Введение к работе
Актуальность исследований. Увеличение срока активного существования спутников связи с одновременным повышением требований к их функциональным характеристикам выдвинули на первый план вопросы обеспечения всеми системами поставленных задач.
В настоящее время средняя стоимость одного спутника связи составляет около 85 млн. долл., а выведение его на орбиту составляет около 70 млн. долл..
Краткий анализ современного состояния и перспектив развития спутниковых систем связи показывает, что Российские спутники в настоящее время по некоторым показателям не соответствуют лучшим мировым образцам.
Основными тенденциями развития спутникостроения в США и странах Европы являются - увеличение срока активного существования (СЛС), энергонасыщенности, функциональных возможностей и КПД систем, уменьшение массо-габаритных показателен, энергопотребления и стоимости услуг.
Срок активного существования отечественных спутников связи в настоящее время не превышает 10 лет, в то время когда некоторые фирмы США и других стран гарантируют САС до 15 лет.
Следовательно, одной из первоочередных и основных тенденций отечественного спутникостроения является увеличение САС с улучшением и сохранением функциональных характеристик и параметров всех систем, элементов и т.д.
Обеспечить безотказное функционирование космического аппарата связи в течение заданного САС должен каждый элемент конструкции, всех систем и механических систем в частности. В состав спутников связи входят механические системы различного назначения, включающие в себя различные электромеханические приводы, содержащие мел-комодульные зубчатые, конические, дифференциальные и волновые передачи. Как показывает опыт эксплуатации спутников связи на орбите и длительных ресурсных испытаний живучесть спутника во многом зависит от работоспособности механических систем и их элементов, обеспечивающих заданные штатные функциональные параметры, т.е. сохранение в пределах заданных значений следующих характеристик: коэффициента полезного действия (к.п.д.), жесткости системы и элементов в частности, кинематической точности и мертвого хода, динамической активности и др., а также сохранение всеми элементами статической и динамической (усталостной) прочности. Кроме этого необходимо, чтобы и другие элементы, материалы, приборы и устройства других систем сохраняли свои эксплуатационные свойства в заданных пределах в течение всего САС.
Основное целевое назначение механической системы состоит в обеспечении функционирования космического аппарата и его бортовых систем в соответствии с заданной логикой функционирования, которая зафиксирована в технологических циклах. Каждому этапу функционирования можно поставить в соответствие один или несколько технологических циклов работы механической системы, которые определяются типом или назначением космического аппарата и типом его орбиты.
С учетом введенного понятия цель функционирования механической системы - обеспечить реализацию технологических циклов эксплуатации космического аппарата на всех этапах его жизненного цикла на орбите. Именно технологические циклы функционирования КА различных типов определяют особенности работы и цик-
лограмму работы механических систем. Обобщенная глобальная структурная схема системы КА вне зависимости от технологических циклов его функционирования включает в себя бортовой и наземный комплексы.
Очевидно, что от работы бортовых механических систем и элементов конструкций спутника во многом зависит САС, качество и надежность всего наземно-космического комплекса в целом. Для достижения общей цели необходимо, чтобы МС, ее элементы и элементы конструкций обеспечивали выполнение поставленных задач. Это возможно только лишь тогда, когда каждый элемент будет исследован и рассчитан в соответствии с требованиями его функционального поведения на протяжении всего срока активного существования, который в настоящее время должен быть не менее 12-15 лет.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов расчета, конструкций и технологий позволяющих на стадии проектирования и изготовления оперативно и достоверно влиять на качество механических систем и элементов конструкций для обеспечения повышенного срока активного существования спутников связи различного назначения.
Задачи исследований:
разработать интегрированную автоматизированную систему расчета динамики приводов различной структуры, позволяющую конструктору на стадии проектирования производить оценку влияния жесткостных, инерционных и других факторов на процессы, происходящие в приводах механических систем при численном моделировании их работы на длительный срок активного существования;
разработать методику расчета на прочность основного элемента базового привода механической системы - гибкой оболочки;
получить новые теоретические зависимости по профилированию кулачка генератора волн волновой передачи;
создать установку и отработать технологию по упрочнению контактирующих поверхностей деталей;
разработать методику рационального проектирования осесимметричных оболочек и оболочечных конструкций применительно к антеїшам и термоконтейнерам спутников связи;
экспериментально проверить принятые проектные, конструкторские и технологические решения на достижение поставленной цели.
Научная новизна. Для механических систем космических аппаратов связи:
- разработана и реализована методика исследования динамических процессов,
их регулирование и оптимизация при непосредственной интеграции результатов в
процессе проектирования с целью повышения функциональных параметров и срока
активного существования;
предложен и реализован блочно-модульный метод автоматизированного формирования дифференциальных уравнений движения элементов привода в произвольно задаваемой компоновке в процессе проектирования;
выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на динамическое состояние привода и его ресурс;
разработана методика расчета гибкого элемента волновой передачи на действие локально приложенных распределенных силовых и моментных нагрузок и деформационной нагрузки в радиальном направлении;
получено уравнение для профилирования кулачка генератора волн с минимальной динамической активностью;
разработаны новые конструкции генераторов волн (Л.С. № . № 2017029, № 1781489, № 3162816, № 1019114);
созданы стенды для ускоренных испытаний элементов приводов механических систем (А.С. № 2017110, № 3167215);
экспериментально проверено влияние жесткосгных и геометрических характеристик, упрочнения элементов приводов на выходные, точностные, кинематические и динамические функциональные требования работы механических систем;
разработана методика расчета и рационального проектирования осесиммет-ричных оболочечные конструкций из композиционных материалов;
установлены зависимости, определяющие рациональное состояние изготовленных из композиционных материалов осесимметричных оболочек различных форм от: интенсивности армирования и толщины; углов и интенсивностей армирования; толщины и угла армирования; интенсивностей армирования;
разработана методика решения обратных задач расчёта осесимметричных оболочек и оболочечных конструкций, позволяющая управлять геометрическими параметрами композиционного материала, что и обеспечивает необходимый критерий рациональности;
определены условия существования безмоментности и равнодеформируемо-сти для различных форм ортотропных оболочек вращения;
доказаны условия существования безмоментного состояния и равнодефор-мируемости для отдельных изотропных оболочек;
произведены расчеты рефлекторов антенн и термоконтейнеров космических аппаратоа связи с учетом ограничений по деформативности.
На защиту выносятся:
Методика исследования динамики приводов механических систем космических аппаратов связи в совокупности с блочно-модульным методом формирования дифференциальных уравнений движения в автоматическом режиме.
Методика расчета гибкого элемента волновой передачи на воздействие комплекса силовых и моментных нагрузок, а также деформационной нагрузки.
Уравнение профиля кулачка генератора волн.
Конструкции генератора волн (А.С. № 2017029, № 1781489, №2162816, №1019141);
Конструкции стендов для ускоренных испытаний элементов МС (Л.С.№2017110, №3167215);
Методика рационального проектирования осесимметричных оболочечных конструкций, изготовленных из композиционных материалов.
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие достоверность теоретических расчетов и принятых конструкторских и технологических решений для обеспечения повышенного срока активного существования механических систем и элементов конструкций спутников связи.
Практическая значимость, заключается в том, что разработанная методика исследования динамики приводов механических систем космических аппаратов в совокупности с блочно-модульным методом формирования в автоматическом режиме дифференциальных уравнений движения и разработанный пакет прикладных программ её реализации позволяют создавать конструкции МС, обеспечивающие
необходимый срок службы КА. Разработанные методики расчёта гибких элементов волновых передач, профилирование кулачка генератора волн, стенды для ускоренных испытаний элементной базы МС и конструкции генератора волн, а также методика рационального проектирования осесимметричных оболочечных конструкций из композиционных материалов способствуют на стадии проектирования производить численное моделирование в процессе создания КА с длительным САС.
Достоверность результатов подтверждается ускоренными ресурсными испытаниями ряда штатных образцов механических систем космических аппаратов, а также безаварийной работой механических систем на функционирующих спутниках связи к настоящему времени более 70000 часов.
Методы исследований. В качестве применяемых методов исследований использовались известные положения теории упругости, теоретической механики, деталей машин, экспериментальной механики, теории подобия и специальных разделов математического анализа.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на: III Международном симпозиуме по динамическим и технологическим проблемам механики конструкций и сплошных сред (Москва, 1997); IV всесоюзном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплений" (Курган, 1988); международной научно-технической конференции "Спутниковые системы связи и навигации" (Красноярск, 1997); научно-практической конференции "Качество продукции машиностроения" (Красноярск, 1998); II научно-технической конференции "Устройства и системы автоматики автономных объектов (Красноярск, 1990); II международной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1996); научно-технической конференции "Достижения науки и техники развития" (Красноярск, 1997); межвузовской научно-методической конференции (Красноярск, 1996); международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994); научно-технической конференции "Перспективы и проблемы инженерного образования" (Красноярск, 1996); XV отраслевой научно-технической конференции "Элеектронные и электромеханические системы и устройства" (г. Томск, 1996); научно-технической конференции "Устройства и системы автоматики автономных объектов" (Красноярск, 1997); научно-техническом семинаре "Современная технология производства приборов, средств автоматизации и системы управления (Ленинград, 1988, 1989); региональной НТК "Конструкция, расчёт и производство волновых зубчатых передач" (Свердловск, 1983); региональной НТК "Проблемы качества и эффективности технологии изготовления зубчатых передач" (Омск, 1979); отраслевой НТК общего машиностроения (Минск, 1986,1988).
Образцы изделий, выполненные с участием разработок автора, демонстрировались на ВДНХ СССР (1985 - бронзовая медаль, 1987 - бронзовая медаль), выставке ВУЗы - народному хозяйству (Москва, 1993).
Работа выполнялась согласно плана НИР и ОКР НПО "Прикладная механика" (Красноярск 26); Постановления ГКНТ СССР №226 от 8.06.71 "О волновых механических передачах и рациональной области их применения в машиностроении" Постановления ГКНТ СССР №594 от 30.09.74 г. "О дальнейшем расширении науч но-исследовательских и проектно-конструкторских работ по созданию и примене нию в машиностроении механизмов с использованием волновых зубчатых передач" Постановления Министерства общего машиностроения и АН УССР №136-46 і №137-47 от 27.01.86 г. "Создание бортового аналитического комплекса и КГК" (С)
Постановления ЦК КПСС и СМ СССР №1265-33 от 25.12.84 "Муссон-2" (С); Постановления ЦК КПСС и СМ СССР № 27.01.86 "Разработка исследования и внедрения электромеханических систем с волновыми зубчатыми передачами и ресурсом более 77 тыс.час." (динамика, НДС и точность) (С); республиканской межвузовской программой "Волновые механические системы и приводы спецназначения".
Все результаты исследований внедрены на предприятии НПО "Прикладная механика" (Красноярск-26) при разработке спутников связи "Галс", "Экспресс", "Экспресс М", "ЛУЧ", "Горизонт", "Аркос", "Глонасс" и др.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка проблемы и задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений определяющих научную новизну и практическую значимость работы, формулировка задач теоретических и экспериментальных исследований, участие в экспериментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов заключений для принятия решений.
Автор выражает признательность руководителям и сотрудникам комплекса 307 НПО "Прикладная механика", сотрудникам кафедры "Теория и конструирование механических систем" КГТУ; лично д.т.н. профессору Смирнову-Васильеву К.Г., главному конструктору НПО ПМ до 1998 г., в настоящее время председателю научно-технического совета НПО ПМ; лично заведующему кафедрой ТММ МГТУ им. Н.Э. Баумана д.т.н., проф. Тимофееву Г.А. и сотрудникам этой кафедры; д.т.н. профессору Станкевичу А.И., заведующему кафедрой Московского авиационного института; д.т.н. профессору Ражинову В.Н. "Военмех" г. С.Петербург; д.т.н. профессору Соустину Б.П. КГТУ; руководству НПО "Прикладная механика" и администрации Красноярского государственного университета и всем остальным, кто способствовал моей работе за неоценимые консультации, содействие и помощь в становлении, обсуждении и окончательном оформлении данной диссертационной работы.
Объём и структура диссертации. Материалы диссертационных исследований представлены на 486 страницах основного текста, включающих 179 рисунков и 36 таблиц. Работа состоит из введения, 6 разделов, основных выводов, списка литературных источников 366 наименований.
