мобильных мачтовых системах.

5. Результаты расчёта собственных частот различных вариантов моделей на основе профиля чечевицеобразной формы показали, что наиболее жёстким является вариант без отверстий, но при этом он обладает наибольшей массой. Среди облегчённых перфорацией вариантов лучшим по сочетанию жёсткость-масса показал себя профиль с круглой перфорацией среднего размера (036 мм для заданных габаритов модели).

6. По результатам расчёта ферменная конструкция с разворачивающимися образующими и наматываемой на них плоской лентой по жёсткости существенно уступает варианту на основе профиля чечевицеобразной формы. При этом ферменная конструкция также

имеет намного меньшую массу: разница между моделью на основе сплошного профиля чечевицеобразной формы — до 5,5 раза.

7. В результате исследования ряда моделей ферм с разворачивающимися образующими было подобрано соотношение радиуса расположения образующих и угла намотки, обеспечивающее наилучшую жёсткость конструкции; прочностные характеристики при этом не изменились, так как основную нагрузку принимают на себя образующие, а они в моделях одинаковы. Для подобных моделей требуется проводить оптимизационные расчёты в целях подбора оптимальных с точки зрения прочности и жёсткости параметров.

8. Окончательный вывод о целесообразности использования той или иной системы трансформирования можно сделать после конструктивной проработки обоих вариантов, определения их массовых параметров, а также требуемых характеристик, которым они должны соответствовать согласно поставленной задаче.

Список литературы

1. Андреев П.В., Демидов А. С., Ежов Н.И., Еремин А.Г., Зинчук А.А., Кашелкин В.В., Равикович Ю.А., Федоров М.Ю., Хартов С.А., Холобцев Д.П. Космические ядерные энергоустановки и электроракетные двигатели. Конструкция и расчёт деталей: учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2014. С. 43-50; 192-199.

2. Синявский В.В., Смердов А.А. Динамические характеристики стержневой конструкции крепления электрического ракетного двигателя на межорбитальном буксире // Космическая техника и технологии. 2018. № 4(23). С. 40-48. EDN: VRVFAB

3. Романов А.В., Тестоедов Н.А. Основы проектирования информационно-управляющих и механических систем космических аппаратов: учебник. СПб.: ЛА «Профессионал», 2015. С. 75-99.

4. Патент № 2657286 С1. Российская Федерация. МПК B6G1/42 (2000.01), G1D 1/02(2000.01). Ядерная энергетическая установка космического аппарата / Андреев П.В., Еремин А.Г., Коробков Л.С., Труханов Ю.Л., Галкин А.Я., Жаботин-ский Е.Е., Зарицкий Г.А.; заявитель и патентообладатель — ФГУП «Красная Звезда». Заявка № 20221241006 от 04.03.2003. Опубл. 20.03.2004. Бюл. № 8.

5. Патент № 2784224 С1. Российская Федерация. МПК B64G1/22(2006). Устройство обеспечения теплового режима космического аппарата / Еремин А.Г., Ладыко М.А., Ромадова Е.Л.; заявитель и патентообладатель — МАИ. Заявка № 2022114401 от 27.05.2022. Опубл. 02.11.2022. Бюл. № 33.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Патент № 2782776 С1. Российская Федерация. МПК B64G1/22(2006.01). Трансформируемая ферма космического аппарата / Белоглазов А.П., Еремин А.Г., Белов О.А.; заявитель и патентообладатель — ООО «Ниагара». Заявка № 2022118689 от 8.07.2022. Опубл. 02.11.2022. Бюл. № 31.

7. Казанцев З.А., Ерошенко А.М., Бабкина Л.А., Лопатин А.В. Анализ конструкций солнечных батарей космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2021. Т. 5. № 3(37). С. 126-127. EDN: DXTENH

8. Патент № 215791 U1. Российская Федерация. МПК Е04412/18 (2006.01) H01Q 1/32. Мобильная вышка / Белоглазов А.П., Еремин А.Г., Белов О.А.; заявитель и патентообладатель — ООО «Ниагара». Заявка № 2022124100 от 12.09.2022. Опубл. Бюл. № 33.

Статья поступила в редакцию 17.02.2023 г. Окончательный вариант — 13.04.2023 г.

References

1. Andreev PV, Demidov AS, Ezhov NI, Eremin AG, Zinchuk AA, Kashelkin VV, Ravikovich YuA, Fedorov MYu, Khartov SA, Kholobtsev DP Kosmicheskie yadernye energoustanovki i elektroraketnye dvigateli. Konstruktsiya i raschet detalei [Space-based nuclear power systems and electric propulsion. Design and analysis of components]: textbook. Moscow: MAI publishers; 2014. p. 43-50; 192-199 (in Russian).

2. Sinyavskiy VV, Smerdov A A. Dynamic properties of the frame structure for mounting an electrical propulsion thruster onto an orbital transfer vehicle. Space Engineering and Technology. 2018; 4(23): 40-48. Available from: https://www.elibrary.ru/vrvfab (accessed 12.04.2023) (in Russian).

3. Romanov VN, Testoedov NA. Osnovy proektirovaniya informatsionno-upravlyayushchikh i mekhanicheskikh sistem kosmicheskikh apparatov [Fundamentals of design for information-control and mechanical systems of spacecraft]: textbook. St.Petersburg: LA Professional; 2015. p. 75-99 (in Russian).

4. Andreev PV, Eremin AG, Korobkov LS, Trukhanov YL, Galkin AY, Zhabotinsky EE, Zaritsky GA, inventors. FSUE Krasnaya Zvezda. Yadernaya energeticheskaya ustanovka kosmicheskogo apparata [Nuclear power-generating system for spacecraft]. Patent RU 2657286 C1. IPC: B64 G1/42 (2000.01), G1 D1/02 (2000.01). Application No. 20221241006 dated 04.03.2003; Published 20.03.2004. Bulletin No. 8 (in Russian).

5. Eremin AG, Ladyko MA, Romadova EL, inventors. MAI. Ustroistvo obespecheniya teplovogo rezhima kosmicheskogo apparata [Spacecraft thermal control device]. Patent RU 2784224 C1. IPC: B64 G1/22 (2006). Application No. 2022114401 dated 27.05.2022; published 02.11.2022. Bulletin No. 33 (in Russian).

6. Beloglazov AP, Eremin AG, Belov OA, inventors. LLC Niagara. Transformiruemaya ferma kosmicheskogo apparata [Transformable truss for a spacecraft]. Patent RU 2782776 C1. IPC: B64 G1/22 (2006.01). Application No. 2022118689 dated 08.07.2022; published 02.11.2022. Bulletin No. 31 (in Russian).

7. Kazantsev ZA, Eroshenko AM, Babkina LA, Lopatin AV. Analysis of design of spacecraft solar arrays. Journal Spacecrafts & Technologies. 2021; 3: 126-127. Available from: https://www.elibrary.ru/dxtenh (accessed 12.04.2023) (in Russian).

8. Beloglazov AP, Eremin AG, Belov OA, inventors. LLC Niagara. Mobil'naya vyshka [Mobile tower]. Patent RU 215791 U1. IPC: E04412/18 (2006.01) H01 Q 1/32. Application No. 2022124100 dated 12.09.2022. Bulletin No. 33 (in Russian).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.