CC BY
113
УДК 629.78 В01: 10.18287/2541-7533-2017-16-3-138-144
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С УЧЁТОМ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2017
С. Н. Шапошников ведущий инженер-к0нструкт0р;
Ракетно-космический центр «Прогресс», г. Самара; [email protected]
Представлены сведения о создании проектно-конструкторского облика малого космического аппарата (МКА) для дистанционного зондирования Земли. Опытно-технологический МКА «АИСТ-2Д» - совместная разработка акционерного общества «РКЦ «Прогресс» и Самарского национального исследовательского университета. Изложены требования к конструктивно-компоновочной схеме МКА, разработанной с учётом применения лазерной измерительной системы. Показан процесс разработки проектной и конструкторской документации, выполненной в трёхмерном виде с применением метода нисходящего проектирования. Приведены результаты проработки технической возможности проведения измерений, выработаны рекомендации по компоновке объекта измерений. Рассмотрена технология измерений фактического положения посадочных мест под приборы высокой точности установки с помощью лазерного трекера. Получены положительные результаты испытаний макетного образца, подтверждающие правильность выбранных решений. Сформулированы рекомендации по дальнейшему применению данной технологии.
Малый космический аппарат; проектно-конструкторская документация; нисходящее проектирование; информационные технологии; наземная отработка; прецизионные измерения; лазерный трекер.
Цитирование: Шапошников С.Н. Разработка конструкции малого космического аппарата с учётом применения лазерных систем измерений // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16, № 3. С. 138-144. DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-3-138-144
В настоящее время в области создания и развития ракетно-космической техники ведётся активная разработка принципиально новых технологий и материалов, приведших к существенному уменьшению массогабаритных характеристик космических аппаратов и увеличению сроков их активного существования.
Опытно-технологический малый космический аппарат (ОТ МКА) «АИСТ-2Д» -первый аппарат дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) производства АО «РКЦ «Прогресс», запущенный с космодрома «Восточный». На борту МКА размещена оптико-электронная аппаратура высокого разрешения «Аврора». По сочетанию параметров «разрешение - полоса захвата» оптико-электронная аппаратура ОТ МКА «АИСТ-2Д» не имеет аналогов среди отечественных аппаратов.
Аппарат был создан в течение трёх лет, что стало возможным благодаря развитию и укреплению деловых связей АО «РКЦ «Прогресс» и Самарского университета, расширению кооперации с предприятиями отрасли, а также применению самых современных технологий при создании аппарата [1].
Как известно, на аппаратах ДЗЗ существуют повышенные требования по установке оптико-электронной аппаратуры и приборов, участвующих в управлении движением и ориентации космического аппарата (КА). От выполнения этих требований во многом зависят целевые показатели изделия в целом [2]. Чтобы обеспечить точную установку бортовой аппаратуры, необходимо изготовление высокоточной оснастки, использование трудоёмкой технологии доводочных работ на этапе окончательной сборки КА и высокой квалификации исполнителей. Это приводит к увеличению сроков изготовления и окончательной стоимости КА [3].
Одним из важнейших критериев качества продукции является соответствие геометрии изделия требованиям конструкторской документации. Если геометрию простых деталей или сборок легко измерить традиционными контактными механическими инструментами, то в случае сложных по форме конструкций это не всегда возможно. В изделиях космической техники сложных сборок - большинство, поэтому проблема контроля их геометрии стоит особенно остро [4].
На МКА «АИСТ-2Д» предстояло решить аналогичные проблемы. Для обеспечения его целевых характеристик необходимо было обеспечить привязку посадочных мест аппаратуры к базовым плоскостям МКА с обеспечением его геометрической стабильности. Размещение аппаратуры и оборудования на МКА должно было не только обеспечивать удобство монтажа и демонтажа, подключения соединителей при сборке МКА, доступность визуального контроля, травмобезопасность и электробезопасность, но и возможность проведения работ с помощью лазерной измерительной системы.
Цель данной работы - показать на примере ОТ МКА «АИСТ-2Д» возможность разработки конструкции МКА с учётом применения лазерной измерительной системы для определения положения посадочных мест под приборы высокой точности установки.
Решение данной задачи, а именно определение фактического положения посадочных мест под приборы, возможно с помощью применения измерительной системы -лазерного трекера.
Применение лазерного трекера накладывает определённые ограничения на конструкцию изделия, которые необходимо учитывать при разработке проектно-конструкторского облика МКА:
- измеряемые посадочные поверхности должны быть свободно расположены и открыты для прохождения лазерного луча;
- жёсткость каркаса изделия должна быть обеспечена на всех этапах измерений;
- необходимо обеспечение стабильных климатических условий;
- помещение для проведения измерений должно исключать вибрационное воздействие на конструкцию.
Конструктивно-компоновочная схема должна учитывать возможность проведения замеров лазерным трекером. При разработке проектной документации необходимо сформулировать требования к проведению измерений: определить перечень приборов, для которых необходимо проведение измерений посадочных мест; разместить их на изделии с обеспечением требований по возможности проведения замеров; задать требуемую точность и погрешность измерений.
Необходимо отметить, что при разработке проектной и конструкторской документации на МКА «АИСТ - 2Д» широко применялись технологии управления проектами и высокоуровневые информационные технологии, что позволило в сжатые сроки разработать конструкцию аппарата с учётом вышеизложенных требований. Разработка конструктивно-компоновочной схемы МКА велась с применением технологии нисходящего проектирования в электронном трёхмерном виде [5].
Варианты исполнения проектной документации в виде аннотированных трёхмерных моделей с комбинированными видами приведены на рис. 1.
В конструкторской документации (КД) в соответствии с требованиями, приведёнными в проектной документации, необходимо отразить требования не только в части обеспечения монтажа бортовой аппаратуры, деталей и сборок, но и требования по проведению измерений фактического положения посадочных мест под приборы с заданной погрешностью. Варианты исполнения конструкторской документации в виде аннотированных трёхмерных моделей с комбинированными видами приведены на рис. 2.
Рис. 1. Вариант исполнения проектной документации
Рис. 2. Вариант исполнения конструкторской документации
Затем необходимо определить исходное состояние МКА, в котором возможно выполнение требований по жёсткости конструкции, сохранение её геометрических характеристик на всех этапах измерений, наличие на ней всех измеряемых посадочных мест под приборы и обеспечение свободного доступа к ним.
Таким образом, исходное состояние объекта измерений определилось следующими решениями:
- бортовая аппаратура не устанавливается;
- сотопанели установлены на корпусной раме изделия, кроме II - IV плоскостей;
- кронштейны установлены на сотопанели и раму изделия согласно требованиям, приведённым в КД.
Общий вид объекта измерений приведён на рис. 3.
Рис. 3. Общий вид объекта измерений
Задача проведения измерений состояла в определении фактических угловых отклонений посадочных мест под приборы высокой точности установки относительно баз, указанных в конструкторской документации. В качестве объекта измерений выступали посадочные места под приборы высокой точности установки, расположенные на кронштейнах МКА «АИСТ-2Д».
Технология замера фактического углового положения посадочных мест под приборы высокой точности установки заключалась в следующем: с помощью лазерного трекера производился замер фактического положения площадок под приборы и их фиксирующих элементов (штифтов или направляющих шпилек), при этом использовался интерфейс самого лазерного трекера (сферические отражатели) и фиксаторы (адаптеры).
Полученные положительные результаты разработки проектно-конструкторской документации, внедрение её в производство, проведение измерения фактического по-
ложения посадочных мест под приборы высокой точности установки, использование результатов измерений в управлении МКА дают возможность дальнейшего развития и применения данного подхода и технологии измерений, выработке новых решений на разрабатываемых изделиях ракетно-космической техники. Предложенный метод измерений позволяет существенно снизить материально-технологические издержки и сократить сроки производства КА.
Библиографический список
1. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Шахматов Е.В., Ткаченко С.И., Бакланов А.И., Салмин В.В., Семкин Н.Д., Ткаченко И.С., Горячкин О.В. Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ-2Д». Самара: Самарский научный центр РАН, 2017. 324 с.
2. Козлов Д.И. Конструирование автоматических космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1996. 448 с.
3. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н. Ракеты-носители и космические аппараты ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» // Полёт. Общероссийский научно-технический журнал. 2007. № 8. С. 58-62.
4. Дёмкин В.Н., Привалов В.Е. Лазерные технологии при измерении геометрии поверхности сложной формы (обзор) // Сборник трудов «Вестник СПбО АИН». Вып. 5. СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2008. С.138-187.
5. Космодемьянский Е.В. Особенности процесса создания трехмерной модели конструкции космического аппарата дистанционного зондирования // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, № 1-2. С. 312-317.
DEVELOPMENT OF SMALL SATELLITE STRUCTURE TAKING INTO ACCOUNT THE USE OF LASER MEASURING SYSTEMS
© 2017
S. N. Shaposhnikov leadlng deslgn engineer;
Joint Stock Company Space Rocket Centre Progress, Samara, Russian Federation; [email protected]
The article presents some information on the development of the design concept of a small satellite for Earth remote sensing. The AIST-2D engineering test small satellite is a co-development of the Progress Space-Rocket Centre and the Samara National Research University. The article sets forth the requirements to design of the small satellite that was developed taking into account the use of a laser-gaging system. The author describes the process of elaborating 3D design documents with the use of the top-down design method. The results of technical feasibility assessment are given, as well as the recommendations on configuring a small satellite to meet the above-mentioned requirements. The technology of measuring the actual positions of seats for hardware of high positional location accuracy is considered. The technology is based on the use of a laser tracker. The author obtained positive results of dummy tests that proved the correctness of the solutions chosen. The recommendations on further application of this technology are defined.
Small satellite; design documents; top-down design; information technologies; ground processing; precision measurements; laser tracker.
Citation: Shaposhnikov S.N. Development of small satellite structure taking into account the use of laser measuring systems. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2017. V. 16, no. 3. P. 138-144. DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-3-138-144
References
1. Kirilin A.N., Akhmetov R.N., Shakhmatov E.V., Tkachenko S.I., Baklanov A.I., Salmin V.V., Semkin N.D., Tkachenko I.S., Goryachkin O.V. Opytno-tekhnologicheskiy malyy kosmicheskiy apparat «AIST-2D» [Engineering test small space vehicle «AIST-2D»]. Samara: Samarskiy Nauchnyy Ttsentr RAN Publ., 2017. 324 p.
2. Kozlov D.I. Konstruirovanie avtomaticheskikh kosmicheskikh apparatov [Designing of automatic space vehicles]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1996. 448 p.
3. Kirilin A.N., Akhmetov R.N. Launch Vehicles and Spacecraft of TsSKB-Progress Rocket and Space Center. All-Russian Scientific-Technical Journal «Polyot». 2007. No. 8. P. 58-62. (In Russ.)
4. Demkin V.N., Privalov V.E. Laser technologies when measuring the geometry of irregular shape (Review). Sbornik trudov «Vestnik SPbO AIN». Vyp. 5. SPb.: St. Petersburg Polytechnic University Publ., 2008. P. 138-187 (In Russ.)
5. Kosmodemyansky E.V. Features of creation process the 3d-model of space vehicle distant sounding construction. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2011. V. 13, no. 1-2. P. 312-317. (In Russ.)
