автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Агрегаты раскрытия формируемых центробежными силами крупногабаритных космических конструкций

На правах рукописи

Харлов Борис Николаевич

Агрегаты раскрытия формируемых центробежными силами крупногабаритных космических конструкций.

Специальность 05.07.02. Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Королев 2009

003475617

Работа выполнена на Заводе экспериментального машиностроения Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П.Королева

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мельников Виталий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Милованов Александр Георгиевич

доктор технических наук, профессор Бурдаков Валерий Павлович

Ведущая организация: ЦНИИМАШ, г. Королев М.о. ул. Пионерская д.4.

Защита состоится « 04 » июня 2009г. в 15 часов на заседании

диссертационного совета ДС 403.003.01 при ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, г. Юбилейный, ул. Тихонравова, д.27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ космических систем имени А.А.Максимова ГКНПЦ им. М.В. Хруничева

Автореферат диссертации разослан 02 апреля 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета

Чаплинский В.С.

Общая характеристика работы.

Формируемые центробежными силами бескаркасные космические конструкции могут быть основой проектов крупномасштабных систем в приложении к широкому кругу актуальных прикладных задач, таких как:

- создание эффективных солнечных батарей для крупномасштабных космических солнечных электростанций, транслирующих энергию на Землю в СВЧ диапазоне в проблеме энергетического кризиса и стабилизации погоды;

- создание эффективных солнечных батарей на малых и средних спутниках, в энергосистеме Марсианской миссии и при освоении Луны, где требуются масштабные электростанции, эксплуатирующиеся в условиях глубокого вакуума и пониженной гравитации, требующие возможности мобильного раскрытия и свертывания при изменении дислокации и ремонте.

- создание пассивных ретрансляторов для теле-радио связи;

- создание отражателей для освещение районов Земли отраженным с орбиты солнечным

светом (городов и промышленных районов Заполярья, мест катастроф, районов производства сельскохозяйственной, лесной продукции и морепродуктов);

- создание крупномасштабных экранов для очистки космоса от технологических осколков;

- создание солнечных парусов для межпланетных перелетов;

- создание НЧ и СНЧ рамочных антенн для исследования ионосферы, залежей полезных

ископаемых и связи с глубоководными аппаратами;

- создание параболических концентраторов и радиоантенн;

- создание технологических орбитальных экранов для получения сверхвысокого вакуума в

новых космических технологиях.

Если 40-50 лет назад усилия в космической технике в основном были направлены на увеличение массы выводимого на орбиту полезного груза, то в настоящее время к изделиям космической техники предъявляются требования минимальных затратах на создание образцов новой техники при максимальной эффективности для решения важнейших народнохозяйственных и научных задач. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают бескаркасные формируемые центробежными силами крупногабаритные космические конструкции, которые имеют ряд существенных преимуществ над каркасными аналогами, таких как: отсутствие затрат на создание и отработку жесткого каркаса; малая удельная масса; возможность укладки в малый объем при транспортировке и автоматическое развертывание на орбите при малых энергозатратах; высокая точность поверхности; возможность переориентации на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела; возможность эффективной наземной отработки и проч.

В авиации создание вертолетов было начато практически одновременно с началом создания крылатых аппаратов. В космической технике создание вращающихся конструкций только начинается и может в значительной мере удешевить и повысить эффективность решения многих задач.

Для вышеуказанных прикладных задач формируемые центробежными силами конструкции имеют конструктивные особенности, вытекающие из специфики решаемой прикладной задачи и необходимых для этого точностями поверхности системы и её ориентации в пространстве, которые в свою очередь определяют особенности конструкций агрегатов их раскрытия.

Актуальной проблемой является создание прикладных методов проектно-конструкторской разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций, учитывающих специфику, особенности и ограничения, связанные с использованием этих конструкций для различных прикладных задач в космосе. Объект исследований - формируемые центробежными силами космические конструкции, методы проектирования и конструирования раскрывающихся в космосе объектов. Предмет исследований и разработок - методика разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами комических конструкций.

Цель работы - повышение надежности функционирования и снижение трудоемкости создания агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций. Достижение поставленной цели диссертационной работы осуществлено путем научно обоснованных технических разработок агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций солнечных батарей, отражателей, рамочных СНЧ антенн и других объектов и методики наземной отработки различных этапов раскрытия. Методика исследования включает методы комплексного системного анализа, математического моделирования, наземных и орбитальных экспериментов. На защиту выносятся следующие научно обоснованные технические разработки:

- однокатушечная схема агрегата раскрытия малых и средних космических солнечных батарей и технологических экранов с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности;

- многокатушечная схема агрегата раскрытия солнечных парусов с управляемым раскрытием многосекторной поверхности;

- однокатушечная схема агрегата раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров;

- однокатушечная и многокатушечная схемы агрегатов раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;

- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных космических конструкций, формируемых центробежными силами.

Научная новизна представленных технических разработок состоит в следующем:

- агрегат раскрытия малых и средних космических солнечных батарей и технологических экранов отличается однокатушечной схемой с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности;

- агрегат раскрытия солнечных парусов отличается многокатушечной схемой с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и компенсацией кинетического момента;

- агрегат раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента отличается однокатушечной схемой тросовой системы размерностью несколько сотен метров;

- агрегат раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров отличается однокатушечной и многокатушечной схемами в зависимости от масштаба конструкции с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;

- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных космических конструкций, формируемых центробежными силами, отличается проведением специальных дополнительных испытаний: проверки инициализации раскрытия и проверки динамического воздействия раскрываемого полотна на агрегат на различных этапах раскрытия.

Научное обоснование полученных результатов обеспечено следующим:

1. Проведением комплексного системного анализа особенностей прикладных задач и определяемых ими требований к агрегатам раскрытия космических конструкций с учетом функционально-технологических возможностей современной космической техники;

2. Разработкой общих концепций, этапов создания, основных принципиальных конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций;

3. Выработкой классификации принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций в привязке к различным прикладным задачам,

4. Выбором рациональных конструкций гибких полотнищ, схем укладки, обеспечивающих плавное, упорядоченное (без ударов, колебаний, запутывания, потери геометрической симметрии), управляемое на всех стадиях раскрытие из уложенного (транспортного) состояния и требуемую форму раскрытого полотнища;

5. Разработкой методики обеспечения динамики управляемого раскрытия техническими средствами (электроприводами, обгонными или моментными муфтами, элементами начального инициирования) с компенсацией кинетического момента;

6. Выработкой требований к технологии изготовления и укладки пленочных полотнищ;

7. Выбором рациональных схем крепления и намотки для тросовых элементов конструкций и для тросовых конструкций в целом (антенны, маховики), обеспечение динамики их управляемого раскрытия и невозможности запутывания;

8. Разработкой рациональной увязки агрегата раскрытия формируемой центробежными силами конструкции с традиционными системами КА.

Достоверность полученных результатов подтверждена опытом проектирования различных агрегатов раскрытия космических конструкций, опробована наземной отработкой 3-х агрегатов раскрытия (для экспериментов «Знамя-2», «Знамя-2,5» для малого спутника «Можаец 4»), функционированием наземного прототипа агрегата раскрытия, успешным проведением космического эксперимента «Знамя-2».

Научная значимость полученных результатов состоит в развитии методов проектирования и конструирования агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций с учетом специфики, особенностей и ограничений, связанных с использованием этих конструкций для решения таких актуальных задач, как создание космических солнечных электростанций, солнечных батарей космических аппаратов, рамочных СНЧ антенн и др.

Практическая значимость полученных результатов состоит в создании проектно-конструкторской базы разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций для эффективного решения широкого круга перспективных прикладных задач.

Внедрение полученных результатов обеспечивает повышение надежности функционирования агрегатов раскрытия космических конструкций и снижение трудоемкости их создания путем использования наиболее оптимальных проектно-конструкторских решений.

В частности, эффективность предложенных технических разработок подтверждается их сопоставлением с техническими решениями, предложенными в проекте «Гелиоротор» -космическом аппарате, предназначенным для полета к комете Галлея. Аппарат представляет собой солнечный парус, выполненный в виде 8-и лент шириной 8 м и длиной 7500 м из апюминизированной пленки, натягиваемой на титановый каркас. Раскрытие конструкции планировалось путем вращения сначала за счет плазменных двигателей, а затем за счет солнечного давления. Тем же способом предполагалось поддерживать форму в течение всего полета. Основным недостатком проекта является невозможность сохранения одинакового угла наклона поверхности лопасти к солнечным лучам на очень большой длине нежесткой конструкции лопасти и короблении ее поверхности при нагреве из-за технологических неоднородностей пленки, что делает процесс раскрытия и дальнейшего поддержания формы лопасти неопределенным. В представленных технических разработках для раскрытия использован электромеханический привод на базе двигателя с падающей механической характеристикой, что обеспечивает плавное, упорядоченное, управляемое на всех стадиях раскрытие.

Внедрение результатов работы.

Разработанный автором многокатушечный агрегат раскрытия отражателя был изготовлен, прошел комплекс наземной отработки и соответствующей приемки и

использовался при подготовке и проведении космического эксперимента «Знамя-2» на борту ТГК «Прогресс» вблизи орбитальной станции «Мир» (04.02.1993г) в рамках темы ОКР «Знамя» MOM, проводимой в РКК «Энергия» им. С.П.Королёва. Аналогичный агрегат раскрытия использовался при повторении эксперимента на борту ТГК «Прогресс» в 1999г.

Однокатушечный агрегат раскрытия модели солнечной батареи использовался при подготовке и проведении космического эксперимента на спутнике «Можаец - 4» (выведен на орбиту высотой 1000 км 28.10.2005г) в рамках проекта №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ) «Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли».

Созданный наземный прототип агрегата раскрытия солнечной батареи использовался для исследований динамики раскрытия различных укладок в проекте №2620 МНТЦ и используется в учебном процессе на кафедре «Теория механизмов и машин» МАИ.

В дальнейшем разработанные общие концепции и этапы создания, классификация принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций, а так же методика их эффективной наземной отработки могут использоваться предприятиями отрасли для широкого круга перспективных прикладных задач.

Апробация работы. Этапы работы представлялись на 9 конференциях и конгрессах, в том числе 5 международных:

• Научно-техническая конференция, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, 1996.

• 56-ой международный конгресс по астронавтике (IAC2005), NASA, ЕКА, JAXA и др., г. Фукуока (Япония), 2005.

• 5-ый Международный аэрокосмический конгресс IAC-06, РАКА и др., г. Москва, 2006.

• И-я и Ш-я Международные научно-техническая конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Академия инженерных наук им. A.M. Прохорова (АИН РФ) и др., Абхазия, 2006,2007.

• Юбилейная научно-техническая конференция «Информационно-управляющие системы-2006», ФГУП «НПО измерительной техники», Королев М.О., 2006.

• 3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (РКТ-2007), МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2007.

• Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2008.

• Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2009.

Все конструкции агрегатов раскрытия разрабатывались автором в рамках участия в подготовке и выпуске ряда Технических предложений и Эскизных проектов РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, а также в одном международном проекте.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, 2-х приложений, выводов и списка использованной литературы. Общий объем 144 стр.

Содержание работы

Во введении показана актуальность проблемы, сформулированы цель работы, поставлены задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость, методика выполнения работы, положения, выносимые на защиту, сведения об апробации работы, вкладе соискателя, структуре и объеме диссертации.

В первой главе проводится аналитический обзор проектно-

конструкторских, технологических и экспериментальных разработок крупногабаритных космических систем, выявляются особенности и функционально-технологические преимущества и недостатки.

Проводится комплексный системный анализа особенностей прикладных задач и функционально-технологических возможностей современной космической техники, на основе которого выработаны общие концепции и этапы создания, а также классификация принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций для различных прикладных задач.

При комплексном анализе в качестве надсистемы выступают многочисленные выше перечисленные прикладные задачи во взаимосвязи с особенностью внешних условий (невесомость, глубокий вакуум, влияние многочисленных орбитальных воздействий). В качестве подсистем выступают различные конструктивные решения систем агрегатов раскрытия, отвечающие широкому кругу функциональных и конструктивно-технологических требований, обеспечивающих решение этих прикладных задач.

Для вышеуказанных прикладных задач формируемые центробежными силами конструкции имеют конструктивные особенности, вытекающие из специфики решаемой прикладной задачи, которая определяет необходимую точность и качество поверхности системы и её ориентации в пространстве, которые в свою очередь ставят соответствующие требования к конструкциям агрегатов раскрытия. Важным фактором является масштабность системы, определяющая возможность ее изготовления и отработки в наземных условиях, а также возможность её транспортировки на орбиту носителем.

Схема комплексного анализа представлена на рис. 1.

Основными концепциями создания агрегатов раскрытия для различных прикладных задач являются:

- необходимость использования перазрезных поверхностей для крупномасштабных систем, требующих высокой степени точности поверхности (солнечных батарей и отражателей солнечного света), и как следствие в качестве этапа их создания, необходимость организации в процессе раскрытия их объединения на орбите из отдельных секторов, индивидуально изготовленных и уложенных на отдельные катушки в наземных условиях и доставленных на орбиту, т.е. организации автоматизированной сборки электростанции на орбите многокатушечным агрегатом раскрытия с системой объединения отдельных секторов на орбите, определяемой технологическими возможностями изготовления части изделия в наземных условиях и ей транспортировки на орбиту (при возможности транспортировки системы одним носителем может использоваться однокатушечная конструкция агрегата раскрытия);

- возможность использования разрезных поверхностей для систем, не требующих высокой степени точности поверхности (для солнечных парусов, пассивных ретрансляторов), и в качестве этапа их создания разработки многокатушечных агрегатов раскрытия без систем объединения отдельных секторов на орбите;

- необходимость использования неразрезных поверхностей для технологических экранов для получения сверхвысокого вакуума, и в качестве этапа их создания разработки однокатушечных агрегатов раскрытия без систем объединения отдельных секторов на орбите;

- организация управляемого раскрытия с компенсацией кинетического момента дополнительной механической системой (тросовой системой или аналогичной конструкцией, не затеняющей основную) для крупномасштабных систем;

- использование многолучевых схем укладки и двигателей с падающей нагрузочной характеристикой для обеспечения устойчивости и упорядоченности процесса раскрытия;

- осуществление, помимо традиционно проводимых этапов наземной отработки изделий ракетно-космической техники, этапа отработки силового воздействия от центробежных сил и динамического моделирования.

На базе комплексного анализа и выработанных концепций представим

классификацию конструктивных схем агрегатов раскрытия и для различных прикладных

задач:

- однокатушечная схема с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности для солнечных батарей малых и средних КА и технологических экранов;

- многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности с компенсацией кинетического момента для солнечных парусов;

- однокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров (вариант, когда можно одним носителем вывести на орбиту весь агрегат раскрытия);

- многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров (вариант, когда нельзя одним носителем вывести на орбиту весь агрегат раскрытия);

- однокатушечная схема с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров для рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента;

Схема комплексного анализа проблемы создания агрегатоо раскрытия формируемых центробежными силами конструкций для различных целевых задач

Во второй главе проводится конструкторская проработка вариантов всех выше приводимых в классификации агрегатов раскрытия с использованием выявленных при комплексном анализе наиболее рациональных конструкторских и функционально-технологических решений и выработанных основных концепций создания агрегатов раскрытия.

Их рассмотрение проведем в порядке возрастания размерности раскрываемой конструкции и соответственно увеличения сложности конструкции агрегата раскрытия.

В соответствии с итогами комплексного анализ и выработанной классификацией конструктивных схем агрегатов раскрытия для различных прикладных задач начнем с примера разработки конструкции первой позиции классификации:

- однокатушечная схема с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности для солнечных батарей малых и средних КА и технологических экранов.

В качестве примера приводиться конструктивная схема агрегата для малого спутника «Можаец 4» (рис.2).

Рис. 2, Конструктивная схема агрегата для малого спутника «Можаец 4».

Макет солнечной батареи представляет собой полотно 1 диаметром 2 м из полиимидной пленки толщиной 8мкм с алюминиевым напылением (рис.3 (б)), уложенное (намотанное) на барабан 2. Для защиты полотна I от повреждения оно на барабане 2 закрыто шестью створками 3, имеющими ось качания 4 относительно барабана 2. Створки 3 снабжены пружинами кручения, действующими на раскрытие (поворот вокруг осей 4) створок. Барабан установлен с одной стороны на подшипник 5, а с другой стороны закреплен на выходном валу 6 привода 7. Привод 7 прикреплен к кронштейну 8, служащему так же для закрепления всего агрегата к изделию. На кронштейне 8 установлены для каждой створки 3 ролики 9, удерживающие створки 3 в закрытом положении. Также в конструкции створок 3 должно быть предусмотрено следующее: а) арретир для удержания барабана 2 от вращения до момента завершения всех испытаний и проверок, после которых арретир

должен быть снят; б) фиксатор с определенным моментом удержания от раскрытия створок 3 на время вывода на орбиту и до начала развертывания полотна 1. При подаче напряжения питания на агрегат включится привод 7 и барабан 2 начнет вращаться, створки 3 выходят из-под роликов 9 и раскрываются, полотно 1 разворачивается центробежными силами в раскрытое положение. Через определенное время, необходимое для разворачивания полотна 1 и фиксации на видеокамеру раскрытого полотна (например 5...6 минут), питание с агрегата можно снять. Полотно 1 некоторое время будет крутиться по инерции, так как в составе привода 7 предусматривается муфта обгона. На рис.3 (а) представлена фотография агрегата раскрытия спутника «Можаец 4» (основной и запасной экземпляры).

На рис.3 (б) представлена фотография пленочного полотна перед укладкой на барабан агрегата раскрытия спутника «Можаец 4».

а) б)

Рис.3, а) Фотография агрегата раскрытия для малого спутника «Можаец 4». б) Пленочное полотно перед укладкой на барабан агрегата раскрытия.

В составе агрегата имеется только одно электротехническое изделие - двигатель коллекторный постоянного тока типа Д82А. Предлагается только один разъем типа PC 10, закрепленный или на торце Б кронштейна 8, или на кабеле, выходящем из фланца, диаметром 60 мм.

В диссертации приводится также аналогичная разработка однокатушечной конструкции наземного прототипа агрегата раскрытия модели солнечной батареи.

Агрегат предназначен для демонстрации в помещениях возможностей раскрытия центробежными силами модели солнечной батареи из различных типов укладок по циклограмме, особенностью которой является нулевая начальная угловая скорость. Изготовленный вариант однокатушечной конструкции наземного прототипа агрегата раскрытия модели солнечной батареи показан на рис.4 (а) и (б).

В соответствии с итогами комплексного анализ и выработанной классификацией конструктивных схем агрегатов раскрытия для различных прикладных задач, рассмотрим вторую позицию классификации

- многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности с компенсацией кинетического момента для солнечных парусов.

б)

Рис.4, а) Изготовленный вариант однокатушечной конструкции наземного прототипа агрегата раскрытия модели солнечной батареи, показаны управляемый электропривод (справа) и корпус для размещения укладки модели солнечной батареи (слева), б) Агрегат раскрытия с раскрытыми створками.

Примером разработки конструкции многокатушечного агрегата раскрытия является агрегат раскрытия отражателя (АРО) на транспортном грузовом корабле (ТГК) «Прогресс» в космическом эксперименте «Знамя 2» (рис.5).

Рис. 5. ТГК «Прогресс М» с АРО: 1-отражатель,2- ванты крепления отражателя к АРО; 3-

корпус АРО.

Агрегат АРО устанавливался на месте механизма стыковки ГК "Прогресс М" "штырь-конус" с обеспечением электрической совместимости с ГК. Агрегат АРО являться взаимозаменяемым с механизмом стыковки, при этом установка АРО производится космонавтами. Это требование было одним из определяющих при разработке конструкции агрегата АРО. Для выполнения заданной функции - раскрытия отражателя, поддержания вращения отражателя в течение всего эксперимента и обеспечения возможности качания отражателя вокруг осей "У" и "Ъ", конструкция АРО включала в себя следующие элементы и устройства (рис. 6):

1. Корпус.

2. Штанга для установки барабана.

3. Барабан для установки катушек.

4. Катушки с секторами отражателя.

5. Привод вращения барабана .

6. Привод выпуска полотна .

7. Обгонная муфта для цепи "барабан-привод ".

8. Приводы качания ПК1, ПК2.

9. Токосъемник для подачи питания и съема информации с привода выпуска полотна.

10. Датчики оборотов приводов.

Рис. 6. Конструктивная и кинематическая схема АРО.

Особенностью конструкции агрегата является построение отражателя из восьми секторов, намотанных на катушки. Для этого катушки расположены на барабане равномерно по его окружности. Все катушки при сматывании полотна вращаются синхронно, без проскальзывания, от одного привода выпуска полотна.

Исходя из принципа обеспечения устойчивости, конструкция агрегата АРО построена на использовании падающей характеристики электропривода с двигателем постоянного тока.

На штанге, установленной в корпусе на подшипниках, закреплен барабан с катушками. Оси катушек через зубчатую передачу связаны с приводом выпуска полотна. Здесь же расположен механизм раскрытия шторок. Каждая шторка прижимает наружный край намотанных секторов отражателя при хранении и транспортировке АРО. Корпус АРО имеет форму ступенчатой трубы с фланцами и закреплен в сферической обойме конуса, заимствованного от СМ. Обойма и, следовательно, корпус имеют возможность поворачиваться на некоторый угол вокруг осей "У" и "Ъ". Привод вращения барабана закреплен на корпусе с помощью охватывающего кронштейна и кинематически соединен со штангой через обгонную муфту, построенную на резервированном храповом механизме.

Со стороны, противоположной барабану с катушками, корпус связан с тягами приводов качания ПК1, ПК2. Эти приводы смонтированы на внутренней части конуса стыковочного механизма.

Токосъемник установлен внутри корпуса, его ротор связан со штангой, а статор - с корпусом АРО, Штанга является полой, и внутри нее проходит электрический кабель к приводу выпуска полотнища. Внутри корпуса размещены кабели электрических цепей и пиросредства для отстрела АРО после завершения эксперимента.

В диссертации подробно рассматриваются элементы конструкции АРО.

В соответствии с итогами комплексного анализ и выработанной классификацией конструктивных схем агрегатов раскрытия для различных прикладных задач , рассмотрим третью позицию классификации : - однокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров (вариант, когда можно одним носителем вывести на орбиту весь агрегат раскрытия).

Была разработана концепция однокатушечного агрегата, соединяющего края отдельных секторов полотна при его выпуске и управляющего выпуском при помощи вытягивающих роликов.

На рис.7 представлена принципиальная схема агрегата раскрытия СБ: полотно 1 в уложенном на барабан 2 положении (Рис. 7 а) и в начале выпуска вытягивающими роликами 3 (Рис. 7 б)

а) б)

Рис. 7. Принципиальная схема однокатушечного агрегата раскрытия с объединением отдельных секторов в единое полотнище.

На рис. 8 показана конструктивная схема агрегата. В диссертации приводится подробное описание конструктивной схемы агрегата.

Рис.8. Конструктивная схема однокатушечного агрегата раскрытия с объединением отдельных секторов в единое полотнище в начале выпуска секторов.

В соответствии с итогами комплексного анализ и выработанной классификацией конструктивных схем агрегатов раскрытия для различных прикладных задач, рассмотрим четвертую позицию классификации:

многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров (вариант, когда нельзя одним носителем вывести на орбиту весь агрегат раскрытия).

Предлагается конструктивная концепция агрегата, соединяющего края отдельных секторов полотна при его выпуске и управляющего выпуском при помощи вытягивающих роликов. На рис.9 представлено полотно 1 в уложенном состоянии на катушки 2, установленные на корпус 3 (рис. 9 а), и в начале выпуска, когда ролики 4 соединяют и вытягивают полотно (рис. 9 б).

В диссертации приводится подробная конструктивная проработка этого агрегата.

Такая конструктивная схема агрегата раскрытия может служить базой для создания технологии автоматизированной сборки на орбите космической солнечной электростанции любой мощности. Этапы сборки следующие: уложенный на катушку сектор СБ ракетой-носителем доставляется на орбиту, робототехникой устанавливается в агрегат раскрытия, и объединяется с другими секторами в единое полотнище в процессе раскрытия. Агрегат при некоторой доработке позволяет осуществлять и обратное свертывание СБ, что может быть использовано при создании электростанций на Луне.

На рис. 10 приведена схема этапов раскрытия конструкции многокатушечным агрегатом раскрытия с «тянущими роликами».

2

Рис. 9. Конструктивная схема агрегата раскрытия полотна, состоящего из отдельных секторов, уложенных на катушки, объединяющая сектора в единое полотнище в процессе раскрытия: 1 - полотно; 2- катушки; 3-корпус; 4-вытягивающие и соединяющие ролики.

Рис. 10. Схема этапов раскрытия конструкции агрегатом раскрытия с «тянущими роликами»: а) агрегат без катушек; б) агрегат с установленными катушками; в) агрегат в начальной фазе раскрытия; г) объединение роликами соседних секторов; д) раскрытая конструкция.

В соответствии с итогами комплексного анализа и выработанной классификацией конструктивных схем агрегатов раскрытия для различных прикладных задач, рассмотрим пятую позицию классификации: - однокатушечная схема с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров для рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента

В качестве примера конструкции рассмотрим агрегат раскрытия тросовой системы, который прорабатывался в рамках Технического предложения НПО «Энергия» параллельно созданию математической модели динамики раскрытия 4-х петлевой системы. В основу разработки была поставлена задача реализации управляемой двухприводной схемы. В силу специфики тросовой намотки удалось отказаться от многокатушечной концепции агрегата раскрытия, разместив весь массив троса на одной центральной катушке, а управление 4-мя распускаемыми петлями осуществлять за счёт вращающейся относительно основной катушки рамочной конструкцией с приводом роспуска. Такое решение сильно уменьшило габариты агрегата. Важной особенностью конструкции явилась необходимость организации большого размера ведущего центра ф=20м), выявленная при математическом моделировании. Предложено использовать разматываемые с оси агрегата 4-е штанги из стальной фольги чечевицеобразного профиля, использованного ранее в разработке агрегата АВШ предприятия, а так же предполагавшихся к использованию в зарубежных каркасных вариантах солнечных парусов в конкурсе Космическая регата в 1990г.

На рис.11 представлена схема динамической тросовой рамочной антенны 0=300 м, формируемой центробежными силами для исследования генерации и распространения радиоволн ОНЧ и СНЧ диапазонов в плазме ионосферы. На рис. 12 представлена принципиальная конструктивная схема агрегата раскрытия тросовой антенны.

Рис. 11. Схема динамической тросовой рамочной антенны Э^ЗООм.

Рис. 12. Принципиальная конструктивная схема агрегата раскрытия тросовой антенны

В третьей главе обосновывается методология проведения комплексной наземной отработки агрегатов раскрытия. Описываются этапы отработки 3-х изготавленных агрегатов раскрытия различного назначения, в двух случаях доведенных до космического эксперимента.

Основной принципиальной особенностью крупногабаритных конструкций является невозможность полноразмерной наземной отработки в связи с наличием гравитации и отсутствием вакуумных камер требуемого масштаба. По этой причине наземная отработка таких изделий должна включать, помимо традиционных этапов отработки изделий ракетно-космической техники (испытаний на работоспособность, ЛОИ, КДИ и проч.), этап, отражающий специфику силового воздействия центробежных сил на элементы конструкции агрегата раскрытия. Наиболее критичными являются начальный и конечный этапы раскрытия. Имеется необходимость начального дополнительного инициирования процесса раскрытия, поскольку из-за эффекта «слёживания» гибкой оболочки, возможных технологических микрозацепов, электростатики и проч., уложенная на барабан оболочка будет сохранять первоначальную уложенную форму после снятия внешних ограничивающих связей и процесс раскрытия может не начаться.

Возможность моделирования силового воздействия на привода агрегата раскрытия в течение всего процесса раскрытия с помощью грузов на нитях связана со следующими обстоятельствами. При математическом моделировании было замечено, что результаты расчета по модели «груз на нити» практически (с точностью 30%) совпадали с расчетами для модели сплошного полотнища в случае, если масса груза равна массе полотнища, и длина нити равна радиусу полотнища. Физически это следует из того, что основная масса сектора сосредоточена на его периферии. По этой причине могут быть рассчитаны такие режимы, когда воздействие от грузов, аналогичное воздействию полотнища, может реализоваться при увеличении массы груза и уменьшении длины нити. Это открывает возможность проведения испытаний в вакуумных камерах ограниченных размеров или на воздухе

В диссертации рассматриваются программы испытаний по трем агрегатам раскрытия, конструкции которых рассматривались во 2-ой главе.

В плане подготовки к космическому эксперименту на спутнике « Можаец 4» в 2005 г. по раскрытию центробежными силами модели солнечной батареи была проведена наземная отработка агрегата раскрытия, при которой были выполнены следующие испытания: - динамические испытания;

- модельные испытания;

- испытания на функционирование при температуре ± 50°С.

Динамические испытания включали вибрационные испытания по стандартной программе с учетом требований КБ «Полет» применительно к конкретному носителю. После каждого цикла динамических воздействий проводились испытания на работоспособность агрегата раскрытия. Испытания проводились по разработанной «Программе конструкторско-доводочных испытаний (КДИ) экспериментальной СБ» с использованием следующих методик:

1. Методика испытаний на прочность при воздействии линейных ускорений.

2. Методика испытаний на прочность при воздействии вибраций.

3. Методика испытаний на прочность при воздействии ударных ускорений.

Модельные испытания проведены с целью исследования раскрытия центробежными силами модели СБ в виде двух диаметрально противоположенных грузов массой 5 г на нитях длиной по 1 м, обладающих близким моментом инерции к реальной СБ, но имеющих значительно меньшее аэродинамическое сопротивление по сравнению с реальной СБ, что позволило проводить испытания без вакуумной камеры (т.е. на воздухе). Испытания подтвердили заложенную в эксперимент «неуправляемую схему» динамики раскрытия модели СБ по заданной временной циклограмме раскрытия в диапазоне напряжений питания 16-34 В. Одновременно была выявлена необходимость дополнительного инициирования начальной стадии раскрытия и доработки конструкции полотнища. К сожалению, из-за тонкости нитей и малых размеров грузов на фотографиях этапы раскрытия отобразить не представилось возможным, но визуально спираль Архимеда, по которой раскрывались грузы, была очень хорошо видна.

Рис. 13. Прохождения испытаний агрегата раскрытия макета СБ.

Рис.14, (а). Общий вид спутника «Можаец 4» с моделью солнечной батареи, (б) Общий вид спутника «Можаец 4» в составе головного блока.

Отработка наземного прототипа агрегата раскрытия СБ включала два этапа: на функциональную работоспособность без модели полотнища солнечной батареи; на функционирование с моделью солнечной батареи. Таким образом, на первом этапе отрабатывалась собственно конструкция агрегата раскрытия. После сборки агрегата и его настройки первый этап был успешно пройден.

Для второго этапа требовалось оснащение агрегата моделью полотнища СБ. Из соображений удобства осуществления многочисленных укладок диаметр первого полотнища был выбран 1,2 м. Следует отметить, что при подготовке космического эксперимента «Знамя 2», отрабатывалось раскрытие полотнищ диаметром 1м и 5 м только в крупномасштабных вакуумных камерах по циклограмме, особенностью которой была достаточно высокая начальная угловая скорость вращения. Отработка раскрытия на воздухе полотнищ диаметром более метра по циклограмме с нулевой начальной угловой скоростью ранее не проводилась. Интерес представлял как сам факт возможности упорядоченного раскрытия из различных типов укладок, так и режимы с наименьшей затратой электроэнергии. Полотнище было изготовлено (сшито из двух кусков по диаметру) из синтетической тентовой ткани с удельной массой 110г/м2, имело круглую форму и окантовочный шов по периметру. После установки полотнища на посадочные места в агрегате раскрытия и пробных запусков оправдалось предположение, что без дополнительных грузов по периметру из-за сильного влияния аэродинамического сопротивления полотнище не раскроется при любой укладке. При введении 4-х свинцовых грузов по 32г в окантовку полотнища, отстоящих друг от друга на 90 градусов, наблюдаться устойчивое раскрытие полотнища из любых геометрически симметрично упорядоченных укладок. Проведен большой объем экспериментов по раскрытию модели солнечной батареи, позволивший набрать опыт работы с рассматриваемыми конструкциями, который в дальнейшем будет использован при создании аналогичных космических систем. Экспериментально подтвержден ряд основополагающих проектных концепций: возможность раскрытия сплошного круглого полотнища СБ по «неуправляемой» схеме; раскрытие по циклограмме с нулевой начальной угловой скоростью вращения, предпочтительной для малых и средних КА; возможность раскрытия из любых геометрически симметрично упорядоченных укладок; необходимость дополнительного инициирования начального этапа раскрытия (с помощью дополнительных периферийных грузов, или упругих проволочек, как планировалось в космическом эксперименте) На рис.15, представлен наземный прототип агрегата раскрытия СБ с уложенным и раскрытым вращающимся полотнищем.

а) б)

Рис. 15(а). Наземный прототип агрегата раскрытия, оснащенный уложенным на контейнер полотнищем, (б) - Наземный прототип агрегат раскрытия с раскрытым вращающимся

полотнищем.

Наземная отработка агрегата раскрытия отражателя (АРО) для КЭ «Знамя 2» включала два основных этапа:

- отработка работоспособности по общепринятым штатным программам и методикам, применяющимся при создании подобных образцов космической техники (виброиспытания, термоциклирование, электропрочность и т.д.);

- отработка специфических механических и динамических воздействий при разворачивании собственно пленочного отражателя.

Последний этап разделялся, в свою очередь на два подэтапа:

- изучение механики сматывания пленочно-тросовой конструкции полотна отражателя на начальном, промежуточном и конечном этапах (т.е. сход уложенного на катушку сектора БПО с тросами, узлами креплений тросов, швами материала сектора, его окантовкой и т.д.);

- исследование динамики силового воздействия центробежных сил на электроприводы в процессе разворачивания БПО (отработка динамики приводов, проведенная без самого пленочного полотна, путем его замены моделирующими грузами на нитях).

Последовательность наземной отработки АРО была такова:

1) отработка и испытания отдельных узлов, элементов электромеханики АРО на этапе изготовления;

2) лабораторно-отработочные испытания, включавшие два подэтапа отработки специфики схода пленки и ее силового воздействия на электроприводы;

3) конструкторско-доводочные испытания (после проведения всех доработок), включавшие виброиспытания, термоциклирование, электропрочность и т.д.;

4) отработка схемы управления АРО на наземном комплексе отработки (НКО).

На этапе изготовления первого образца АРО проводилась отработка основных его элементов: привода вращения барабана (ПВБ) и привода выпуска полотна (ПВП) с определением их характеристик, окончательным выбором передаточного отношения редуктора и типов электродвигателей.

На этапе ЛОИ проверялась правильность принятых конструкторских и схемных решений, проверка взаимодействия основных узлов и элементов. Проверялась работоспособность приводов АРО без выпуска полотна и с частичным (до 1 м) выпуском на воздухе.

Отметим, на всех этапах проектирования АРО рассматривался вопрос наличия распушения укладки при вакуумировании из-за остаточного воздуха в складках БПО. Выбранная укладка типа "гармошка", с радиальными ребрами, исключала возможность образования закрытых полостей в укладке и давала возможность выхода воздуха в стороны катушки.

После этапа отработки принципиального вращения катушек с пленкой был начат этап испытаний собственно сматывания секторов с катушек.

Вместо грузов для первоначального инициирования роспуска секторов было предложено использовать периферийную часть самих секторов. Наиболее рациональным было признано заматывание выпущенной части каждого сектора по спирали на основной барабан с катушками в сторону, противоположную направлению вращения в процессе раскрытия отражателя. Все сектора были связаны друг с другом по углам, и заматывание выпущенных частей в виде распушенных "гармошек" из 24-х гофров на сектор осуществлялось одновременно, после чего эта конструкция закрывалась внешними шторками.

Длина выбиралась на основе экспериментального исследования динамики разворачивания отражателя в вакуумной камере с различным размером выпущенной части полотна (0.1 м, 0.3 м, 0.5 м, 0.75 м). Особенностью роспуска являлось одновременное начало подачи следующих частей секторов, поскольку конструктивно в АРО была заложена одновременность раскрытия шторок и начала вращения катушек. Задача динамики сматывания сектора с одновременной его подачей представляла большие теоретические трудности и ранее не рассматривалась, т.к. при этом не могла быть использована проверенная модель прямолинейной сматывающейся складки. Реальное движение складки напоминало поведение "хлыста".

На основе экспериментов окончательно была выбрана длина начального распушенного участка секторов в 45-50 см, чтобы обеспечить достаточный запас для инициирования начала разворачивания полотна при проведении КЭ.

Необходимость отработки конечного этапа роспуска отражателя была связана с тем, что сектора заканчивались 4-мя тросами вантовой схемы крепления БПО к катушкам АРО. Сомнения вызывал этап схода узлов тросов в местах крепления к полотну и их дальнейшее разматывание. При проведении роспуска обрезанной модели полотна в барокамере имело место запутывание тросов на начальном этапе их схода с катушек, связанное с тем, что тонкие тросы попадали в технологические зазоры на катушках. На нескольких катушках имело место неправильное крепление тросов к ребордам катушки, явившееся следствием недосмотра при сборке. Это привело к необходимости замены тросов на более толстые (толщиной 3 мм), также было изменено количество мест их привязки к катушке с 4-х до 2-х, т. е. в одно отверстие на каждой реборде крепилось по два троса. Тем самым, снижалась вероятность перепутывания тросов при заводской сборке.

В процессе всех этапов раскрытия отражателя проводился визуальный контроль развертывания и киносъемка (рис.16). На пульте управления контролировались токи потребления электродвигателей приводов ПВБ и ПВП.

Конструкторско-доводочные испытания (КДИ) проводились на агрегате, прошедшем ЛОИ и доработанном с учетом замечаний на этом этапе. При КДИ проводились следующие испытания:

1. Проверка электрической схемы и сопротивления изоляции.

2. Проверка функционирования приводов в нормальных условиях; функционирование привода ПВП осуществлялось в ограниченном технологическом упорном угле поворота, исключающем раскрытие шторок и выпуск полотна отражателя.

3 . Испытания на имитацию транспортирования в 3-х направлениях при воздействии ударных перегрузок 9% в течение 8 мсек (6000 ударов).

4. Испытания на вибростенде с частотами от 2 до 2000 Гц.

5. Испытания на ударную стойкость в 3-х направлениях при воздействии перегрузки 40§ в

течение 3,2 мсек.

6. Испытания на ресурс в нормальных условиях ПВБ1 (БК1414) - 20 час, ПВБ2 (Д82А) - 3 мин. Все виды испытаний прошли без замечаний.

В целях подтверждения работоспособности АРО в космическом

эксперименте "Знамя-2" также были проведены динамические исследования приводов вращения барабана (ПВБ) и привода выпуска полотна (ПВП) в составе АРО.

Динамические характеристики нагрузки на АРО от реального отражателя на этапах его раскрытия имитировались с помощью грузов на нитях, выпускаемых с катушек АРО (см. рис. 17). Количество грузов равнялось количеству катушек (8 шт.). Масса одного груза составляла 2 кг и была выбрана на основе численного математического моделирования процесса раскрытия отражателя как системы грузов на нитях при выполнении условия максимального совпадения в процессе раскрытия динамических характеристик реального отражателя и модели:

Исследования проводились в барокамере при давлении 1 * 10"3 - 3*10"2 мм рт. ст. для исключения влияния газодинамического сопротивления атмосферы.

На начальном этапе испытаний была проведена проверка влияния газодинамического сопротивления атмосферы на вращение конструкции.

Проводились раскрытия системы с грузами при различных напряжениях питания. При введении в цепь питания быстроходного привода ПВБ сопротивления 10 Ом наблюдалась остановка привода ПВП сразу после его включения (при всех напряжениях > 23 В)

а) б)

Рис.16. Наземная отработка этапов раскрытия отражателя на АРО «Знамя-2» в вакуумной камере НПО «Энергия»: а) - раскрытое полотно; б) - уложенное полотно.

Только с Яд=40 Ом при напряжении питания 27±0.5В грузы достаточно плавно отходили от барабана до радиуса 1.75 м.

Угол отклонения выпускаемой нити с грузом от радиального направления определялся визуально по отклонению одной из нитей от радиальной планки. Во всех экспериментах угол не превышал 10 град.

При Кд=50 Ом была определена скорость холостого хода ПВБ в зависимости от напряжения питания: 50 - 85 об/мин для 23 -34 В.

В результате проведенных исследований была установлена возможность работы АРО во всем диапазоне напряжений питания при условии введения в цепь питания быстроходного двигателя привода ПВБ АРО (ДВ2А) добавочного сопротивления 50 Ом. Космический эксперимент «Знамя 2» по раскрытию отражателя, являвшегося моделью солнечного паруса, 04.02.1993г. был выполнен полностью по намеченной программе без нештатных ситуаций. Эксперимент проводился на ТГК «Прогресс

М» в непосредственной близости с орбитальной станцией «Мир». Осуществлялись телеметрия параметров агрегата раскрытия и видеотелесъёмка. Эксперимент подтвердил правильность проектно-конструкторских решений и методологии наземной отработки,

использованных при создании агрегата раскрытия. На рис.18 представлено фото отражателя на ТГК «Прогресс», раскрытого с помощью АРО.

Рис. 17 Стенд моделирования динамики нагружения электроприводов АРО на этапе разворачивания БПО

Рис. 18. Раскрытый агрегатом отражатель в эксперименте «Знамя-2»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных научных обоснований предложены изложенные в диссертации технические разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций и методики наземной отработки различных этапов раскрытия, обеспечивающие повышение надежности функционирования и снижение трудоемкости создания данных конструкций.

1. Выработанные общие концепции и этапы создания агрегатов раскрытия, а также классификация принципиальных схемных конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций для различных прикладных задач, показывают пути обеспечения высокой надежности их функционирования и эффективной наземной отработки.

2. Основные конструктивные решения агрегатов раскрытия для всех позиций выработанной классификации охватывают весь круг возможных прикладных задач:

однокатушечная схема с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности для солнечных батарей малых и средних КА и технологических экранов;

многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности с компенсацией кинетического момента для солнечных парусов;

однокатушечная и многокатушечная схемы с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе

раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров; - схема с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров для рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента;

3. Эффективные методы наземной отработки агрегатов раскрытия, включающей этапы отработки инициализации раскрытия и динамического воздействия центробежных сил на конструкцию агрегата, обеспечивают надежность раскрытия конструкций и их дальнейшего функционирования.

4. Эффективность разработанных конструктивных решения агрегатов раскрытия и методологии наземной отработки подтверждены наземными и орбитальными экспериментами.

Основные результаты работы отражены в публикациях:

1. Мельников В.М., Харлов Б.Н. Разработка динамической тросовой вращающейся антенны D=300-500m // Тезисы докладов научно-техничской конференции Московского Технического Университета Связи и Информатики.М., 1996г. С.48-51.

2. Melnikov, V.M., V.A. Komkov, B.N. Kharlov. Space-bazed solar power stations against energy crisis. // 56-th International Astronautical Congress (IAC2005), October 17-21,2005, Fukuoka (Japan). C.53-56.

3. Мельников B.M., Комков B.A., Харлов Б.Н. Космические солнечные электростанции против энергетического кризиса. // 5-ый Международный аэркосмический конгресс IAC-06.Москва, август 2006г.(на англ. и рус. яз.). С.22-26.

4. Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза А.И., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Итоги российско-американского проекта по формируемым центробежными силами бескаркасным космическим солнечным батареям. // И-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия , сентябрь 2006г. С.78-80.

5. Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза A.M., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Крупногабаритные тонкопленочные бескаркасные формируемые центробежными силами космические солнечные батареи для программы освоения Луны, экспедиции на Марс и трансляции энергии на Землю в противодействие энергетическому кризису. «Иформационно-управляющие системы-2006». // Юбилейная научно-техническая конференция ФГУП НПО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. Королёв (М/о),12-13 октября 2006г. С. 17-19.

6. Мельников В.М., Комков В.А, Харлов Б.Н. Солнечные батареи нового поколения для космических электростанций в проблеме энергетического кризиса и управления погодой, освоения Луны и полета на Марс. // Ш-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия , сентябрь 2007г. С.98-102

7. Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М, Харлов Б.Н. Динамика раскрытия формируемой центробежными силами конструкции космической энергосистемы с компенсацией кинетического момента. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.90-91

8. Харлов Б.Н, Комков В.А., Кабдулин Г.В., Мельников В.М. Космическая технология сборки орбитальной солнечной электростанции на базе формируемой центробежными силами бескаркасной солнечной батареи. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.91-92

9. Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов H.H., Харлов Б.Н. Солнечные пленки. //Ж. Новости космонавтики. №10.2006.С.38-39.

10. РайкуновГ.Г., Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов H.H., Харлов Б.Н. Разработка бескаркасных космических солнечных батарей нового поколения для освоения Луны и экспедиции на Марс. Конверсия в машиностроении.№1,2007.С.44-51.

11. Мельников В.М., Комков В.А., Харлов Б.Н. Бескаркасные конструкции космических солнечных энергосистем. // Международный журнал "Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем.", №2(24), т. 12, 2007, с.89-104, Казань-Дайтона Бич.(на англ. и рус. яз.)

12. Комков В.А Мельников В.М., Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами солнечные батареи // М: «Черос» ,2007,188с.

13. Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли» / Итоговый отчет по Проекту №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ). Рук. Мельников В.М.. Москва., 2006. 220с.(на англ. и рус. яз.)

14. Харлов БН., КаЗдулин ГЛ., Мельников ВМ, Комков ВА Комплексный анализ, концепции разработки и классификация афегагов рхкрьпия формируемых цалробежными силами бескарказшк космических конструкций. //3-я межцушрсдная научная конференция «Ракешо-космическая техника фундаментальные и прикладные проблемы.» (РКГ -2007).19-23 нэября2007г С.91-92.

15.Райкунов Г.Г., Никитский В.П., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Космический эксперимент по раскрытию центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную батарею с водородным циклом на ТГК «Прогресс» вблизи МКС. Наука и технологии в промышленности.№3 2008,С. 12-15.

16. Марков A.B., Сурин Д.М., Харлов Б.Н., Щербако А.Н., Никитский В.П., Мельников В.М. Подготовка космического эксперимента с бескаркасной центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную систему с водородным циклом на ТГК «Прогресс». Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2009г. С.34-36.

17. Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М.. Харлов Б.Н. Динамика управляемого раскрытия центробежными силами космических конструкций с компенсацией кинетического момента. // Журнал «Космонавтика и ракетостроение», №1(54) 2009, с. 189198

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Особенности разработки агрегатов раскрытия бескаркасных 18 формируемых центробежными силами космических конструкций.

Комплексный анализ проблемы.

1.1 Обзор проектно-конструкторских, технологических и экспериментальных работ.

1.1.1 Проектно-конструкторские работы.

1.1.2 Технологические разработки, наземные и космические эксперименты.

1.2 Комплексный анализ проблемы создания агрегатов раскрытия для различных прикладных задач.

1.2.1 Постановка задачи комплексного анализа.

1.2.2 Требования к агрегатам раскрытия, следующие из специфики прикладных задач.

1.2.2.1 Ретрансляция, связь и солнечный парус.

1.2.2.2 Отражатель для освещения отраженным солнечным светом районов Земли, солнечные батареи для космической солнечной электростанции, программ Луны и Марса.

1.2.2.3 Параболический концентратор солнечной энергии, антенны и технологические экраны.

1.2.2.4 Тросовая рамочная антенна НЧ и СНЧ диапазонов.

1.2.3 Функциональные и конструктивно-технологические требования

1.2.3.1 Дисбаланс конструкции.

1.2.3.2 Устранение волнистости поверхности.

1.2.3.3 Обеспечение укладки солнечной батареи в транспортном состоянии без критического радиуса изгиба.

1.2.3.4 Передача электроэнергии на космический аппарат.

1.2.3.5 Компенсация кинетического момента вращающейся конструкции.

1.2.4 Принципы укладки и раскрытия из уложенного состояния. Требования к укладкам, вращающему моменту и скорости роспуска

1.2.4.1 Требования к укладкам.

1.2.4.2 Упорядоченность при раскрытии различных укладок пленочных и тросовых конструкций.

1.2.4.3 Управляемое и неуправляемое раскрытие. Принципиальные схемы агрегатов раскрытия.

Актуальность работы

Важная роль крупногабаритных космических конструкций в технике будущего определяется перспективами развития энергетики на 2010-2050 г.г., где основными концепциями являются [1-4]:

- увеличение потребления электроэнергии в 2-3 раза по сравнению с современным уровнем из-за роста населения на планете и роста энергопотребления на душу населения в основном за счет развития третьих стран;

- снижение использования нефти, газа и угля из-за ограниченности запасов и экологических последствий;

- снижение использования атомных электростанций в связи с трудностями утилизации ядерных отходов, возможностью крупномасштабных аварий с тяжёлыми экологическими последствиями, тепловым воздействием на окружающую среду;

- вынесение энергоёмких и экологически вредных производств на околоземные орбиты и поверхность Луны;

- широкое использование практически бесконечных запасов солнечной энергии путем создания солнечных электростанций, солнечных концентраторов и отражателей космического базирования как для обслуживания производства в космосе, так и для передачи энергии на Землю.

Поисковые работы по обоснованию наиболее целесообразных областей применения космических крупногабаритных конструкций и определению их конструктивного облика были начаты в СССР в начале 80-х годов прошлого века в рамках государственных научно-исследовательских тем. Был проведен сравнительный анализ по массогабаритным характеристикам, стоимости разработки и изготовления, возможностям укладки в транспортное состояние и эффективности целевого использования следующих конструкций: различного вида каркасных, бескаркасных формируемых центробежными силами, надувных и формируемых электростатическими силами конструкций. По комплексу определяющих проектных параметров и возможностям приложений наиболее перспективными были признаны бескаркасные формируемые центробежными силами конструкции, отличающиеся от каркасных аналогов рядом важных преимуществ: низкая стоимость и масса из-за отсутствия каркаса, возможность укладки в малый объем при транспортировке и автоматическое развертывание на орбите при малых энергозатратах, приемлемая точность поверхности, возможность переориентации на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, возможность эффективной наземной отработки и проч. В рамках темы «Знамя» (1988-1994г.г.) были осуществлены подготовка и проведение космического эксперимента для подтверждения расчетных методик и конструктивных принципов, закладываемых в проекты перспективных систем, а также для отработки формируемых центробежными силами конструкций и набору опыта их создания. Впервые в мире 04.02.93 на транспоргно-грузовом корабле "Прогресс" рядом с орбитальной станцией «Мир» был развернут в космосе макет плёночной конструкции солнечного паруса диаметром 20м (космический эксперимент "Знамя 2") [5] и проведен манёвр по переориентации конструкции в пространстве. В эксперименте была осуществлена задача использования конструкции в качестве отражателя солнечного света с орбиты на Землю. Эксперимент подтвердил заложенные в него проектно-конструкгорские решения и перспективность данного направления, продемонстрировав техническую реальность проектов крупномасштабных систем в приложении к широкому кругу актуальных прикладных задач, таких как:

- создание эффективных солнечных батарей для крупномасштабных космических солнечных электростанций, транслирующих энергию на Землю в СВЧ диапазоне в проблеме энергетического кризиса и стабилизации погоды;

- создание эффективных солнечных батарей на малых и средних спутниках, в энергосистеме Марсианской миссии и при освоении Луны, где требуются масштабные электростанции, эксплуатирующиеся в условиях глубокого вакуума и пониженной гравитации, требующие возможности мобильного раскрытия и свертывания при изменении дислокации и ремонте.

- создание пассивных ретрансляторов для теле- радио связи;

- создание отражателей для освещение районов Земли отраженным с орбиты солнечным светом (городов и промышленных районов Заполярья, мест катастроф и проч.);

- создание отражателей солнечного света с орбиты для управления погодой в локальном регионе, влияния на урожайность в районах производства сельскохозяйственной и лесной продукции, а также морепродуктов;

- создание крупномасштабных экранов для очистки космоса от технологических осколков;

- создание солнечных парусов для межпланетных перелетов;

- создание НЧ и СЫЧ рамочных антенн для исследования ионосферы, залежей полезных ископаемых и связи с глубоководными аппаратами;

- создание параболических концентраторов и радиоантенн;

- создание технологических орбитальных экранов для получения сверхвысокого вакуума в новых космических технологиях.

Если 40-50 лет назад усилия в космической технике, в основном, были направлены на увеличение массы выводимого на орбиту полезного груза, то в настоящее время к изделиям космической техники предъявляются требования минимальных затрат на создание образцов новой техники при максимальной эффективности для решения важнейших народнохозяйственных и научных задач. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают крупногабаритные космические конструкции, формируемые центробежными силами.

В авиации создание вертолетов было начато практически одновременно с началом создания крылатых аппаратов. В космической технике создание вращающихся конструкций только начинается и может в значительной мере удешевить и повысить эффективность решения многих задач.

Создание конструкций площадью порядка нескольких гектаров и управление положением их в пространстве является сложной научно-технической задачей, не имеющей аналогов в наземной и космической технике и требующей для своего эффективного решения нетрадиционных подходов.

Для вышеуказанных прикладных задач формируемые центробежными силами конструкции имеют конструктивные особенности, вытекающие из специфики решаемой прикладной задачи и необходимых для этого точностями поверхности системы и её ориентации в пространстве, которые в свою очередь определяют особенности конструкций агрегатов их раскрытия.

Актуальной проблемой является создание прикладных методов проектно-конструкторской разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций, учитывающих специфику, особенности и ограничения, связанные с использованием этих конструкций для различных прикладных задач в космосе.

Объект исследований - формируемые центробежными силами космические конструкции, методы проектирования и конструирования раскрывающихся в космосе объектов.

Предмет исследований и разработок — методика разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами комических конструкций. Цель работы - повышение надежности функционирования и снижение трудоемкости создания агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций.

Достижение поставленной цели диссертационной работы осуществлено путем научно обоснованных технических разработок агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций солнечных батарей, отражателей, рамочных СНЧ антенн и других объектов и методики наземной отработки различных этапов раскрытия.

Методика исследования включает методы комплексного системного анализа, математического моделирования, наземных и орбитальных экспериментов. На защиту выносятся следующие научно обоснованные технические разработки:

- однокатушечная схема агрегата раскрытия малых и средних космических солнечных батарей и технологических экранов с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности; многокатушечная схема агрегата раскрытия солнечных парусов с управляемым раскрытием многосекторной поверхности;

- однокатушечная схема агрегата раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров; однокатушечная и многокатушечная схемы агрегатов раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;

- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных космических конструкций, формируемых центробежными силами.

Научная новизна представленных технических разработок состоит в следующем:

- агрегат раскрытия малых и средних космических солнечных батарей и технологических экранов отличается однокатушечной схемой с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности;

- агрегат раскрытия солнечных парусов отличается многокатушечной схемой с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и компенсацией кинетического момента;

- агрегат раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента отличается однокатушечной схемой тросовой системы размерностью несколько сотен метров;

- агрегат раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров отличается однокатушечной и многокатушечной схемами в зависимости от масштаба конструкции с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;

- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных космических конструкций, формируемых центробежными силами, отличается проведением специальных дополнительных испытаний: проверки инициализации раскрытия и проверки динамического воздействия раскрываемого полотна на агрегат на различных этапах раскрытия.

Научное обоснование полученных результатов обеспечено следующим:

1. Проведением комплексного системного анализа особенностей прикладных задач и определяемых ими требований к агрегатам раскрытия космических конструкций с учетом функционально-технологических возможностей современной космической техники;

2. Разработкой общих концепций, этапов создания, основных принципиальных конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций;

3. Выработкой классификации принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций в привязке к различным прикладным задачам,

4. Выбором рациональных конструкций гибких полотнищ, схем укладки, обеспечивающих плавное, упорядоченное (без ударов, колебаний, запутывания, потери геометрической симметрии), управляемое на всех стадиях раскрытие из уложенного (транспортного) состояния и требуемую форму раскрытого полотнища;

5. Разработкой методики обеспечения динамики управляемого раскрытия техническими средствами (электроприводами, обгонными или моментными муфтами, элементами начального инициирования) с компенсацией кинетического момента;

6. Выработкой требований к технологии изготовления и укладки пленочных полотнищ;

7. Выбором рациональных схем крепления и намотки для тросовых элементов конструкций и для тросовых конструкций в целом (антенны, маховики), обеспечение динамики их управляемого раскрытия и невозможности запутывания;

8. Разработкой рациональной увязки агрегата раскрытия формируемой центробежными силами конструкции с традиционными системами КА.

Достоверность полученных результатов подтверждена опытом проектирования различных агрегатов раскрытия космических конструкций, опробована наземной отработкой 3-х агрегатов раскрытия (для экспериментов «Знамя-2», «Знамя-2,5» для малого спутника «Можаец 4»), функционированием наземного прототипа агрегата раскрытия, успешным проведением космического эксперимента «Знамя-2».

Научная значимость полученных результатов состоит в развитии методов проектирования и конструирования агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций с учетом специфики, особенностей и ограничений, связанных с использованием этих конструкций для решения таких актуальных задач, как создание космических солнечных электростанций, солнечных батарей космических аппаратов, рамочных СНЧ антенн и др. Практическая значимость полученных результатов состоит в создании проектно-конструкторской базы разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций для эффективного решения широкого круга перспективных прикладных задач.

Внедрение полученных результатов обеспечивает повышение надежности функционирования агрегатов раскрытия космических конструкций и снижение трудоемкости их создания путем использования наиболее оптимальных проектно-конструкторских решений.

В частности, эффективность предложенных технических разработок подтверждается их сопоставлением с техническими решениями, предложенными в проекте «Гелиоротор» - космическом аппарате, предназначенным для полета к комете Галлея. Аппарат представляет собой солнечный парус, выполненный в виде 8-и лент шириной 8 м и длиной 7500 м из алюминизированной пленки, натягиваемой на титановый каркас. Раскрытие конструкции планировалось путем вращения сначала за счет плазменных двигателей, а затем за счет солнечного давления. Тем же способом предполагалось поддерживать форму в течение всего полета. Основным недостатком проекта является невозможность сохранения одинакового угла наклона поверхности лопасти к солнечным лучам на очень большой длине нежесткой конструкции лопасти и короблении ее поверхности при нагреве из-за технологических неоднородностей пленки, что делает процесс раскрытия и дальнейшего поддержания формы лопасти неопределенным. В представленных технических разработках для раскрытия использован электромеханический привод на базе двигателя с падающей механической характеристикой, что обеспечивает плавное, упорядоченное, управляемое на всех стадиях раскрытие. Внедрение результатов работы.

Разработанный автором многокатушечный агрегат раскрытия отражателя был изготовлен, прошел комплекс наземной отработки и соответствующей приёмки и использовался при подготовке и проведении космического эксперимента «Знамя-2» на борту ТГК «Прогресс» вблизи орбитальной станции «Мир» (04.02.1993г) в рамках темы ОКР «Знамя» MOM, проводимой в РКК «Энергия» им. С.П.Королёва. Аналогичный агрегат раскрытия использовался при повторении эксперимента на борту ТГК «Прогресс» в 1999г. Однокатушечный агрегат раскрытия модели солнечной батареи использовался при подготовке и проведении космического эксперимента на спутнике I

Можаец - 4» (выведен на орбиту высотой 1000 км 28.10.2005г) в рамках проекта №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ)

Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли». Созданный наземный прототип агрегата раскрытия солнечной батареи использовался для исследований динамики раскрытия различных укладок в проекте №2620 МНТЦ и используется в учебном процессе на кафедре «Теория механизмов и машин» МАИ.

В . дальнейшем разработанные общие концепции и этапы создания, классификация принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций, а так же методика их эффективной наземной отработки могут использоваться предприятиями отрасли для широкого круга перспективных прикладных задач. Апробация работы. Этапы работы представлялись на 9 конференциях и конгрессах, в том числе 5 международных:

• Научно-техническая конференция, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, 1996.

• 56-ой международный конгресс по астронавтике (IAC2005), NASA, ЕКА, JAXA и др., г. Фукуока (Япония), 2005.

• 5-ый Международный аэрокосмический конгресс IAC-06, РАКА и др., г. Москва, 2006.

• И-я и Ш-я Международные научно-техническая конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Академия инженерных наук им. A.M. Прохорова (АИН РФ) и др., Абхазия, 2006, 2007.

• Юбилейная научно-техническая конференция «Информационно-управляющие системы-2006», ФГУП «НПО измерительной техники», Королев М.О., 2006.

• 3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (РКТ-2007), МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2007.

• Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2008.

• Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2009.

Все конструкции агрегатов раскрытия разрабатывались автором в рамках участия в подготовке и выпуске ряда Технических предлоэ/сений и Эскизных проектов РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, а также в одном международном проекте.

Основные результаты работы отражены в публикациях:

1. Мельников В.М., Харлов Б.Н. Разработка динамической тросовой вращающейся антенны D=300-500m // Тезисы докладов научно-техничской конференции Московского Технического Университета Связи и Информатики.М., 1996г. С.48-51.

2. Melnikov, V.M., V.A. Komkov, B.N. Kharlov. Space-bazed solar power stations against energy crisis. // 56-th International Astronautical Congress (IAC2005), October 17-21,2005, Fukuoka (Japan). C.53-56.

3. Мельников B.M., Комков В.А., Харлов Б.Н. Космические солнечные электростанции против энергетического кризиса. // 5-ый Международный аэркосмический конгресс IAC-06.Москва, август 2006г.(на англ. и рус. яз.). С.22-26.

4. Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза А.И., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Итоги российско-американского проекта по формируемым центробежными силами бескаркасным космическим солнечным батареям. // П-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия, сентябрь 2006г. С.78-80.

5. Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза А.И., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Крупногабаритные тонкопленочные бескаркасные формируемые центробежными силами космические солнечные батареи для программы освоения Луны, экспедиции на Марс и трансляции энергии на Землю в противодействие энергетическому кризису. «Иформационно-управляющие системы-2006». // Юбилейная научно-техническая конференция ФГУП НПО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. Королёв (М/о), 12-13 октября 2006г. С. 17-19.

6. Мельников В.М., Комков В.А, Харлов Б.Н Солнечные батареи нового поколения для космических электростанций в проблеме энергетического кризиса и управления погодой, освоения Луны и полета на Марс. // Ш-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия, сентябрь 2007г. С.98-102

7. Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М, Харлов Б.Н. Динамика раскрытия формируемой центробежными силами конструкции космической энергосистемы с компенсацией кинетического момента. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.90-91

8. Харлов Б.Н., Комков В.А., Кабдулин Г.В., Мельников В.М. Космическая технология сборки орбитальной солнечной электростанции на базе формируемой центробежными силами бескаркасной солнечной батареи. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.91-92

9. Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов H.H., Харлов Б.Н Солнечные пленки. // Ж. Новости космонавтики. №10.2006.С.38-39.

10. РайкуновГ.Г., Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов H.H., Харлов Б.Н. Разработка бескаркасных космических солнечных батарей нового поколения для освоения Луны и экспедиции на Марс. Конверсия в машиностроении.№1, 2007.С.44-51.

11. Мельников В.М., Комков В.А., Харлов Б.Н. Бескаркасные конструкции космических солнечных энергосистем. // Международный журнал "Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем.", №2(24), т. 12, 2007, с.89-104, Казань-Дайтона Бич.(на англ. и рус. яз.)

12. Комков В.А Мельников В.М., Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами солнечные батареи //М: «Черос» ,2007,188с.

13. Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли» / Итоговый отчет по Проекту №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ). Рук. Мельников В.М. Москва., 2006.220с.(на англ. и рус. яз.)

14. Харлов Б.Н., Кабдулин Г.В., Мельников В.М., Комков В.А. Комплексный анализ, концепции разработки и классификация агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами бескаркасных космических конструкций. //3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы.» (РКТ - 2007). 19-23 ноября 2007г С.91-92.

15.Райкунов Г.Г., Никитский В.П., Мельников В.М., Харлов Б.Н Космический эксперимент по раскрытию центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную батарею с водородным циклом на 11К «Прогресс» вблизи МКС. Наука и технологии в промышленности.№3 2008,С.12-15.

16. Марков А.В., Сурин Д.М., Харлов Б.Н., Щербаков, Никитский В.П., Мельников В.М. Подготовка космического эксперимента с бескаркасной центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную систему с водородным циклом на ТГК «Прогресс». Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2009г. С.34-36.

17. Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М. Харлов Б.Н Динамика управляемого раскрытия центробежными силами космических конструкций с компенсацией кинетического момента. // Журнал «Космонавтика и ракетостроение», №1(54) 2009, с. 189-198

Представленные в диссертации материалы вошли в следующие проектно-конструкторские работы: [12,13,31,32].

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, 2-х приложений, выводов и списка использованной литературы. Общий объем 144 стр.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях: [43-58].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных научных обоснований предложены изложенные в диссертации технические разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций и методики наземной отработки различных этапов раскрытия, обеспечивающие повышение надежности функционирования и снижение трудоемкости создания данных конструкций.

1. Выработанные общие концепции и этапы создания агрегатов раскрытия, а также классификация принципиальных схемных конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций для различных прикладных задач, показывают пути обеспечения высокой надежности их функционирования и эффективной наземной отработки.

2. Основные конструктивные решения агрегатов раскрытия для всех позиций выработанной классификации охватывают весь круг возможных прикладных задач:

- однокатушечная схема с неуправляемым раскрытием сплошной поверхности для солнечных батарей малых и средних КА и технологических экранов;

- многокатушечная схема с управляемым раскрытием многосекторной поверхности с компенсацией кинетического момента для солнечных парусов;

- однокатушечная и многокатушечная схемы с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия для крупномасштабных солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров;

- схема с управляемым раскрытием тросовой системы размерностью несколько сотен метров для рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента;

3. Эффективные методы наземной отработки агрегатов раскрытия, включающей этапы отработки инициализации раскрытия и динамического воздействия центробежных сил на конструкцию агрегата, обеспечивают надежность раскрытия конструкций и их дальнейшего функционирования.

4. Эффективность разработанных конструктивных решения агрегатов раскрытия и методологии наземной отработки подтверждены наземными и орбитальными экспериментами.

1. Семенов Ю.П. Соколов Б.А, Сенкевич В.П., Комков ВЛ, Мельников В.М., Каган М.Б. Перспективы большой космической энергетики // Ж. Конверсия в машиностроении. 6/2002. С.11-16.

2. Районов Г.Г., Сенкевич В.П., Мельников В.М., Комков ВЛ, Добрачев Ю.П. Влияние на погоду космическими средствами//Ж. Конверсия в машиностроении. 2/2003. С.9-13.

3. Мельников В.М, Комков ВЛ Энергетический кризис и космонавтика // Ж Полет -М.: Машиностроние. №9 2004.С.18-22.

4. Банке ВЛ, Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. // -М.: Машиностроение, 1990.-144с.

5. Космический эксперимент по развертыванию пленочного бескаркасного отражателя D=20 м ("Знамя 2") / Семенов ЮН, Бранец В.Н., Григорьев Ю.И., Кошелев ВЛ., Мельников ВМ., Сыромятников B.C.//Космические исследования. -1994. T.32,N4-5. - С.186-193.

6. Полякова Е.Н. Космический полет с солнечным парусом. // -М: Наука.1986.-304с.

7. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты М.: Наука, 1984.-216с.

8. РезниковГ.Б. Антенны летательных аппаратов. // М.: Советское рацио. 1967- 416 с.

9. Реальные возможности полета с солнечным парусом: Экспресс-информация /Л.Фридман,

10. B.Каррол, РГолдслэйн и др. // Астронавтика и ракетодинамика.-М: ВИНИИТИ, 1978.- N38.1. C.43-58.

11. Wright J.L Space Sailing. Gordon and Breach Science Publishers. Amsterdam, 1992,200 p.

12. Блок отражателя: Эскизный проект / п/я В-8216; Отв. исполн. Семов ОН. // -374225.008ЛЗ.- Ташкент, 1985. -116 е.,

13. Научная аппаратура для эксперимента по созданию формируемого центробежными силами бескаркасного пленочного отражателя. / Эскизный проект // НПО "Энергия"; П28691-782-Калининград (М.О.), 1990. 335 с.

14. Научная аппаратура для космического эксперимента "Знамя 2" по раскрытию и управлению пленочного бескаркасного отражателя D=25 м. / Эскизный проект НПО "Энергия"; П5856-782. Калининград (М.О.), 1990. - Кн.70.- 222 с.

15. Patent 2486722 (France), HOIQ 15/20. Reflecteur d'antenne déployable/ Nationale industrielle aerospatiale. -1980.

16. Солнечный парусный корабль: Эскизный проект / НПО "Энергия", Консорциум "Космическая регата"; Руководитель Сыромятников В. С. СГЖ-ООО-О. Калининград (М.О.), 1990.-Т. 1-21,-2686с.

17. Патент РФ 1758988 МКИ В64В1 /40. Космический аппарат с солнечным парусом / Сыромятников B.C., Мельников ВМ. и др. -1989. -д. с. п.

18. Технические предложения по конструкции солнечного паруса / ЦНИИПСК; Руководитель Гвамичава А. С.-93-4-89-М, М, 1989.-192с.

19. HeissiCColumbus 500 Space Sail Cup // Solar-Sail Woik shop, DLR. Kolu-Poiz, Mai, 1993.

20. Prado J.Y. Solar Sailing and Earth Moon Race// IntAerospace Symp. 90, Nagoya (Japan), 1990-P.32-41

21. Norvart I., Carrol KA. The Canadian Solar Sail Project // Conf. on Astronáuticas, 6-th. Ottava (Canada), 1990.-P. 11-16.

22. Исследование возможности создания и укладки крупногабаритных плоских отражателей: Отчет о НИР по теме "Знамя"/ ДКБА МАП; Отв. исполн. ТатарниковаЫН.- N ГР 621039537; инв. M17619. -Долгопрудный МО., 1990. -117 с.

23. Система освещения приполярных районов с помощью космических переотражателей: Отчет о НИР по теме "Лампа" / НПО "Энергия" , Консорциум "Космическая регата"; Руководитель Кошелев В. А. ГРУ46188; инв. N 321. -Калининград (М.О.), 1991,- 157 с.

24. Система освещения с орбиты приполярных городов (тема "Лампа"): Технические предложения/НПО "Энергия", НИИТП; Руководитель Семенов В. Ф. -инв. N1558. М., 1992. -217 с.

25. Melnikov V. M, Koshelev V. A. Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces. // Gordon and Breach Science Publishers. Amsterdam, 1998,157p.

26. Патент РФ 2200115.Солнечная батарея космического аппарата. / Бранец HB., Вовк AB., Железняков АР., Легостаев ВН., Мельников В М., Семенов ЮЛ, Соколов Б А. 2003.

27. Комков В А., Мельников В.М, Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами солнечные батареи // -М.: «Черос», 2007,188с,илл.

28. Исследование прочности и надежности электроприводов: Отчет о НИР по теме 24600 /Моск. авиац. ин-г, Руководитель Рощин Г.И №>Х63852; НВ.1Ч Д56348. -М., 1989. 86 с.

29. Экспериментальная система генерации НЧ электромагнитного излучения на базе ТГК "Прогресс-М" с использованием динамической тросовой антенны (ДТА) диаметром 300 мУ Технические предложения. РКК "Энергия"; П32 139-782. Калининград (МО.), 1994. -123 с.

30. Копик А. «Можаец» не отделился от «Космос-ЗМ». // Ж. Новости космонавтики. №12 2005.С43-47.

31. Мельников В.М., Натют ВЛ СВЧ вместо тоководов солнечной батареи Марсианской миссии для прямой накачки плазменного двигателя. // Ж. Наука и технология в России. N2-3,2004, с. 17-19.

32. Исследование динамики вращающихся деформируемых систем; Отчет о НИР по теме23—3/86 / Запорожский индустриальный институт, Руководитель Пруденко H.H.- МГР 01860080342; инв. N02880056087.- Запорожье, 1988. 285 с.

33. A.c. N1697374 (СССР)МКИ В65Н 45/00. Устройство для развертывания полоша / Кошелев В А, Мельников В М., Сыромятников B.C. и др.-1990д.с.п.

34. Положительное решение от 17.06.88 по заявке 4340194-31-12 на ас. СССР, МКИ В65Н45/00. Способ складывания изделий круговой формы/ Кузнецов ЮЛ., Пруденко ILH, Кошелев В А и др. (СССР).- Заявл. 8.12.87.

35. A.c. N1713221 (СССР) МКИ 5В64 1/22. Крупногабаритная плоская пленочная конструкция космического аппарата и способ ее укладки и развертывания на орбите / Дементьев ПЛ., Мельницков ВМ, Сыромятников B.C. и др.-1989.-д.сл.

36. Патон Б.Е., Лебедев В.К Электрооборудование для дуговой шлаковой сварки, // -М. Машиностроение, 1966. -357 с

37. A.c. N1655072 (СССР) МКИ В65Н 45/00. Устройство для развертывания в космосе мягкого полотна/ Кошелев В А, Мельников В М., Пруденко К Н. и др.-1989.-д.с.п.

38. Пленочная солнечная батарея (СБ) из аморфного кремния на мощность 60 кВт, формируемая центробежными силами. // Техническое предложение. РКК «Энергия» П 36369051. г. Королёв (МО.). 2003.29с.

39. Глобальная Система Космической Связи. Техническое предложение. // РКК «Энергия» г. Королёв (М.О.). 2003.298с.

40. Мельников В.М, Харлов Б.Н. Разработка динамической тросовой вращающейся антенны D=300-500m. // Тезисы докладов научно-техничской конференции Московского Технического Университета Связи и Информатики. М, 1996г.

41. Melnikov V.M, Komkov VA, Kharlov B.N. Space-bazed solar power stations against energy crisis. 56-th International Astronautical Congress ( IAC2005), October 17-21,2005, Fukuoka (Japan).

42. Мельников В.М, Комков В А, Харлов Б.Н. Космические солнечные электростанции против энергетического кризиса // 5-ый Международный аэрокосмический конгресс IAC-06. Москва август 2006г. (на англ. и рус. яз.)

43. Кабдулин Г.В., Комков ВА., Мельников В.М, Харлов КН. Динамика раскрытая формируемой центробежными силами конструкции космической энергосистемы с компенсацией кинетического момента. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г.

44. Мельников В.М, Комков В А., Рембеза A.M., Иванов H.H., Харлов Б.Н. Солнечные пленки. // Ж. Новости космонавтики. №102006.038-39.

45. Райкунов ГГ., Мельников В.М, Комков ВА., Рембеза А.И., Иванов H.H., Харлов Б.Н. Разработка бескаркасных космических солнечных батарей нового поколения для освоения Луны и экспедиции на Марс. // Ж. Конверсия в машиностроении. №1,2007. С.44-51.

46. Комков ВА Мельников В.М, Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами солнечные батареи //М: «Черос» ,2007,188с.

47. Кабдулин Г.В., Комков ВА, Мельников В.М. Харлов Б.Н. Динамика управляемого раскрытая центробежными силами космических конструкций с компенсацией кинетического момента. //Журнал «Космонавтика и ракетостроение», №1(54) 2009, с. 189-198