автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка методического обеспечения повышения точности моделирования динамических характеристик элементов конструкций КА ДЗЗ на стадии проектирования и наземной отработки

Пугач Игорь Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ КА ДЗЗ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ

Специальность 05.07.02 -Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 I .мг» 2015

Москва-2015

005561162

005561162

Работа выполнена в открытом акционерном обществе "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ").

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Геча Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Клишев Олег Павлович

доктор технических наук, профессор Борзых Сергей Васильевич

Ведущая организация: ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»

г. Химки, Московская область

Защита состоится 12 мая 2015 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 403.005.01 при ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ" по адресу: 107078, г. Москва, Хоромный тупик, д. 4, стр. 1.

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

Отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан " марта 2015г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 403.005 кандидат военных наук, доцент

Пинчук А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

При проектировании и отработке космических аппаратов (КА) возникает широкий спектр задач, связанных с анализом их динамического поведения. Математическое моделирование, проводимое на ранних стадиях разработки позволяет принимать решения по компоновке, построению схемы несущей конструкции, с высокой степенью достоверности оценивать нагрузки, действующие на КА на различных этапах его жизненного цикла, отклик КА на эти нагрузки, проводить "виртуальные испытания" элементов, натурные испытания которых затруднительно провести в наземных условиях. Вопрос повышения точности моделирования при этом является ключевым, поскольку от нее зависит правильность принимаемых решений и получаемых в результате характеристик.

Вопросы исследования динамики упругих КА рассмотрены в работах ученых ведущих предприятий космической отрасли: ЦНИИмаш, НПО имени С.А.Лавочкина, РКЦ "Прогресс", РКК "Энергия", АО "ИСС", ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", в том числе таких ученых, как Авраменко A.A., Адасько В.И., Бакулин Д.В., Борзых C.B., Борисов М.В., Ганиев Р.Ф., Горшков А.И., Давыдов М.И., Ермаков В.Ю., Жиряков A.B., Клишев О.П., Малаховский Е.Е., Моишеев A.A., Мордыга Ю.О., Ососов Н.С., Поздняк Э.Л., Савостьянов A.M., Телепнев П.П., Халиманович В.И., Хартов В.В., Шклярчук Ф.Н., Шуляка A.A., Щиблев Ю.Н.

Однако, учитывая современные тенденции к ужесточению требований, предъявляемых к точности динамической ориентации КА, увеличению количества и габаритов протяженных и трансформируемых элементов, сокращению сроков проектирования, сокращению объемов экспериментальной отработки, задача повышения точности моделирования динамических характеристик и обеспечения заданных характеристик при разработке КА остается актуальной.

Целью работы являлось повышение точности моделирования динамических характеристик элементов конструкций КА ДЗЗ на стадии проектирования и наземной отработки.

Объектом исследования является конструкция КА дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), состоящая с точки зрения динамики из несущей конструкции корпуса, упругих элементов, в том числе крупногабаритных и трансформируемых.

Предметом исследования являются динамические характеристики КА ДЗЗ на различных стадиях отработки и в различных конфигурациях КА, влияние этих характеристик на КА и выполнение им своих целевых функций.

Научной задачей являлся анализ современных методов моделирования конструкций КА, разработка методик применения этих методов, обеспечивающих повышение точности определения динамических характеристик КА ДЗЗ на различных этапах отработки, включая решение следующих частных задач:

1. Реализация метода сквозного проектирования для создания КА с заданными динамическими характеристиками при ограничении объемов и сроков наземной отработки;

2. Определение динамических характеристик и обоснование прочности конструкции КА на этапе выведения на основе единой динамической модели КА, верифицированной по результатам испытаний;

3. Определение динамических параметров процесса раскрытия протяженных трансформируемых конструкций методом виртуальных испытаний;

4. Подтверждение требований по динамической точности КА при выполнении маневра на этапе орбитального полета и анализ эффективности применения средств для гашения упругих колебаний после его завершения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод сквозного проектирования малого космического аппарата (МКА) на основе единой ЗЭ модели, реализованный при создании МКА "Татьяна-Университетский-2";

2. Единая динамическая модель КА типа "Метеор-М" на этапе выведения, предназначенная для определения прочностных и динамических характеристик КА в целом, передачи модели поставщику средств выведения;

3. Метод проведения виртуальных испытаний на раскрытие солнечных батарей (СБ) и других крупногабаритных раскрывающихся конструкций;

4. Подход к моделированию процесса совершения упругим КА программного поворота.

Методы исследований

В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теоретической механики, теории колебаний, аналитические методы решения дифференциальных уравнений, численные методы решения дифференциальных уравнений, экспериментальные методы модального анализа.

Расчетные исследования проведены на ЭВМ, с использованием программных комплексов конечно-элементного анализа, анализа динамики сложных механических систем, экспериментальные - на испытательном оборудовании ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", на динамических и летных образцах элементов конструкций КА "Метеор-М" №1, 2, "Канопус-В", "Татьяна-У ниверситетский-2".

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые реализован метод сквозного проектирования при создании МКА на основе единой ЗО модели, которая использовалась для компоновки КА, проведения инженерных расчетов, изготовления элементов конструкции и для подтверждения характеристик летного образца КА, без изготовления и испытаний его динамического макета;

2. Разработана единая динамическая модель КА типа "Метеор-М" на этапе выведения, созданная путем объединения подробных моделей сборок, что позволяет проводить вычисления без потери детализации элементов конструкции. В отличие от ранее использованных моделей, данная единая модель может быть использована для проведения связанного анализа нагрузок, статических и динамических расчетов на прочность и определения динамических характеристик КА;

3. Определены динамические параметры процесса раскрытия протяженных трансформируемых конструкций КА в условиях орбитального полета на основе математической модели, при этом повышение точности моделирования достигается за счет идентификации параметров механизмов раскрытия и упругих элементов по результатам обработки экспериментальных данных, получаемых в ходе наземной отработки;

4. Для достижения заданных требований по динамической точности ориентации КА ДЗЗ, оборудованного средствами гашения колебаний его упругих элементов, предложен и реализован подход к моделированию процесса совершения программного поворота, включающий предварительное определение параметров средств гашения колебаний и проверку их эффективности.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов

1. Реализованный при создании МКА "Татьяна-Университетский-2", метод сквозного проектирования позволил в короткие сроки (менее года) создать конструкцию МКА и успешно отработать ее на единственном образце, без создания динамического, технологического и других макетов;

2. Разработанная единая динамическая модель КА типа "Метеор-М" на этапе выведения позволяет проводить расчеты для КА в целом, при существенных ограничениях вычислительных ресурсов, без потери детализации отдельных подконструкций, передавать модель КА для проведения совместных расчетов внешним организациям, не раскрывая особенностей подконструкций, однако позволяющая применить полученные результаты совместного расчета к подробным расчетам этих подконструкций;

3. Предложенные и проведенные при отработке КА виртуальные испытания на раскрытие крупногабаритных раскрывающихся элементов позволяют определять параметры процесса раскрытия, выявлять особенности поведения конструкции на ранних стадиях отработки, оценивать эффективность и необходимость проведения доработок;

4. Предложенный подход к моделированию программного поворота, совершаемого упругим КА, позволил подтвердить выполнение космическим аппаратом требований ТЗ по динамической точности стабилизации и времени выполнения программного поворота.

Достоверность научных результатов определяется применением при решении поставленных задач методов, эффективность и достоверность которых подтверждена отечественной и зарубежной практикой, например метода конечных элементов для анализа механических систем, верификацией разработанных моделей на основе экспериментальных данных, полученных на базе сертифицированного испытательного центра ОАО "Корпорации "ВНИИЭМ".

Ценность научной работы состоит в развитии современных методов расчетного и экспериментального анализа динамики конструкций, позволяющем получить достоверные результаты моделирования механических систем, экспериментальная отработка которых затруднена или невозможна, с повышенной точностью.

Внедрение. Результаты работы были использованы при создании КА, разрабатываемых ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", а именно КА "Метеор-М" №2, "Канопус-В", "Татьяна-Университетский-2", которые были успешно запущены, разрабатываемых в настоящее время КА "Ионосфера", "Метеор-М" №2-1, 2-2, а также будут применяться при разработке новых перспективных КА ДЗЗ.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались на различных российских и международных конференциях, в том числе: 1. На Международной конференции пользователей MSC.Software, г. Москва,

в 2007, 2011 годах;

2. На Международной конференции пользователей MSC.Software, Германия,

г. Мюнхен, в 2008 году;

3. На Международной научно-практической конференции "Решетневские

Чтения", г.Красноярск, в 2009 году;

4. На Международной конференции "Авиация и Космонавтика", г. Москва,

Московский Авиационный Институт, в 2007,2009 годах.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 6 научных статьях, в том числе в изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией — 6.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения, списка литературы и трех приложений, содержащих графические и табличные материалы к главам 3-5. Объем диссертации составляет 146 страниц, включая 30 таблиц, 24 рисунка, список литературы из 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены объект исследования, предмет исследования, сформулирована цель работы, показана ее актуальность. Описаны методы исследований, показаны достоверность, научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены сведения о реализации результатов и апробации работы.

В первой главе рассмотрены этапы жизненного цикла КА и сформулированы задачи динамики, которые возникают на этих этапах. Рассмотрены методы, применяемые при исследовании динамики КА, такие как метод конечных элементов (МКЭ), метод суперэлементов (СЭ), экспериментальные методы модального анализа.

С точки зрения отработки динамических характеристик КА в его жизненном цикле можно выделить следующие основные этапы: разработка и изготовление, транспортирование и выведение, раскрытие трансформируемых элементов, орбитальный полет.

На этапе разработки создаются математические модели КА, позволяющие проводить расчеты прочности, жесткости, определять собственные частоты и формы КА и отдельных его элементов. Предварительная оценка этих характеристик требуется для определения нагрузок, действующих на КА на различных этапах эксплуатации, для формирования и подтверждения

требований по динамической точности стабилизации, в качестве исходных данных для разработки систем ориентации и стабилизации.

На этапе транспортирования и выведения конструкция КА подвергается значительным квазистатическим и вибрационным нагрузкам и должна обладать необходимой прочностью и жесткостью. От динамических свойств конструкции КА зависят уровни виброускорений, возникающие в элементах конструкции КА и в местах установки аппаратуры, и, как следствие, усилия и напряжения в них. Эти динамические свойства (частоты, формы, модальное демпфирование) содержит динамическая модель КА, используемая для проведения совместного, со средствами выведения, анализа нагрузок.

При функционировании на орбите КА имеет отличную от транспортировочной конфигурацию - все крупногабаритные и трансформируемые элементы находятся в раскрытом состоянии. После отделения КА производится раскрытие этих элементов. Процесс раскрытия -это динамический процесс, который характеризуется большими перемещениями значительных масс.

В процессе функционирования космического аппарата возникают задачи, связанные с анализом динамической точности стабилизации объекта. Основными источниками внутренних возмущений являются бортовые электромеханические устройства - приводы ориентации панелей СБ и антенн, сканеры, вентиляторы, также научная аппаратура. Регламентируемые уровни допустимых отклонений - дуговые секунды, десятитысячные доли градуса в секунду. Возникает задача определения отклика упругого КА на эти возмущающие воздействия с целью подтверждения требований технического задания.

Для определения динамических характеристик КА на различных этапах жизненного цикла и решения перечисленных задач применяются как расчетные так и экспериментальные методы.

В настоящее время для создания математических моделей механических систем чаще всего используется МКЭ, реализованный в таких известных программных комплексах, как Nastran, ANSYS, Cosmos, Abacus и др.

При проектировании и проведении расчетов КА используется большое количество 3D и конечно-элементных моделей отдельных элементов и сборок, выполненных разными разработчиками. Рациональным решением является объединение этих моделей в единую модель КА и использование ее для проведения поверочных расчетов, а также формирования редуцированной модели и передачи разработчикам средств выведения для совместного анализа нагрузок. В этом случае прочностная и динамическая модели получаются

согласованными и полученные нагрузки могут быть корректно приложены к моделям подсистем для поверочного прочностного расчета.

Однако на практике при таком объединении возникает ряд противоречий:

- несоответствие сеток и интерфейсов моделей отдельных сборок;

- размерность: каждая модель делается с максимально возможной подробностью моделирования, исходя из имеющихся вычислительных мощностей, поэтому их объединение на этих же мощностях уже невозможно.

Логичным выходом здесь является применение суперэлементного подхода, позволяющего уменьшить размерность общей модели, а восстановление подробных результатов проводить на моделях отдельных подконструкций.

Для экспериментального определения динамических характеристик конструкции используются специальные методики, основанные на задании возбуждающего воздействия на конструкцию и измерении отклика конструкции на это воздействие, что позволяет определять собственные частоты, соответствующие им формы колебаний, параметры затухания, коэффициенты вибропередачи. При испытаниях используются различные способы динамического возбуждения конструкции, например, ударные методы (ударный молоток, ненормированное ударное возбуждение), возбуждение с помощью вибростенда, акустическое возбуждение.

Принципиальное отличие экспериментального и расчетного методов определения динамических характеристик заключается в обратной последовательности определения модальных параметров и отклика системы. Так, при расчете сначала определяются собственные частоты и формы, задаются некоторыми параметрами демпфирования и в результате анализа получают отклик системы на динамическое воздействие, а при экспериментальном модальном анализе по отклику системы на динамическое воздействие определяют собственные частоты и параметры демпфирования.

Уточнение математической модели по экспериментально полученным данным осуществляется с целью разработки достоверной модели, которая позволит получить достаточно точный и надежный прогноз динамического поведения конструкции.

Во второй главе описаны методики определения динамических характеристик отдельных элементов КА, позволяющие получить данные, на основе которых уточняются математические модели и метод сквозного проектирования, позволяющий создать конструкцию КА с заданными динамическими характеристиками.

Элементы конструкции КА, в ходе отработки, подвергаются различным видам механических испытаний. Некоторые из этих испытаний, например, частотные испытания, автономные испытания выносных стоек, приборной платформы, специально проводятся с целью определения динамических характеристик. Приборная платформа (рисунок 1) в сборе проходит испытания на вибростенде, однако предварительные исследования отдельных ее компонентов позволяют получить достаточно достоверную модель приборной платформы заранее, с помощью этой модели спрогнозировать поведение сборки в процессе зачетных испытаний, осуществить правильный выбор уровня нагрузок, минимизировать риск поломки.

Рисунок 1 - Приборная платформа КА типа «Метеор-М»

Различные виды зачетных испытаний (статические, вибропрочностные испытания) проводят с целью подтверждения соответствия конструкции различным требованиям, однако информацию, полученную в ходе таких испытаний также можно использовать для определения динамических характеристик. Жесткость адаптера, например, может быть определена при проведении статических испытаний. Динамические характеристики стоек антенн можно определить при снятии амплитудно-частотных характеристик, которое проводится непосредственно перед испытаниями на вибропрочность.

Одним из видов испытаний является определение динамических характеристик панелей СБ, включающее в себя два вида задач:

1. Определение параметров раскрытой СБ, отдельно закрепленной или в составе КА (частоты и формы колебаний, параметры затухания);

2. Определение параметров механизмов раскрытия СБ, влияющих на параметры этого процесса (жесткость упругих элементов, параметры трения).

Для решения первой из этих задач проводятся частотные испытания. Конструкция обезвешивается, то есть на элементы конструкции накладывают дополнительные связи, позволяющие конструкции сохранять требуемую форму в поле силы тяжести (рисунок 2). Колебания по заданной собственной форме возбуждаются раскачиванием. Через некоторое время после окончания воздействия и успокоения нелинейных процессов, возникающих в процессе раскачки, производится запись процесса затухания колебаний. Для записанной временной зависимости ускорений от времени получают спектральный состав, проводится фильтрация, и из полученных результатов получаются зависимости частоты от амплитуды и декремента от амплитуды.

Рисунок 2 - Схема подвеса ДМ КА «Канопус»

Вторая задача решается расчетно-экспериментальным путем следующим образом: сначала экспериментальным путем определяются жесткости пружин, углы их предварительной закрутки, а также ускорения в момент защелкивания створки. В ходе испытаний записываются зависимости угла раскрытия створки от времени при различных углах начальной закрутки, а также при догружении створки дополнительными массами. Далее, с использованием полученных экспериментально данных и построенной математической модели раскрывающейся створки, определяются параметры трения в шарнирных механизмах.

экспериментальные данные

Исследуемая динамическая система (рисунок 3) имеет одну степень свободы (угол раскрытия). На створку действуют упругий момент со стороны торсионов М = с(л + а - ф), моменты вязкого и постоянного трения. Известен

момент инерции створки.

Дифференциальное уравнение движения створки имеет следующий вид: /ф+йф + Л-/^-с(я+а-ср) = 0, (1)

где J - собственный момент инерции створки, (р - координата, М-^ - момент постоянной силы трения, Ь - коэффициент вязкого трения, с - суммарная жесткость двух пружин, а - угол предварительной затяжки пружин.

Полное решение уравнения движения створки имеет вид:

М

Ф = С,е1|'+С2ех,'+71 + а--^ (2)

с

Константы определяются из граничных условий, в качестве которых принимаются значения углов раскрытия створки в начальный и конечный моменты времени.

Неизвестными параметрами в уравнении (1) являются коэффициент вязкого трения Ь и момент Мтр постоянной составляющей силы трения, следовательно, необходимо найти такие величины этих параметров, при которых решение (2) уравнения движения будет в некотором смысле близко к экспериментальным данным, в качестве которых принимается аппроксимация экспериментальной кривой по методу наименьших квадратов полиномом 3—5 степени. Способом определения близости функций является введение

функционала, представляющего собой среднеквадратичное отклонение между аппроксимацией экспериментальных данных и решением ДУ:

ф(1) - аппроксимация экспериментальных данных.

Введение функционала позволяет путем решения задачи его минимизации определить такие значения параметров Ь и Мтр, при которых решение ДУ будет максимально близким к аппроксимации экспериментальных данных.

Особенностью предложенного подхода является то, что определение параметров механизмов раскрытия для настройки модели раскрытия проводится на одной створке, при этом не требуется создание сложного стенда обезвешивания и дорогостоящего оборудования.

Описанные выше методы определения динамических характеристик применяются при исследовании сложных конструкций, однако возможен подход, когда требуемые динамические характеристики закладываются уже на стадии разработки. Например, для создания малых космических аппаратов может успешно применяться метод сквозного проектирования, позволяющий получить заданные характеристики КА, минимизировать объем экспериментальной отработки, разработать КА в максимально сжатые сроки. Основой метода сквозного проектирования является комплексное применение САБ/САМ/САЕ технологий. На основе единой ЗЭ модели осуществляются все этапы создания и отработки конструкции, такие как: формирование облика МКА, компоновка, определение массово-габаритных и инерционных свойств, расчёты, изготовление, создание конструкторской документации. Этот метод был применен при создании МКА «Университетский-Татьяна-2» (рисунок 4). В основе конструкции МКА были заложены следующие принципы: отказ от деталей необоснованно сложной формы, затрудняющих процесс изготовления; использование современных технологий производства; отказ от использования элементов, подтверждение прочности которых плохо поддается расчету (сварка, закладные, места с концентраторами напряжений). На всех этапах разработки конструкции проводились расчеты на прочность и определялись собственные частоты конструкции. По результатам расчётов рама многократно дорабатывалась, что в итоге позволило получить конструкцию, максимально эффективную с точки зрения прочности, жесткости и веса. Максимальное упрощение конструкции при соблюдении всех требований и использование современных методов производства обеспечивает соответствие получаемых характеристик требуемым и подтвержденным с помощью математической модели характеристикам.

где <р(1,Ь,М,„р) - решение ДУ,

о

.......Ау, Л1

яшШ : % X

ш щ

а) б) в)

Рисунок 4 - МКА «Университетский-Татьяна-2» а) Первоначальный вариант компоновки, б) новый вариант компоновки, в) окончательная ЗЭ модель.

В главе 3 описывается процесс создания динамической модели большого К А на этапе выведения.

При расчетной и экспериментальной отработке конструкции КА на прочность основным и наиболее сложным с точки зрения действующих нагрузок является этап выведения КА. На этом этапе действуют максимальные постоянные перегрузки в различных направлениях, а также значительные вибрации в широком частотном диапазоне, как передаваемые через адаптер, так и порождаемые акустическим полем. С точки зрения граничных условий этап выведения также наиболее сложен, так как на нем уже сняты дополнительные опоры и закрепления, используемые в процессе транспортирования.

Соответственно, с этим этапом связан и наибольший объем прочностных расчетов и испытаний, а именно: прочностной расчет на действие статических нагрузок; расчет собственных частот; испытания на действие статических нагрузок; вибропрочностные испытания; расчет нагрузок на КА в составе средств выведения. Динамическая модель КА используется для оценки собственных частот КА, прогнозирования отклика КА при виброиспытаниях, а также для формирования редуцированной модели КА, используемой при совместном расчете со средствами выведения.

Для моделирования отдельных элементов и сборок КА используется МКЭ. Для моделирования КА в сборе используется метод СЭ, для подготовки модели совместно со средствами выведения используется метод динамических суперэлементов (внешних СЭ). Использование СЭ позволяет за счет последовательного редуцирования матриц масс и жесткостей существенно снизить размерность решаемой задачи, а также производить отладку моделей подсистем по отдельности и оперативно их модифицировать без изменения структуры сборки СЭ.

Предложенный подход к формированию динамической модели был реализован при отработке КА ДЗЗ «Метеор-М» №2, имеющего значительную массу и габаритные размеры, достаточно сложную несущую конструкцию, а также большое количество служебной и целевой аппаратуры на борту. Полная размерность конечно-элементной модели данного КА составила 1.75 млн. степеней свободы, что дает возможность продемонстрировать эффективность применения суперэлементного подхода.

Для расчетов на прочность КА «Метеор-М» №2 были созданы конечно-элементные модели отдельных сборок: адаптера, приборной рамы, гермокорпуса и приборной платформы. Эти модели используются в качестве СЭ для создания единой модели КА, причем гермокорпус используется в качестве остаточной структуры. Стрелками на рисунке 5 показаны интерфейсные (внешние) узлы, которые связывают суперэлементы с остаточной структурой.

Рисунок 5 - Сборка суперэлементной модели КА Проверка качества единой модели КА включает не только проверку конечно-элементных моделей, т.е. правильность выбора элементов, распределения масс и жесткостей, и проверку процедуры сборки и редуцирования единой модели.

Верификация конечно-элементных моделей отдельных сборок базируется на результатах испытаний. Для адаптера проводилось сравнение расчетных и

экспериментальных значений перемещений при приложении статической нагрузки. Для приборной платформы с размещенными на ней приборами и антенными устройствами - динамические испытания.

Кроме сравнения расчетных и экспериментальных характеристик отдельных подсборок, применение суперэлементного подхода требует особых методов проверки, в числе которых: проверка нулевых частот; проверка энергии деформации нулевых форм; проверка по модальным массам; проверка собственных частот полной и редуцированной модели. При проведении этих проверок для динамической модели КА «Метеор-М» №2 перед передачей разработчикам средств выведения, были достигнуты удовлетворительные результаты по всем указанным критериям. В результате совместного расчета по данной модели получены подробные данные по распределению силовых факторов в конструкции КА, которые затем использовались в поверочном расчете.

Глава 4 посвящена исследованию процесса раскрытия протяженных трансформируемых элементов конструкции. В качестве примера рассматривается раскрытие СБ и штанги низкочастотного волнового комплекса (НВК) КА "Ионосфера".

СБ КА «Ионосфера» представляет собой одно крыло, состоящее из четырех створок, шарнирно соединенных между собой. Крыло СБ крепится к валу привода с помощью механизма поворота и поворотной рамы, которая обеспечивает требуемую конфигурацию СБ на этапах транспортирования и выведения КА. В транспортном положении СБ располагается на боковой поверхности корпуса КА, опираясь на него в шести точках, и удерживается в таком положении при помощи системы зачековки (рисунок 6).

Рисунок б - КА «Ионосфера», БФ в транспортном положении

Корпус КА

а) 30 модель

б) Схема конструкции

Поворотная рама

Привод БФ

Механизм

Для создания математической модели процесса раскрытия используется программный комплекс виртуального моделирования сложных машин и механизмов - MSC.Adams. Модели упругих элементов создаются в программном комплексе MSC.Nastran/Patran, после чего импортируются в Adams в виде матриц Крейга-Бемптона. Далее упругие (створки, поворотная рама) и жесткие (корпус КА, элементы зачековки) элементы соединяются с помощью шарниров, моделируются защелки, контакты между отдельными элементами. Для моделирования упоров (ограничителей угла поворота) в шарнирах и защелок используются функции двухстороннего аналитического контакта. Контакт створок СБ и звеньев штанги между собой моделируется с помощью функции одностороннего аналитического контакта. Контакт корневых элементов с корпусом в явном виде - как контакт твердых тел. В модели процесса раскрытия СБ учитывались упругие свойства створок и параметры механизмов раскрытия (жесткость и преднатяг пружин, параметры трения), верифицированные по результатам частотных испытаний.

С помощью созданной модели процесса раскрытия определяется время раскрытия, конфигурация раскрытия (последовательность раскрытия створок, моменты срабатывания замков), определяются нагрузки, действующие элементы конструкции (каркас, шарниры и защелки, поворотная рама), для последующего расчета этих элементов на прочность, особенности динамического процесса.

Так, при моделировании одного из рассмотренных вариантов конструкции СБ выяснилось, что корневая сворка ударяется о корпус КА, что недопустимо, поэтому в конструкцию был добавлен ограничитель в шарнире между поворотной рамой и корневой створкой. Эффективность этой доработки подтвердилась с использованием созданной модели раскрытия. На рисунке 7 показана конфигурация СБ при раскрытии, в диапазоне времени от 0 до 0.8 с, когда происходит соударение.

а) 0.45с

б) 0.7с

в) 0.8с

Рисунок 7 - Циклограмма процесса раскрытия СБ (0.45- 0.8 сек)

Другим примером эффективности моделирования указанных процессов является раскрытие штанги, когда было выявлено, что датчик НВК при раскрытии проходит близко от корпуса КА и потенциально может задевать за него, что также недопустимо. Для исключения возможности соударения в конструкцию был добавлен толкатель корневого колена и толкатель промежуточного колена. На рисунке 8 показана временная зависимость расстояния между датчиком и корпусом до и после добавления толкателей.

3.1 1 11.4

0.08 03 У

? СИ 1 ИИ • / ■¡и 1 102 X / / / / / / /

0.02 \ / 0.*

00 0.5 1.0 5.5 20 25 3.0 0 0.5 '0 15 го 25 Тгои

а) конструкция без толкателей б) после добавления толкателей

Рисунок 8 - Зависимость расстояния между датчиком НВК и корпусом КА (м)

от времени (с)

Таким образом, применение предложенного метода определения динамических параметров процесса раскрытия протяженных трансформируемых конструкций позволило выявить особенности поведения этих конструкций при раскрытии и отработать различные варианты конструкций.

В главе 5 изложен подход к моделированию программного поворота и подтверждению точности динамической стабилизации КА типа "Канопус".

Основной полезной нагрузкой КА ДЗЗ типа "Канопус" являются камеры высокого разрешения, что и обуславливает высокие требования по динамической точности стабилизации. Помимо этого, КА «Канопус-В» должен совершать быстрые программные повороты, время на совершение которых, включая успокоение, ограничено требованиями технического задания.

Анализ системы ориентации показал, что примененная система ориентации (СО) является "медленной", характерная частота 1 Гц. Такой же порядок имеет частота упругих колебаний аппарата в целом. КА должен совершать достаточно быстрые программные повороты, после которых аппарату требуется время на успокоение. Таким образом, СО не может активно гасить упругие формы колебаний, из-за этого время, необходимое на совершение программного поворота и успокоение, не соответствует

требованиям технического задания. Было предложено установить на панелях СБ специальную систему демпфирования (гасители колебаний), для уменьшения времени затухания. В дополнение к основным маховикам, с помощью которых производится перенацеливание, применить микромаховики с малыми возмущающими воздействиями.

Подтверждение соответствия КА требованиям технического задания проводилось с помощью математической модели. Для приложения сил и моментов, действующих со стороны маховиков, уточненная КЭ модель была дополнена точками, соответствующими расположению центров масс маховиков, жестко связанными с центром масс КА. С использованием этой модели вычисляются отклики на воздействие момента, приложенного к центру масс и гармонически изменяющегося с частотой £ Амплитуда приложенного момента

задается в виде зависимости , которая с точностью до

постоянного множителя соответствует амплитуде сил и моментов от неуравновешенности маховиков. Колебания считаются установившимися. Полученные результаты используются в дальнейшем в качестве переходных функций ( 1 = х,у,г) «приложенный момент - угол поворота, угловая

скорость» (рисунок 9) и умножаются на амплитуду воздействия.

12 0

В

о

б,

Частота. Гц

Рисунок 9 - Переходная функция «момент [Н-м] - угловая скорость[рад/с]»

Вклад всех составляющих сил и моментов от неуравновешенности маховиков в суммарные моменты, действующие на центр масс КА, определялся следующим образом; в точках, соответствующих центрам масс маховиков, последовательно прикладывались единичные силы и моменты (действующие в направлении осей X и У маховиков) и определялись результирующие моменты

в центре масс КА от действия каждой из этих единичных сил и моментов (моменты выводились в осях КА). Полученные результаты суммируются и используются как коэффициенты БитМРь эитМ] в формуле:

тах ср;=(3 • зитМР|+ Э • эитМО • тах 01(1"), (3)

где 8, Э - значения статической и динамической неуравновешенности.

Расчет выполнялся при двух значениях демпфирования - (,=1% и С, =3%. Демпфирование 1% было предварительно задано разработчику системы ориентации. Однако, при испытаниях было зафиксировано среднее значение декремента колебаний 5=0.2 (без учета гасителей), что соответствует 3% от критического (£ = 8 /2л).

Для верификации модели и оценки эффективности примененных виброгасителей были проведены частотные испытания. В ходе испытаний были определены симметричная и кососимметричная формы колебаний КА относительно оси X. Экспериментально определенные частоты колебаний составили порядка 0.94 Гц для симметричной формы и 1.7 Гц для кососимметричной формы. По результатам испытаний модель уточнялась для наиболее полного соответствия расчетных и экспериментальных характеристик.

Результаты проведенной оценки возмущений от микромаховиков показали, что требования технического задания выполняются с большими запасами. На рисунке 10 показаны угловые скорости, полученные с борта КА по телеметрии, во время и после совершения маневра.

100 150 200 250 300 350 400 450 500 Время{с )

Рисунок 10 - Данные телеметрии. Угловые скорости КА во время и после совершения маневра 20

Таким образом, ЛИ КА "Канопус-В", полностью подтвердили его соответствие требованиям ТЗ, что было ранее подтверждено методами математического моделирования в рамках предложенного подхода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований и анализа современных методов моделирования конструкций КА предложены подходы и практические методики, отработанные на ряде КА, создаваемых в ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", позволяющие повысить точность определения динамических характеристик КА ДЗЗ на различных этапах отработки:

1. Предложен метод сквозного проектирования МКА: на основе единой 3D модели осуществляется компоновка КА, проводятся инженерные расчеты и подтверждаются характеристики летного образца. Реализованный при создании МКА "Татьяна-Университетский-2" этот метод позволил разработать конструкцию МКА, изготовить основные элементы конструкции на станках с ЧПУ и успешно отработать ее на единственном образце, без создания динамического и технологического макетов при существенных ограничениях объемов и сроков наземной отработки;

2. Разработана и верифицирована, по результатам испытаний, единая динамическая модель большого КА ДЗЗ на этапе выведения, предназначенная для определения прочностных и динамических характеристик КА в целом, передачи модели поставщику средств выведения для проведения связанного анализа нагрузок. Реализованная модель КА "Метеор-М" №2-1 создана путем объединения подробных моделей сборок, с применением метода суперэлементов, что позволяет проводить вычисления без потери детализации отдельных подконструкций при существенных ограничениях вычислительных ресурсов. Результаты расчета собственных частот, полученные на редуцированной и не редуцированной моделях отличаются менее чем на 0.5% (по 6 низшим частотам). По сравнению с балочной моделью КА, которая корректно отражает только низшие формы колебаний (до 10 Гц), разработанная модель отражает динамические характеристики в диапазоне до 100 Гц и удовлетворяет, таким образом, современным требованиям к подобным моделям.

3. Предложен метод определения динамических параметров процесса раскрытия протяженных трансформируемых конструкций в условиях орбитального полета - метод виртуальных испытаний. Повышение точности моделирования достигается за счет идентификации параметров механизмов раскрытия и упругих элементов по результатам обработки данных достаточно простых экспериментов, не требующих наличия дорогостоящего

оборудования. Реализованный при проведении виртуальных испытаний раскрывающихся элементов КА "Ионосфера", этот метод позволил выявить особенности поведения этих конструкций при раскрытии и отработать различные варианты конструкций.

4. Предложен подход к моделированию процесса совершения упругим КА ДЗЗ программного поворота для подтверждения требований по динамической точности КА при выполнении маневра на этапе орбитального полета. Этот подход, включающий создание и верификацию математической модели, предварительное определение параметров средств гашения колебаний и проверку их эффективности реализован при отработке КА "Канопус-В", характеристики которого были подтверждены как с помощью математической модели, так и по результатам летных испытаний.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Геча В .Я., Канунникова Е.А., Пугач И.Ю. Расчетно-экспериментальное исследование динамических характеристик космических аппаратов // Надежность. -М. - 2008 № 4. - С. 37-41.

2. Канунникова Е.А., Пугач И.Ю. Расчетно-экспериментальное исследование динамических характеристик антенных устройств космических аппаратов // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. - М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. - Т. 109. - С. 17-20.

3. Каверин В.В., Пугач И.Ю. Применение современных методов при проектировании и отработке прочности малого космического аппарата // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. - М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009.-Т. 109.-С. 21-27.

4. Геча В.Я., Канунникова Е.А., Мещихин И.А., Пугач И.Ю. Вопросы создания и верификации динамической модели КА «Метеор-М» №2 на этапе выведения // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - М.: ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", 2014. - Т. 142. №5. - С. 27-34.

5. Еремин Л.И., Мещихин И.А., Пугач И.Ю. Экспериментальное определение параметров механизмов раскрытия солнечной батареи // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - М.: ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", 2014. - Т. 142. №5. - С. 35-38.

6. Красова H.A., Пугач И.Ю., Рузаков А.Ю. Разработка математических моделей, применение технических средств и проведение наземной отработки для обеспечения точности динамической стабилизации КА «Канопус-В» с целью получения изображения высокого качества // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - М.: ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ", 2014. - Т. 143. №6. - С. 27-36.

Подписано в печать:

06.03.2015

Заказ № 10598 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru