автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Исследование динамики космического аппарата с активным демпфером на основе материала с памятью формы

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ ЗАДАЧИ ДЕМПФИРОВАНИЯ УПРУГИХ

КОЛЕБАНИЙ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ИНФОРМАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

1.1. Влияние упругих колебаний конструкции КА на выполнение целевой задачи.

1.2. Активное демпфирование колебаний упругих КА.

1.2.1. Реактивные исполнительные органы.

1.2.2. Инерционные исполнительные органы.

1.2.3. Механические приводы на основе пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов.

1.2.4. Управление жесткостью конструкции.'.

1.2.5. Механические приводы на основе материалов с памятью формы.

1.3. Постановка задачи исследования.

Выводы по первой главе.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ УПРУГОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С АКТИВНЫМ ДЕМПФИРОВАНИЕМ.

2.1. Модель движения космического аппарата относительно центра масс.

2.2. Момент, создаваемый активным демпфером на основе металла с памятью формы.

Выводы по второй главе.

3. АКТИВНЫЙ ДЕМПФЕР НА ОСНОВЕ СИЛОВОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ МЕТАЛЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ.

3.1. Эффект памяти формы в металлах и его особенности.

3.2. Вариант технической реализации активного демпфера на основе металла с памятью формы.

3.2.1. Основная идея демпфера.

3.2.2. Принципиальная схема демпфера.

3.2.3. Структурная схема системы активного демпфирования.

3.2.4. Алгоритм функционирования системы активного демпфирования.

3.3. Исследование динамических характеристик образцов силовых элементов из никелида титана.

3.3.1. Установка для динамических испытаний образцов из никелида титана.

3.3.2. Экспериментальное определение зависимости длительности цикла "укорочение -удлинение" образцов из никелида титана от различных факторов.

3.4. Феноменологическая модель силового элемента активного демпфера.

3.5. Экспериментальная проверка работоспособности демпфера.

3.5.1. Экспериментальная установка.

3.5.2. Конструкция активного демпфера.

3.5.3. Результаты экспериментальных исследований.'.

Выводы по третьей главе.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ЦЕНТРА МАСС СИСТЕМЫ "УПРУГИЙ КА - АКТИВНЫЙ ДЕМПФЕР".

4.1. Программа математического моделирования переходных процессов по углу тангажа упругого ка.

4.2. Расчет собственных форм и частот колебаний панелей солнечных батарей.

4.2.1. Математическое обеспечение расчета собственных форм и частот свободных изгибных колебаний ПСБ.

4.2.2. Описание программы расчета собственных форм и частот свободных изгибных колебаний ПСБ.

4.2.3. Подготовка исходных данных для расчета.

4.2.4. Результаты расчета частот собственных колебаний и коэффициентов инерционной связи для первой и второй гармоник колебаний ПСБ.

4.3. Результаты моделирования и выбор параметров активного демпфера.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность работы. В последние годы все большее развитие получают разнообразные космические системы, предназначенные для народного хозяйства. Среди них одно из ведущих мест занимают системы исследования природных ресурсов Земли, наблюдения за земной поверхностью в интересах метеорологии и охраны окружающей среды, средств связи, телевидения и навигации. В подобных системах космический аппарат (КА) является либо отправителем сообщения, либо техническим средством канала связи, вариации параметров движения которого представляют собой источники помех. Кроме того, постоянно возрастают требования к пространственному разрешению аппаратуры наблюдения и к точности положения элементов радиотехнических систем КА относительно базовых систем координат. Поэтому в ходе проектирования космических информационных систем приходится уделять все большее внимание проблеме обеспечения требуемой динамики КА как элементов таких систем.

В настоящее время одной из актуальных проблем космической техники стал фактор упругости конструкции КА. Космический аппарат, снабженный упругими элементами конструкции типа панелей солнечных батарей (ПСБ), антенных устройств, различных выносных платформ и т.д., является системой со слабым внутренним рассеянием энергии, что приводит к длительным переходным процессам в каналах управления. Таким образом, возбуждающиеся после динамических операций, связанных с переориентацией КА или отдельных его элементов, от работы механизмов, упругие колебания конструкции вносят существенные помехи в информацию, циркулирующую внутри космической информационной системы. Даже при достаточно малых амплитудах эти колебания могут значительно снижать качество и ценность этой информации и затруднять ее использование. Так в оптических системах колебания конструкции КА могут приводить к смазу изображения и снижению разрешающей способности, а значит и информативности; в радиотехнических системах - к снижению уровня полезного сигнала. Поэтому встает проблема улучшения качества движения самого космического аппарата путем подавления различными способами упругих колебаний конструкции, а также проблема улучшения качества информации за счет специальной ее обработки.

Основными способами достижения требуемой динамики упругого КА, реализуемых, комплексно или отдельно, являются: принятие конструктивно - компоновочных решений, обеспечивающих минимальное влияние упругих колебаний конструкции и ее совместимость с характеристиками информационной системы; разработка соответствующего управления, которое не возбуждает упругих колебаний конструкции или возбуждает в меньшей степени путем более плавного перевода системы из одного положения в другое или путем эффективного их гашения (централизованное управление); разработка конструкций с высоким уровнем собственного конструкционного демпфирования или введение в конструкцию энергопоглащающих элементов (пассивное демпфирование упругих колебаний); введение в систему управления движением дополнительных контуров управления положением и формой или жесткостью упругой конструкции (активное демпфирование упругих колебаний, децентрализованное управление).

Последний способ наиболее перспективен для использования в крупногабаритных нежестких конструкциях с низкими и сверхнизкими частотами собственных упругих колебаний, для гашения которых пассивные методы демпфирования неэффективны. Настоящая диссертация посвящена проблеме формирования динамики упругих КА именно путем введения в систему управления специальных демпфирующих устройств, функционирующих на основе эффекта памяти формы в сплавах.

Теоретические и экспериментальные разработки методов активного демпфирования упругих колебаний КА наиболее широко начались в 70-80-е годы. Наиболее часто в них предлагается использовать для создания необходимого усилия демпфирования специальные материалы, такие как, например, пьезоелектрики и магнитострикционные материалы, меняющие свои геометрические размеры под действием различных физических факторов. Одними из первых были работы Swigert и Forward /17, 18/ по использованию пьезоэлектрических устройств, закрепленных непосредственно на конструкции. В дальнейшем наиболее интенсивно развивалась тема использования встроенных пьезоэлектрических и магнитострикционных элементов для демпфирования упругих колебаний крупногабаритных композиционных панелей, оболочек и параболических антенн в работах Crawley и Luis /19, 20/, Crawley и Anderson /22/, Kokonis /25, 26/ и др. В работах Takahara /29/, Hagwood и Crawley /31/ и др. проводятся также исследования возможности применения пьезоприводов для управления формой и активного демпфирования колебаний ферменных конструкций. Исследований по применению материалов с памятью формы для активного демпфирования в настоящее время значительно меньше. Одной из первых работ по применению эффекта памяти формы для активного подавления упругих колебаний КА является /36/. Rodgers и др. /38, 39/ Liang /40/ и др. проведены теоретические и экспериментальные исследования по использованию сплавов с памятью формы в подкрепленных композитах для управления динамическим откликом конструкции посредством изменения жесткости при нагреве активных элементов.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке математической модели динамики КА с локально-автономным активным демпфером, а также в разработке математической модели самого активного демпфера с силовым элементом из материала с памятью формы, что позволяет, используя эти модели на этапе эскизного проектирования КА, обоснованно подходить к проблеме формирования динамических свойств аппарата и определять рациональные параметры демпфирующих устройств, совместимых с параметрами упругой конструкции КА;

- в получении путем математического моделирования новых результатов по анализу динамики КА с локально-автономным активным демпфером, подтверждающих работоспособность демпфера на основе материала с памятью формы;

- в разработке принципиальной схемы активного демпфера с двумя силовыми элементами из материала с памятью формы, использующей принцип взаимной компенсации силовых элементов, работающих на одинаковое по знаку механическое напряжение;

- в экспериментальном определении динамических характеристик силовых элементов активных демпферов, выполненных из материала с памятью формы никелид титана, и в разработке на этой основе нового способа активного демпфирования упругих колебаний нежесткой конструкции космических аппаратов, обеспечивающего требуемую собственную динамику КА в движении относительно центра масс;

- в экспериментальной проверке эффективности применения в демпфере упругих колебаний КА силового элемента из материала с памятью формы, проведенной на специально разработанной установке, имитирующей упругую конструкцию космического аппарата.

Практическая ценность работы заключается в следующем: разработано программное обеспечение для проведения полного комплекса моделирования динамики упругого КА с активным демпфером указанного выше типа, позволяющее в процессе эскизного проектирования КА обоснованно формировать требуемые динамические свойства аппарата; экспериментально определено влияние различных физических факторов внешней среды на частоту циклического обратимого изменения линейных размеров силового элемента демпфера из материала с памятью формы, что позволило определить пути существенного повышения быстродействия активного демпфера и расширения диапазона его применения для обеспечения требуемой динамики КА; определен диапазон собственных частот упругих колебаний КА, в котором возможно их эффективное подавление активным демпфером с силовым элементом из материала с памятью формы; разработана конструктивная схема активного демпфера с силовым элементом из материала с памятью формы; создан макетный образец демпфера, разработана и построена специальная установка для экспериментальной проверки работоспособности демпфера; проведены широкие экспериментальные исследования эффективности демпфера в условиях вариации проектных параметров, показавшие устойчивую работу демпфера на различных режимах его эксплуатации.

Целью работы является анализ динамики упругого космического аппарата информационного назначения с активным демпфером на основе материала с памятью формы и исследование эффективности подавления упругих колебаний при различных значениях параметров демпфера.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. В главе 1 диссертации дано описание проблемы нежесткости КА и основных способов достижения требуемых динамических свойств космических конструкций, раскрыта актуальность разработки методов активного демпфирования колебаний конструкции КА информационного назначения. В главе также приведен обзор разрабатываемых в настоящее время способов активного демпфирования упругих колебаний конструкции КА, показана перспективность применения в активных демпферах эффекта памяти формы в сплавах, дана постановка задачи диссертационной работы. Глава 2 содержит описание математической модели динамики упругого КА, оснащенного активным демпфером, при его движении относительно центра масс, а также математической модели формирования активного демпфирующего момента, развиваемого демпфером на основе металла с памятью формы. В главе 3 приведено исследование динамических характеристик

Выводы по четвертой главе.

Итак, по результатам приведенных выше расчетов можно сделать вывод, что предлагаемый принцип активного демпфирования позволяет осуществлять эффективное гашение колебаний первого тона установленных на корпусе космического аппарата ПСБ при подборе оптимальных параметров активного демпфера. Колебания второго и выше тонов могут подавляться пассивными демпферами, аналогичными уже существующим (например тросовыми). Расчет повышения эффективности космического аппарата дистанционного зондирования Земли за счет применения активного демпфера приведен в Приложении 2.

Варьируя величину рабочего хода демпфера или одновременно величину рабочего хода А и характеристики скорости срабатывания Т1 и Т2, можно настраивать демпфер на эффективное гашение колебаний в широком диапазоне амплитуд. При выборе параметров активного демпфера для обеспечения безотказной и многократной работы необходимо обеспечить условие, чтобы в течение всего цикла работы механические напряжения в рабочем элементе не достигли предела текучести материала. Этого можно достигнуть подбором величин геометрических параметров рабочего элемента, таких как площадь поперечного сечения Б, длина Ь и максимальный рабочий ход А.

Заключение

При решении задачи обеспечения требуемой динамики упругого КА информационного назначения с помощью активного демпфера на основе материала с памятью формы получены следующие основные результаты: разработана математическая модель динамики углового движения нежесткого КА с локально-автономным активным демпфером и математическая модель активного демпфера на основе силового элемента из металла с памятью формы, что позволяет на этапе эскизного проектирования формировать требуемое качество переходных процессов по углам ориентации; путем математического моделирования проведен анализ динамики упругого КА при движении вокруг центра масс для различных условий возбуждения переходных процессов и при различных параметрах активного демпфера; выявлен характер влияния параметров силового элемента демпфера на скорость подавления упругих колебаний КА; подтверждена эффективность рассматриваемого нового способа создания активного демпфирующего воздействия; разработана принципиальная схема активного демпфера с двумя силовыми элементами из материала с памятью формы, использующая принцип взаимной компенсации силовых элементов, работающих на одинаковое по знаку механическое напряжение; экспериментально определены динамические характеристики силовых элементов демпфера, выполненных из металла с памятью формы никелид титана, определены факторы, влияющие на быстродействие силовых элементов; на установке, имитирующей упругую конструкцию КА, экспериментально подтверждена работоспособность и эффективность активного демпфера с силовыми элементами из металла с памятью формы.

1. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Космическая индустрия. М.: Машиностроение, 1989 г., 565 с.

2. Титов Б.А., Вьюжанин В.А., Дмитриев В.В. Формирование динамических свойств упругих космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1995.-304 с.

3. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. Космическая геодезия. М.: Недра, 1986. 407 с.

4. Кучко A.C. Аэрофотография. -М.: Наука, 1974. 270 с.

5. Циолковский К.Э. Цели звездоплавания // Промышленное освоение космоса. -М.,1989, с. 129-155.

6. Циолковский К.Э. Космические путешествия // Промышленное освоение космоса.-М.,1989, с. 155-165.

7. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний. М.: Изд. Мир, 1988 г., 448 с.

8. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1979, 275 с.

9. Голубев Ю. Ф. Основы теоретической механики: Учеб. для ВТУЗов. М.: Изд-во МГУ, 1992.

10. Глущенков В.А., Горелов Ю.Н., Портнов B.C., Титов Б.А. Демпфер колебаний упругих элементов космического аппарата. A.C. N238983 от 2.06.1986 г.

11. Сарычев В.А., Беляев М.Ю., Зыков С.Г., Сазонов В.В., Тесленко В.П. Математическое моделирование процессов поддержания ориентации орбитальной станции МИР с помощью гиродинов. Космические исследования, т.29, вып. 2, 1991 г., с. 212-220.

12. Легостаев В.П., Токарь E.H. Маневренность крупных орбитальных станций. Космические исследования, т.28, вып. 1., 1990, с.З.

13. Kida, T., Yamaguchi, I., Ueno, S., Tanaka, M., Коку, утю гидзюпу кэнюодзе хококу // Techn. Rept. Nat. Aerosp. Lab.- 1991. -NI 114. pp. 1-20.

14. Tuer, К. R., Duquette, A. P., Golnaraghi, M. F., Vibration Control of a Flexible Beam Using a Rotational Resonance Controller. Pt. 1. Theoretical development and analisis // J. Sound and Vibration. -1993. -167. -, N1. pp.41-62.

15. Tuer, К. R., Duquette, A. P., Golnaraghi, M. F., Vibration Control of a Flexible Beam Using a Rotational Resonance Controller. Pt.2. Experinent // J. Sound and Vibration. -1993.-167.-,Nl.-pp.63-72.

16. Swigert, C.J., and Forward, R. L., "Electronic Damping of Orthogonal Bending Modes in a Cylindrical Mast Theory," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 18, No. 1, 1981, pp. 5-10.

17. Forward, R. L., "Electronic Damping of Orthogonal Bending Modes in a Cylindrical Mast Experimental," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 18, No. 1, 1981, pp.11-17.

18. Crawley, E. F., and de Luis, J., "Use of Piezoceramics as Distributed Actuators in Large Space Structures," Proceedings of the 26th Structures, Structural Dynamics, and Material Conference, AIAA, New York, NY, April 1985, pp. 126-133.

19. Major, C. S., and Simonian, S. S., "An Experiment to Demonstrate Active and Passive Control of Flexible Structure," American Conference, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, June 1984.

20. Crawley,E. F., and Anderson, E. H., "Detailed Modeling of Piezoelectric Actuation of Beams," Proceedings of 30th Structures, Structural Dynamics, and Materials, AIAA, Washington, DC, March 1989, pp. 2000-2010.

21. Uchino, K., "Electrostrictive Actuators: Materials and Applications," American Ceramic Society Bulletin, Vol. 65, No. 4, April 1986, pp. 647-652.

22. Jang, S. J., Uchino, K., Nomura, S., and Cross, L. E., "Electrostrictive Behavior of Lead Magnezium Noibate Based Ceramic Dielectrics," Ferroidectrics, Vol. 27, No. 1-4, 1980, pp. 31-34.

23. Kokonis, D. B., Kollar, L. P., Springer, G. S., Shape Control of Composite Plates and Shells with Embedded Actuators. I. Voltages Specified // J. Compos. Mater. .-1994.-28, N5.-pp. 415-458.

24. Kokonis, D. B., Kollar, L. P., Springer, G. S., Shape Control of Composite Plates and Shells with Embedded Actuators. II. Desired Shape Specified // J. Compos. Mater. -1994.-28, N5,-pp. 459-482.

25. Qu Jinhao, Tuni Junji, Ohtamo Kikuo, Vibration Control of a Multi layer piezoelectric Cylindrical Shell // Nihon kikai gakkai ronbushu: C= Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. C.- 1998.-64, N619.-pp. 811-818.

26. Takahara, K., Takahashi, H., Shingy, S. ,Motohashi, S., Kuwao, F., and Natori, M., "Development of Piezo Actuator for an Adaptive Planar Truss Structure," 16th International Symposium of Space Technology and Science, Sapporo, Japan, May, 1988.

27. Anastas, G., Eisenhaure, D., Hockey, R., Johnson B., and Masovec, K., "Distributed Magnetic Actuators for Fine Shape Control," Air Force Astronautics Lab., Edwards AFB, CA, AFAL-TR-88-026, June 1988.

28. Hagwood, H. W., and Crawley, E. F.,. "Development and Experimental Verification of Damping Enhancement Methodologies for Space Structures," Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, NA, SSL #18-88, Sept. 1988.

29. Chen, J. C., "Response of Large Space Structures with Stiffness Control," Journal of Space and Rockets, Vol. 21, No. 5, Sept.-Oct. 1984, pp. 463-457.

30. Onoda, J., Watanabe, N., Endo, Т., Tamaoki, H., Vibration Suppression of Space Truss by Stiffness Variation // IAF Prepr. .- 1989. N334. pp. 1-7.

31. Корнилов И.И., Белоусов O.K., Качур E.B. Никелид титана и другие сплавы с эффектом памяти формы, М.: Наука, 1977 г.

32. А.С. 288346 СССР, МКИ B64G. Активный демпфер упругих колебаний панели солнечных батарей / Закаблуковский В.Д., Титов Б.А., Титов К.Б. (СССР). -N3181773/40-23; заявлено 9.10.87г.

33. Ооцука К. и др. Сплавы с эффектом памяти формы, пер. с яп. Дружинина И.И. -М.: Металлургия, 1990 г. -221 с.

34. Rodgers, С.А., Liang,С., and Barker, D.K., "Dynamic Control Concepts Using Shape Memory Alloy Reinforced Plates," Smart Materials, Structures and Mathematical Issues, Technomic, Westport, CT, 1989.

35. Rodgers, C.A., Jia, J., and Liang, C., "Behavior of SMA Reinforced Composite Plates, Part II: Model Formulation and Control Concepts," Proceedings of 30th

36. Structures, Structural Dynamics, and Materials, AIAA, Washington, DC, April 1989, pp. 1504-1513.

37. Тихонов A.C., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении, -М. Машиностроение, 1981 г.

38. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства, М.: Наука, 1992 г.44. Пат. N3450379, США.

39. Buehler W.I., Wiley R.C. Ti-Ni -ductile intermetallic compound. -Transactions of ASM, 1962, v 55, p. 269-276.46. Пат. N3791953, США.

40. Вестбрук Д.Х. Интерметаллические соединения / Пер. с англ. Под ред. Корнилова И.И. М.: Металлургия, 1970, 438 с.

41. Феоктистов B.C. Исследование технологических возможностей сплава с памятью формы ТН-1.// Обработка и применение новых конструкционных материалов: Сб. научных трудов. Куйбышев: КптИ. 1987. 164 с.

42. Кравченко Ю.Д., Капустин B.JI. и др. Исследования проволочных приводов из сплава с эффектом памяти формы в конструкциях "КРАБ" и "РАПАНА" // Матер.

43. Междунар. конф. по крупногабарит. косм, конструкциям / НПО "Энергия". -Новгород, 1993.-. с. 82.

44. Тепловые трубы для систем термостабилизации. Под ред. Шекриладзе И.Д. -М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

45. Титов Б.А., Аксенов A.B. Обеспечение требуемого углового движения упругого КА с активным демпфером. Деп. в ВИНИТИ N565- В99 от 24.02.99; 0,625 п. л.

46. Образцов И.Ф. и др. Строительная механика летательных аппаратов: Учебник для авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1986., 403 с.

47. Каган Б.М., Тер-Микаэлян Т.М. Решение инженерных задач на цифровых вычислительных машинах. М.: Энергия. 1964. - 65 с.

48. Ханцеферов Ф.Р., Остроухов В.В. Моделирование космических систем изучения природных ресурсов Земли. -М.: Машиностроение, 1989. 263 с.147