автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Основы проектирования и наземной обработки системы обеспечения работоспособности роботов-планетоходов по тепловому режиму их устройств

/

сл

4

? „, /■), / /1

Санкт-Петербургский государственный технический университет

Основы проектирования и наземной отработки системы обеспечения работоспособности роботов-планетоходов по тепловому режиму их устройств

05.02.05- "Роботы, манипуляторы и робототехнические системы" 05.14.05- "Теоретические основы теплотехники"

Диссертация на соискание ученой степени

правах рукописи

Поршнев Геннадий Павлов

доктора технических наук

Санкт-Петербург 199В г.

Содержание

Условные обозначения стр. 4

Введение 7

1.Состояние вопроса. Объекты исследования. Постановка задач диссертации 19

1.1 .Общие требования к планетоходам и задачи их

проектирования 20

1.2.Объекты исследования 30

1.3 .Анализ состояния вопроса 6В

1 АЦель и задачи работы 82

2.Теорепхческие основы модульного принципа 85 2.1 .Формирование расчетных условий эксплуатации роботов-

планетоходов. Начальный этап проектирования СОТР 86

2.2.Анализ теплового состояния робота-планетохода. Признаки модуля 93

2.3.Анализ теплообмена при вынужденной конвекции в условиях атмосферы Марса 141

Заключение по главе 2 145

3.Методические особенности термовакуумных испытаний роботов-планетоходов 147

3.1 .Имитация внешней среды при наземной отработке

роботов-планетоходов 147

3.2.Имитация атмосферы Марса при ТВИ роботов-планетоходов 152

3.3.Имитация теплового воздействия от солнечного излучения 161

3.4.Физическое моделирование 171 3.5,Оценка погрешности измерения, контроля, косвенного

определения величин при ТВИ роботов-планетоходов 180

З.б.Экспериментальные исследования эффективности

различных типов теплоизоляции 181

Заключение по главе 3 185 4.Реализация методов проектирования СОТР для различных роботов-планетоходов и других роботехнических

изделий 189 4.1 .СОТР аппарата для исследования поверхности Фобоса

(ПрОП-ФП) 190

4.2.Разработка СОТР марсохода 228

4.3.Расчет теплового режима изделия "Крот" 268 4.4.0беспечение работоспособности демонстратора

марсохода 282

4.5.Тепловое состояние демонстратора лунохода 303

4.6.Расчет теплового режима мини-лунохода 312

4.7.Разработка СОТР моторного блока системы крепления бортовых манипуляторов (СКБМ) корабля "Буран" 322

4.8.СОТР платформы точного наведения 335 Заключение по главе 4 357 Заключение 359 Литература 363 Список печатных трудов автора по теме диссертации 369 Приложения 373

Условные обозначения

Аз-поглощательная способность солнечного излучения поверхностью тела;

С-полная теплоемкость, Дж/К;

Со=стох108-коэффициент излучения абсолютно черного тела; И-площадь поверхности, м2;

(^-тепловой поток (мощность тепловыделения), Вт;

Бе-плотность солнечного потока, Вт/м2;

Т-температура, К;

а-температуропроводность, м2/с;

с-удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

^площадь поперечного сечения, м2;

ш-масса, ьсг;

р-давление, Па;

{-температура, °С;

а-коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); е-степень черноты; (р-угловой коэффициент; §-ускорение свободного падения, м/с2; ¿--теплопроводность, Вт/(мК); ¡^-относительный мидель поверхности; р-плотность, кг/м3;

<10=5,67x10-8Вт/(м2К4)-константа излучения абсолютно черного тела; т-время, с;

Индексы

Ь-блок, модуль;

е-внешняя среда;

qr-гpyнт;

т-внутренний;

к-конвективный;

1-лучистый;

п-наружный;

рг-приведенный;

Б^стационарный;

^теплоизоляция

и1-утечки;

Критерии (числа) подобия

Ле-Рейнольдса;

Рг-Прандтля;

Ки-Нуссельта;

Ре-Пекле;

вг-Грасгофа;

Ро-Фурье;

ВьБио;

Кп-Кнудсена

Аббревиатуры

ВНИИТРАНСМАШ- Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения

СПбГТУ- С.-Петербургский государственный технический университет

СОТР- система обеспечения теплового режима КВИ- контрольно-выборочные испытания

КДИ -конструкторско-доводочные испытания ЛОИ- лабораторно-отработочные испытания ПСИ- премно-сдаточные испытания ТЗ- техническое задание ЭВТИ- экранно-вакуумная теплоизоляция БА- блок аппаратуры

Введение

Одним из эффективных средств исследования планет и спутников Солнечной системы являются планетоходы, позволяющие не только расширить район изучения, но и изменять направление поисков. Планетоходы могут использоваться для перевозки космонавтов и грузов, для постановки метеомаяков и маяков наведения.

Первые в мире планетоходы, как известно, были созданы в нашей стране. "Луноходы-1 и 2" на спутнике Земли убедительно продемонстрировали возможности этих подвижных лабораторий.

Несмотря на имеющийся пример успешной эксплуатации американского лунохода LRV, созданного в рамках программы "Apollo", в ближайшем будущем следует ожидать преимущественного использования безэкипажных планетоходов с достаточно высокой степенью автономности. Такие планетоходы должны обладать системами навигации и управления, свойствами перепрограммируемости и адаптивности. Для обеспечения необходимых качеств по проходимости и подвижности механические устройства планетохода должны иметь несколько степеней свободы (не менее двух). Как правило, планетоход снабжается манипуляторами- для наведения телевизионных камер, сбора образцов грунта, управления другими служебными устройствами и т. д. Очевидно, что такой безэкипажный планетоход может быть отнесен к классу транспортных (локомоционных) роботов, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.

Теория транспортных роботов разрабатывается в нашей стране с середины 60-х годов. В 1970 и 1973 г.г. на Луну были доставлены "Луноходы". В 1971 г. в составе межпланетной станции "Марс-3" находился марсоход (при контакте с поверхностью Марса связь с посадочным комплексом прервалась). В 1971-72 г.г. три экспедиции астронавтов США на Луну были оснащены электромобилями "LRV". В рамках проекта "Фобос" в 1989 г. на второй межпланетной станции

(с первой станцией связь прервалась на трассе перепета к Марсу) находился подвижный аппарат для исследования поверхности Фобоса ПрОП-ФП. Начало научных исследований на орбите искусственного спутника Марса было успешным, но затем связь и с этой станцией была утеряна. В 80-х годах в нашей стране началась работа над созданием марсохода для последующих экспедиций. Были изготовлены оригинальные по конструкции опытные образцы роботов-марсоходов, получившие высокую оценку ведущих специалистов различных стран. Успешными были доставка и эксплуатация марсохода США в 1997 г. Более подробные сведения о роботах-планетоходах приведены в главе 1. Здесь же отметим, что транспортные роботы, предназначенные для эксплуатации на Луне и планетах, являются уникальными изделиями и наиболее сложными из локомо-ционных роботов.

К роботу-планетоходу предъявляются разносторонние требования [1,2,13]:

-высокая проходимость в профильных условиях грунта исследуемой планеты (спутника);

-прочность конструкции, приборов, научной аппаратуры; -высокий уровень надежности (с учетом невозможности ремонта и значительных затрат на создание и доставку аппарата); -сохраняемость при доставке (продолжительность этапа доставки может быть значительной, а условия доставки могут существенно отличаться от условий функционирования на планете); -функционирование в условиях исследуемой планеты (спутника); -возможность конвертирования- для крепления в космическом корабле и последующего "разворачивания" при доставке на поверхность планеты.

Выполнение любого из перечисленных взаимосвязанных требований- серьезная научно-инженерная задача, решение которой пред-

_ д-

полагает достижение главной цели- обеспечение работоспособности робота-планетохода. Свидетельством этому служат фундаментальные исследования (например, [ 1,13 ]). В мире проявляется большой интерес к проблемам проектирования роботов-планетоходов- по сведениям автора, за последние 10 лет появилось более 140 работ на эту тему. К обоснованию важности и актуальности вопроса можно добавить следующие факты:

-в 1997 г. на Марс был доставлен американский планетоход, который, несмотря на неполадки при посадке на поверхность планеты, выполнил предусмотренную программу исследования; -в последние годы расширился круг стран и организаций, занимающихся проблемами создания планетоходов (фирмы Франции и Германии проявляют интерес к разработкам АО ВНИИТРАНСМАШ; в НПО им. С.А.Лавочкина разработан проект "Марсохода-2001").

Термин "Работоспособность" здесь и в дальнейшем изложении понимается в формулировке: "Работоспособное состояние (работоспособность)- состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и или) конструкторской документации."*. Подчеркнем, что численными показателями работоспособности являются технические параметры , которые характеризуют возможности изделия по выполнению поставленных задач исследования или заданных функций. При этом не исключен вариант ограничения значений параметров при возникновении нештатных ситуаций.

"Надежность и эффективность в технике. В 10 томах. Справочник. Т. I / Под ред. д.т.н. А.И.Рембезы.- М.: Машиностроение, 1986.- 222 с.

Основными объектами исследования являются роботы- планетоходы. В рамках научно-технического сотрудничества СПбГТУ и АО ВНИИТРАНСМАШ автор с 1980 г. участвует в разработках планетоходов и других изделий космической техники. Накопленный опыт и явился базой для написания диссертации.

Непосредственными объектами исследования явились: -подвижный аппарат для исследования поверхности Фобоса (с прыжковым движителем); степень разработки- летные образцы аппарата; создавался в рамках Государственной программы "Фобос"; -марсоход (с шестиколесным колесно-шагающим движителем, приводом изгиба рамы и бортовым способом поворота); степень разработки- опытные образцы; работы над аппаратом велись в соответствии с Государственной программой "Марс-96"; -аппарат "Крот", предназначенный для исследования подповерхностных слоев грунта; один из вариантов аппарата проектировался для установки на марсоход; степень разработки- опытные образцы; -демонстратор марсохода, изготовленный по заказу французской фирмы "Lama" (как и марсоход, имел шестиколесный колесно-шагающий движитель);

-демонстратор лунохода, изготовленный также по заказу французской фирмы (шестиколесный колесно-шагающий движитель с управляемыми колесами);

-мини-луноход, разрабатываемый по заказу германской фирмы; степень разработки- технические предложения; -платформа точного наведения, изготовленная по заказу фирмы "Боинг" (США) и предназначенная для ориентирования научных приборов при проведении исследований с орбитальной станции "Мир"; платформа доставлена на ОС "Мир";

-привод системы крепления бортовых манипуляторов космического корабля "Буран"; степень разработки- летные образцы.

-и-

Некоторые из перечисленных объектов не являются планетоходами. Включение их в ряд рассматриваемых в диссертации изделий вызвано стремлением подчеркнуть универсальность предлагаемых методов , расширить область их применения, а также расширить базу для последующих обобщений. Кроме того, дополнительные объекты исследования, как и безэкипажные планетоходы, относятся к классу робоототехнических изделий.

Кроме того, автор участвовал: -в разработке на начальном этапе проектирования и в последующей экспериментальной отработке СОТР трехосной стабилизированной платформы, которая была смонтирована на межпланетной станции "Марс-96";

-в тепловом расчете редукторов разворота для бортовых манипуляторов корабля "Буран";

-в тепловом расчете пироячейки, проектируемой для устройства-анализатора химического состава грунта;

-в разработке методики и специальных зондов для измерения теплопроводности грунта (применительно к аппарату "Крот"); -в тепловом расчете токоприемника для высоскоростного электропоезда "Сокол".

Эти разработки, не вошедшие в структуру работы, также внесли вклад в формирование научных положений диссертации.

Область исследования. Среди основных требований, предъявляемым к роботам-планетоходам, автор выделил вопросы, связанные с обеспечением работоспособности аппаратов в климатических условиях изучаемой планеты (спутника). При этом главной является задача обеспечения требуемого температурного режима устройств робота-планетохода. Физико-химические причины нарушения работоспособности аппарата в случае выхода температуры устройства за допустимые температурные пределы сводятся, главным образом, к

изменению характеристик материалов (например, к изменению

г

прочностных и упругих свойств консрукционных материалов, смазочных свойств применяемых смазок, физических характеристик материалов, используемых для изготовления радиоэлектронных устройств, физико-химических характеристик аккумуляторов и т.д.). Опыт проектирования, исследования в наземных лабораториях и эксплуатации в натурных условиях изделий космической техники позволяет привести следующие примеры допустимых температурных диапазонов (применительно к роботам-планетоходам): -смазочные материалы- от минус 80 до +120°С; -пластмассы- от минус 50 до +(50...90)°С; -электродвигатели- от минус 50 до +90°С; -радиоэлектронные блоки- от минус (50... 10) до +50°с; -гироскопические устройства- +(15...30)±5°С.

Нарушение теплового режима какого-либо устройства приводит к полной или частичной потере работоспособности всего аппарата. В этой связи становится очевидной необходимость проектирования системы обеспечения теплового режима (СОТР), как важнейшей составной части планетохода. Имеющийся опыт проектирования и наземной отработки орбитальных околоземных аппаратов, межпланетных станций, первых планетоходов представляет собой фундаментальную базу для развития исследований применительно к роботам-планетоходам. Роботы-планетоходы имеют ряд особенностей эксплуатации, которые приводят к необходимости создания специфических методов проектиро- вания и наземной отработки СОТР: -широкий диапазон внешних тепловых воздействий в совокупности с весьма ограниченными энергетическими возможностями аппарата; -изменение внешней тепловой обстановки при перемещении аппарата по поверхности планеты (спутника); -тепловое взаимодействие с грунтом;

-наличие подвижных частей конструкции.

Отметим также, что роботы-планетоходы- уникальные изделия. При проектировании робота-планетохода уже на этапах разработки технических предложений и эскизного проекта необходимо решить ряд принципиальных задач, чтобы оценить реальность создания аппарата с обозначенными ограничениями по массе, габаритам, энергетике. Такая оценка должна производиться еще до детальной проработки конструкции. Это накладывает особые требования на используемые методы расчета и предварительной экспериментальной проверки.

Таким образом, область исследования включает разработку основ проектирования и наземной отработки системы обеспечения работоспособности робота-планетохода в части теплового режима его устройств при заданных температурных ограничениях. Методы проектирования и наземной отработки должны быть применимы на всех этапах разработки изделия, включая начальные. Область исследования распротраняется на все транспортные роботы, предназначенные для функционирования при экстремальных значениях тепловых нагрузок. В приведенной формулировке, по существу, отражена также цепь исследования: создание научных основ методов расчета и экспериментальных исследований для проектирования системы обеспечения работоспособности робота планетохода по тепловому режиму его устройств. В качестве базы для достижения цели исследования автор предлагает использовать модульный принцип и положения теории тепловых цепей.

Задачи диссертации: -анализ условий теплообмена планетоходов;

-адаптация модульного принципа анализа теплового состояния к роботам-планетоходам;

-формулировка признаков модулей, являющихся составными частями схем замещения;

-обоснование выбора расчетных методов и круга задач теплоперено-са; получение новых решений некоторых задач; -разработка методических основ экспериментальной отработки СОТР планетоходов.

Теоретическая и экспериментальная база исследования. При рас-четно-теоретическом анализе теплового состояния планетоходов применяются методы теории теплопереноса с учетом особенностей конструкции и условий теплообмена роботов-планетоходов. Экспериментальные исследования проведены, в основном, на стендовом оборудовании АО ВНИИТРАНСМАШ. В разработках используется опыт проектирования и наземной отработки орбитальных аппаратов и межпланетных станций.

Диссертация имеет следующую структуру.

В первой главе перечислены требования, предъявляемые к плане-тохо- дам, методы и средства выполнения этих требований. Кратко описан процесс создания планетохода с выделением особенностей начальных этапов проектирования. Описаны компоновки, конструкции, технические характерист