Определение погрешности при высокоточных измерениях прецизионных углепластиковых конструкций космических аппаратов в термовакуумных условиях

Решетневскце чтения

Устойчивость сетчатой конической оболочки исследована заметно меньше. Решение этой задачи на основе континуальной модели связано с определенными математическими трудностями, так как потеря устойчивости сетчатой конической оболочки описывается дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами, решение которых возможно только численными методами.

Эффективный анализ устойчивости сетчатых конических оболочек может быть выполнен методом конечных элементов. Этот метод используется как для прямого анализа устойчивости сетчатых конических оболочек, так и для их проектирования, когда ограничения накладываются на критические силы и моменты. Такое применение МКЭ связано с появлением компьютеров большой вычислительной мощности и пакетов конечно-элементного моделирования. Современные МКЭ-пакеты позволяют с помощью внутренних языков программирования автоматизировать операции по построению конечно-элементных моделей сетчатых оболочек. Решая для каждой модели задачу устойчивости, можно выбрать оптимальное сочетание параметров сетчатой структуры.

Авторами с помощью метода конечных элементов решены задачи устойчивости сетчатых конических

оболочек, нагруженных осевой сжимающей силой, перерезывающей силой, изгибающим и крутящим моментами (см. рисунок). Сетчатая оболочка рассматривалась как пространственная рама. С помощью внутреннего языка программирования пакета COSMOS/M разработана программа генерирования конечно-элементных моделей сетчатых конических оболочек, в которой был выполнен анализ влияния параметров сетчатой структуры на критические силы и моменты и на форму потери устойчивости конических оболочек.

Библиографические ссылки

1. Vasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. Anisogrid Lattice Structures - Survey of Development and Application // Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.

2. Vasiliev V. V., Razin A. F. Anisogrid Composite Lattice Structures for Spacecraft and Aircraft Applications // Composite Structures. 2006. Vol. 76. P. 182-189.

3. Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Finite-Element Modelling and Buckling Analysis of Anisogrid Composite Lattice Cylindrical Shells // Composite Structures. 2011. Vol. 93. P. 308-323.

A. V. Lopatin, V. A. Nesterov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

BUCKLING ANALYSIS OF ANISOGRID COMPOSITE LATTICE CONICAL SHELLS

A finite-element design modeller is developed and applied to the buckling analysis of the composite anisogrid conical shells.

© Лопатин А. В., Нестеров В. А., 2011

УДК 629.78.018-53.088

В. М. Михалкин, Г. В. Двирный, Д. В. Чураков

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ ПРЕЦИЗИОННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ТЕРМОВАКУУМНЫХ УСЛОВИЯХ

Разработана методика определения погрешности высокоточных измерений прецизионных углепластико-вых конструкций космических аппаратов в термовакуумных условиях. Дана оценка погрешности измерения деформаций.

В процессе разработки, наземной экспериментальной отработки (НЭО) и изготовления КА для гарантированного сохранения его геометрических параметров, а также взаимного положения рефлекторов и облучающих систем антенн в системе координат КА в пределах, не превышающих 100 мкм к концу срока активного существования, необходимо обеспечить определение параметров поверхности рефлектора с погрешностью не хуже 30...40 мкм, для объектов до 3 м,

в том числе при воздействии экстремальных температур в диапазоне -130...+120 °С и вакуума до 5-10-5.

В составе современных космических аппаратов, обеспечивающих услуги связи, применяются разме-ростабильные антенны диаметром до 2 м и более. Для корректной работы на космическом аппарате рефлектор такой антенны должен максимально сохранять свои геометрические параметры при воздействии критических температур и вакуума. На этапах разработки

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов

нового изделия и для контроля качества штатной продукции необходимо проведение испытаний по определению величины деформаций размеростабильных рефлекторов в условиях вакуума и при экстремальных температурах с обеспечением погрешности геометрических измерений не более ±20 мкм.

Влияние вакуума и широкий диапазон температур накладывают свои ограничения на разработку методики проведения измерений и применение прецизионного измерительного оборудования.

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» совместно с ООО «Научно-производственное объединение «Лазерные системы» (Санкт-Петербург) разработали и ввели в эксплуатацию оборудование для высокоточного определения деформации отражающей поверхности рефлекторов в термовакуумных условиях (сокращенно КО), предназначенное:

- для высокоточных измерений геометрических параметров размеростабильных рефлекторов антенн диаметром до 2 м и аналогичных изделий при экстремальных температурах и в вакууме при нормальных условиях, а также при пониженной и повышенной влажности;

- квалификации на стойкость к внешним воздействиям (экстремальным температурам и вакууму) при наземной экспериментальной отработке и на этапе изготовления штатной продукции;

- разработки методик измерения и подтверждения заданных геометрических параметров высокоточных размеростабильных изделий.

Методика измерения величины деформаций раз -меростабильных рефлекторов в условиях вакуума состоит из нескольких этапов. Одним из этапов является определение погрешности КО оборудования, для чего с ним был проведен ряд экспериментов в термобарокамере (рис. 1, 2).

Рис. 1. Внешний вид и устройство термогермоконтейнера

В ходе эксперимента тест-объект измерялся в раз -личных условиях:

- в нормальных условиях;

- в условиях вакуума при температуре +20 °С;

- в условиях вакуума при температуре -100 °С;

- снова в нормальных условиях.

Тест-объект (рис. 3) представляет собой поворотное устройство с закрепленными на нем двумя инва -

ровыми стержнями, каждый из которых находится на разных уровнях относительно оси их вращения. На нижнем стержне закреплены два реперных знака, имитирующих деформацию. Реперные знаки установлены на расстоянии 12 мм друг от друга.

Рис. 2. Общий вид термобарокамеры и испытательного стенда

Рис. 3. Тест-объект

При проведении эксперимента инваровый жезл тест-объекта поворачивался 32 раза на 22,5° (два полных оборота) и в каждом положении производился замер координат реперных знаков, сначала первого, затем второго, и в такой последовательности 16 раз. Таким образом, в каждом положении жезла были получены 16 расстояний, имитирующих деформации между реперами:

I =Мх - х )2 + (у - у )2 + (1 -1 )2,

пт \ \ п т> п у т / \ п т' '

где х, у, 1 - координаты меток.

Далее для каждого ряда из 16 расстояний было рассчитано среднеквадратичное отклонение:

КЯ - Я)2

а = —-,

11 N-1

после чего были найдены средние значения СКО для каждого положения жезла на всех четырех этапах эксперимента и определено максимальное значение СКО из всех средних значений: о = 0,009 мм. Погрешность определялась по формуле

Адеф = 2 -а = 2-0,009 = 0,018 мм,

исходя из того, что доверительная вероятность Р = 0,95.

Таким образом, методика проведения испытаний и само представленное оборудование при определении деформаций дают погрешность ±9 мкм.

Решетневские чтения

V. M. Mihalkin, G. V. Dvirniy, D. V. Tchurakov JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

DEFINITION OF ACCURACY UPON HIGH PRECISION MEASUREMENTS OF SPACECRAFT PRECISION CARBON STRUCTURES IN THERMAL VACUUM ENVIRONMENT

The authors present a developed methodology to measure the accuracy during high precision measurements of spacecraft precision carbon structures in thermal vacuum environment. The measurement accuracy assessment is provided.

© MnxajiKHH B. M., flBHpHLm r. B., ^ypaKOB fl. B., 2011

УДК 621.396.67

В. М. Михалкин, В. А. Куклин, А. В. Поздеев

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

СИСТЕМА ОБЕЗВЕШИВАНИЯ РЕФЛЕКТОРОВ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ AMOS-5 И TELKOM-3

Показана целесообразность применения многостепенной системы обезвешивания (СО) для раскрытия рефлекторов в составе космических аппаратов АМОБ-5 и ТЕЬКОМ-3. Оценено влияние, оказываемое такой СО на раскрытие и рабочее положение прецизионных контурных рефлекторов.

В настоящее время по совместному контракту ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (ИСС) и компании Thales Alenia Space (TAS) (Франция) на территории ОАО «ИСС» наземную экспериментальную обработку (НЭО) проходят космические аппараты (КА) AMOS-5 и TELKOM-3. В процессе подготовки к НЭО специалистами ОАО «ИСС» была разработана и введена в эксплуатацию универсальная система обезве-шивания (СО) рефлекторов КА AMOS-5 и TELKOM-3 (масса рефлекторов варьируется от 8,5 до 13,0 кг).

Метод, применяемый компанией TAS и рекомендованный ею ОАО «ИСС», основан на использовании баллонов с гелием. Раскрытие рефлекторов с помощью этих баллонов осуществляется только по одной оси вращения рефлекторов, после чего проводятся юстировочные работы по оценке положения рефлекторов относительно облучающих систем. При положительных результатах юстировки вторая ось вращения рефлекторов и их рабочее положение рассчитываются теоретически.

Для обеспечения работы СО, использующей баллоны с гелием, необходимо выполнение следующих требований:

- наличие большого помещения, дополнительного оборудования для накачки шаров, дополнительного оборудования для демонтажа стенда;

- отсутствие движения воздуха в процессе работы;

- исключение температурного градиента в среде баллона и отсутствие внешнего солнечного излучения;

- непрерывное обеспечение стабильного температурного режима;

- наличие запасного и готового к работе баллона с гелием;

- раскрытие рефлекторов только по одной оси;

- работа только с одним из двух рефлекторов в составе антенной панели и с двумя рефлекторами из четырех в составе КА.

На этапе выпуска конструкторской документации для проведения раскрытия рефлекторов КА AMOS-5 и ТЕЬКОМ-3 специалистами ОАО «ИСС» была предложена многостепенная СО, настройка которой проводится при каждом раскрытии рефлекторов в рабочее положение, а для размещения балансиров используются колонны.

Многостепенная СО имеет следующие преимущества:

- работа может проводиться в помещениях с ограниченным пространством по высоте;

- возможно проведение одновременного ком -плексного пространственного раскрытия всех четырех рефлекторов в рабочее положение как в составе антенных панелей, так и в составе КА;

- при раскрытии рефлекторов в рабочее положение усилие от нескомпенсированной силы тяжести не превышает 0,4 Н-м и обеспечивается точная подстройка обезвешивающего усилия при обмере геометрического положения рефлекторов до 0,1 Н;

- отсутствуют промежуточные переборки схемы испытаний;

- сокращаются сроки проведения НЭО КА.

Многостепенная система обезвешивания может

быть использована не только на зарубежных, но и на отечественных КА, таких как КА «Ямал-300К», «Экспресс-АМ5, -АМ6, -АМ8», «Экспресс-АТ1, -АТ2» и других спутниках с рефлекторами, имеющими две степени свободы.