Метод математического моделирования для анализа схем наземных испытаний устройства отодвижения блока космического аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 629.78.086.018

МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА СХЕМ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИИ УСТРОЙСТВА отодвижения блока космического аппарата

В. М. Михалкин1, Д. И. Агеева1, И. В. Романенко1, О. В. Акулич2

1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Описывается математическое моделирование процесса раскрытия трансформируемого механического устройства отодвижения блока на этапе наземных испытаний. С использованием созданной модели выбрана схема испытаний, обеспечивающая меньшие нагрузки в конструкции механического устройства.

Ключевые слова: космический аппарат, моделирование, механическое устройство, наземная экспериментальная отработка.

MATHEMATICAL SIMULATION METHOD TO ANALYSE GROUND TEST SCHEMES

FOR BLOCK DEPLOYMENT DEVICE OF SPACECRAFT

V. M. Mikhalkin1, D. I. Ageeva1, I. V. Romanenko1, О. V. Akulich2

1JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

Article describes mathematical simulation of mechanical block deployment device operation on ground test stage. Created mathematical model allows to make a choice of test scheme that provides minimal loads at mechanical device construction.

Keywords: spacecraft, modeling, mechanical device, on ground test.

Раскрытие трансформируемых механических систем космического аппарата (КА) - важнейший этап его функционирования, определяющий работу КА по целевому назначению. С целью подтверждения надежности функционирования механических систем проводится наземная экспериментальная отработка (НЭО).

Задачи наземных испытаний по проверке функционирования:

- подтверждение логики и порядка раскрытия элементов;

- проверка зачековки каждого шарнирного узла (ШУ) в рабочем положении;

- превышение движущих сил в ШУ над силами сопротивления в процессе раскрытия;

- определение основных параметров функционирования (время раскрытия каждого звена из транспортировочного в рабочее положение, скорости движения звеньев, нагрузки в конструкции).

Конструкции, работающие в условиях открытого космоса, имеют минимально необходимую для работы в этих условиях жесткость и прочность, приводы раскрывающихся элементов обладают минимально необходимой мощностью. Эти аспекты не позволяют производить НЭО без применения систем обезвеши-

вания, предназначенных для компенсации влияния веса объекта [1]. Наземные испытания механических должны проводиться в условиях, максимально близких к условиям эксплуатации. Авторами работы [2-4] неоднократно отмечалась высокая стоимость и сложность этапа НЭО.

Основные параметры систем обезвешивания, влияющие на процесс функционирования УОБ при НЭО:

- наличие трения в месте контакта элементов системы обезвешивания;

- отклонение обезвешивающего усилия от заданного номинального значения;

- отклонение вектора обезвешивающего усилия от вертикали.

Аналитическими методами учесть одновременное влияние перечисленных факторов на параметры раскрытия объекта испытаний затруднительно.

Авторами предложено провести анализ с применением математического моделирования для того, чтобы оценить влияние схемы испытаний и системы обезвешивания на процесс раскрытия УОБ. Основные этапы анализа:

- составление математической модели УОБ и расчет основных параметров его функционирования

Решетневскуе чтения. 2017

в условиях невесомости (время раскрытия, угловые скорости элементов, нагрузки в ШУ);

- составление математической модели системы обезвешивания и расчет основных параметров функционирования УОБ в наземных условиях с учётом влияния системы обезвешивания;

- сравнение рассчитанных параметров функционирования УОБ в условиях невесомости с параметрами его функционирования в наземных условиях с учетом влияния системы обезвешивания;

- выбор схемы испытаний с обеспечением минимального влияния системы обезвешивания на параметры функционирования УОБ для его беспрепятственного движения в процессе раскрытия в рабочее положение.

Математическая модель УОБ создана в программном комплексе Еи1ег. Следует выделить следующие особенности моделирования:

- все тела в модели представлены абсолютно жесткими, соединенными шарнирными узлами с вращательной или линейной степенью свободы;

- создана модель работы электромеханического привода, синхронизирующего раскрытие;

- возможность деформации целостной конструкции реализуется через угловые жесткости в ШУ;

- для каждого звена УОБ заданы силы, имитирующие влияние системы обезвешивания. Созданы функции, изменяющие направления действия прикладываемых сил в зависимости от направления движения звеньев УОЭБ.

С использованием созданных авторами математических моделей проведено моделирование процесса испытаний УОБ при двух схемах: горизонтальной ориентации объекта и вертикальной. Проведено сравнение параметров функционирования УОБ в наземных условиях с учетом влияния системы обезвешива-ния и параметров функционирования в условиях невесомости.

По результатам моделирования определено, что все ШУ УОБ зачековываются в рабочем положении, логика раскрытия соответствует штатной. Результаты анализа показали, что параметры раскрытия УОБ при вертикальной ориентации ближе к параметрам раскрытия в условиях невесомости. При горизонтальной ориентации возникают на порядок большие нагрузки во всех ШУ УОБ по сравнению с вертикальной ориентацией. Основным движущим элементом УОБ является электромеханический привод, при вертикальной ориентации нагрузка на выходной вал электромеханического привода уменьшается на 5 % по сравнению с раскрытием в условиях невесомости. Полученные результаты анализа позволяют выбрать для испытаний по проверке функционирования УОБ вертикальную схему, обеспечивающую минимальные нагрузки в ШУ и параметры раскрытия, максимально близкие к раскрытию в невесомости.

С использованием математического моделирования спрогнозированы наземные испытания УОБ по двум различным схемам, определено влияние параметров системы обезвешивания, выбрана схема испытаний и конструктивный облик системы обезвешива-ния для последующей наземной экспериментальной

отработки УОБ, проведена оценка надежности функционирования УОБ при наземных испытаниях.

Математическое моделирование в дальнейшем будет широко применяться для предварительного анализа схем испытаний, проектирования испытательного оборудования, а также использоваться при испытаниях крупногабаритных трансформируемых механических систем, что позволит повысить качество наземной экспериментальной отработки проводимой в АО «ИСС».

Библиографические ссылки

1. Технология сборки и испытаний космических аппаратов : учебник / И. Т. Беляков, И. А. Зернов, Е. Г. Антонов и др. ; под общ. ред. И. Т. Белякова, И. А. Зернова. М. : Машиностроение, 1990. 352 с.

2 Моделирование процесса раскрытия крупногабаритных трансформируемых механических систем при комплексных проверках функционирования на этапе НЭО / И. В. Романенко, В. В. Двирный, В. А. Куклин, М. Д. Перминов // Вестник СибГАУ. 2013. № 6. С. 132-137.

3. Михалкин В. М., Романенко И. В. Анализ применимости системы обезвешивания пассивного типа для крупногабаритного крыла батареи солнечной // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. (12-14 ноября 2013, г. Красноярск) : в 2 ч. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск. 2013. Ч. 1. С. 88-90.

4. Романенко И. В. Улучшение методики испытаний механических систем космических аппаратов // Конкурс научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики». Аннотации работ. 2014. С. 243-244.

References

1. Belyakov I. T., Zernov I. A., Antonov E. G. Tech-nologia sborki i isputaniy kosmicheskich apparatov [Technology of spacecraft assembly and tests]. M. : Ma-chinostroyenie, 1990. 352 p.

2. Romanenko I. V., Dvirnyi V. V., Kuklin V. A., Per-minov M. D. Modelirovanie processa raskrutia krup-nogabaritnuh transformiryemuh mechanicheskis system pri kompleksnuh proverkah funkcionirovania na etape NEO [Modeling of large mechanical systems deploy process at ground tests stage] // Vestnik SibSAU. 2013. № 6. P. 132-137.

3. Mihalkin V. M., Romanenko I. V. Analiz primeni-mosti sistemy obezveshivanija passivnogo tipa dlja krup-nogabaritnogo kryla batarei solnechnoj [Analysis of applicability of passive type zero-gravity system for large solar array] // Reshetnjovskie chtenija : Materialy XVII mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii v 2 ch. / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnojarsk, 2013. Ch. 1. P. 88-89.

4. Romanenko I. V. Uluchenie metodiki isputaniy mechanicheskich system kosmicheskich apparatov // Konkurs nauchno-technicheskih rabot i proektov "Molodeg i buduchee aviatcii i kosmonavtiki". Annotacii rabot. 2014. P. 243-244.

© Михалкин В. М., Агеева Д. И., Романенко И. В.,

Акулич О. В., 2017