Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности разработки агрегатов раскрытия бескаркасных формируемых центробежными силами космических конструкций. Комплексный анализ проблемы 18
1.1 Обзор проектно-конструкторских, технологических и экспериментальных работ 18
1.1.1 Проектно-конструкторские работы 18
1.1.2 Технологические разработки, наземные и космические эксперименты 27
1.2 Комплексный анализ проблемы создания агрегатов раскрытия для различных прикладных задач 33
1.2.1 Постановка задачи комплексного анализа 33
1.2.2 Требования к агрегатам раскрытия, следующие из специфики прикладных задач 34
1.2.2.1 Ретрансляция, связь и солнечный парус 34
1.2.2.2 Отражатель для освещения отраженным солнечным светом районов Земли, солнечные батареи для космической солнечной электростанции, программ Луны и Марса 35
1.2.2.3 Параболический концентратор солнечной энергии, антенны и технологические экраны 36
1.2.2.4 Тросовая рамочная антенна НЧ и СНЧ диапазонов 38
1.2.3 Функциональные и конструктивно-технологические требования 38
1.2.3.1 Дисбаланс конструкции 38
1.2.3.2 Устранение волнистости поверхности 39
1.2.3.3 Обеспечение укладки солнечной батареи в транспортном состоянии без критического радиуса изгиба 40
1.2.3.4 Передача электроэнергии на космический аппарат 41
1.2.3.5 Компенсация кинетического момента вращающейся конструкции 42
1.2.4 Принципы укладки и раскрытия из уложенного состояния. Требования к укладкам, вращающему моменту и скорости роспуска . 46
1.2.4.1 Требования к укладкам 46
1.2.4.2 Упорядоченность при раскрытии различных укладок пленочных и тросовых конструкций 47
1.2.4.3 Управляемое и неуправляемое раскрытие. Принципиальные схемы агрегатов раскрытия 51
1.2.4.4 Приложение вращающего момента 61
1.2.4.5 Обеспечение управляемого раскрытия 67
1.2.4.6 Циклограмма процесса раскрытия 69
1.2.5 Итоги комплексного анализа. Основные концепции создания агрегатов раскрытия и их классификация 72
Глава 2 Конструкции агрегатов раскрытия для различных прикладных задач 76
2.1 Однокатушечный агрегат раскрытия сплошного полотна для малого спутника 76
2.1.1 Определение конструктивного облика агрегата раскрытия сплошного полотна 76
2.1.2 Конструкция агрегата раскрытия 77
2.2 Однокатушечный наземный прототип агрегата раскрытия модели солнечной батареи 80
2.2.1 Определение конструктивного облика наземного прототипа агрегата раскрытия 80
2.2.2 Конструкция наземного прототипа агрегата раскрытия 82
2.3 Многокатушечный агрегата раскрытия отражателя на ТГК «Прогресс» в КЭ «Знамя 2» 85
2.3.1 Определение конструктивного облика агрегата раскрытия отражателя 85
2.3.2 Конструкция агрегата раскрытия отражателя 87
2.4 Однокатушечный агрегат раскрытия полотна, состоящего из секторов, объединяемых в процессе раскрытия для солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров 89
2.4.1 Конструктивная концепция агрегата раскрытия 89
2.4.2 Конструкция агрегата 90
2.5 Многокатушечный агрегат развертывания полотна, состоящего из секторов, объединяемых в процессе раскрытия для солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров 95
2.5.1 Конструктивная концепция агрегата раскрытия 95
2.5.2 Конструкция агрегата 97
2.5.3. Итоги разработки 101
2.6 Агрегат раскрытия тросовой системы 102
2.6.1 Конструктивная концепция агрегата 102
2.6.2 Конструкция агрегата раскрытия 103
Глава 3 Наземная отработка агрегатов раскрытия 105
3.1 Концепции и предпосылки наземной отработки агрегатов раскрытия 105
3.2 Наземная отработка агрегата раскрытия для малого спутника 106
3.2.1 Испытания на работоспособность 106
3.2.2 Динамические испытания 107
3.2.3 Модельные испытания 108
3.2.4 Адаптация агрегата раскрытия к микро-спутнику 110
3.3 Отработка наземного прототипа агрегата раскрытия солнечной батареи 112
3.3.1 Этапы отработки наземного прототипа агрегата раскрытия 112
3.3.2 Итоги наземной отработки прототипа агрегата раскрытия 115
3.4 Наземная отработка агрегата раскрытия отражателя 116
3.4.1 Этапы наземной отработки 116
3.4.2 Лабораторно - отработочные испытания (ЛОИ) 117
3.4.3 Конструкторско-доводочные испытания (КДИ) 122
3.4.4 Моделирование динамики силового нагружения на электропривода на этапе разворачивания отражателя из уложенного состояния 123
3.4.5 Заключение по наземной отработке АРО 128
Приложение
- Комплексный анализ проблемы создания агрегатов раскрытия для различных прикладных задач
- Параболический концентратор солнечной энергии, антенны и технологические экраны
- Однокатушечный наземный прототип агрегата раскрытия модели солнечной батареи
- Наземная отработка агрегата раскрытия для малого спутника
Введение к работе
Актуальность работы
Важная роль крупногабаритных космических конструкций в технике будущего определяется перспективами развития энергетики на 2010-2050 г.г., где основными концепциями являются [1-4]:
- увеличение потребления электроэнергии в 2-3 раза по сравнению с современным
уровнем из-за роста населения на планете и роста энергопотребления на душу населения
в основном за счет развития третьих стран;
- снижение использования нефти, газа и угля из-за ограниченности запасов и
экологических последствий;
снижение использования атомных электростанций в связи с трудностями утилизации ядерных отходов, возможностью крупномасштабных аварий с тяжёлыми экологическими последствиями, тепловым воздействием на окружающую среду;
вынесение энергоёмких и экологически вредных производств на околоземные орбиты и поверхность Луны;
широкое использование практически бесконечных запасов солнечной энергии путем создания солнечных электростанций, солнечных концентраторов и отражателей космического базирования как для обслуживания производства в космосе, так и для передачи энергии на Землю.
Поисковые работы по обоснованию наиболее целесообразных областей применения космических крупногабаритных конструкций и определению их конструктивного облика были начаты в СССР в начале 80-х годов прошлого века в рамках государственных научно-исследовательских тем. Был проведен сравнительный анализ по массогабаритным характеристикам, стоимости разработки и изготовления, возможностям укладки в транспортное состояние и эффективности целевого использования следующих конструкций: различного вида каркасных, бескаркасных формируемых центробежными силами, надувных и формируемых электростатическими силами конструкций. По комплексу определяющих проектных параметров и возможностям приложений наиболее перспективными были признаны бескаркасные
7 формируемые центробежными силами конструкции, отличающиеся от каркасных аналогов рядом важных преимуществ: низкая стоимость и масса из-за отсутствия каркаса, возможность укладки в малый объем при транспортировке и автоматическое развертьшание на орбите при мальк энергозатратах, приемлемая точность поверхности, возможность переориентации на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, возможность эффективной наземной отработки и проч. В рамках темы «Знамя» (1988-1994г.г.) были осуществлены подготовка и проведение космического эксперимента для подтверждения расчетных методик и конструктивных принципов, закладываемых в проекты перспективных систем, а также для отработки формируемых центробежными силами конструкций и набору опыта их создания. Впервые в мире 04.02.93 на транспортно-грузовом корабле "Прогресс" рядом с орбитальной станцией «Мир» бьш развернут в космосе макет плёночной конструкции солнечного паруса диаметром 20м (космический эксперимент "Знамя 2") [5] и проведен манёвр по переориентации конструкции в пространстве. В эксперименте была осуществлена задача использования конструкции в качестве отражателя солнечного света с орбиты на Землю. Эксперимент подтвердил заложенные в него проектно-конструкторские решения и перспективность данного направления, продемонстрировав техническую реальность проектов крупномасштабных систем в приложении к широкому кругу актуальных прикладных задач, таких как:
создание эффективных солнечных батарей для крупномасштабных космических солнечных электростанций, транслирующих энергию на Землю в СВЧ диапазоне в проблеме энергетического кризиса и стабилизации погоды;
создание эффективных солнечных батарей на малых и средних спутниках, в энергосистеме Марсианской миссии и при освоении Луны, где требуются масштабные электростанции, эксплуатирующиеся в условиях глубокого вакуума и пониженной іравитации, требующие возможности мобильного раскрытия и свертывания при изменении дислокации и ремонте.
- создание пассивных ретрансляторов для теле- радио связи;
создание отражателей для освещение районов Земли отраженным с орбиты солнечным светом (городов и промышленных районов Заполярья, мест катастроф и проч.);
создание отражателей солнечного света с орбиты для управления погодой в локальном регионе, влияния на урожайность в районах производства сельскохозяйственной и лесной продукции, а также морепродуктов;
- создание крупномасштабных экранов для очистки космоса от технологических
осколков;
создание солнечных парусов для межпланетных перелетов;
создание НЧ и СНЧ рамочных антенн для исследования ионосферы, залежей полезных ископаемых и связи с глубоководными аппаратами;
создание параболических концентраторов и радиоантенн;
создание технологических орбитальных экранов для получения сверхвысокого вакуума в новых космических технологиях.
Если 40-50 лет назад усилия в космической технике, в основном, были направлены на увеличение массы выводимого на орбиту полезного груза, то в настоящее время к изделиям космической техники предъявляются требования минимальных затрат на создание образцов новой техники при максимальной эффективности для решения важнейших народнохозяйственных и научных задач. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают крупногабаритные космические конструкции, формируемые центробежными силами.
В авиации создание вертолетов было начато практически одновременно с началом создания крылатых аппаратов. В космической технике создание вращающихся конструкций только начинается и может в значительной мере удешевить и повысить эффективность решения многих задач.
Создание конструкций площадью порядка нескольких гектаров и управление положением их в пространстве является сложной научно-технической задачей, не имеющей аналогов в наземной и космической технике и требующей для своего эффективного решения нетрадиционных подходов.
9 Для вышеуказанных прикладных задач формируемые центробежными силами конструкции имеют конструктивные особенности, вытекающие из специфики решаемой прикладной задачи и необходимых для этого точностями поверхности системы и её ориентации в пространстве, которые в свою очередь определяют особенности конструкций агрегатов их раскрытия.
Актуальной проблемой является создание прикладных методов проектно-конструкторской разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций, учитывающих специфику, особенности и ограничения, связанные с использованием этих конструкций для различных прикладных задач в космосе.
Объект исследований - формируемые центробежными силами космические конструкции, методы проектирования и конструирования раскрывающихся в космосе объектов.
Предмет исследований и разработок - методика разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами комических конструкций. Цель работы - повышение надежности функционирования и снижение трудоемкости создания агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций.
Достижение поставленной цели диссертационной работы осуществлено путем научно обоснованных технических разработок агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций солнечных батарей, отражателей, рамочных СНЧ антенн и других объектов и методики наземной отработки различных этапов раскрытия.
Методика исследования включает методы комплексного системного анализа, математического моделирования, наземных и орбитальных экспериментов. На защиту выносятся следующие научно обоснованные технические разработки:
- однокатушечная схема агрегата раскрытия малых и средних космических
солнечных батарей и технологических экранов с неуправляемым раскрытием
сплошной поверхности;
многокатушечная схема агрегата раскрытия солнечных парусов с управляемым раскрытием многосекторной поверхности;
- однокатушечная схема агрегата раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем
компенсации кинетического момента с управляемым раскрытием тросовой
системы размерностью несколько сотен метров;
однокатушечная и многокатушечная схемы агрегатов раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и отражателей размерностью несколько сотен метров с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;
- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных
космических конструкций, формируемых центробежными силами.
Научная новизна представленных технических разработок состоит в следующем:
- агрегат раскрытия малых и средних космических солнечных батарей и
технологических экранов отличается однокатушечной схемой с
неуправляемым раскрытием сплошной поверхности;
агрегат раскрытия солнечных парусов отличается многокатушечной схемой с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и компенсацией кинетического момента;
агрегат раскрытия рамочных СНЧ антенн и систем компенсации кинетического момента отличается однокатушечной схемой тросовой системы размерностью несколько сотен метров;
- агрегат раскрытия крупномасштабных космических солнечных батарей и
отражателей размерностью несколько сотен метров отличается
однокатушечной и многокатушечной схемами в зависимости от масштаба
конструкции с управляемым раскрытием многосекторной поверхности и объединением отдельных секторов в единое полотнище в процессе раскрытия;
- методика наземной отработки агрегатов раскрытия крупногабаритных космических конструкций, формируемых центробежными силами, отличается проведением специальных дополнительных испытаний: проверки инициализации раскрытия и проверки динамического воздействия раскрываемого полотна на агрегат на различных этапах раскрытия. Научное обоснование полученных результатов обеспечено следующим:
Проведением комплексного системного анализа особенностей прикладных задач и определяемых ими требований к агрегатам раскрытия космических конструкций с учетом функционально-технологических возможностей современной космической техники;
Разработкой общих концепций, этапов создания, основных принципиальных конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций;
Выработкой классификации принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций в привязке к различным прикладным задачам,
Выбором рациональных конструкций гибких полотнищ, схем укладки, обеспечивающих плавное, упорядоченное (без ударов, колебаний, запутывания, потери геометрической симметрии), управляемое на всех стадиях раскрытие из уложенного (транспортного) состояния и требуемую форму раскрытого полотнища;
Разработкой методики обеспечения динамики управляемого раскрытия техническими средствами (электроприводами, обгонными или моментными муфтами, элементами начального инициирования) с компенсацией кинетического момента;
Выработкой требований к технологии изготовления и укладки пленочных полотнищ;
Выбором рациональных схем крепления и намотки для тросовых элементов конструкций и для тросовых конструкций в целом (антенны, маховики), обеспечение динамики их управляемого раскрытия и невозможности запутывания;
Разработкой рациональной увязки агрегата раскрытия формируемой центробежными силами конструкции с традиционными системами КА.
Достоверность полученных результатов подтверждена опытом проектирования различных агрегатов раскрытия космических конструкций, опробована наземной отработкой 3-х агрегатов раскрытия (для экспериментов «Знамя-2», «Знамя-2,5» для малого спутника «Можаец 4»), функционированием наземного прототипа агрегата раскрытия, успешным проведением космического эксперимента «Знамя-2».
Научная значимость полученных результатов состоит в развитии методов проектирования и конструирования агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами конструкций с учетом специфики, особенностей и ограничений, связанных с использованием этих конструкций для решения таких актуальных задач, как создание космических солнечных электростанций, солнечных батарей космических аппаратов, рамочных СНЧ антенн и др. Практическая значимость полученных результатов состоит в создании проектно-конструкторской базы разработки агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами космических конструкций для эффективного решения широкого круга перспективных прикладных задач.
Внедрение полученных результатов обеспечивает повышение надежности функционирования агрегатов раскрытия космических конструкций и снижение трудоемкости их создания путем использования наиболее оптимальных проектно-конструкторских решений.
13 В частности, эффективность предложенных технических разработок подтверждается их сопоставлением с техническими решениями, предложенными в проекте «Гелиоротор» - космическом аппарате, предназначенным для полета к комете Галлея. Аппарат представляет собой солнечный парус, выполненный в виде 8-й лент шириной 8 м и длиной 7500 м из алюминизированнои пленки, натягиваемой на титановый каркас. Раскрытие конструкции планировалось путем вращения сначала за счет плазменных двигателей, а затем за счет солнечного давления. Тем же способом предполагалось поддерживать форму в течение всего полета. Основным недостатком проекта является невозможность сохранения одинакового угла наклона поверхности лопасти к солнечным лучам на очень большой длине нежесткой конструкции лопасти и короблении ее поверхности при нагреве из-за технологических неоднородностей пленки, что делает процесс раскрытия и дальнейшего поддержания формы лопасти неопределенным. В представленных технических разработках для раскрытия использован электромеханический привод на базе двигателя с падающей механической характеристикой, что обеспечивает плавное, упорядоченное, управляемое на всех стадиях раскрытие. Внедрение результатов работы.
Разработанный автором многокатушечный агрегат раскрытия отражателя был изготовлен, прошел комплекс наземной отработки и соответствующей приёмки и использовался при подготовке и проведении космического эксперимента «Знамя-2» на борту ТГК «Прогресс» вблизи орбитальной станции «Мир» (04.02.1993г) в рамках темы ОКР «Знамя» MOM, проводимой в РКК «Энергия» им. С.П.Королёва. Аналогичный агрегат раскрытия использовался при повторении эксперимента на борту ТГК «Прогресс» в 1999г. Однокатушечный агрегат раскрытия модели солнечной батареи использовался при подготовке и проведении космического эксперимента на спутнике
«Можаец - 4» (выведен на орбиту высотой 1000 км 28.10.2005г) в рамках проекта №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ)
14 «Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли». Созданный наземный прототип агрегата раскрытия солнечной батареи использовался для исследований динамики раскрытия различных укладок в проекте №2620 МНТЦ и используется в учебном процессе на кафедре «Теория механизмов и машин» МАИ.
В . дальнейшем разработанные общие концепции и этапы создания, классификация принципиальных схемных и конструктивных решений агрегатов раскрытия космических конструкций, а так же методика их эффективной наземной отработки могут использоваться предприятиями отрасли для широкого круга перспективных прикладных задач. Апробация работы. Этапы работы представлялись на 9 конференциях и конгрессах, в том числе 5 международных:
Научно-техническая конференция, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, 1996.
56-ой международный конгресс по астронавтике (IAC2005), NASA, ЕКА, JAXA и др., г. Фукуока (Япония), 2005.
5-ый Международный аэрокосмический конгресс IAC-06, РАКА и др., г. Москва, 2006.
И-я и Ш-я Международные научно-техническая конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Академия инженерных наук им. A.M. Прохорова (АИН РФ) и др., Абхазия, 2006, 2007.
Юбилейная научно-техническая конференция «Информационно-управляющие системы-2006», ФГУП «НПО измерительной техники», Королев М.О., 2006.
3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (РКТ-2007), МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2007.
Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2008.
Королёвские чтения, МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2009.
Все конструкции агрегатов раскрытия разрабатывались автором в рамках участия в подготовке и выпуске ряда Технических предложений и Эскизных проектов РКК «Энергия» им. СП. Королёва, а также в одном международном проекте.
Основные результаты работы отражены в публикациях:
1. Мельников В.М., Харлов Б.Н. Разработка динамической тросовой вращающейся
антенны D=300-500m // Тезисы докладов научно-техничской конференции
Московского Технического Университета Связи и Информатики.М., 1996г. С.48-51.
Melnikov, V.M., V.A. Komkov, B.N. Kharlov. Space-bazed solar power stations against energy crisis. II 56-th International Astronautical Congress (IAC2005), October 17-21,2005, Fukuoka (Japan). C.53-56.
Мельников B.M., Комков В.А., Харлов Б.Н. Космические солнечные электростанции против энергетического кризиса. // 5-ый Международный аэркосмический конгресс 1АС-06.Москва. август 2006г.(на англ. и рус. яз.). С.22-26.
Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза А.И., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Итоги российско-американского проекта по формируемым центробежными силами бескаркасным космическим солнечным батареям. // П-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия, сентябрь 2006г. С.78-80.
Райкунов Г.Г., Мельников В.М., Рембеза А.И., Иванов Н.Н, Комков В.А, Харлов Б.Н. Крупногабаритные тонкопленочные бескаркасные формируемые центробежными силами космические солнечные батареи для программы освоения Луны, экспедиции
на Марс и трансляции энергии на Землю в противодействие энергетическому кризису. «Иформационно-управляющие системы-2006». // Юбилейная научно-техническая конференция ФГУП НПО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. Королёв (М/о),12-13 октября 2006г. С. 17-19.
Мельников В.М., Комков В.А, Хардов Б.Н Солнечные батареи нового поколения для космических электростанций в проблеме энергетического кризиса и управления погодой, освоения Луны и полета на Марс. // Ш-я Международная научно-техническая конференция «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» Абхазия, сентябрь 2007г. С.98-102
Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М, Харлов Б.Н. Динамика раскрытия формируемой центробежными силами конструкции космической энергосистемы с компенсацией кинетического момента. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.90-91
Харлов Б.Н., Комков В.А., Кабдулин Г.В., Мельников В.М. Космическая технология сборки орбитальной солнечной электростанции на базе формируемой центробежными силами бескаркасной солнечной батареи. // Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2008г. С.91-92
Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов НН, Харлов Б.Н. Солнечные пленки. // Ж. Новости космонавтики. №10.2006.С.38-39.
РайкуновГ.Г., Мельников В.М., Комков В.А., Рембеза А.И., Иванов Н.Н., Харлов Б.Н. Разработка бескаркасных космических солнечных батарей нового поколения для освоения Луны и экспедиции на Марс. Конверсия в машиностроении.№1, 2007.С.44-51.
Мельников В.М., Комков В.А., Харлов Б.Н. Бескаркасные конструкции космических солнечных энергосистем. // Международный журнал "Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем.", №2(24), т.12, 2007, с.89-104, Казань-Дайтона Бич.(на англ. и рус. яз.)
Комков В.А Мельников В.М, Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами солнечные батареи //М: «Черос» ,2007,188с.
Разработка технологии и конструкции раскрываемых центробежными силами солнечных батарей из аморфного кремния на основе тонкой полимерной пленки для спутников связи и дистанционного зондирования Земли» / Итоговый отчет по Проекту №2620 Международного научно-технического центра (МНТЦ). Рук. Мельников В.М.. Москва., 2006.220с.(на англ. и рус. яз.)
Харлов Б.Н., Кабдулин Г.В., Мельников В.М., Комков В.А. Комплексный анализ, концепции разработки и классификация агрегатов раскрытия формируемых центробежными силами бескаркасных космических конструкций. //3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы.» (РКТ - 2007).19-23 ноября 2007г С.91-92. \5.Райкунов Г.Г., Никитский В.П., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Космический эксперимент по раскрытию центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную батарею с водородным циклом на ТІ К «Прогресс» вблизи МКС. Наука и технологии в промьппленности.№3 2008,С.12-15.
Марков А.В., Сурин Д.М., Харлов Б.Н., Щербаков, Никитский В.П., Мельников В.М. Подготовка космического эксперимента с бескаркасной центробежной солнечной батареи, питающей аккумуляторную систему с водородным циклом на ТГК «Прогресс». Королёвские чтения. Тезисы докладов. Москва, январь 2009г. С.34-36.
Кабдулин Г.В., Комков В.А., Мельников В.М.. Харлов Б.Н. Динамика управляемого раскрытия центробежными силами космических конструкций с компенсацией кинетического момента. // Журнал «Космонавтика и ракетостроение», №1(54) 2009, с.189-198
Представленные в диссертации материалы вошли в следующие проектно-конструкторские работы: [12,13,31,32].
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, 2-х приложений, выводов и списка использованной литературы. Общий объем 144 стр.
Комплексный анализ проблемы создания агрегатов раскрытия для различных прикладных задач
Космический аппарат с раскрываемой центробежными силами конструкцией, помимо традиционных корабельных систем, должен иметь в своем составе агрегат раскрытия со средствами своего питания и управления, в котором уложенная конструкция транспортируется на орбиту, и который обеспечивает раскрытие этой конструкции из уложенного (транспортного) состояния и поддержание раскрытого состояния в период эксплуатации.
Проведем комплексный системный анализ проблем создания агрегатов раскрытия крупногабаритных формируемых центробежными силами конструкций, обусловленных спецификой этих сил, особенностью внешних условий и крупномасштабностью изделия применительно к различным прикладным задачам с учетом функциональных и конструктивных особенностей и технических возможностей обеспечения высокой эффективности функционирования агрегатов раскрытия, взаимосвязи с КА, а также наземной отработки для обеспечения высокой надежности, что определит конструктивные особенности агрегатов раскрытия. Важной особенностью конструкций размером более нескольких десятков метров является принципиальная невозможность полномасштабной наземной отработки из-за отсутствия столь масштабных вакуумных камер и наличия гравитации. Требуется обоснование поэтапной и модельной отработки.
При комплексном анализе в качестве надсистемы выступают многочисленные выше перечисленные прикладные задачи во взаимосвязи с особенностью внешних условий (невесомость, глубокий вакуум, влияние многочисленных орбитальных воздействий). В качестве подсистем выступают различные конструктивные решения систем агрегатов раскрытия, отвечающие широкому кругу функциональных и конструктивно-технологических требований, обеспечивающих решение этих прикладных задач.
Для вышеуказанных прикладных задач формируемые центробежными силами конструкции имеют конструктивные особенности, вытекающие из специфики решаемой прикладной задачи, которая определяет необходимую точность и качество поверхности системы и её ориентации в пространстве, которые в свою очередь ставят соответствующие требования к конструкциям агрегатов раскрытия. Важным фактором является масштабность системы, определяющая возможность ее изготовления и отработки в наземных условиях, а также возможность её транспортировки на орбиту носителем.
Для задач ретрансляции и связи ставятся не слишком жесткие требования по точности поверхности отражателя и его ориентации в пространстве. Для дециметровых и метровых волн поверхность может быть выполнена из токопроводящей сетки с размером ячейки меньше, чем 0,05 Я (где Я - длина волны), а широкая диаграмма направленности излучения позволяет иметь допуск по точности ориентации в несколько градусов. Конструкция может быть разрезная из отдельных секторов, сегментов или ячеек с зазорами, не превышающими 0,05 Я (где Я - длина волны). Агрегат раскрытия для такой конструкции отражателя может быть как однокатушечный, так и многокатушечный, с отдельными секторами отражателя, не объединяемого на орбите в единое полотнище, что достаточно просто в конструктивном и технологическом плане. Аналогичная конструкция агрегата раскрытия может быть использована для солнечного паруса, где также не предъявляется жестких требований к точности формы поверхности, её ориентации в пространстве и её отражающим свойствам. Поверхность может быть выполнена из отдельных секторов или лент, как скрепленных по периферии, так и не скрепленных (рис.4). Сектора могут поворачиваться вокруг своей радиальной оси за один оборот вокруг основной оси вращения конструкции, давая возможность управлять конструкцией путем изменения положения центра масс по отношению к центру солнечного давления. Здесь имеется аналогия с функцией агрегата перекоса в вертолете. Отражающие свойства поверхности могут изменяться в широком диапазоне, от полного отражения до полного поглощения, при этом тяга паруса изменяется только в два раза.
Для задач освещения отраженным солнечным светом районов Земли предъявляются чрезвычайно жесткие требования по точности формы поверхности и её ориентации (менее 10 ), что связано с необходимостью обеспечения максимальной концентрации энергии в световом пятне. Требуется поверхность с максимальными отражающими свойствами (например, периодически напыляемая на орбите на полимерную подложку натриевая пленка с коэффициентом отражения 0,98), что не допускает использования разрезных (многосекторных) конструкций полотнища, обладающих одноосным напряжённо-деформированным состоянием и продольной волнистостью, и требует сплошной поверхности с двухосным напряженно-деформированным состоянием. Агрегат раскрытия для такой конструкции отражателя должен быть многокатушечный, с отдельными секторами отражателя, объединяемыми на орбите в единое полотнище, что значительно сложнее предыдущего варианта конструктивно и технологически. Такая конструкция агрегата раскрытия определяется крупномасштабностью системы, когда одним носителем на орбиту может быть доставлен не весь отражатель, а только его часть, например одна катушка с уложенным на неё и изготовленным в наземных условиях одним сектором отражателя. Требование объединения отдельных секторов на орбите в единое полотнище следует также из технологических возможностей изготовления полотнища. Технологически невозможно даже на специализированном производстве изготовить цельное полотнище размерностью несколько сотен метров, однако можно изготовить отдельный его сектор. Система требует компенсации кинетического момента системой противовращения. Такая же конструкция необходима для крупномасштабной солнечной батареи космической солнечной электростанции в проблеме энергетического кризиса и стабилизации погоды, а также солнечных батарей для программ Луны и Марса. К точности поверхности этих систем предъявляются менее жёсткие требования, чем к поверхности отражателей для освещения районов Земли отраженным солнечным светом, поскольку солнечные батареи позволяют сохранять свои характеристики при отклонении до 12 от направления на Солнце. Разрезная конструкция для этих систем не применима, поскольку при одноосном напряженно-деформированном состоянии обладает недопустимой волнистостью, снижающей выработку электроэнергии солнечной батареи.
Параболический концентратор солнечной энергии, антенны и технологические экраны
Путем соответствующего раскроя может быть создан параболический профиль поверхности формируемой центробежными силами конструкции (рис.5). При этом на оси вращения должна располагаться раздвижная жесткая ферма, связанная с основной поверхностью вантами или аналогичной прозрачной поверхностью. Так может быть создан концентратор солнечной энергии или параболическая антенна.
При создании параболического концентратора солнечной энергии также требуется точная поверхность с высокими отражающими свойствами, напротив, параболическая антенна масштабе конструкции может быть использована однокатушечная схема агрегата раскрытия с компенсацией кинетического момента газовым приводом. Такая схема наиболее проста в изготовлении.
К ориентации и точности поверхности технологического экрана для получения сверхвысокого вакуума предъявляются наименьшие требования. Может использоваться однокатушечная схема агрегата раскрытия. В качестве системы компенсации кинетического момента целесообразно использовать аналогичную противовращающуюся систему, поскольку технологически проще изготавливать две одинаковые системы.
К ориентации и точности поверхности экрана для очистки космоса от осколков космического мусора предъявляются наименьшие требования в силу широких диаграмм направленности распределения скоростей осколков. Конструктивная схема агрегата раскрытия аналогична предыдущей.
Для тросовых рамочных антенн НЧ и СНЧ диапазонов длина волны составляет сотни километров, однако окружающая космическая плазма уменьшает длину волны и для лучшей подстройки под генератор требуется возможность изменения площади охватываемого контура. Требуется также нахождение самого контура и отдельных его частей в одной плоскости, чаще всего в плоскости орбиты. Тросовые рамочные антенны на этапах раскрытия и эксплуатации могут иметь как петлевую, так и круговую форму (рис. 6). Для уменьшения габаритов весь массив провода целесообразно укладывать на одну катушку привода раскрытия, вокруг которой вращается элемент конструкции, обеспечивающий позвенный управляемый роспуск или обратное сворачивание для лучшей подстройки контура антенны под генератор. В качестве системы компенсации кинетического момента антенны целесообразно использование солнечной батареи, запитывающей рамочную СНЧ антенну. Батарея и антенна должны иметь вращающиеся токоподводящие устройства.
В конструкциях солнечных батарей, отражателей, концентраторов, солнечных парусов и экранов используются как пленочные (сеточные) элементы, так и тросовые элементы. В конструкциях рамочных тросовых антенн и маховиков используются только тросовые элементы.
Существенными особенностями вращающихся конструкций является необходимость компенсации дисбаланса. За счет технологических погрешностей изготовления и производственных допусков на толщину используемого пленочного или тросового материала конструкции дисбаланс неизбежен. Возможны два случая: дисбаланс не влияет на решение целевой задачи КА и его устранения не требуется; необходимо устранение дисбаланса.
Устранение дисбаланса возможно активным и пассивным способом. Активный способ - когда через систему управления процессом с обратной связью решается задача с использованием датчиковых элементов. Возможным конструктивным решением задачи является способ, когда катушечные агрегаты раскрытия подтягивают или отпускают соответствующие сектора, совмещая центр масс конструкции с осью вращения. Пассивный способ - когда в конструкции имеется специфический механический элемент, в котором естественным образом организуется требуемая обратная связь. Оба способа требуют разработки соответствующих систем.
Однокатушечный наземный прототип агрегата раскрытия модели солнечной батареи
Примером конструкторской разработки, аналогичной приведенной выше в п.п.2.1 однокатушечнои схемы агрегата раскрытия, является конструкция наземного прототипа агрегата раскрытия модели СБ. Агрегат предназначен для демонстрации в помещениях возможностей раскрытия центробежными силами модели солнечной батареи из различных типов укладок по циклограмме, особенностью которой является нулевая начальная угловая скорость. Предварительными этапами разработки явились: - расчет аэродинамического сопротивления раскрывающейся в наземных условиях формируемой центробежными силами модели солнечной батареи; - выбор размерности и мощности электропривода; - разработка модели солнечной батареи; - выбор и привязка электропривода к разработанной модели солнечной батареи. Аэродинамическое сопротивление вращающегося с угловой скоростью со кольцевого элемента круга шириной dr определяется выражением: где г - текущий радиус, р -плотность воздуха, С - коэффициент аэродинамического сопротивления, со - угловая скорость вращения. Момент от кольцевого элемента М — Fr. Умножая это выражение на угловую скорость со и интегрируя по длине радиуса круга, имеем формулу для мощности электропривода: Коэффициент 2 учитывает две поверхности круга. Принимая р=2кг/м , 0=0,05, R=1M, со =10 рад/сек имеем для N =100Вт, что вполне приемлемо. При этом угол прогиба а вращающегося полотнища от силы тяжести составит не более где g-ускорение свободного падения. Для приведенных параметров а = 0,1 рад = 6,5 град., что также допустимо. Из оценок следует, что если взять привод мощностью 500Вт, характерный для бытовой техники, то он с запасом раскрутит круг радиусом 1 метр. Для отработки раскрытия необходима плавная регулировка угловой скорости, так как полотно модели СБ может изготавливаться из различных материалов и иметь различную конструкцию Полотно модели СБ может иметь в своем составе фотоэлектрические преобразователи, в связи с этим агрегат должен имел токосъемник для электрической связи между барабаном и основанием агрегата.
Для упрощения процесса укладки полотна перед раскрытием и после раскрытия конструкция барабана принята четырехгранной и имеет 4 створки.
Для снижения трудозатрат в качестве базовой конструкции использован привод кухонного процессора «Энергия», дооснащенный ШИМ-регулятором скорости и понижающим редуктором 1:10, на выходном валу которого установлен барабан для укладки полотна. На выходном валу также установлен токосъемник на 2 цепи для вывода электроэнергии с солнечных батарей.
Агрегат состоит из четырехгранного барабана 1 для укладки полотна (рис.27). Барабан 1 через основание барабана 2 установлен на выходном валу 3 редуктора 4. Выходной вал 3 через зубчатое колесо 5, вал-шестерню 6, зубчатое колесо 7 и шестерню 8 кинематически соединен с выходным валом 9 привода кухонного процессора 10.
На выходном валу 3 совместно с изоляторами 11 установлены контактные кольца 12 токосъемника, а на корпусе редуктора 4 закреплены щетки 13 токосъемника, контактирующие с контактными кольцами 12. К контактным кольцам подпаяны провода, идущие к барабану 1, а к щеткам — идущие на полезную нагрузку или на индикатор напряжения.
Поверхность барабана 1 закрыта 4 створками 14, шарнирно закрепленных на осях 15 относительно барабана 1 и имеющими в своем составе пружины, стремящимися раскрыть створки 14. На створках 14 имеются упорные пластины 16, взаимодействующие с роликами 17, закрепленных на осях 18, установленных на редукторе 4. На упорных пластинах 16 имеются пазы 19, обеспечивающие при взаимодействии с роликами 17 удержание барабана 1 в исходном положении от несанкционированного вращения. На основании 2 барабана установлены упоры 20 с контргайками 21, определяющие положение створок 14 при раскрытии.
Агрегат снабжен пультом управления 22, на котором расположены кнопки «ПУСК», «СТОП» и МГНОВ», включающие и выключающие электродвигатель привода кухонного процессора 10. Кроме того, рукоятка 23 задает уровень скорости вращения барабана 1.
Развертывание начинается с нажатия кнопки «ПУСК» пульта управления 22, включающей привод кухонного процессора 10, которые через кинематические передачи деталей 3, 5, 6, 7, 8, 9 редуктора 4 вращает барабан 1. При этом пазы 19 упорных пластин 16 выходят из взаимодействия с роликами 17, и створки 14 поворачиваются под действием пружин на осях 18 до упоров 20. Тем самым производится раскрытие вращающегося барабана 1 с уложенным полотном.
Наземная отработка агрегата раскрытия для малого спутника
По разработанной конструкторской документации (см. Глава 2, п.п.2.1.2) были изготовлены 2 агрегата развертывания (один как резервный). В процессе изготовления проводилась отработка конструкции на технологичность, надежность и функционирование с внесением изменений в чертежи. Внешний вид изготовленных агрегатов Для подтверждения работоспособности агрегатов в различных условиях эксплуатации и определения технических характеристик изделий были проведены испытания агрегатов по нижеприведенной программе. 1. Определить ток, потребляемый приводом, при температуре 20С и заторможенном барабане: А) при напряжении (13+/-1) В. Б) при напряжении (27+/-1) В. Напряжение подавать «+» на 1,2 контакты PC 10,«-»- на 9,10 контакты. Время удержания - не более 5 сек. Для удержания барабан удерживается арретиром. 2. Определить ток, потребляемый приводом, и скорость вращения барабана при температуре 20 С: А) при напряжении (13+/-1) В. Б) при напряжении (27+/-1) В. Напряжение подавать «+» на 1,2 контакты PC 10,«-»- на 9,10 контакты. Створки барабана раскрыть перед испытаниями. 3. Определить ток, потребляемый приводом, и скорость вращения барабана при температуре -50 С: А) при напряжении (13+/-1) В. Б) при напряжении (27+/-1) В. Напряжение подавать «+» на 1,2 контакты PC 10,«-»- на 9,10 контакты. Створки барабана раскрыть перед испытаниями. 4.
Определить момент проворачивания муфты обгона (направление обратное вращению от привода). Для удержания створок от раскрытия барабан обмотать лентой ПВХ. В плане подготовки к космическому эксперименту по раскрытию центробежными силами модели солнечной батареи на космическом корабле в 2005 г. была проведена наземная отработка, при которой были выполнены следующие испытания: - динамические испытания; - модельные испытания; Динамические испытания включали вибрационные испытания по стандартной программе с учетом требований КБ «Полет» применительно к конкретному носителю. После каждого цикла динамических воздействий проводились испытания на работоспособность агрегата раскрытия. Испытания проводились по разработанной «Программе конструкторско-доводочных испытаний (КДИ) экспериментальной СБ» с использованием следующих методик: 1. Методика испытаний на прочность при воздействии линейных ускорений. 2. Методика испытаний на прочность при воздействии вибраций. 3. Методика испытаний на прочность при воздействии ударных ускорений. Модельные испытания проведены с целью исследования раскрытия центробежными силами модели СБ в виде двух диаметрально противоположенных грузов массой 5 г на нитях длиной по 1 м, обладающих близким моментом инерции к реальной СБ, но имеющих значительно меньшее аэродинамическое сопротивление по сравнению с реальной СБ, что позволило проводить испытания без вакуумной камеры (т.е. на воздухе). Испытания подтвердили заложенную в эксперимент «неуправляемую схему» динамики раскрытия модели СБ по заданной временной циклограмме раскрытия в диапазоне напряжений питания 16-34 В. Одновременно была выявлена необходимость дополнительного инициирования начальной стадии раскрытия и доработки конструкции полотнища. К сожалению, из-за тонкости нитей и малых размеров грузов на фотографиях этапы раскрытия отобразить не представилось возможным, но визуально спираль Архимеда, по которой раскрывались грузы, была очень хорошо видна.
Особенностью циклограммы являлась нулевая начальная угловая скорость, при которой начинается процесс раскрытия СБ, в отличие от ранее реализованной в космическом эксперименте «Знамя-2» циклограммы с максимальной начальной угловой скоростью, соответствовавшей нагрузочной характеристике электропривода. Новая циклограмма не требует предварительного разгона барабана агрегата раскрытия и по этой причине предпочтительнее для использования на малом космическом аппарате. Однако, поскольку подобная циклограмма используется впервые, она внесла необходимость начального дополнительного инициирования процесса раскрытия, поскольку при начальной нулевой угловой скорости отсутствуют центробежные силы. При этом из-за эффекта «слёживания» гибкой оболочки, возможных технологических микрозацепов, электростатики и прочее, уложенная на барабан оболочка будет сохранять первоначальную уложенную форму после снятия внешних ограничивающих связей и процесс раскрытия может не начаться. Избежать это отрицательное явление предложено путем введения в конструкцию кругового полотнища 8-й тонких (диаметр 0,5 мм) прямолинейных стальных проволочек длиной по 150 мм, радиально приклеенных по периферии пленочного круга через равные угловые интервалы. За счет упругости стальных проволочек и их дополнительной инерционной массы, после снятия внешних связей происходит начальное «распушение» укладки и инициирование процесса развертывания. Была изготовлена модель СБ в виде круглого полотнища из пленки «майлар» (полиэтилентерефталатная пленка ПЭТФ) толщиной 12мкм с приклейкой липкой пленочной лентой по периферии полотнища через равные угловые интервалы 8-й радиальных тонких прямолинейных стальных проволочек длиной по 150 мм и толщиной 0,5мм для начального инициирования процесса раскрытия. Модель бьша уложена на агрегат раскрытия. Фотография полотнища представлена на рис. 44. Проведена окончательная сборка двух экземпляров агрегата раскрытия СБ и проведена полная их подготовка для передачи в КБ « Полет». На рис. 45 показаны элементы агрегата перед сборкой. Осуществлена поставка агрегата раскрытия из г. Королев М.о. в КБ «Полет» г. Омск для установки на микро-спутник «Можаец-4».
