CC BY
0
УДК 629.78
Бондарев С.Г.
Инженер-испытатель, в/ч 75106 Архангельская область, г. Мирный, Россия
УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ МОДУЛЬНОГО ТИПА
Аннотация
Актуальность данной темы заключается в наличии очень большого спроса на развитие космической отрасли. Развитие в свою очередь зависит от применения новых идей и методов. Устройство сопряжения элементов универсальной космической платформы модульного типа, описываемое в данной статье, позволит ускорить процесс производства современных космических аппаратов, на базе универсальных космических платформ, а также введет возможность проведения обслуживания космических аппаратов в процессе орбитального полета. Тем самым, развертывание орбитальных группировок будет происходить оперативнее, а их срок активного существования значительно возрастет.
Ключевые слова
космический аппарат, универсальная космическая платформа, космос, модульная компоновка, обслуживание на орбите.
Введение
К настоящему времени отечественными разработчиками сделан большой шаг в сторону развития космической отрасли. Несмотря на это, от начальной идеи до выведения космического аппарата на орбиту иногда проходит большое количество времени. В результате этого возникает проблема, которая заключается в том, что хотя изделие успешно выедено на орбиту и функционирует, но за время его разработки прогресс шагнул вперед, появились новые технологии и оно уже морально устаревает. Неизбежно происходит отставание в развитии космической техники.
Еще одна проблема, ограничивающая срок активного существования космических аппаратов, заключается в израсходовании им рабочих тел и деградации элементов конструкции, за счет которых некоторые изделия выполняют ориентацию в космическом пространстве и поддерживают свое положение на орбите.
В последние годы наблюдается существенный сдвиг в сторону применения универсальных космических платформ (УКП), преимуществом которых является сокращенный срок создания и производства, унифицированность и сниженные затраты. Современные космические аппараты состоят как правило из универсальной космической платформы, которая выполняет функцию служебного или как его еще можно назвать обслуживающего модуля и устанавливаемого на такую платформу модуля целевой аппаратуры, которая и определяет непосредственно назначение космического аппарата. [1]
Кроме того, в настоящее время появляются новые направления в развитии космической отрасли, о которых относительно недавно не могли даже подумать. Например, обслуживание на орбите. К нему можно отнести модернизацию, ремонт, заправку изделия непосредственно во время орбитального полета. Обслуживание КА в процессе орбитального полета поможет решить проблему нерационального применения космических платформ вследствие низких сроков активного существования и морального устаревания целевой аппаратуры. Кроме этого, появится возможность повысить надежность вывода КА на переходные орбиты и отлетные траектории. Также, в случае необходимости будет возможно заменить неисправные элементы целевой аппаратуры, либо же модуль целевой аппаратуры целиком, тем самым изменив назначение космического аппарата. [2]
1. Модульная компоновка универсальной космической платформы
С инженерной точки зрения, эта задача может быть решена в том случае, когда будет отработан метод максимально точного сближения с обслуживаемым аппаратом и выполнения необходимых действий, находясь в непосредственной близости.
И чтобы реализовать идею орбитального обслуживания, необходимо универсальную космическую платформу разбить на модули, каждый из которых будет унифицирован по своей конструкции.
Пример космической платформы модульного типа приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Космическая платформа модульного типа
Модульная космическая платформа позволит производить замену устаревших или вышедших из строя элементов, замену модулей в процессе орбитального полета, модернизацию систем космического аппарата, возобновления запаса рабочих тел и компонентов топлива непосредственно на орбите функционирования, а все это позволит увеличить срок активного существования космического аппарата. Кроме этого, такая компоновка позволит сократить время на производство и снизить затраты. Благодаря модульности конструкции появляется возможность проводить операции по обслуживанию и модернизации космических аппаратов при помощи автоматизированных устройств-роботов, которые могли бы доставлять к нему необходимые для работы ресурсы и производить работу непосредственно на орбите.
Так как модульное исполнение космической платформы является новым и прогрессивным направлением, необходимо определить ряд требований.
Во-первых, максимальная унификация систем, узлов и ключевых элементов, которая позволит установить серийное производство модулей, снижая экономические затраты на их изготовление;
Во-вторых, использование новых технических решений при разработке бортовых систем, прогрессивных технологий их изготовления, применения новых конструкционных материалов, обеспечивающих требуемый показатель надежности, что позволит уменьшить массу космического аппарата, увеличить плотность размещения аппаратуры и срок активного существования космического аппарата;
В-третьих, простота адаптации и переконфигурирования платформы под различные целевые системы. Это значит, что появится возможность использовать одну и ту же платформу под различные целевые системы;
В-четвертых, эксплуатационная технологичность, позволяющая обеспечить простоту и удобство выполнения как наземных эксплуатационных процессов подготовки космического аппарата, так и операций в процессе орбитального полета.
Все эти требования позволят значительно ускорить процесс производства и подготовки КА, а
следовательно, и темпы развертывания орбитальных группировок.
2. Устройство сопряжения элементов
Одной из проблем, которую необходимо решить при создании космической платформы модульного типа, является создание универсальных элементов сопряжения модулей с несущей силовой конструкцией космической платформы. Эти элементы должны обеспечивать механическое, информационное и электрическое сопряжение.
Основной задачей механического сопряжения модулей с конструкцией космической платформы является обеспечение надежного состыкованного состояния в процессе подготовки к запуску, запуска и орбитального полета. Кроме этого, оно должно обеспечивать отстыковку модуля от космической платформы в процессе ее обслуживания с возможностью многократных стыковок и расстыковок.
Электрическое сопряжение должно надежно обеспечивать электроэнергией модули космической платформы, при минимальной массе кабельной сети.
Информационное сопряжение должно обеспечивать передачу необходимого объема информации и быть надежно защищенно от внешних воздействий.
Устройство стыковки включает в себя пассивную и активную часть. К пассивным элементам механического соединения можно отнести специально спрофилированную проушину, закрепляемую к силовой конструкции модулей космической платформы, по две на каждом модуле. Рисунок конструкции модуля приведен на рисунке 2. Спрофилированная проушина приведена на рисунке 3.
Рисунок 2 - Модуль космической платформы
Рисунок 3 - Проушина пассивной части механического сопряжения
Кроме этого, к пассивным элементам стыковки можно отнести направляющие пазы, которые располагаются на силовой раме модулей. Он изображен на рисунке 4.
Рисунок 4 - Направляющий паз
Направляющий паз нужен для того, чтобы обеспечить необходимую направленность движения модуля в силовой конструкции космической платформы при его стыковке или отстыковке.
Активная часть механического сопряжения представляет собой стыковочный механизм, который предназначен для захвата, фиксации, удержания в состыкованном состоянии, а также для отстыковки модулей от космической платформы. Он устанавливается на силовую конструкцию космической платформы, по два механизма на каждый модуль. Внешний вид активной части механизма представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Активный механизм стыковки
Активный механизм стыковки включает в себя следующие составные части (рисунок 6):
- Силовой несущий корпус;
- Технологические крышки;
- Блок управления механизма стыковки;
- Электродвигатель постоянного тока;
- Червячная передача (червяк и червячное колесо);
- Крюк зацепления;
- Нажимной контакт (с подшипником);
- Набор роликовых радиальных подшипников с сепараторами.
Рисунок 6 - Состав активного механизма стыковки: 1 - Силовой несущий корпус; 2 - Технологические крышки; 3 - Блок управления; 4 - Электродвигатель постоянного тока на опоре; 5 - Червячная передача;
6 - Нажимной контакт; 7 - Крюк зацепления
Корпус механизма стыковки имеет прямоугольное отверстие на верхней грани, через которое проходит проушина пассивной части. Две боковые грани механизма закрываются технологическими крышками, через которые осуществляется доступ к внутренним элементам механизма стыковки, для проведения их монтажа, демонтажа и обслуживания. На нижней грани механизма расположен контакт стыковки нажимного типа, который выдает сигнал в блок управления о стыковке и отстыковке соответствующего модуля от космической платформы во время ее обслуживания.
Блок управления стыковочного механизма предназначен для контроля за состоянием стыковочного механизма, приема сигналов от контактных датчиков и выдачи команд на включение и отключение электродвигателя.
Электродвигатель постоянного тока размещается на опоре, прикрепленной к корпусу стыковочного механизма. Он предназначен для приведения в движение червячной передачи, по команде, поступающей от блока управления. Такие двигатели обладают хорошей перегрузочной способностью, что благоприятно сказывается на надежности приводов. Также они обладают хорошей работоспособностью в вакууме.
Червячная передача представляет собой механическую передачу, осуществляющуюся зацеплением червяка и сопряженного с ним червячного колеса. Червяк представляет собой специально спрофилированный винт со специальной резьбой, закрепленный на входном валу. Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо, закрепленное методом горячей посадки на наружном кольце роликового радиального подшипника, внутреннее кольцо которого закреплено на неподвижной оси корпуса механизма. Червячное колесо через выходной вал передает вращение крюку зацепления. Входной и выходной вал применяемой червячной передачи скрещены под углом в 90 градусов. К достоинствам такой червячное передачи можно отнести:
- плавность работы;
- большое передаточное отношение одной пары, а следовательно, компактность всей системы;
- самоторможение, которое не дает механизму стыковки самопроизвольно раскрыться.
Крюк зацепления выполняет удерживающую функцию. Он специально спрофилирован таким образом, чтобы наиболее точно фиксировать пассивную проушину в активном стыковочном механизме. Закреплен крюк на неподвижной оси корпуса, через радиальные роликовые подшипники, которые
позволяют ему выполнять вращательное движение вокруг оси. Крюк имеет спрофилированную планку, которая ограничивает вращение крюка в сторону раскрытия, упираясь в упорную планку на корпусе механизма. Вращение крюку передается от червячной передачи через подвижный вал. Угол поворота крюка зацепления ограничен от упора до упора.
Нажимной контакт предназначен для передачи в блок управления сигнала на включение и выключение электродвигателя. Он приводится в действие при вхождении пассивной проушины в корпус механизма стыковки, которая нажимает на специально спрофилированную планку, которая в свою очередь замыкает контакт. При отстыковке нажимной контакт приводится в исходной положение под действием пружины.
Общая внутренняя компоновка приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Внутренняя компоновка механизма стыковки
Электрические и информационные разъемы соединяются автоматически при стыковке модулей. Выполнены они по типу штепсельных разъемов (ШР). Штепсель имеет металлические контакты, которые вставляются в соответствующие отверстия в розетке, обеспечивая надежный контакт. Такие разъёмы на стыке имеют минимальную силу соединения и разъединения. Их конструкция и установка обеспечивает:
- компенсацию возможных ошибок взаимного положения;
- высокую надежность соединения;
- работоспособность в открытом космосе;
- способность выдерживать экстремальные условия эксплуатации, такие как вибрации, удары и термические нагрузки.
Устанавливаются данные разъемы следующим образом: разъем-вилка устанавливается на силовом корпусе космической платформы, а разъем-розетка на корпусе модуля. Таким образом, появляется возможность проложить бортовую кабельную сеть в большинстве своем по центру космической платформы, в пространстве между стыкуемыми модулями. Тем самым достигается минимальная масса бортовой кабельной сети.
Примеры разъемов приведены на рисунках 8 и 9.
Рисунок 8 - Разъем-розетка для электрического и информационного сопряжения на модуле
Рисунок 9 - Размещение штепсельных разъемов на конструкции космической платформы
Для определения конфигурации взаимодействующих элементов активной и пассивной части стыковочного устройства использовался принцип обратной симметрии. Все взаимодействующие или входящие друг в друга элементы располагаются попарно симметрично относительно так называемой оси обратной симметрии.
3. Работа устройства сопряжения элементов
Процесс замены модулей в процессе орбитального полета происходит следующим образом. Орбитальная станция обслуживания, после фиксации своего положения относительно обслуживаемой космической платформы, с помощью манипулятора производит захват модуля, который необходимо отстыковать. После чего проходит команда от блока бортовой центральной вычислительной машины в блок управления механизма стыковки. Блок управления включает электродвигатель, который в свою очередь приводит в движение крюк зацепления. Крюк, отойдя на заданный угол, высвобождает из зацепления пассивную проушину. Срабатывает контакт отделения, который дает сигнал о том, что модуль успешно отстыкован. После этого заменяемый модуль вытягивается по направляющим пазам из силовой конструкции космической платформы.
Стыковка нового модуля, начинается с его позиционирования относительно проема для его установки. После чего, направляя устанавливаемый модуль по направляющим пазам станция
обслуживания при помощи манипулятора доталкивает модуль до срабатывания контакта стыковки. После этого блок управления выдает команду на включение электродвигателя, тот посредством червячной передачи вращает с заданной скоростью крюк зацепления, который фиксирует пассивную проушину в месте крепления. Пассивный крюк зажимает контакт, после чего выдается команда на выключение электродвигателя. Стыковка завершена. Бортовая центральная вычислительная машина, после проведения самодиагностики подтверждает успешность выполнения замены модуля.
Самопроизвольному повороту крюка зацепления и как следствие нештатной отстыковки модуля препятствует самоторможение червячной передачи, которое исключает любую возможность нештатного поворота крюка зацепления.
Случайное или самопроизвольное включение электродвигателя исключается введением блокировок на выдачу команд.
Необходимо обратить внимание на то, что при использовании данного механизма стыковки, есть возможность таким же способом производить замену модуля целевой аппаратуры, тем самым меняя назначение космического аппарата.
Таким образом, при использовании предложенного устройства в составе космической платформы модульного типа, появляется возможность замены или модернизации отдельных модулей, без необходимости замены всего космического аппарата, а также замены целевой аппаратуры, что позволит снизить затраты на производство и запуск, а также обеспечить оперативность восстановления космической системы.
Список использованной литературы:
1. Королев А.Н., Пичурин Ю.Г., Радьков А.В., Рудаков В.Б. Техническая реализация унифицированных космических платформ // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, №8. С. 678-684.;
2. Катькалов В. Б., Морозова М. Л. Обслуживаемый космос. Новые достижения и перспективы // Космические аппараты и технологии. 2022. №3 (41). URL: https://cyberleninka.ru/artide/n/obsluzhivaemyy-kosmos-novye-dostizheniya-i-perspektivy (дата обращения: 20.04.2024).
Рисунок 10 - Замена модулей космической платформы
Заключение
© Бондарев С.Г., 2024
