автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка методического аппарата создания прецизионных многозвенных конструкций для бортовых радиолокационных комплексов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

На правах рукописи

Гусев Андрей Александрович

Разработка методического аппарата создания прецизионных многозвенных конструкций для бортовых радиолокационных комплексов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

Специальность:

05.07.02 — Проектирование, конструкция и производство летательных

аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015

18 ПАР 2015

005560607

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно - управляющие и электромеханические комплексы» им. А.Г. Иосифьяна ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ходненко Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мельников Виталий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Дмитриев Сергей Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский

институт электромеханики» г. Истра

Защита состоится «27» апреля 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д403.005.01, созданного на базе ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», по адресу: г. Москва, Хоромный тупик, д. 4, стр. 1.

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

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в 2 экз. просим направлять по адресу: 107078, Россия, г. Москва, Хоромный тупик, д. 4, стр. 1.

Автореферат разослан « 05 »марта 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д403.005.01, кандидат военных наук, доцент

А.В. Пинчук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В соответствии с постановлением правительства Российской Федерации (РФ) от 21 апреля 2014 г. № 366 использование Северного морского пути для международного судоходства в рамках юрисдикции Российской Федерации является одним из стратегических приоритетов государственной политики Российской Федерации в Арктике.

Для осуществления поставленной правительством РФ задачи эксплуатируются и разрабатываются космические аппараты (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), оснащенные радиолокаторами С и А1 диапазонов, требующие, как будет показано далее, специального подхода к проектированию силовой конструкции под них для обеспечения специфических требований по точности, обеспечению теплового режима и др.

Существующий в настоящее время методический аппарат (алгоритмы создания, методики моделирования и т.д.) по созданию изделий космической техники, в частности прецизионных многозвенных конструкций (ПМК) для бортовых радиолокационных комплексов (БРЛК) космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), носит весьма общий характер и не содержит детальной информации и рекомендаций, позволяющих своевременно принять конкретные решения.

Методы решения основных задач проектирования раскрывающихся конструкций и подходы к их моделированию приведены в научных работах Гутовского И.Е., Зимина В.Н., ОАО «Концерн радиостроения «Вега», ОАО «ИСС» и др. однако описанные методы не учитывают специфики прецизионных многозвенных конструкций для БРЛК КА ДЗЗ с антенно-фидерным устройством (АФУ) на основе антенной решетки, а также особенностей изготовления и отработки подобных ПМК.

Главной особенностью ПМК является жесткое требование по точности, обусловленное несущей частотой зондирующего сигнала БРЛК. Для БРЛК, предназначенных для мониторинга ледовой обстановки, работающих преимущественно в А'-диапазоне, допуск на отклонение точек физической апертуры от расчетной может составлять 2 мм, при том что размеры АФУ могут достигать десятков метров. При создании ПМК необходимо выбирать конструктивные решения самой ПМК, наземного испытательного оборудования и технологической оснастки, позволяющие обеспечить заданную точность с учетом всех влияющих факторов. Отсутствие системного подхода к проектированию ПМК приводит к выбору конструктивных решений и методик испытаний, не отвечающих заданным требованиям по точности, что приводит к задержке сроков изготовления и отработки ПМК вплоть до полугода за счет проведения доработок ПМК и наземного оборудования, необходимость в которых появляется на поздних этапах, когда ПМК и наземное оборудование уже изготовлено.

Таким образом, отсутствие методического аппарата и алгоритма создания ПМК для бортовых радиолокационных комплексов КА ДЗЗ определило

актуальную научную задачу диссертации, заключающуюся в разработке методического аппарата и алгоритма, позволяющего выбрать проектные и конструктивные решения ПМК, обеспечивающие заданную точность ПМК с учетом влияющих факторов, что имеет существенное значение при разработке космических аппаратов.

Целью работы является обеспечение проектирования прецизионных многозвенных конструкций космических аппаратов дистанционного зондирования Земли в соответствии с заданными требованиями по точности за счет рационального выбора проектных и конструктивных решений с учетом факторов, влияющих на точность ПМК.

Научная задача исследования: на основе анализа характеристик многозвенных конструкций, используемых в КА ДЗЗ, а также существующих методов их проектирования разработать алгоритм и методический аппарат (математические модели и способы их реализации), обеспечивающие проектирование ПМК КА ДЗЗ в соответствии с заданными техническими требованиями.

Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие частные задачи исследования:

1. Проведен анализ многозвенных конструкций, используемых в КА, требований к ПМК КА ДЗЗ и определена наиболее распространенная область применения ПМК.

2. На основе анализа процесса создания силовой рамы (СР) АФУ БРЛК, а также других ПМК, с учетом применения метода оптимального проектирования разработан подробный алгоритм создания ПМК для КА ДЗЗ.

3. Разработанный по п.2 алгоритм применен к анализу уже разработанной СР ВЩА БРЛК и определены основные недостатки конструкции и выданы рекомендации по их устранению с проведением соответствующих испытаний на макетах и образцах СР.

4. На основе анализа экспериментальных данных, полученных при летно-космических испытаниях (ЛКИ) КА «Метеор-М» №1 и №2, а также учета нелинейных особенностей реальных механических систем, проведено уточнение разработанного по п.2 алгоритма и математических моделей.

5. Обобщены результаты исследований и выданы рекомендации по практическому применению разработанного алгоритма применительно к различным многозвенным конструкциям КА ДЗЗ.

Объестом исследования является прецизионные многозвенные конструкции КА ДЗЗ.

Предметом исследования являются методы проектирования, моделирования и отработки прецизионных многозвенных конструкций КА ДЗЗ.

Метод исследования: численное математическое моделирование, которое выполнялось на ЭВМ.

Характеристика исследований по главам диссертационной работы. В первой главе проводится анализ назначения видов ПМК и делается вывод, что наиболее рациональным применением ПМК являются силовые конструкции БРЛ для КА ДЗЗ. Анализируются существующие методы выбора основных

проектных решений выявляется отсутствие подхода проектирования ПМК для БРЛК КА ДЗЗ на основе антенно-фидерного устройства, содержащего антенную решетку. В заключении главы формулируется научная задача. Во второй главе проводится анализ этапов создания СР ВЩА БРЛК для КА «Метеор-М» №1 и формулируется алгоритм создания ПМК для БРЛК КА ДЗЗ на основе АФУ с антенной решеткой. В третьей главе при помощи разработанного алгоритма проводится анализ конструкции СР ВЩА БРЛК и наземного оборудования и выявляются недостатки конструкции. Выдаются рекомендации по доработке конструкции СР, проводится математическое моделирование и анализ результатов экспериментов на макетах и образцах СР. В четвертой главе приводится рекомендации по уточнению математических моделей, позволяющие учесть нелинейности, свойственные реальным механическим системам, а также повысить сходимость результатов моделирования и экспериментов. Проводится анализ раскрытия СР для КА «Метеор-М» №1 и №2 и сравнение с результатами моделирования. Показана возможность применения разработанного алгоритма и математических моделей для проектирования трансформируемых конструкций, не относящихся к ПМК.

Научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту.

1. Алгоритм создания ПМК БРЛК КА ДЗЗ на основе АФУ с антенной решеткой.

2. Методика моделирования ПМК на различных этапах разработки.

3. Рекомендации по уточнению математических моделей, позволяющие повысить сходимость результатов моделирования и экспериментов.

Вклад автора. Автором лично были разработаны и апробированы математическая модель СР ВЩА БРЛК для КА «Метеор-М» №1 и №2, учитывающая податливость системы, люфты, механический контакт и демпфирование. По результатам моделирования были проведены доработки реальной конструкции, в испытаниях и отработке которой автор принимал непосредственное участие. Автором была проведена систематизация и обобщение опыта создания ПМК для БРЛК КА ДЗЗ и разработана методика моделирования ПМК.

Новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Впервые разработан алгоритм создания ПМК для БРЛК КА ДЗЗ с АФУ на основе антенной решетки с учетом специфики, свойственной ПМК, позволяющий на начальном этапе выбрать рациональный вариант построения ПМК, наземного испытательного и технологического оборудования с точки зрения обеспечения точности ПМК.

2. Разработана новая методика моделирования ПМК на различных этапах разработки с различной детализацией, позволяющая сократить время моделирования и повысить его точность, а также на раннем этапе создать упрощенную модель ПМК, которую можно использовать при проектировании служебных систем КА.

3. Впервые разработаны компактные математические модели, позволяющие учесть нелинейности, свойственные реальным механическим конструкциям и

выработаны рекомендации по расчету и подбору параметров моделей составных частей ПМК, позволяющие повысить сходимость результатов моделирования и экспериментов.

Научная теоретическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результат проведенных исследований представляет собой развитие методов оптимального выбора проектных решений по созданию космических прецизионных многозвенных конструкций. Разработанные математические модели обобщают накопленный экспериментальный опыт и теоретические интерпретации контактных взаимодействий и демпфирующих свойств механических конструкций.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритм и математические модели позволяют повысить эффективность проектирования ПМК для БРЛК КА ДЗЗ за счет сквозного учета факторов, влияющих на точность ПМК на всех этапах создания.

2. Применение разработанного алгоритма и математического моделирования позволило выбрать проектные и конструктивные решения, которые снизили более чем в 3 раза ударные нагрузки в процессе раскрытия СР ВЩА БРЛК, а также уменьшили со 150 до 40 секунд время успокоения СР после раскрытия.

3. Разработанная методика моделирования может быть применима при проектировании механических систем, не относящихся к классу ПМК.

Достоверность результатов исследований подтверждается применением при создании алгоритма и математических моделей известных и апробированных методов, верификацией разработанных математических моделей и сходимостью с результатами наземных и летных испытаний на КА «Метеор-М» №1 и №2.

Внедрение. Результаты работы были использованы при доработке конструкции СР ВЩА БРЛК для КА «Метеор-М» №2, а также доработке стенда сборки и раскрытия СР и универсального стенда раскрытия элементов конструкции. Применение разработанного алгоритма позволило выбрать параметры тормозного регулятора и определить нагрузки в конструкции откидной платформы для КА «Метеор-М» №3, в результате чего была выпущена рабочай конструкторская документация.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференции «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», второй международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А.Гагарина., а также НТС ОАО «Радиофизика» и ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных статьях в журналах, рекомендуемых ВАК России для опубликования научных результатов исследования.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы и приложения. Объём диссертации составляет 158 страниц, включая 12 таблиц, 92 рисунка, список литературы из 50 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, рассмотрено современное состояние проблемы, излагается научная новизна и практическая значимость работы, сообщаются положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и публикациях, излагается структура диссертации.

В первой главе введено понятие прецизионной многозвенной конструкции через определение трех множеств, пересечением которых являются ПМК. Эти множества: трансформируемые конструкции, многозвенные конструкции, прецизионные конструкции. Таким образом ПМК - это такая трансформируемая конструкция, состоящая из более чем из одного подвижного звена, к которой предъявляются требования по обеспечению ее геометрических характеристик в процессе и (или) после осуществления движения, при этом допуск на геометрические характеристики в соответствии с ГОСТ 25348-82 соответствует квалитету 10 и ниже, а также содержащая прецизионные элементы (привода, упоры, люфтовыбиратели и т.д.).

Наиболее распространённым применением ПМК является использования в качестве силовой конструкции для крупногабаритных антенно-фидерных устройств БРЛК. На габариты АФУ БРЛК влияют два основных параметра БРЛК - это линейная разрешающая способность и полоса обзора. Для радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), которые получили наибольшее распространение, разрешающая способность может достигать

Д =Îl

здесь Ах - линейная разрешающая способность, da - размер физической апертуры антенны. Преодолеть ограничения и добиться разрешения Ax<d€/2 при полосовом обзоре можно с помощью многолучевых антенн, для которых минимальная площадь антенн не зависит от полосы обзора:

H H sinffH

a (p~ Ш<р„

где V - скорость движения КА, в„ - угол максимума диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости, fQ - несущая частота зондирующего сигнала. Полоса обзора для многолучевой антенны определяется выражением:

Д77 - _'гйл_

Таким образом для увеличения полосы обзора необходимо увеличивать горизонтальный размер антенны. Для ПМК, применяемых в качестве несущей конструкции антенн бортовых радиолокаторов, предъявляется ряд

-5-

специфических требований. Одним из самых важных требований является обеспечение точности расположения точек реальной апертуры антенны, а также сохранности в процессе всего срока активного существования КА.

Для антенных решеток требования выливаются в обеспечение плоскостности антенного полотна в пределах ХУ8. Допустимые погрешности для радиолокаторов разного диапазона указаны в таблице 1.

Диапазон частот Допустимая

Название согласно Длина волны X, погрешность

диапазона классификации мм реальной

ШЕЕ, ГГц апертуры, мм

L 1,0 300 37,5

2,0 150 18,7

S 2,0 150 18,7

4,0 74,9 9,4

С 4,0 74,9 9,4

7,0 42,8 5,3

X 7,0 42,8 5,3

10,7 28,0 3,5

Ки 10,7 28,0 3,5

18,0 16,7 2,1

Для мониторинга ледовой обстановки наиболее подходят БРЛК X диапазона, также используют и С-диапазон, но качество получаемой информации заметно ниже. Таким образом для ПМК главным требованием является обеспечение плоскостности в пределах от 3,5 до 5,3 мм на всей длине физической апертуры антенного устройства (АУ), закрепленного на ПМК.

Основные факторы, влияющие на точность ПМК приведены в таблице 2.

Таблица 2 Факторы влияющие на точность ПМК

Наименование фактора Когда определяется Чем обеспечивается

Динамическая стабилизация КА Предварительное моделирование Параметрами системы ориентации, выбором жесткости ПМК

Конструктивные люфты ПМК Этап синтеза Конструктивными особенностями составных частей ПМК, наличием люфтовыбирателей

Тепловое воздействие Разработка составляющих элементов ПМК Выбором материалов, покрытий и элементов терморегулирования, конструктивной развязкой АУ и ПМК, ПМК и КА

Наименование фактора Когда определяется Чем обеспечивается

Динамические воздействия в процессе раскрытия ПМК Моделирование раскрытия, уточненное моделирование Выбором схемы раскрытия, установкой демпферов

Динамические и статические воздействия на этапе выведения Этап разработки РД Конструкцией ПМК и зачековки

Погрешности изготовления и сборки ПМК Этап разработки РД, изготовление Конструкцией, технологией, схемой сборки

Погрешности измерений Этап разработки РД, изготовление, отработка Выбором средств и методиками измерений

Методы проектирования связаны с задачами оптимизации, т.е. принятия оптимального решения. Для решения задач производства в пространстве или времени применяют методы динамического программирования. В тех случаях, когда необходимо принимать решение в условиях неопределенности, применяются методы теории игр.

Одним из путей предсказания поведения проектируемых систем является путь создания математических моделей и последующего проведения исследования систем на этих моделях. Построение или проектирование систем, удовлетворяющих заранее заданным свойствам, можно осуществить когда имеются управляющие переменные, при помощи которых можно влиять на поведение проектируемой системы.

Гутовский И.Е. в своей диссертационной работе рассмотрел вопросы проектирования трансформируемых конструкций для КА. Однако в работе рассмотрение ведется применительно к трансформируемым конструкциям, для которых нет дополнительных требований по точности, также в работе отсутствует сквозное исследование влияния на точность различных факторов как на Земле, так и в натурных условиях. Кроме того, Гутовский использовал единую модель для анализа, что является не оптимальным по критерию простоты и учету различных факторов.

В диссертации Зимина «разработка методов анализа динамики и оценки работоспособности раскрывающихся крупногабаритных космических конструкций ферменного типа» автор рассматривал подходы к моделированию раскрывающихся конструкций. В работе рассмотрение велось применительно к конструкциям ферменного типа, кроме того Зимин не учитывал в своих моделях люфты, не привел рекомендаций по выбору параметров контакта

звеньев и не проводил анализ влияния системы ориентации на точность конструкции.

Глава завершается постановкой научной задачи исследования. Результаты исследования изложены в следующих главах работы.

Вторая глава посвящена анализу процесса разработки СР ВЩА БРЛК для КА «Метеор-М» №1 и разработке на основе проведенного анализа алгоритма создания ПМК. Силовая рама ВЩА БРЛК на КА «Метеор-М» №1 конструктивно состоит из семи секций (см. рисунок 1). Каждая длиной около 2-х метров. Четвертая секция (корневая) неподвижно закреплена на шпангоутах гермокорпуса. Остальные шесть секций сложены в два пакета по три секции и зачекованы на корпусе КА. Раскрытие силовой рамы производится с помощью тросового механизма. Трос, одним концом неподвижно закрепленный на крайних секциях (первый и седьмой ложементы), проходит через шкивы на ложементах, делая один оборот вокруг каждого шкива. Второй конец закреплен на шкиве привода. Вращаясь, привод натягивает трос, тем самым осуществляя раскрытие конструкции одного из крыльев. Каждое крыло раскрывается своим собственным приводом.

Рисунок 1 Схема СР ВЩА БРЛК в процессе раскрытия

При проектировании СР разработчиком АУ было задано требование по плоскостности 2 мм, которое после сравнения с таблицей 1 было признано избыточным и заменено на 4 мм. Выбор схемы раскрытия осуществлялся по критериям простоты и надежности. В результате чего была выбрана вышеописанная схема, которая отличается повышенной надежностью по сравнению с раскрытием только электроприводами или только пружинами. В процессе создания СР подверглась целому ряду испытаний, для чего были разработаны, изготовлены и испытаны следующие макеты: тепловой, динамический, лабораторный (для проверки системы раскрытия) и уточненный тепловой на базе динамического. Для сборки СР была разработана специальная технология и технологическая оснастка. Раскрытие СР проверялось на двух стендах - стенд сборки, раскрытия и юстировки, а также стенд для раскрытия в составе КА.

Обобщая опыт разработки, изготовления и отработки СР процесс создания ПМК можно разделить на 4 основных этапа:

1. Синтез и формирование проектного облика ПМК. Задачами этого этапа являются: формирование общего проектного облика ПМК, формулировка требований к АУ, формулировка требований к ПМК, формулировка требований к СОКА

2. Конструирование ПМК. Задачами этого этапа являются: декомпозиция конструкции ПМК, разработка составляющих ПМК, выпуск рабочей документации на ПМК.

3. Изготовление ПМК. Задачами этого этапа являются: выбор схемы сборки ПМК, проектирование и изготовление технологической оснастки, приспособлений и стендов, сборка и сдача ПМК

4. Отработка ПМК, главной задачей которой является отработка конструкции с целью подтверждения требований технического задания.

На этапе синтеза необходимо рассмотреть две конфигурации ПМК: раскрытую, т.е. рабочую и сложенную - транспортную. Начинать следует с рабочей конфигурации и сформулировать для нее основные требования. Требование по жесткости (собственным частотам) для крупногабаритных конструкций, коими являются ПМК, накладывается системой ориентации. С одной стороны, система ориентации должна обеспечивать заданные требования по стабилизации, угловым скоростям и точности ориентации. С другой, она не должна быть избыточной или работать на пределе. Разработчик ПМК совместно с разработчиком системы ориентации КА должны провести математическое моделирование упрощенной модели ПМК с системой ориентации и определить потребные жесткости и допустимые люфты в механизмах ПМК.

Когда сформулированы требования к рабочей конфигурации, необходимо предъявить требования к транспортной, а именно:

- определить количество звеньев, на которые необходимо разделить ПМК для того, чтобы разместить ее под обтекателем;

- выбрать способ раскрытия ПМК и определить механизм раскрытия (пружины, электродвигатель, сплавы с памятью формы и т.д);

- определить способ зачековки и количество пиросредств.

Данный этап носит итеративный характер, где на каждой итерации требуется корректировать разработанную математическую модель и уточнять требования. Результатом данного этапа должны служить следующие параметры ПМК: габариты в транспортной и рабочей конфигурациях; число звеньев ПМК, способ раскрытия; тип механизма раскрытия; жесткости звеньев и сочленений; допустимые погрешности и люфты; тип и способ зачековки, количество пиросредств.

Этап конструирования требует проведения двух типов математического моделирования:

- предварительное моделирование ПМК для определения основных требований к составляющим ПМК, выбора схемы раскрытия, наличия демпферов, жесткость пружин, длины звеньев и т.д.;

-9-

- уточненное моделирование с учетом конкретных конструктивных особенностей составляющих ПМК.

В каждой математической модели присутствуют такие неизвестные, которые можно определить только эмпирически, например, коэффициент демпфирования при ударе. На данном этапе важно составить полный перечень таких неизвестных, которые следует определить на этапе макетирования, а также составить перечень макетов. Важнейшим результатом моделирования является определение нагрузок в процессе раскрытия ПМК. На основании этих результатов можно провести предварительный прочностной расчет конструкции ПМК.

Стоит отметить, что существуют различия в разработке ПМК для фазированных антенных решеток (ФАР) и для активных ФАР (АФАР). Для ФАР приемопередающий модуль (ППМ) обычно отделен от АУ и устанавливается непосредственно на корпусе КА. ППМ соединен с АУ фидерным трактом, а возбуждение производится одним ППМ (иногда ставят несколько ППМ для независимого возбуждения различных секций). Таким

Особенностью АФАР является то, что АУ представляет собой набор из большого числа небольших излучателей, соединенных каждый со своим ППМ закрепленным вблизи или непосредственно на излучателе. В этом случае необходимо обеспечивать тепловой режим ППМ, что требует дополнительных мер как по отводу тепла при включении локатора, так и по подогреву ППМ и излучателей в промежутках между сеансами работы локатора.

Этапы изготовления и отработки ПМК зависят от выбора способа сборки ПМК. Существует два основных способа сборки ПМК: сборка по частям по две секции с последующей сборкой и юстировкой на стенде обезвешивания и сборка на специальном стапеле всей ПМК сразу. В первом случае необходимо обеспечивать высокую точность при сборке по частям, однако это не требует

больших помещений и сложного стапеля. Независимо от способа сборки ПМК наиболее универсальным стендом обезвешивания является стенд портального типа (см. рисунок 2).

На точность положения ПМК на портальном стенде влияет усилие страгивания Яг кареток и траверс, а также высота подвеса. Из расчетной схемы на рисунке 2 следует, что максимальная погрешность положения секции составляет:

^ГПЯУ (1)

mg

С другой стороны погрешность всей ПМК определяет ее жесткость. Рассмотрим ПМК состоящую из л секций в наиболее худшем с точки зрения точности варианте, когда все каретки отклонены в одну сторону. Прогиб ПМК V и угол поворота конечного сечения в определяются из следующих выражений:

1 в=_

24 Шх' %ЩХ

Выражение для отклонения хс, учетом малости в имеет вид:

Х--

5n4FTP

(2)

48Е]х '

В случае сборки ПМК по частям на стенде обезвешивания необходимо осуществлять окончательную сборку и проводить юстировку, поэтому при заданной погрешности х и жесткости ПМК ЯЛ необходимо определить допустимую силу страгивания кареток Рг по формуле (2), а по формуле (1) определить допустимую высоту подвеса.

Столь жесткие требования по точности справедливы только в том случае, когда требуется измерять плоскостность ПМК непосредственно после раскрытия. Если таких требований нет, то имеет смысл разделить операции юстировки и измерения плоскостности от испытаний на раскрытие. Это позволит снизить требования к стенду раскрытия и удешевить его.

На этапах синтеза и конструирования необходимо провести математическое моделирование ПМК. В таблице 3 отражена методика моделирования ПМК.

Этап моделирования Результат моделирования Среда моделирования

Предварительное моделирование Жесткость ПМК в рабочем положении, величина люфтов, необходимые усилия удержания элементов в раскрытом положении, нагрузки в сочленениях при нештатных ситуациях Matlab Simulink или Easy

Этап моделирования Результат моделирования Среда моделирования

Моделирование раскрытия ПМК Конструктивные параметры составляющих ПМК, нагрузки в процессе раскрытия, схема раскрытия SolidWorks Motion или NX или Adams

Уточненное моделирование Проверка конструктивных решений, уточненные нагрузки в процессе раскрытия с учетом влияния системы ориентации и податливостей и нелинейностей ПМК Matlab Simulink + Adams или Matlab Simulink + NX или Easy + Adams

Наиболее подробно рассмотрим этап предварительного моделирования, т.к. характер работ на этом этапе носит универсальный характер для большинства ПМК. Задачей предварительного моделирования является формулировка требований к ПМК в целом, а также к системе ориентации КА. Как следует из названия предварительное моделирование не учитывает конструктивные нюансы ПМК. ПМК сводится к некой эталонной модели, которой могут пользоваться разработчики других систем КА в том числе системы ориентации.

Ввиду того, что модель ПМК будут использовать при разработке не только механических, но и также электромеханических и электронных систем, имеет смысл вести разработку предварительной модели в пакете, позволяющем моделировать все вышеуказанные системы. В качестве расчетной схемы ПМК в рабочем положении представляется в виде балки, удовлетворяющей гипотезе плоских сечений без учета сдвигов, поперечное перемещение оси которой характеризуется функцией х,?). При распределенной массе балки тп(х)

поперечные колебания описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Таким образом можно построить простую модель с конечным числом степеней свободы путем разбиения балки поперечными сечениями на конечное число элементов, а в качестве неизвестных рассматриваются перемещения ук(1) и углы поворота в сечениях вк[{]. В конечном счете балка заменяется системой упругосвязанных сосредоточенных масс //* (см. рисунок 3)

^гпх кг Ьт2 к2 кп .1п,тп

^гШСУШГ,- - -АЛЛА-;. Н

Рисунок 3 Гибкая модель ПМК

Проведем исследование влияния количества элементов разбиения на точность модели. В качестве модели для исследования возьмем балку прямоугольного сечения 40x100 мм и длиной 2 м. За эталонные значения

возьмем величину прогиба такой балки, закрепленной консольно, и первую собственную частоту, рассчитанные методом конечных элементов. На рисунке 4 показан график зависимости относительной погрешности от количества элементов разбиения балки. Очевидно, что погрешность асимптотически стремиться к нулю при увеличении числа элементов до бесконечности. На практике допустимые погрешности составляют от 10 до 5 процентов, следовательно, наиболее оптимальным числами разбиения балки будут

Рисунок 4 Зависимость относительной погрешности моделирования от количества элементов разбиения

При п более 18 получаем малый прирост в точности, но увеличиваем сложность модели, а при п менее 12 получаем большую погрешность моделирования. В общем виде упругая связь состоит из шести степеней свободы (3 вращательных и 3 поступательных). В большинстве случаев можно уменьшить число степеней свободы, например, для протяженных ПМК состоящих из конечного числа секций малого поперечного сечения число степеней свободы можно свести к двум изгибам, а закручиванием, растяжением и поперечными сдвигами пренебречь. В системе из л£ масс число собственных частот равно лг, поэтому число л не имеет смысла делать большим. Так в системе из трех секций, каждая из которых представлена двумя массами, которые допускают изгибы по двум направлениям будет 12 собственных частот. В большинстве случаев для крупных ПМК наиболее критичными являются низшие собственные частоты первой и второй форм.

В третьей главе проводится анализ СР и наземного оборудования с точки зрения разработанного алгоритма. Делается вывод, что для уже имеющегося АУ состоящего из семи секций оптимальным с точки зрения простоты и надежности является выбранная схема раскрытия т.к. используется параллельно пружинный механизм и электропривод, при этом необходимо всего по одному приводу на каждое крыло СР. Однако в случае новой разработки БРЛК имеет смысл делить АУ не на семь секций, а на пять. Это позволит разместить ПМК в транспортном положении под обтекателем (см. рисунок 5) и уменьшить количество раскрываемых секций. В качестве привода раскрытия следует использовать электропривод с высокоточным датчиком

угла. В качестве двигателя необходимо использовать шаговый двигатель, что обосновано наличием момента удержания при снятом напряжении с обмоток двигателя. Данная схема раскрытия позволяет отказаться от механических упоров, но, главное, имеет в своем составе систему контроля плоскостности в виде набора из четырех датчиков (энкодеров). Кроме того, данная схема позволяет проводить юстировку плоскостности прямо на орбите как в автоматическом режиме (для этого потребуется наличие системы управления), так и по командам с Земли.

Корпус КА

Рисунок 5 Альтернативная схема размещения СР под обтекателем

Далее приводится предварительная модель ПМК на КА. ПМК представлена в виде набора жестких тел, последовательно соединенных между собой гибкими связями, а также приводится анализ влияния на плоскостность СР возмущающих моментов от работы целевой аппаратуры (см. рисунок 6).

Рисунок 6 График изменения плоскостности

Из приведенного графика видно, что влияние возмущающих моментов на плоскостность СР пренебрежимо мало. В другом случае моделировалась ситуация с потерей ориентации КА. В этом случае плоскостность ПМК не важна т.к. БРЛК включать нет смысла, но важно определить какие моменты будут возникать в наиболее нагруженных (корневых) шарнирах. Результаты

-14 -

моделирования, приведенные на рисунке 7 показали, что максимальные моменты в корневых шарнирах не превышают 0,045 Н м, что допустимо конструкцией СР. Таким образом конструктивные решения, принятые при проектировании CP для КА «Метеор-М» №1 обеспечивают необходимую жесткость конструкции, а нагрузки, возникающие в корневых шарнирах в 30 раз менее момента удержания магнитного упора в шарнире.

50 100 150 200 250 300 350 400

Время, с

Рисунок 7 Графики моментов (амплитуда) в корневых шарнирах соответственно слева и справа при потере ориентации

Уточненное моделирование СР, проведенное с учетом жесткости секций СР, влияния системы ориентации и различных нелинейностей, показало, что в процессе раскрытия могут возникать большие ударные нагрузки, причем максимальные удары (около 6 кН) возникают в момент первого удара предпоследних секций СР. Проведенные наземные испытания с воспроизведением динамики раскрытия близкой к расчетной подтвердили результаты моделирования. Выявлено, что при первом ударе в узле концевого датчика раскрытия на основе микропереключателя происходит пластическая деформация пружины, через которую происходит нажатие на кнопку (см. рисунок 8).

Исходная пружина

Деформированная пружина

Микропереключатель

Рисунок 8 Деформация нажимной пружины микропереключателя

Причем этот эффект наиболее ярко выражен именно в предпоследних секциях СР. Это подтверждается также и результатами летных испытаний СР.

Телеметрия с одного из датчиков раскрытия, установленного, на стыке между пятой и шестой секцией была получена кратковременно только один раз при первом ударе ложементов. Для устранения этого эффекта была доработана конструкция нажимного механизма микропереключателя с заменой плоской пружины на пружину сжатия с большим ходом, а также введены безлюфтовые фиксаторы-демпферы (см. рисунок 9). В результате математического моделирования определены основные параметры фиксатора: жесткость пружины и углы наклонных поверхностей.

Рисунок 9 Конструкция механического фиксатора

Результаты уточненного моделирования доработанной конструкции приведены на рисунке 10.

2500.0

2000.0

X

о. 1500.0

2 юоо.о 5

и

500.0

0.0

0.0 9.1667 18.3333 27.5 36.6667 45.ВЗЗЗ 0

Время, с

Рисунок 10 Величина ударного воздействия в упорах

Результаты моделирования показали, что величина ударного воздействия с введением фиксаторов-демпферов уменьшилась почти в 3 раза. Время раскрытия и успокоения системы сравнивалось с результатами наземных испытаний и данными телеметрии раскрытия СР ВЩА БРЛК на КА «Метеор-М» №2 и показали хорошую сходимость результатов.

Четвертая глава посвящена уточнению математических моделей с целью повышения сходимости результатов моделирования и экспериментов,

........Сопоа 1-2 — СоМас* 2-3

■ \ : . - -------.г акЬ

для чего необходимо учитывать нелинейности, свойственные реальным механическим системам.

Одним из видов нелинейности является демпфирование, которое бывает вязким, фрикционным и гистерезисным. Вязкое демпфирование свойственно и линейным системам и характеризует потери энергии на упругие деформации. Воздействие вязкого демпфирование можно представить в виде:

где коэффициент с зависит от коэффициента неупругого сопротивления у или коэффициента поглощения у, которые различаются для различных материалов. Величины тик- соответственно масса и жесткость упругого тела. При проведении предварительного моделирование ПМК разбивается на набор жестких тел, последовательно соединенных упругими связями (см. рисунок 3). Реакция упругой связи может быть представлена выражением:

Н^кл + сл,

где Л/ - реакция (сила или момент) по У-й оси, к/ - жесткость по >й оси, с, -коэффициент демпфирования по >й оси, ^ - обобщенная координата по 1-й оси. Жесткости связей выбираются таким образом, чтобы собственные частоты ПМК соответствовали расчетным по методу конечных элементов, коэффициент демпфирования вычисляется по формуле (3) и корректируется по результатам наземной отработки.

Фрикционное демпфирование является частным случаем демпфирования, зависящего от скорости в л-й степени. Его влияние может быть представлено следующим образом:

И^сх|л|"~ =Сг^|А| , где СТ= Ш - коэффициент фрикционного демпфирования, причем коэффициент трения / нелинейно зависит от скорости. Простейшая модель

трения приведена на рисунке 11. /

Рисунок 11 Простейшая модель трения

Гистерезисное демпфирование или конструкционное демпфирование свойственно сложным конструкциям и контактному взаимодействию. Оно

характеризует потери энергии на микроперемещения в условно-неподвижных соединениях.

Другой нелинейностью является мертвый ход или люфт. Люфт напрямую влияет на точность ПМК, поэтому для них величину люфта стараются либо минимизировать, либо исключить вовсе. При условии малости люфта его можно учесть в модели гибкой связи путем введения элемента «зона нечувствительности». При больших значениях люфтов необходимо также учитывать и механический контакт, который в соответствии с моделью Ханта-Кроссли представляется в виде воздействия, зависящего от контактной жесткости и гистерезисного демпфирования.

При этом контактная жесткость Кр зависит от формы и материала контактирующих тел, например, для ударения двух сферических тел радиусами и Ег контактная жесткость равна:

(4)

р Ъя^ + к^Ъ + Яг

Показатель п зависит от формы контактируемых тел. Для плоских тел он равен 1, для других упругих взаимодействий его берут равным 1,5, при учете пластических деформаций он выбирается боле 2-х. Коэффициент гистерезисного демпфирования //д зависит от коэффициента восстановления Л и определяется по формуле:

Величина коэффициента гистерезисного демпфирования зависит от множества факторов и чаще всего определяется экспериментально. В случае с СР ВЩА БРЛК коэффициент подбирался так, чтобы время успокоения системы при уточненном моделировании совпадало с временем успокоения при раскрытии СР ВЩА БРЛК на КА «Метеор-М» №1 с точностью не более 10 %.

Величину контактной жесткости при моделировании ПМК нельзя определять только как зависимость только формы и материала контактных тел. Если провести моделирование с расчетной контактной жесткостью, то можно получить контактное усилие, превышающее реальное на несколько порядков. Выражение (4) справедливо только в случае, если два шара либо не закреплены вообще, либо один из них закреплен за центр. В случае раскрытия ПМК удар происходит по линии, не проходящей через шарнир, поэтому необходимо учитывать жесткость секций относительно шарнира кш■ При этом жесткость относительно шарнира как правило на порядок, а то и два меньше контактной. Общая жесткость относительно шарнира определяется из выражения:

-1= 1 +-1-

Откуда следует, что при КР » кш контактной жесткостью можно пренебречь.

Обобщенная модель контакта, учитывающая потери на гистерезисное, вязкое и фрикционное демпфирование выглядит следующим образом:

Учет вышеописанных нелинейностей в математической модели позволил повысить сходимость результатов моделирования и эксперимента. Сравнение результатов моделирования раскрытия СР ВЩА БРЛК на КА «Метеор-М» №1 и №2 с данными телеметрии показали, что время первого срабатывания микропереключателей при моделировании отличается менее чем на 1%, а время успокоения не более чем на 10%.

Разработанная методика моделирования применима также и к другим трансформируемым конструкциям, что показано на примере откидной платформы скаттерометра для КА «Метеор-М» №3. Общая масса подвижной части составляет 270 кг и момент инерции приведенный к оси раскрытия составляет 74 кг-м2, ввиду чего изначально планировалось применение электропривода для раскрытия.

Рисунок 12 Эволюция кинематической схемы откидной платформы

Применение разработанного алгоритма, а также проведенное моделирование позволило отказаться от электродвигателя в пользу пружины кручения (см. рисунок 12), имеющей большую надежность, а ударное воздействие минимизировано введением демпфера на основе центробежного тормоза, параметры которого определены из математического моделирования. На основании полученных результатов была выпущена рабочая конструкторская документация.

В заключении сформулированы основные характеристики полученных результатов диссертационной работы.

1. Проведен анализ областей применения прецизионных многозвенных конструкций применительно к КА ДЗЗ и показано, что наиболее рациональным является применение их в качестве силовой конструкции для раскрытия крупногабаритных антенн бортовых радиолокаторов.

2. На основе анализа результатов процесса создания силовой рамы ВЩА БРЛК для КА «Метеор-М» №1 разработан подробный алгоритм создания ПМК, намечены основные этапы и сформулированы задачи для каждого этапа.

Разработанный алгоритм позволил осуществить выбор основных параметров СР ВЩА БРЛК и соответствующего оборудования для ее изготовления и испытаний.

3. Решена обратная задача по применению разработанного алгоритма к процессу создания СР ВЩА БРЛК, по результатам решения которой, а так-же проведения летно-космических испытаний СР в составе КА «Метеор-М» №1 выявлена необходимость введения механических демпферов в конструкцию СР и доработок наземного оборудования.

4. По результатам математического моделирования процесса раскрытия СР ВЩА БРЛК применительно к КА «Метеор-М» №2 получено, что введение механических демпферов позволило снизить величину ударных воздействий на механические упоры СР почти в 3 раза.

Кроме того, доработанная конструкция СР ВЩА БРЛК позволила сократить время раскрытия со 150 секунд до 40, а также обеспечить беззазорную фиксацию секций в раскрытом положении, что подтверждено наземными испытаниями на макетах СР и на летном образце для КА «Метеор-М» №2.

5. Проведено уточнение математических моделей ПМК с учетом нелинейностей реальных механических конструкций и определены границы их применения.

Верификация разработанных математических моделей показала хорошую сходимость результатов математического моделирования и результатов летных испытаний СР на КА «Метеор-М» №1и №2.

6. Показано, что разработанный алгоритм применим к процессу проектирования трансформируемых конструкций, не относящихся к ПМК, что подтверждено на примере разработки оригинальной откидной платформы КА «Метеор-М» №3.

Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Гусев А. А., Чаев С. А., Кривобоков Е. В., Силовая рама волноводно-щелевой антенны бортового радиолокационного комплекса // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. Том 116, №3,2010, сс. 27-38.

2. Кривобоков Е. В., Гусев А. А., Карбасников Б. В., Ходненко В. П., Механизм раскрытия силовой рамы волноводно-щелевой антенны бортового радиолокационного комплекса КА "Метеор-М" №1 // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. Том 112, №5, 2009, сс. 23-28.

3. Гусев А. А., Математическая модель силовой рамы волноводно-щелевой антенны бортового радиолокационного комплекса // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. Т. 125, № 6, 2011, сс. 25-34

4. Гусев A.A., Ильина И.Ю., Саульский В.К., Чуркин А.Л., Опыт разработки космической платформы для космических аппаратов «Метеор» Н Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. Том 135, №4,2013, сс. 3-12.

5. Гусев A.A., Ходненко В.П. Алгоритм создания прецизионных многозвенных конструкций // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. Том 143, №6, 2014, сс. 23-30.

Подписано в печать:

03.03.2015

Заказ Л® 10585 Тираж - 75 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru