CC BY
39УДК 621.396.67
Н. А. Тестоедов, В. В. Двирный, В. И. Халиманович, Г. В. Двирный ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
Л. В. Долгов
ФГУП «Конструкторское бюро „Арсенал" имени М. В. Фрунзе», Россия, Санкт-Петербург
КОНЦЕПЦИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Предложена концепция крупногабаритной трансформируемой многофункциональной конструкции, обеспечивающей максимально возможные угла качания.
По конструкции современные трансформируемые рефлекторы для космических аппаратов (ТРКА) можно подразделить на следующие виды:
- зонтичные;
- ободные;
- стержневые;
- надувные.
Каждый вид имеет свои варианты. Например, есть антенны с упругими спицами, сворачиваемые в спираль вокруг центральной ступицы, которые можно отнести к зонтичному виду.
Предлагаемую трансформируемую конструкцию можно применить, например, в трансформируемых рефлекторах зонтичного вида. Это конструкция с трансформируемыми спицами, имеющими шарниры, в которые могут быть встроены электромеханические приводы.
Рассмотрим вариант ТРКА с 18-ю шарнирами, электромеханическими приводами и системой управления, который для юстировки в орбитальных условиях может иметь систему технического зрения.
По сигналам рассогласования с теоретическим контуром рефлектора проводится управление электромеханическими приводами. Высокоточные шарниры со встроенными электроприводами могут найти широкое применение в космической технике.
Силовой каркас ТРКА в рабочем положении на орбите приведен на рис. 1. Наиболее компактное транспортное положение под обтекателем ракеты-носителя изображено на рис. 2.
Рис. 1
Рис. 2
Наиболее компактное положение ТРКА под обтекателем ракеты-носителя в осевом направле-
нии показано на рис. 3, промежуточное положение - на рис. 4.
Рис. 3
Рис. 4
Возможность трансформации рефлектора на плоскости, т. е. минимальный осевой габарит в принципе, представлен на рис. 5.
Рис. 5
Для более универсального применения возможно построить систему управления двух уровней: базовую и целевую под конкретную задачу.
Рассмотрим, например, задачу орбитальной юстировки.
Если формализовать проблему достижения максимального приближения фактической поверхности рефлектора к теоретической, то возможная общая задача сводится к минимуму суммы квадратов отклонений профиля по контрольному множеству реперных точек в соответствии с интегральным критерием оптимальности. При практическом решении указанная задача распадается на несколько частных:
1. Обеспечение контроля за фактической формой рефлектора и сопоставление ее с теоретической.
2. Создание системы обратной связи, превращающей сигнал о рассогласовании теоретического и фактического контуров в реперных точках в управляющий сигнал для электроприводов.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космическихаппаратов
3. Для решения задачи 2 необходимо знать пределы возможных отклонений фактической формы рефлектора вследствие комплекса причин: погрешности изготовления, температурных деформаций элементов антенн и др.
4. В создание системы обратной связи входит выработка математической концепции преобразования сигнала об отклонении формы в сигнал коррекции с соответствующими характеристиками. В функции данной системы должен входить также учет влияния тепловых формоизменений при выработке сигнала коррекции. При оценке отклонений положения реперных точек должна быть учтена степень важности точек, находящихся в различных зонах рефлектора: отклонения у края в меньшей степени ухудшают характеристики антенны, чем равные по величине отклонения в центре рефлектора.
5. Для определения отклонений рефлектора от теоретической формы необходимо решить задачу разработки измерительной системы. С учетом космической специфики наиболее целесообразно решение в виде оптической системы.
Задачи орбитальной юстировки крупногабаритных антенн вытекают из требований по точности расположения рефлекторов и излучателей.
Для орбитальной юстировки крупногабаритных антенн необходимо решение следующих задач:
- обеспечение максимального приближения к теоретическому контуру фактической поверхности рефлектора в целях минимизации потерь энергии, возникающих вследствие искажения его формы;
- обеспечение эффективной передачи сигнала, что достигается максимальным совмещением фактического фокуса антенны с облучающим устройством.
6. Для выработки управляющего сигнала на основе информации об отклонении формы наряду с математической системой необходима соответствующая аппаратная часть вычислительного комплекса.
7. Логика работы системы (дискретность включения или периодичность сохранения работоспособности во время выполнения юстировки).
Логика работы системы юстировки требует решения задачи по математическому обеспечению с привлечением методов теории вероятности, обработки информации и принятия решений, управления объектами.
Объект исследования представляет собой сложную стохастическую систему, функционирующую в условиях неопределенности. Структуру системы составляет рефлектор, допускающий активное изменение формы, отражатель, аппаратура технического зрения, электроприводы.
Изменение формы и, ¿) рефлектора в пространстве х в условиях функционирования г сис-
темы осуществляется путем подачи воздействия и блока управления на электроприводы. При этом наблюдается смещение у фокусной точки. Таким образом, смещение фокусной точки может быть представлено в виде функционала у = Т( / (х, и, г)),
определяющего эффективность функционирования системы.
Форма рефлектора доступна для контроля за счет сигналов V аппаратуры технического зрения, т. е. возможно построение модели ^(х, и, г) формы рефлектора по данным сигнала.
Тогда постановка задачи настройки изучаемой системы сводится к нелинейной задаче стохастического программирования
ттМ№[х¥{/{х,и, г))у*]} (1)
и
и е Пи, г = г',
где М - знак математического ожидания; ] -принятая мера близости между у и его заданным значением у* (в частности, W - квадратическая мера близости); г' - условия функционирования системы; Ои - ограничение на управляющее воздействие.
Стохастический и многомерный характер задачи (1) затрудняет ее решение традиционными методами, так как это связано со значительными временными затратами.
Перспективное направление обхода возникающих проблем состоит в использовании принципов имитационного моделирования и аппарата теории непараметрических методов принятия решений. Идея предполагаемого подхода состоит в формировании параболоида наибольшего соответствия с последующей его заменой имитационными моделями выбора управляющих воздействий и. Для этой цели необходимо проведение наземных экспериментальных работ.
Пусть имеются экспериментальные данные, например, для задачи 2:
V = (^, V-', г'', и', 7 = 1, п),
где W - отклонение формы рефлектора в условиях 2 и сигналов V аппаратуры технического зрения; и - набор управляющих воздействий, обеспечивающих решение.
Тогда выбор управляющих воздействий и], ] = 1, т (т - размерность и) может быть осуществлен по набору моделей
и = фф ^, V, г), ] = 1, т. (2)
В общем случае, если компоненты и], ] = 1, т являются зависимыми, модели (2) представляют собой систему уравнений.
Для построения моделей (2) предлагается использовать непараметрическую регрессию либо нейросети.
N. A. Testoyedov, V. V. Dvirnyi, V. I. Khalimanovich, G. V. Dvirnyi JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk
L. V. Dolgov
FSUE «Design Engineering Bureau „Arsenal" named after M. V. Frunze», Russia, Saint Petersburg
CONCEPTION OF THE LARGE SIZED TRANSFORMED STRUCTURES
FOR THE SPACECRAFT
Large sized transformed multifunction structure conception which provides the maximum possible rocking angles is proposed in the report.
© Тестоедов Н. А., Долгов Л. В., Двирный В. В., Халиманович В. И., Двирный Г. В., 2009
УДК 621.372.83.001.24
Н. А. Тестоедов, В. И. Халиманович, М. М. Михнев, В. Ю. Гусев ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
П. Н. Сильченко, И. В. Кудрявцев Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПАЯНЫХ ВОЛНОВОДНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматриваются методы расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенных прямоугольного сечения прямых и изогнутых элементов, а также паяных соединений между ними посредством муфт и фланцев для изготовления волноводно-распределительной системы.
Конструктивно, волноводно-распределитель-ные системы (ВРС) представляют собой набор прямых и изогнутых трубок прямоугольного поперечного сечения, соединенных между собой через муфты посредством пайки в единую и жесткую конструкцию.
Прямоугольное поперечное сечение элементов ВРС можно представить состоящим из отдельных оболочечных конструкций, имеющих радиусы кривизны от нуля до бесконечности при требуемой минимальной толщине стенки. В зависимости от сочетания этих факторов различные участки ВРС можно представить как отдельные пластинки или же оболочки, которые и необходимо соединить между собой посредством пайки через промежуточные элементы.
Современный этап развития теории оболочек и пластин позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние пластинок, геометрия которых определяется искривленной плоскостью, имеющей два главных радиуса кривизны в двух взаимно ортогональных плоскостях, и неопределенными очертаниями границ контура, а также перекрещивающимися направлениями радиусов кривизны.
Использование такого параметра, как радиус кривизны, означает, что форма оболочки в какой-
то плоскости, определяемой соответствующим сечением, должна иметь вид достаточно гладкой, непрерывной кривой либо простой прямой линии. Резкие переходы (складки) в геометрии формы общая моментная теория оболочек описать одной системой дифференциальных уравнений равновесия не в состоянии, поскольку такой переход означает разрыв (резкий переход в значении и знаке) в функции радиуса кривизны, которая должна быть непрерывной, так как математические преобразования при этом невозможны.
Этот недостаток не позволяет напрямую использовать классическую теорию оболочек для решения задач с оболочечными конструкциями, имеющими складки формы, т. е. применительно к стержням коробчатого сечения, которые и представляют собой отдельные участки волноводно-распределительных систем космических аппаратов.
Выходом из данной ситуации является разбиение исходной конструкции на отдельные элементы, напряженное состояние которых полностью определяется теорией оболочек. Границы таких элементов будут определяться местами резкого изменения в очертании геометрии оболочки, поэтому на таких границах необходимо будет добавлять условия перехода для усилий и переме-
