Введение к работе
Актуальность. Проблема создания математической модели оценки уровня микроускорений на борту орбитального технологического космического аппарата ( КА ) является сегодня важнейшей проблемой в области космических технологий.
Материалы с заранее заданными свойствами, например, монокристаллические с повышенными прочностными свойствами, или сверхчистые материалы, например, медь и германий, которые получают в космических лабораториях, становятся незаменимыми не только в технике, но и во многих отраслях хозяйства.
Как показывают исследования и практические испытания, микроускорения являются важным препятствием при выращивании сверхтонких оболочек из монокристаллов, превосходящих по прочности такие же оболочки из обычных материалов на несколько порядков, - модуль микроускорений связан с интенсивностью движений конвективного типа, способствующих перемешиванию атомов элементов в расплавах, а изменение его по времени оказывает значительное влияние на устойчивость объемов с расплавами материалов.
При проектировании космических лабораторий возникает проблема создания КА, инерционно-массовые характеристики которого обеспечивали бы минимальный уровень микрогравитации внутри рабочей зоны технологического оборудования при выполнении любых технологических процессов.
Натурные испытания в космосе приносят ценные результаты, однако, являются дорогостоящими и могут служить в настоящее время лишь для подтверждения или опровержения результатов математического моделирования.
Целью работы является построение математической модели микрогравитации внутри рабочей зоны технологического оборудования космической лаборатории, предназначенной для оценки уровня микроускорений внутренней среды технологического КА. Научная новизна заключается в следующем :
1. Построена математическая модель движения КА с упругими
элементами конструкциями, использующая модульный подход в
описании движения отдельных частей аппарата и инвариантная
относительно способов закрепления упругих элементов на борту.
2. Построена методика оценки предельных уровней микроускорений
внутри рабочей зоны технологического оборудования при эволюциях
КА вокруг центра масс.
3. Разработана методика определения динамических реакций в
креплении упругих элементов к корпусу КА.
4. Выведен критерий учета нелинейности при колебаниях упругих
элементов конструкции КА..
Практическая ценность работы заключается в построении математической модели оценки уровня микрогравитации на борту технологического КА, которая дает возможность на этапе проектирования определить требования к инерционно-массовым характеристикам КА, обеспечивающим минимальный уровень микроускорений в рабочей зоне технологического оборудования, определить расположение рабочей зоны оборудования внутри КА, спроектировать узлы крепления упругих элементов, которые осуществляли бы требуемое демпфирование колебаний этих элементов. Математическая модель применима для широкого класса КА, имеющих упругие элементы. Программа расчета микроускорений внедрена в Центральном Специализированном Конструкторском Бюро ( ЦСКБ, Самара ) и показала свою эффективность при решении
практических задач проектирования технологических КА,~а также при оценке уровня микроускорений на уже созданных аппаратах. На защиту выносятся следующие основные положения :
-
Модель оценки микроускорений.
-
Методика определения динамических реакций в точках крепления упругих элементов к корпусу КА.
3. Критерий учета нелинейных членов при демпфировании
собственных колебаний упругими элементами.
4. Критерий учета высокочастотных колебаний КА.
Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается
сравнением с экспериментальными данными на орбитальной
космической станции ( ОКС ) " Freedom ", орбитачьных станциях "
Салют - 6, 7 ", "Мир", космических лабораториях " Skylab ", а также
серией экспериментов в рамках программы " Columbus ".
Апробация работы. По вопросам, рассмотренным в диссертации,
сделаны доклады на Международной научно-технической
конференции " Модель-Проект'95 " / г. Казань, 1995 /, Объединенных
научных чтениях по космонавтике / г. Москва, 1994, 1997 /, XXX и
XXXI Чтениях, посвященных разработке научного наследия и
развитию идей К.Э.Циолковского / г. Калуга, 1995, 1996 /, Чтениях,
посвященных творческому наследию Н.Е. Жуковского, Всероссийских
конференциях молодых ученых и специалистов Урала и Поволжья / г.
Пермь, 1993, 1994, 1995,1996/.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, материалы вошли в 2 научно-технических отчета. Основное содержание диссертации изложено в работах, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 137 страниц машинописного текста, 26