автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методика испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на стойкость к ударным воздействиям от срабатывания пиросредств

На правах рукописи

ПУСТОБАЕВ МИХАИЛ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА СТОЙКОСТЬ К УДАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ ОТ СРАБАТЫВАНИЯ ПИРОСРЕДСТВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степеии кандидата технических наук

2 5 ПАР 2015

Москва - 2015 г.

005561166

005561166

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» имени А. Г. Иосифьяна».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация - ФГУП «Государственный научно-

исследовательский институт авиационных систем», 125319, г. Москва, ул. Викторенко, 7

Защита состоится 12 мая 2015 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д403.005.01 в ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» по адресу: г. Москва, Хоромный тупик, д.4„ стр.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».

Тютнев Андрей Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Правидло Михаил Натанович

кандидат физико-математических наук Амелин Леонид Алексеевич

Автореферат разослан <_> марта 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д403.005 кандидат военных наук, доцент

/1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Любой К А является сложным электромеханическим комплексом, включающим в себя бортовую аппаратуру (БА) служебного и целевого назначения. К служебной аппаратуре относятся приборы и оборудование, обеспечивающие функционирование КА, а к целевой относятся специальные исследовательские и научные приборы, предназначенные для сбора и передачи на Землю требуемой информации. Отдельные системы КА также представляют собой электротехнические комплексы и системы, различающиеся по назначению, составу и функциям, например, система ориентации и стабилизации КА, аккумуляторные и солнечные батареи с системой электропитания, сканирующие устройства КА и антенно-фидерные системы, приводимые в движение электроприводами и др. Штатное функционирование этих систем определяет нормальное функционирование КА в целом, и в конечном итоге, успешное выполнение КА заданных целевых функций.

Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на функционирование БА КА, является ударное воздействие от срабатывания пиротехнических средств систем разделения.

Исторически в РФ сложились два одновременно действующих блока отечественных стандартов, использующих разные подходы к заданию требований по отработке стойкости БА к ударным в широком смысле нагрузкам. В первом блоке стандартов требования задаются в относительно низкочастотной области в виде импульса ускорения той или иной формы, во втором - в виде спектра удара (СУ). Основное отличие требований стандартов указанных блоков заключается в том, что в требованиях по СУ учтены высокоинтенсивные нагрузки (1000-1000(^) в высокочастотной части СУ (3000-10000 Гц), характерные для реального виброударного процесса в ближней и средней зонах от пиротехнических средств разделения.

Требования по СУ, приведенные во втором блоке стандартов, на практике крайне редко используются отечественными предприятиями ракетно-космической отрасли по следующей причине: технологически БА первых КА была нечувствительна к высокочастотному удару, поэтому испытания в высокочастотной части СУ, как правило, не проводились. Успешное функционирование КА на орбите в течение срока службы подтверждало достаточность отработки. Вследствие этого в СССР и РФ практически не проводились работы по созданию испытательного оборудования и методического обеспечения для испытаний БА на высокочастотные нагрузки от срабатывания пиросредств. В связи с этим до сих пор в отечественной практике стойкость БА в основном подтверждается испытаниями полусинусоидальными импульсами на установках копрового типа или вибростендах, имитирующих лишь низкочастотные нагрузки.

Процесс создания БА космического назначения в силу предъявляемых высоких требований всегда находился на острие передовых технологий, и воплощал в себе современные достижения и технологии в области электроники,

схемотехники, материаловедения и т.п. Одновременно с усложнением и удорожанием БА изменились также требования, предъявляемые к БА при отработке в наземных условиях. В последние десятилетия, в результате совершенствования технологий производства электротехнических комплексов и систем значительно изменился состав БА, в том числе уменьшились размеры и масса её составных элементов. Например, в солнечных батареях стали широко применяться полупроводники нового типа - плёночные элементы на базе арсенида галлия и др. В части систем электропитания: постоянно совершенствуются литий-полимерные, литий-серные и литий-воздушные (с 1990 г.) аккумуляторы. С уменьшением характерного размера составляющих элементов БА иа БА проявились резонансные частоты в высокочастотной области, и она стала чувствительной к высокочастотной составляющей спектра ударной нагрузки. В результате этого применяемые на отечественных отраслевых предприятиях методы испытаний оказались недостаточно эффективными для подтверждения ударостойкости БА. Таким образом, имеет место противоречие между требованиями по стойкости БА КА к воздействию ударных нагрузок от срабатывания пиротехнических систем, и практикой отработки (испытании) БА на отечественных предприятиях отрасли.

Это определило актуальность решения задачи разработки испытательного оборудования и методики подтверждения стойкости БА КА к ударным воздействиям от срабатывания пиросредств систем разделения.

Степень разработанности темы. В международной практике требования по стойкости к ударным нагрузкам по СУ задаются как в национальных стандартах, таких как США (NASA), ЕС (ECSS), так и в международных стандартах ИСО, МЭК. При этом испытания на ударные нагрузки, заданные в виде СУ как отдельной БА, так и сборок КА и КА в целом проводятся практически всеми крупными мировыми компаниями-производителями, такими как Boeing, EADS, SSTL, SAFT. RUAG, и многими другими. Вопросу моделирования пироударных нагрузок посвящено большое количество статей зарубежных учёных, таких как Валентековича В.М., Химельблау Г., Пирсола А.Г., Вайза Дж. X., Грюндвига М.Р.. Смоллвуда Д.О., Бендат Дж.С., Бэйтмана В.И.., Белла Р.Г., Дэви Н.Т., Карлсона Л.В., Нюссор М.А., Харрис С.М, а также выпущено отдельное подробное учебно-методическое руководство по измерению и воспроизведению виброударных нагрузок всех типов, включая нагрузки от срабатывания пиросредств.

В РФ основные нормативные документы, регламентирующие задание требований к БА и отработку её стойкости к воздействию ударных нагрузок, относятся к разработке 70-90-х годов, и исторически являются закрытыми. Несовершенство отечественной нормативной базы и распространенной практики отработки ударостойкости БА отмечается в работах учёных С.А. Орлова, A.C. Орлова и других из АО «Информационные спутниковые системы» имени М.Ф. Решетнёва. где ведутся работы по расчетному моделированию удара, созданию оборудования и методик подтверждения ударостойкости БА КА и КА к воздействию пиросредств, защищенные патентами. Особенности реакции БА на ударное воздействие, методы проектирования ударостойкой БА, методы

испытаний БА описаны в работах отечественных учёных Карпушина В.Б., Абрамовича С.Ф., Крючкова Ю.С., Круглова Ю.А, Туманова Ю.А., Токарева М.Ф, Талицкого E.H., Фролова В.А. и других.

Таким образом, в РФ на уровне отрасли необходимо создание единого методического подхода к испытаниям БА на высокочастотные ударные нагрузки от пиротехнических средств, заданных в виде СУ, а также соответствующей нормативной базы.

Объектом исследования является бортовая аппаратура КА, относящаяся к бортовым электротехнических комплексам или системам целевого и служебного назначения.

Предметом исследования являются методы испытаний БА КА для подтверждения её работоспособности и качества функционирования при ударных воздействиях от срабатывания пиротехнических средств разделения.

Целью работы являлась разработка испытательного оборудования и типовой программы и методики испытаний БА КА к ударным воздействиям от срабатывания пиротехнических средств разделения.

Научной задачей работы является разработка испытательного оборудования и методики испытаний БА КА к воздействию пироударных нагрузок на основе современных расчетных и экспериментальных технологий, которая включают решение следующих частных задач:

1. Разработка испытательного оборудования для проведения автономных испытаний БА КА массой до 30 кг на ударные пиротехнические нагрузки с уровнем СУ до 5000g на частоте свыше 5000 Гц. Экспериментально-теоретическое исследование характеристик системы «Стенд с объектом испытаний-ударное устройство» для методического обеспечения испытаний БА КА на ударные пиротехнические нагрузки.

2. Разработка типовой программы и методики автономных испытаний БА КА на стойкость к ударному воздействию на созданном испытательном оборудовании.

Основные результаты, полученные лнчно автором и выносимые на

защиту:

1. Экспериментально-теоретическое исследование характеристик системы «стенд с объектом испытаний/ударное устройство» для методического обеспечения испытаний БА КА на ударные пиротехнические нагрузки.

2. Типовая программа и методика автономных испытаний БА КА на стойкость к ударному локальному воздействию с использованием оборудования созданного стенда.

Новизна научных результатов заключается в следующем:

1. Создано и аттестовано современное испытательное оборудование для отработки стойкости БА КА массой до 30 кг на воздействие ударных нагрузок от пиротехнических средств разделения с уровнем СУ до 5000g на частоте свыше 5000 Гц, проведены экспериментально-теоретические исследования влияния характеристик системы «стенд с объектом испытаний-ударное устройство» для методического обеспечения проведения испытаний БА КА.

2. Разработана типовая программа и методика автономных испытаний БА КА на стойкость к нагрузкам от срабатывания пиротехнических средств с использованием разработанного стенда, соответствующая мировому уровню, и не имеющая отечественных аналогов.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов.

1. Создано, аттестовано и внедрено испытательное оборудование, которое позволяет создавать ударное воздействие на БА КА с уровнем СУ до 5000g на частоте свыше 5000 Гц, т.е. достаточное для моделирования практически любого пироудара в средней зоне на БА КА массой до 30 кг, позволяющее проводить испытания широкого перечня БА КА, обладающее мобильностью настройки параметров удара и требующее относительно небольших затрат для проведения испытаний.

2. Разработанная типовая программа и методика автономных испытаний БА КА на стойкость к ударным нагрузкам от срабатывания пиросредств успешно применена для испытаний бортовых электротехнических комплексов и систем КА служебного и целевого назначения, таких как аккумуляторная батарея микро КА «Звезда», герконы солнечной батареи КА «Ионосфера» и других.

3. Разработанные устройства локального ударного нагружения нашли эффективное применение при испытаниях опытной сборки КА.

Методы исследования: использовались как расчетные методы - для предварительной оценки значений параметров стенда, так и экспериментальные (испытания) - для подтверждения и корректировки результатов расчетов.

Достоверность научных результатов подтверждается применением при решении поставленных задач апробированных инженерных методик, в том числе математическими расчетами, результаты которых подтверждены при испытаниях на созданном испытательном оборудовании.

Ценность научных работ соискателя заключается в том, что с использованием современных научных подходов в области исследований ударной стойкости БА КА, относящейся к бортовым электротехнических комплексам или системам целевого и служебного назначения, получены новые, научно и практически значимые результаты, а именно:

1. Исследованы возможности созданного нового оборудования, предназначенного для воспроизведения локальных пироударных процессов в заданном диапазоне параметров СУ.

2. Разработана типовая программа и методика испытаний БА КА с использованием созданного и аттестованного разработанного оборудования.

3. Созданная типовая программа и методика адаптирована для решения практических задач по оценке функционирования разрабатываемой БА КА и отдельных элементов КА.

Внедрение, Результаты работы были внедрены в ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на V всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий»,

(ОАО «РКС», 5-7.06.2012 г.). Первой молодежной конференции «Инновационная деятельность в науке и технике» (НИИЭМ, 01.11.2012).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы, полученные в диссертации, опубликованы в 5 работах объемом 1.75 п.л., в том числе: научных статей, опубликованных в изданиях по перечням ВАК - 5.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы, двух приложений. Объем диссертации составляет 145 страниц, включая 12 таблиц, 58 рисунков, список литературы из 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, положения, выносимые на защиту, сведения о публикациях с участием автора.

В главе 1 приведен анализ отечественной и зарубежной нормативной базы, определяющей требования к ударной стойкости БА, особенности задания нагрузок на БА КА и существующие методы экспериментального подтверждения ударостойкости БА в РФ и за рубежом. Дана постановка задачи диссертационного исследования.

Показано, что существует два способа задания испытательных ударных нагрузок: в виде ударного импульса (форма, амплитуда, длительность), и в амплитудно-частотной форме (СУ).

Ударное воздействие от срабатывания пиросредств (пироудар) представляет собой интенсивный широкополосный быстропротекающий процесс, вызывающий динамический отклик конструкции КА и ее элементов: БА КА, систем и подсистем КА. - возникающий вследствие активации пиротехнических устройств, являющихся частью конструкции КА или соединяющихся с ней. Распространение ударной волны от источника воздействия до БА по конструкции КА в целом зависит от типа источника пиротехнического воздействия, геометрии и свойств конструкции, расстояния от источника воздействия.

Считается, что пиротехнический удар в ближней зоне от пиросредства (по западной терминологии near-field) характеризуется высоким интегральным уровнем СУ и определяется в основном источником ударных нагрузок ввиду того, что энергия удара на близком расстоянии от пиросредства еще не трансформируется в отклик конструкции. Пиковое ускорение удара в ближней зоне часто превышает 10000g, а существенные, т.е. имеющие более высокий уровень составляющие СУ имеют место на частотах выше 10000 Гц.

Пиротехнический удар в средней и дальней зонах (mid-field и far-field) характеризуется тем. что значительная часть энергии удара трансформируется в низкочастотный отклик конструкции и затухает по мере удаления. Характеристики удара в средней и дальней зонах таковы:

- в средней зоне пиковое ускорение удара обычно находится в диапазоне от 1000 до 10000g, а существенные составляющие СУ находятся в диапазоне

частот от 3000 до 10000 Гц;

- в дальней зоне пиковое ускорение удара составляет менее 10002, существенные составляющие СУ находятся в диапазоне до 3000 Гц.

Анализ отечественных стандартов в части задания испытательных ударных нагрузок для отработки стойкости БА, показывает, что в нормативных документах отсутствует определение термина «расчётный уровень нагрузок» в отношении ударных нагрузок от пиросредств. воздействующих на конкретную БА, и нет рекомендаций по его реализации. Испытательный уровень нагрузок на БА привязан к эксплуатационному уровню и не отвечает принятому коэффициенту безопасности. В первом блоке стандартов он задан в виде полусинусоидального импульса с незначительно варьируемыми параметрами. Во втором блоке стандартов предписывается устанавливать испытательный уровень СУ согласно программе испытаний или техническим условиям на БА с коэффициентом безопасности, равным единице. При отсутствии опытных данных существует рекомендация проводить испытания на некоторый обобщенный уровень СУ, который может иметь существенные различия с реально действующими на БА нагрузками.

Сопоставление отечественных и зарубежных стандартов показало, что существуют различия в подходах к нормированию нагрузок в РФ и за рубежом. Испытательные режимы БА, установленные в соответствии с отечественными нормативными документами, зачастую не позволяют в достаточном объеме провести отработочные испытания БА, в отличие от режимов, установленных в соответствии с требованиями зарубежных и международных стандартов. Для примера на рисунке 1 приведено сопоставление требований для отработки БА на расстоянии 0,5 м от системы отделения КА «Метеор-М» №1.

Чёрной линией на рисунке 1 показан эксплуатационный уровень нагрузок на БА, находящейся на расстоянии 0.5 м от системы отделения КА. СУ «Нормы РФ-1.1», «Нормы РФ-1.2», «Нормы РФ-1.3» относятся к полусинусоидальным импульсам первого блока отечественных стандартов. Эти режимы нагружения соответствуют случаям нестационарных режимов работы двигательной установки и разделению ступеней ракеты-носителя, т.е. по сути, имитируют удар в дальней зоне от пиросредства. «Нормы РФ-2» относятся ко второму блоку отечественных стандартов, и показывают обобщенный режим испытаний для БА, находящейся на заданном расстоянии от пиросредства.

Как видно из рисунка 1, СУ, отвечающие требованиям отечественных стандартов первого блока, не соответствуют реальным нагрузкам от срабатывания пиросредств как в средней, так и тем более в ближней зоне от пиросредства. При испытаниях БА на ударные нагрузки в соответствии с этими стандартами наблюдается существенное недогружение БА в высокочастотной области СУ, и перегрузка в низкочастотной области (<100 Гц), что, во-первых, может привести к выходу БА из строя, а во-вторых, не позволяет сделать объективный вывод об ударостойкости БА.

Амплитуда, в Уровни СУ, соответствующие требованиям США, ЕС и РФ

[Измерения! Срабатывание СО КА "Метеор-М" №1 — — - [Нормы РФ-1.1] СУ импчльса ДОЁ, Змс Частота, Гц

-[Нормы США и ЕС] Уровень отработочных испытаний блоков — — — [Нормы РФ-1,2] су импульса 30§, змс

...........[Нормы 1 Испытательный Режим №4 —~ [Нормы РФ-1.3] С/импульса 150& О.Змс

Рисунок 1 - Сравнение СУ в средней зоне по нормативным требованиям США, ЕС и двух блоков стандартов РФ

Таким образом, отечественные стандарты первого блока могут применяться только при испытаниях БА, находящейся в дальней зоне от пиросредств, например, при имитировании нагрузок от разделения ступеней ракеты-носителя, или для отработки стойкости Б А, находящейся в отдалении от всех источников пироударных нагрузок, где в ряде случаев допускается заменять ударные испытания испытаниями на вибростенде.

СУ, отвечающий требованиям отечественных стандартов второго блока, позволяет подтвердить ударостойкость БА в высокочастотной области. Однако, ввиду отсутствия сформулированной привязки испытательного режима БА к эксплуатационному уровню нагрузок, действующих на эту БА в составе конкретного КА, предъявляемые стандартами второго блока требования являются недостаточно обоснованными. Применение обобщенных нагрузок во многих случаях будет являться необоснованно завышенным.

Далее в работе рассмотрены существующие экспериментальные методы подтверждения ударной стойкости БА (испытаний): натурные и стендовые (разных видов), сформулированы их достоинства и недостатки, определена рациональная область применения методов. Выявлено, что для эффективного проведения автономных испытаний БА целесообразно применять методы испытаний, в которых система «объект испытаний с платформой стенда» имеет

1 - рама, 2 - стальная плита (платформа), 3 - «розетка» с 3 ударными акселерометрами, 4 — устройство (механизм) ударного нагружения, 5 - демпфирующие упруго-пластические проставки из металла

Рисунок 2 - Общий вид виброударного стенда

нулевую начальную скорость, при этом источником энергии удара служат ударники, которые могут иметь различную природу воздействия.

По результатам первой главы сделаны следующие выводы:

— Отечественная нормативная база в части задания требований и отработки стойкости БА к ударным воздействиям от срабатывания пиросредств в высокочастотной области неоднозначна, недостаточно проработана, и в целом не соответствует современным требованиям. Рекомендуемые испытательные уровни нагрузок БА в обоих блоках стандартов не привязаны к эксплуатационному уровню нагрузок на БА конкретного КА через коэффициент запаса (не равный единице), что не позволяет эффективно проводить отработочные испытания БА.

- Сложившаяся практика отработки ударостойкости БА на отечественных предприятиях ракетно-космической отрасли в целом не соответствует современным требованиям. Широко применяемые методы испытаний БА - копровые с ненулевой скоростью ОИ и на вибростендах, - не позволяют адекватно имитировать высокочастотные ударные нагрузки от срабатывания пиросредств в средней, и особенно в ближней зоне.

- По результатам обзора наиболее приемлемым методом испытаний БА на воздействие ударных нагрузок от срабатывания пиросредств являются стендовые испытания с созданием воздействия на неподвижную платформу стенда с ОИ, т.е. с нулевой скоростью ОИ.

Глава завершается постановкой задач исследования. Результаты изложены в последующих разделах работы.

Вторая глава посвящена разработке средств моделирования ударных нагрузок от пиротехнических средств разделения, экспериментально-теоретическому исследованию характеристик системы «стенд с объектом испытаний/ударное устройство» для методического обеспечения испытаний БА.

Исходя из результатов предварительного анализа, оптимальным вариантом стенда для проведения автономных испытаний БА на воздействие ударных нагрузок от срабатывания пиротехнических средств является стенд, состоящий из неподвижной платформы, на которой жестко закреплен ОИ, а источники ударного воздействия могут быть как закреплены на платформе, так и использоваться в мобильном переносном варианте.

По итогам отбора оптимальным вариантом источника воздействия являются мобильные стендовые пиротехнические ударники. Стенд с неподвижной платформой ОИ и пиротехническими ударниками (рисунок 2) был разработан и создан в ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».

Комплектующие элементы стенда:

1. Ударные устройства

Для создания ударной перегрузки разработаны и созданы два ударных устройства: ручное мобильное пироударное устройство (МПУ), собранное на базе элементов индустриального пистолета ПЦ-84, и стендовый мобильный пироударник (СПУ), использующие патроны от строительного пистолета марки Д1-Д5.

МПУ приводится в действие вручную. Основным преимуществом МПУ является возможность создать локальное ударное воздействие практически в любой точке стенда. При этом скорость удара штока по упруго-пластическому

демпферу регулируется выбором патронов различной мощности. МПУ имеет ограничения по созданию относительно малых скоростей удара и в основном используется для создания интенсивных перегрузок в высокочастотной области СУ.

СПУ устанавливается на платформе стенда при помощи узлов крепления и в направлении удара по заданным осям нагружения объекта испытаний. По сравнению с МПУ, СПУ позволяет варьировать скорость удара в более широком диапазоне значений. Кроме этого, имеется возможность использовать при испытаниях несколько СПУ для моделирования СУ от ряда пиротехнических устройств отделения КА.

2. Платформа стенда

Платформа стенда в форме пластины с размерами а*Ь*11. Платформа оснащена дополнительными элементами технологической оснастки, позволяющими реализовать различные схемы закрепления её краев, а также -съемными пластинами для других схем закрепления объекта испытаний.

3. Упруго-пластическая проставка

Проставка служит для формирования локального ударного импульса ускорения в области воздействия ударника СПУ на платформу стенда. Проставка представляет собой круглую или прямоугольную металлическую пластину, устанавливаемую на стыке платформы с СПУ в области воздействия механического ударника.

4. Система регистрации и обработки данных

В состав системы регистрации и обработки данных входят две розетки из Зх взаимно-перпендикулярных датчиков, анализатор спектра и ПК с установленным соответствующим программным обеспечением. Розетки крепятся к переходнику и к платформе посредством резьбового соединения.

На созданном стенде проводилось экспериментально-теоретическое исследование характеристик системы «стенд с объектом испытаний/ударное устройство»

Поскольку после удара ударная волна распространяется по платформе стенда с ОН, частотный состав получаемого СУ, измеренного на платформе вблизи места крепления ОН, будет определяться геометрическими и физико-механическими параметрами платформы с ОИ. В то же время уровень СУ определяется энергией удара, т.е. физико-механическими и геометрическими параметрами ударного устройства и демпфирующей прокладки.

Исследование влияния характеристик системы на создаваемое воздействие

Объектом исследования является система «Стенд с объектом испытаний/ударное устройство». Предметом исследования является изучение влияния варьируемых параметров (факторов) системы на характеристики получаемого ударного процесса для методического обеспечения испытаний БА. Принятые методы исследования - расчетный и экспериментальный.

Исследуемые факторы были разделены на 2 группы:

а) Факторы, влияющие на частотные характеристики виброударного процесса в окрестности крепления БА к платформе стенда. К этим факторам отнесены геометрические размеры платформы стенда а,Ь.Ь, материал платформы, вид закрепления платформы (граничные условия), вес ОИ.

б) Факторы, влияющие на амплитуду удара (уровень спектра удара): скорость удара стержня СПУ или МПУ, форма наконечника стержня (плоский/с фаской/сферический); объем камеры сгорания и путь разгона стержня (определяются начальным положением стержня в стволе), мощность индустриального патрона, материал и толщина упругопластической проставки.

Исследование факторов группы а):

Система «стенд с объектом испытаний/ударное устройство» рассматривается как линейно-упругая колебательная модель.

Расчетная оценка собственной частоты платформы стенда в зависимости от её геометрических параметров, вида закрепления, физико-механических свойств материала и веса прибора БА основана на методике, изложенной в работе Батуева Г.С.Для оценочных расчетов оптимальных параметров системы «Стенд с объектом испытаний/ударное устройство» при заданных характерной частоте СУ

и весе прибора формулу преобразуем к виду

а = .; -

в,-

- +

Qt

2крк *\| Л1г2р к'

- +

Г

где а - величина максимальной стороны пластины, <2,. - вес оборудования, к -толщина пластины, р - плотность материала пластины, к=Ыа - отношение сторон пластины, с - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины и отношения сторон пластины. кт - поправочный коэффициент для материала пластины по отношению к стали.

При заданных характерных частотах СУ (/), весе (Од и габаритах (ао.Ьо) объекта испытаний в плоскости платформы уравнение 1 определяет область четырех параметров (а. /г, кт, с), в пределах которых методом итераций и перебора решается задача оптимизации их значений.

На рисунке 3 представлены примеры расчета оптимальных параметров пластины стенда при различном весе испытываемых приборов и граничных условиях. Начальные величины сторон платформы предварительно выбираются исходя из площади, занимаемой узлами крепления макега прибора. Семейство данных кривых, рассчитанных для определенной частоты точки перегиба СУ, определяется в качестве оценочных зависимостей.

Подобные оценочные зависимости могут быть получены из созданной программы для различных схем закрепления платформы (21 вариант) и материалов пластины (предварительно отобраны 2 рабочих варианта материала).

На основе оценочных зависимостей была создана база данных параметров стенда, которые применяются для подбора оптимальной конфигурации и способа крепления платформы стенда при испытаниях конкретной БА.

Параметры квадратной пластины при (=1000Гци веса прибора ог0до90Н

I50

-20« -30« -«к

е 8 1о

Толщина пластины, см

Параметры квадратной пластины при Ы000 Гц и веса прибора от 0 до 90Н

-20 м — 30 и -40»

-70 н •80 н

а) б)

Рисунок 3 - Расчет параметров пластины для двух случаев закрепления а) опирание по контуру, б) 2 стороны-опирание, 2 - защемление Для основной платформы созданного стенда 440x440x40 и определенных на рисунке 3 зависимостей отмечены линии, определяющие возможность реализации нагрузок на основной платформе стенда при данных граничных

условиях закрепления и необходимой характерной частоте. Так, в случае защемления краев основная собственная частота составляет 1.7 кГц. На рисунке З.а для прибора весом ЗОН собственная частота 1.0 кГц системы достигается при условиях свободного опирания контура платформы толщиной 50 мм, а при граничных условиях на рисунке 3,6 необходимая толщина пластины составит 35 мм. Аналогичные оценки можно получить, фиксируя ту или иную варьируемую величину.

Исследование влияния факторов группы б):

При анализе ударных процессов практический интерес представляют величина максимальной амплитуды контактной силы (перегрузки соударяющихся тел) и длительность переднего фронта ударного импульса. Для оценки этих параметров была разработана инженерная методика, основанная на результатах измерения остаточной деформации упруго-пластической проставки. Для расчета взаимодействия ударника с упруго-пластической проставкой принимается, что материал демпфера" - идеально пластический. При относительно больших пластических деформациях это допущение приводит к погрешности не более 10 %. При расчете волновые эффекты в стержне не учитываются.

Процесс взаимодействия ударника с тормозным устройством (проставкой) описывается уравнением:

т— = -p(t) Ю

dt

где m - масса ударника, v - скорость удара, p(t) - сиЛа в месте контакта ударника с тормозным устройством. Задача является физически и геометрически нелинейной, поэтому в общем случае, как правило, решается численным методом.

Для ударника с плоским торцом получено аналитическое решение уравнения (2) в форме:

y2-0.v О t -^L (3)

v0 - - >maxi£0 > 'а ~ п

2

где Vo - начальная скорость удара стержня. п _ Я&т8ап - правая часть

Wío _

111

уравнения (3) для стержня с плоским торцом, От - предел текучести материала демпфера, ап - радиус стержня, m -масса стержня.

Для других форм торца поверхность наконечника ударника представляется при помощи кусочно-линейной функции.

Принятая кусочно-линейная аппроксимация поверхности ударника позволяет построить эффективный численный алгоритм расчета взаимодействия для различных форм наконечника ударника. Для k-го конического участка ударника в процессе внедрения правая часть уравнения движения стержня имеет вид:

а =00

СОБ/,

г -> \ а

Л 2 2 Л

а,- -а

7-1

а.

-ьсовД

V "л V

л . <-2

4-1

(4)

где /к - угол к-го конического участка, ак - радиус основания к-го конического участка, 1и - высота к-го конического участка аппроксимации, у -перемещение ударника.

На рисунке 4 представлены результаты расчета глубины кратера в упруго-пластическом тормозе при различных скоростях удара и форме наконечника ударника.

3.

е г

/

/л

У У

•с фаской сфера

Скорость удара, м/с

Рисунок 4 - Зависимость глубины кратера от скорости удара ятя различных форм наконечника.

Из рисунка 4 следует, что при переходе от плоской формы к сферической через коническую увеличивается глубина кратера, также увеличивается время процесса взаимодействия ударника с преградой. Для случая шарового сегмента время взаимодействия в 1.5-2 раза превышает время для случая плоского наконечника и наконечника с фаской. Соответственно, характерная частота спектра удара в случае шаровой формы наконечника ниже, чем в других вариантах.

Влияние фактора мощности патрона влияет исключительно на начальную скорость ударника. Увеличение скорости на 20% незначительно (на 3-5%) увеличивает время взаимодействия, и значительно (на 10-20%) увеличивает глубину кратера.

Дополнительно было исследовано влияние одновременного применения нескольких СПУ на получаемый СУ, и выявлено, что это оказывает влияние на форму и уровень СУ, однако оценить влияние возможно только экспериментальным путём.

На данный момент накопленный опыт испытаний на стенде не позволяет провести детальный развернутый анализ последствий применения дополнительных СПУ при испытаниях БА на стенде, и дать оценку оптимальной

области применения стендовых испытаний с несколькими СПУ.

Экспериментальное подтверждение

Для верификации результатов расчета было проведено 3 блока серий испытаний, и проанализированы их результаты.

В первой серии экспериментально исследовалась задача воздействия ударника СПУ на демпфер в зависимости от используемого материала АМГ6, мощности применяемых патронов и объема камеры высокого давления. При испытаниях использовалась схема начальной установки объема камеры высокого давления, связанная с использованием части объема ствола, где начальное положение устанавливается за счет смещения поршня в стволе.

На рисунке 5 приведена экспериментальная зависимость глубины вмятины демпфера из АМгб от начального объема пороховой камеры с использованием патрона Д4.

0 1 2 3 4 5 6

Начальный объем пороховой камеры ствола, см3

Рисунок 5 - Зависимость глубины вмятины демпфера из АМгб от начального объема пороховой камеры с использованием патрона Д4

Экспериментальные точки на графике соответствуют средним значениям серии испытаний. Из анализа данных и оценки погрешностей следует, что относительная погрешность при проведении однотипных испытаний находится в пределах 5-8% при Р=0.95.

Во второй серии испытаний экспериментально исследовалась задача воздействия ударника СПУ на демпфер в зависимости от используемого материала М1. Использовался более технологичный метод установки начального объема пороховой камеры, связанный с использованием полости пробки, которая за счет резьбового крепления со стволом может изменять начальное положение. Относительная погрешность повторяемости результатов при проведении однотипных испытаний находилась в пределах 5-7%.

В третьей серии экспериментатьных исследований были определены гарировочные зависимости величины вмятины демпфера от мощности используемых строительных патронов типа Д2, ДЗ, Д4. Д5. Все результаты получены для ударника с плоским торцом. В этом случае вмятина имеет четкую цилиндрическую форму, что позволяет провести измерения с высокой точностью. Была проведена серия испытаний и построены тарировочные зависимости средних значений для демпфера из АМГ6, представленные на рисунке 6.

0X23456789 Начальный объем пороховой камеры пробки, смЗ

Рисунок 6 - Глубина вмятины демпфера в зависимости от типа патрона Д2, ДЗ, Д4, Д5 и начального объема пороховой камеры пробки

Использование полученных результатов позволяет оперативно и с приемлемой точностью (5-7%) подбирать исходные параметры элементов СПУ для обеспечения заданных испытательных режимов виброударных испытаний.

По результатам второй главы можно сделать следующие выводы:

- Разработано и аттестовано оборудование для моделирования удара от пиротехнических средств разделения - пиротехнический стенд с платформой, на которой закреплен ОИ. и устройствами для создания локального ударного нагружения. Показано, что стенд позволяет проводить автономные испытания БА массой до 30 кг на ударные нагрузки с уровнем СУ до 5000g на частотах свыше 5000 Гц.

- Относительная погрешность при проведении однотипных испытаний на стенде находится в пределах 5-7%, что характеризует высокую повторяемость при испытаниях

- Для адаптации параметров системы к заданным частотным характеристикам СУ начальное значение параметров системы оценивается из анализа набора расчетных данных, а далее значения уточняются результатами дополнительных расчетов и подтверждаются частотными испытаниями системы с весовым макетом прибора.

- Факторами, оказывающими существенное влияние на амплитуду виброудара, являются мощность патрона, начальная скорость удара, физико-механические и геометрические характеристики демпфера.

- Дополнительное подключение одного или нескольких СПУ может быть использовано для корректировки режима испытаний, и проводится на основе экспериментальных исследований.

Третья глава посвящена созданию типовой программы и методики автономных испытаний БА с использованием созданного стенда.

Традиционно нормированный СУ задается в виде кусочно-линейной зависимости, заданной в логарифмических масштабах частотьг и амплитуды спектра. На графике СУ, как правило, присутствует одна (реже-две) характерные точки перегиба СУ (рисунок 7).

10000

1000

100

10

1

100 1000

Частота, Гц

Рисунок 7 - Частота fsRs и амплитуда А СУ в точке перегиба

Методика подготовки и проведения виброударных испытаний БА на стенде состоит из следующих 7 этапов:

]. Задание параметров режима нагружения ОН: характерной частоты СУ fsRs и соответствующей амплитуды удара для заданных параметров ОИ (масса, посадочные размеры БА).

С учетом анализа требований и рекомендаций отечественных, зарубежных и международных нормативных документов по пиротехническим испытаниям, задается поле допуска для созданного стенда при воспроизведении СУ:

- на частотах до 1000 Гц поле допуска составляет (-6,+3) дБ;

- на частотах от 1000 до 7000 Гц поле допуска составляет ±3 дБ:

- на частотах свыше 7000 Гц поле допуска составляет (-3, +6 дБ);

- во всем частотном диапазоне допускается отклонение от указанного поля допуска, но не более, чем на 6дБ, и не более, чем суммарно в 20% от частотного диапазона 100-10000 Гц.

2. Подбор параметров системы, обеспечивающих значение резонансной частоты платформы с ОИ, равное fsRs.

Оценка оптимальных параметров системы стенд/прибор проводится по созданной программе расчета, или уже существующим оценочным зависимостям.

Отметим, что если существующей платформы стенда недостаточно для создания необходимого ударного воздействия, то с помощью разработанной программы возможно рассчитать технические характеристики требуемой пластины и подготовить ТЗ на ее изготовление.

3. Подтверждение формы СУ на стенде путём испытаний ударным молотком и её коррекция.

Коррекция формы СУ возможна путем установки дополнительной технологической плиты под оснастку. Дополнительная плита может устанавливаться на различного рода втулки, шайбы, а также на мягкие прокладки. Одним из приемов коррекции формы СУ является несиммегричная установка опорных элементов дополнительной плиты для возбуждения изгибных форм

колебаний.

4. Подбор параметров ударных устройств стенда, обеспечивающих необходимую амплитуду виброудара

Скорость удара механического ударника пиротехнического устройства регулируется с использованием тарировочных зависимостей, полученных для патронов различной мощности и величины пути разгона ударника в стволе (рисунок 8).

Далее проводится выбор материала и характеристик упруго-пластического демпфера по результатам расчета.

5. Испытания макета БА (отладочные) с параметрами системы, определенными на предыдущих этапах.

6. Обработка и анализ результатов испытаний макета БА. Полученный при испытаниях СУ сравнивается с требуемым с учётом принятого поля допуска. Если полученный СУ не удовлетворяет требованиям, проводится его повторная коррекция согласно п.4 до тех пор, пока полученный СУ не будет соответствовать предъявленным требованиям.

Зависимость скорости удара от пути раз гона ударника (патрон Д2, ДЗ, Д4)

-г. 8о

г

а бо

| 40

| 20

0 10 20 30 40 50 Путь разгона ударника, мм

Рисунок 8 - Зависимость скорости удара от пути разгона ударника

7. Проводятся виброударные испытания прибора в соответствии с программой испытаний.

В работе также сформирована рекомендация по адаптации созданной методики к испытаниям опытных сборок КА. В этом случае предполагается, что за счет использования штатной силовой конструкции характерные частоты СУ будут близки к реальным. Таким образом, основной задачей методики испытаний сборки является воспроизведение требуемой амплитуды удара в контрольных точках плоскости разделения. При необходимости, для этого могуг быть использованы несколько СПУ и/или специальные приспособления.

По результатам третьей главы можно сделать следующие выводы:

- Разработана типовая программа и методика испытаний бортовой аппаратуры КА на стойкость к ударному воздействию от срабатывания пиросредств. Типовая программа и методика состоит из 7 этапов.

- Разработанные СПУ, функционирующие в составе стенда, могут быть применены для испытаний опытных сборок КА по адаптированной методике. Методика испытания сборок отличается от приведенной выше отсутствием этапов 2 и 3, а также тем, что в некоторых случаях для имитирования гшроудара

необходимо задавать нагрузки одновременно в нескольких точках, для чего должны использоваться несколько одновременно инициируемых СПУ и/или специальные приспособления.

Четвертая глава посвящена применению разработанной типовой программы и методики испытаний на ударные нагрузки от пиротехнических систем разделения для подтверждения функционирования БА при воздействии ударных нагрузок.

Созданное испытательное оборудование и типовая программа и методика испытаний были успешно применены в ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» как для решения задач подтверждения стойкости БА к определенному заданному уровню ударных нагрузок, так и для оценки предельного уровня ударостойкости отдельных элементов БА.

С использованием типовой программы и методики были проведены испытания на воздействие ударных нагрузок аккумуляторной батареи для микро КА «Звезда», бортовой вычислительной машины (БВМ) КА «Метеор-М» №2.

Функционирование аккумуляторной батареи микро КА «Звезда» при воздействии удара показано на рисунке 9. В результате удара возник кратковременный импульс напряжения, что необходимо учитывать при проектировании системы энергоснабжения КА. В целом после удара рабочее напряжение соответствует требуемому.

100

-10

-60

200

100

40

-60

Рисунок 9 - Рабочие параметры аккумуляторной батареи при ударном воздействии

иа<1с, в

Шас, мВ

—к-

Шс1с, В

Шас, мВ

Для. блока герконов КА «Ионосфера», входящих в состав солнечной батареи КА, была проведена серия испытаний с установлением предельной ударной стойкости узла герконов. Пример отказа 2х герконов (третий и пятый графики) из партии в количестве 5 шт. приведен на рисунке 10.

После испытаний были сформулированы рекомендации по изменению конструкции узла герконов для обеспечения его стойкости к пироударным нагрузкам.

Входящие в состав стенда СПУ также были применены для создания виброударной нагрузки на динамическое изделие КА «Канопус-В», для обеспечения проведения зачетных испытаний доработанного антенно-фидерного устройства КА. по программе и методике испытаний, адаптированной к испытаниям опытной сборки.

2.80 _ |п F-ТипеРо,п81

0.00 - , 1 , 1,1,1,1,1,1,

•0.03 0.77

■¿.т

— | □ Я-Твпе ОэпМ 0

0.00 = 1,1 1 1.1.1.1.1.1,

•0.03 в 0.77

6.00е-3

| □ Р-Игле РЫпП 1

300е-6 .......,1,1,1

•0.02 Э 0.05

2.80 - | □ Я-"Пгпе Ижй12 |

0.00 ■1,1,1, , 1 , 1 1,1,

•0.03 5 0.77

0.04

□ Р-"Пте РЫпИЗ |

^ П

I I I

0.01 И , I , I , I , I , I , I , I ,

•0.03 8 0.77

Рисунок 10 - Потеря функционирования герконов КА «Ионосфера» после воздействия удара

По результатам четвертой главы можно сделать следующие выводы:

— Разработанное испытательное оборудование и созданная типовая

программа и методика испытаний БА были успешно апробированы при решении практических задач.

- Достоверность созданной программы и методики испытаний была подтверждена, с ее помощью проведены следующие типы испытаний:

• Отработочные испытания бортовой аппаратуры КА на стойкость к ударным нагрузкам;

• Исследовательские испытания ударостойкости герконов;

- Входящие в состав стенда пироударники были применены для решения задач по отработке стойкости БА с использованием опытных сборок КА, в частности, при испытаниях АФУ РЛЦИ КА «Канопус-В». В этом случае была применена созданная типовая программа и методика испытаний, адаптированная к испытаниям сборок.

Основные результаты и выводы

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Рассмотрены существующие отечественные и зарубежные нормативные документы, регламентирующие задание требований и отработку стойкости БА КА, относящейся к бортовым электротехнических комплексам или системам целевого и служебного назначения, к воздействию ударных нагрузок от срабатывания пиросредств. Рассмотрены и классифицированы все существующие способы отработки БА КА на стойкость к ударному воздействию, определен оптимальный тип стенда для автономных испытаний БА КА.

2. С участием автора разработано, аттестовано и внедрено испытательное оборудование для автономных испытаний БА КА массой до 30 кг на ударные пиротехнические нагрузки с уровнем СУ до 5000g на частоте свыше 5000 Гц -стенд с пороховым источником энергии. Проведено экспериментально-теоретическое исследование характеристик системы «стенд с объектом испытаний/ударное устройство» для обеспечения испытаний БА.

3. Разработана и апробирована типовая программа и методика испытаний БА на созданном стенде, которая позволяет проводить испытания БА КА на СУ, соответствующий нагрузкам от срабатывания пиросредств во всех принятых зонах.

4. Практическая значимость типовой программы и методики испытаний БА КА подтверждена при испытаниях ЛИАБ МКА «Звезда», БВМ КА «Метеор-М» №2. при исследовании ударной стойкости герконов.

5. Разработанные в составе стенда СПУ применены для испытаний БА с использованием опытных сборок КА, в частности, при испытаниях АФУ РЛЦИ КА «Канопус-В». При этом применялась созданная типовая программа и методика испытаний, адаптированная к испытаниям сборок.

Таким образом, в диссертационной работе содержится решение задачи разработки испытательного оборудования и методики испытаний БА КА к пироудариым нагрузкам на основе современных расчетных и экспериментальных технологий.

Список публикации по теме диссертации

Статьи в изданиях по перечням ВАК:

78.4/6

1. Введенский Н.Ю., Пустобаев М.В. Анализ отработки "космической техники на механические воздействия в США, ЕС и РФ. // Тр. ВНИИЭМ. - 2012, №130(5).-С. 19-26.

2. Красова H.A., Пустобаев М.В., Тютнев А.П. Отработка бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на ударные воздействия. // Тр. ВНИИЭМ. - 2013, №132(1). - С. 27-34.

3. Грабилин А.О., Зубренков Б.И., Пустобаев М.В., Судомоев А.Д., Шматков A.B. Моделирование режимов ударного нагружения на аппаратуру КА при срабатывании пиротехнических средств разделения // Тр. ВНИИЭМ. -2014, №138(1).-С.35-42.

4. Канупникова Е.А., Пустобаев М.В., Судомоев А.Д., Тютнев А.П. Разработка типовых методик испытаний опытных сборок КА и БА на стойкость к пиротехническим ударам// Тр. ВНИИЭМ. -2014, №140(3) С.35-40.

5. Пустобаев М.В. Экспериментально-теоретическое исследование характеристик системы «Стенд с объектом испытаний/ударное устройство» для испытаний бортовой аппаратуры // Тр. ВНИИЭМ. -2014, №141(4). -С.55-60.

Доклады на конференциях:

1. Методология ударных испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА на основе заданных спектров ответа. Пустобаев М.В., Красова H.A. V всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», 5-7 июня 2012 г.

2. Создание стенда для испытаний бортовой аппаратуры КА на ударные воздействия от пиросредств. Пустобаев М.В. Первая молодежная конференция «Инновационная деятельность в науке и технике», 1 ноября 2012 г.

Подписано в печать 12.03.2015г.

Усл.пл. - 1.0 Заказ № 25962 Тираж: 75 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495)542-7389 www.chertez.ru