/
Текст
USCf'-'.r /
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АКАДЕМИКА М. Ф. РЕШЕТНЕВА
Н. К. Шатров
П. П. Назарова
Н- В. Машуков
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХСТРОИСПЗА
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Конструктивные решения
и динамические нарактеристики
Красноярск
2006
Федеральное агентство по образованию
Сибирский государственный аэрокосмический университет
имени академика М. Ф. Решетнева
А. К. Шатров, Л. П. Назарова, А. В. Машуков
МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ
И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования для межвузовского
использования в качестве учебного пособия для студентов
технических специальностей
Красноярск 2006
УДК 629.78
ББК 39.65; 39.62
Ш29
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В. В. ДВИРНЫЙ
(Красноярский государственный технический университет);
лауреат премии Правительства Российской Федерации,
кандидат технических наук, доцент А. В. Леканов
(ФГУП «Научно-производственное объединение прикладной
механики имени М. Ф. Решетнева»)
Шатров, А. К.
П129 Механические устройства космических аппаратов. Конструктивные реше-
ния и динамические характеристики : учеб, пособие / А. К. Шатров, Л. П. На-
зарова, А. В. Машуков; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2006. - 84 с.
ISBN 5-86433-285-2
Рассмотрены вопросы, связанные с инженерной практикой проектирования, раз-
работки и наземной отработки механических устройств. Приведены примеры конструк-
тивных решений по некоторым узлам и способы аналитического анализа. Показаны ме-
тоды математического моделирования при решении задач динамического анализа, а так-
же разработаны основные правила проектирования механических устройств с обеспече-
нием требований надежности функционирования.
Предназначено для теоретического изучения соответствующих дисциплин,
а также освоения расчетов функционального и динамического анализа.
УДК 629.78
ББК 39.65; 39.62
Учебное издание
Шатров Александр Константинович
Назарова Лариса Петровна
Машуков Александр Васильевич
МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Учебное пособие
Редактор Ж. 77. Пьянкова
Корректор Ю, С. Погуца
Компьютерная верстка У. Н Тягушевой
Подписано в печать 25.12.2006. Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Печать плоская. Усл. печ. л. 5,0. Уч.-изд. л. 6,1. Тираж 150 экз.
Заказ . С 85.
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№24.49.04.953.П.000032.01.03. от 29.01.2003 г.
Редакционно-издательский отдел Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та.
Отпечатано в отделе копировально-множительной техники
Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та.
660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.
ISBN 5-86433-285-2 © Сибирский государственный аэрокосмический
университет имени академика М. Ф. Решетнева, 2006
© Шатров А. К., Назарова Л. П., Машуков А. В. 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений...................................5
Предисловие..................................................6
1. Механические устройства и элементы современных
космических аппаратов.......................................7
Контрольные вопросы и задания...........................9
2. Назначение устройства отделения. Условия эксплуатации....9
2.1. Конструкция устройства отделения
(линейное одиночное отделение)..........................9
2.2. Назначение устройств отделения для трех
космических аппаратов (в боковом направлении)..........15
2.3. Динамика отделения космического аппарата
от разгонного блока....................................18
2.4. Результаты динамического анализа..................21
Конт рольные вопросы и задания........................22
3. Механические устройства солнечной батареи...............23
3.1. Расчет параметров раскрытия.......................26
3.2. Расчет нагрузок...................................27
3.3. Функциональный анализ.............................28
3.4. Система синхронизации раскрытия панелей...........34
Конт рольные вопросы и задания........................37
4. Механические устройства жалюзи..........................37
Контрольные вопросы и задания..........................39
5. Механические устройства антенн..........................39
Контрольные вопросы и задания..................'.......55
6. Концепция обеспечения надежности функционирования
механических устройств.....................................55
Контрольные вопросы и задания..........................57
7. Проектирование механических устройств...................57
7.1. Правила проектирования............................58
7.2. Надежность и уязвимость...........................59
7.3. Порядок выбора раскрываемого механизма............60
7.4. Раскрываемые системы..............................61
Контрольные вопросы и задания..........................66
8. Критичные механизмы раскрытия...........................66
8.1. Пружины и гофрированные элементы..................67
8.2. Защелкивающие замки...............................67
8.3. Упоры.............................................68
8.4. Датчики...........................................69
Контрольные вопросы и задания..........................69
3
9. Испытания механических устройств..........................70
9.1. Задачи наземной экспериментальной отработки.........70
9.2. Системы имитации невесомости (обезвешивание).......71
9.3. Испытание на соответствие характеристикам..........73
9.4. Испытания на внешние воздействия...................74
9.5. Ресурсные испытания................................74
9.6. Заключения по испытаниям...........................75
Конт рольные вопросы и задания.........................76
10. Основные направления развития...........................76
Контрольные вопросы и задания...........................77
11. Математическое моделирование механических устройств.....78
11.1. Формирование исходных данных и концепции модели...78
11.2. Формирование геометрической
и динамической модели...................................79
11.3. Формирование математической модели................80
11.4. Моделирование приводов раскрытия рефлектора.......80
11.5. Моделирование процессов раскрытия
в наземных условиях.....................................81
* Контрольные вопросы и задания...........................83
Заключение..................................................84
Библиографический список....................................84
ПРЕДИСЛОВИЕ
Механические устройства в условиях эксплуатации космических ап-
паратов подвергаются воздействиям широкого спектра.
В связи с этим в процессе проектирования механических систем при
выборе вида раскрывающегося элемента и способа его развертывания оп-
ределяющими факторами служат:
- максимальная надежность;
- минимальная масса;
- минимальные габариты системы;
- минимальное потребление энергии.
Существуют требования, которые охватывают общетехнические осо-
бенности конструктивной схемы типов механических устройств. К ним от-
носятся:
- минимум деталей, простота конструкции;
- минимум деталей, работающих при высоких давлениях и темпера-
турах;
- минимум трущихся пар;
- минимум вспомогательных устройств.
Безусловно, все перечисленные требования далеко не равноценны по
своей значимости, наиболее существенными являются требования, опреде-
ляемые характером задания.
В настоящем пособии приведено современное состояние разработок
и пути повышения технического уровня механических систем. Самый глав-
ный критерий при разработке и исполнении механических устройств - это
надежность. Все технические соображения, стратегия разработок, выбор
способов изготовления направлены на эту цель, поэтому в каждой главе
уделено особое внимание вопросам обеспечения надежности' механиче-
ских устройств.
В пособии рассмотрены вопросы внедрения математических средств
создания и тестирования конструкции, позволяющих проводить полное
моделирование системы задолго до создания физического прототипа.
Испытания механизмов раскрытия представляют собой уникальный
метод качественного подтверждения работоспособности механических
устройств, потому что большое количество вопросов, относящихся к пра-
вильному функционированию раскрываемых систем, не может быть полно-
стью решено при помощи только аналитического метода. Исходя из этого,
приведены главы, рассматривающие вопросы наземной экспериментальной
отработки.
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АФС - антенно-фидерные системы
БС - батарея солнечная
КА - космический аппарат
кд - конструкторская документация
кди - конструкторские доводочные испытания
МУ - механические устройства
ммс - многокомпонентная механическая система
мсс - модуль служебных систем
млн - модуль полезной нагрузки
МР - механизм раскрытия
нэо - наземная экспериментальная отработка
ПРИ - предварительные испытания
РБ - разгонный блок
УО - устройство отделения
УП - устройство поворота
ШУ - шарнирное устройство
САС - срок активного существования
АФУ - антенно-фидерное устройство
ПН - полезная нагрузка
БМСПР - блок механической системы поворота рефлектора
УПБС - устройство поворота батареи солнечной
ПРИМУ - предварительные испытания механических устройств
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ
СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Механические устройства используются на космических аппара-
тах (КА) с первых дней космических программ, поскольку они необходи-
мы для повышения и, во многих случаях, обеспечения эксплуатационных
возможностей полезной нагрузки, находящейся в стартовой конфигурации.
Задача механических устройств - закрепление систем и оборудования в ми-
нимальном объеме с обеспечением заданных требований и приведение их
в рабочее положение при использовании КА по целевому назначению.
Не вызывает никакого сомнения факт, что наличие механических
устройств добавляет сложность и риск при использовании КА по функцио-
нальному назначению, однако эти недостатки в значительной степени ком-
пенсируются тем, что они обеспечивают решение задач, которые были бы
недостижимы другим способом. Следовательно, главное - признать этот
риск с самого начала при проектировании и разработке, задать высокие
стандарты для изготовления и сборки, а также по завершении изготовления
провести полный цикл испытаний.
История применения механических устройств на космических аппа-
ратах начиналась с захватывающих успехов и драматических провалов, те
и другие были ярким примером того, насколько критичными являются эти
механизмы. Первый КА, выведенный на орбиту, представлял собой сферу
с четырьмя раскрываемыми антеннами, торчащими из него. Это были про-
стые штыревые антенны, которые сначала были закреплены на корпусе
спутника узлами зачековки, а затем раскрылись после ввода спутника в дей-
ствие. Узлы зачековки и раскрытия были очень просты по конструкции, но
все же давали антеннам спутника возможность передавать сигнал, который
могли принимать радиооператоры.
Современные КА отличаются от своих предшественников наличием
огромного количества механических устройств и их разнообразием как
в составе модуля служебных систем (МСС), так и в составе модуля полез-
ной нагрузки (МЛН).
Механические устройства, применяемые на космических аппаратах,
в силу роста функциональных потребностей КА (групповые запуски, энерго-
вооруженность, состав МПН) быстро развиваются и совершенствуются. По-
требность в энергетике растет быстрее, чем имеющаяся зона корпуса КА, и для
удовлетворения этих потребностей создаются раскрываемые солнечные бата-
реи повышенной энергоемкости и конструктивной сложности. Последова-
тельные шарнирные сочленения позволили солнечной батарее (БС) отслежи-
вать Солнце независимо от реализации задач по наведению приборов полез-
ной нагрузки (ПН), установленных на платформе КА. В результате чего были
разработаны исполнительные органы, которые остаются активными на протя-
жении всего срока активного вещества (САС) спутника. Требования по повы-
шенной скорости передачи данных как команд на спутник, так и телеметрии
на Землю, привели к созданию более крупных по размерам и сложных антенн,
имеющих в своем составе значительное количество механических устройств.
7
Рост объема ракеты-носителя и ее грузоподъемных возможностей
выявил потребность в механизмах раскрытия для будущих космических
аппаратов. Наземные компоненты навигационной системы становятся все
более портативными, что требует увеличения размеров антенн для косми-
ческих компонентов этих систем. Возросшая пропускная способность тре-
бует повышения уровня энергетики на борту, обеспечиваемого раскрывае-
мыми солнечными батареями.
В состав современных КА входят такие механические устройства,
как устройство отделения; установка и зачековка панелей БС (механиче-
ские устройства батареи солнечной); АФУ в сборе (механические устрой-
ства антенн и антенно-фидерных устройств); установка и зачековка штанги
магнитометра; гравитационное устройство.
Кинематический и динамический анализ любого механического уст-
ройства заключается в определении (расчете) действующих активных сил
и моментов в механизме, реакций, а также возникающих при этом сил сопро-
тивления, препятствующих функционированию; скоростей и ускорений дви-
жения элементов конструкции под действием активных сил механизмов рас-
крытия; параметров и траекторий движения элементов конструкции; дина-
мических нагрузок в момент фиксации (зачековка в рабочем положении).
Функциональный анализ проводится на основе результатов кинема-
тического анализа. Результатом проведения функционального анализа яв-
ляется функциональная схема механического устройства (МУ) на всех ре-
жимах работы и ее описание с отражением всех имеющихся интерфейсов.
При проведении функционального анализа особое внимание уделяется вы-
явлению перекрестных связей, когда элементы одной функции влияют на
функционирование элементов другой функции.
Анализ надежности МУ проводится на основе результатов функ-
ционального анализа. Анализ надежности проводят для оборудования,
систем и КА в целом с целью демонстрации того, что их расчетная вероят-
ность безотказной работы за требуемый срок будет не ниже заданной.
Анализ надежности включает:
- функциональную схему МУ во всех режимах их эксплуатации с крат-
ким описанием;
- структурную схему надежности МУ, соответствующую его функ-
циональной схеме и отражающую все виды применяемого резервирования
с их описанием;
- методологию и математическую модель для расчета вероятности
безотказной работы МУ, соответствующую его структурной схеме надеж-
ности (ССН);
- заключение о соответствии расчетной вероятности безотказной ра-
боты механического устройства заданной в техническом задании (ТЗ).
Расчет на прочность с целью подтверждения несущей способности
и работоспособности механических устройств проводят по результатам
динамического анализа.
8
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные МУ, входящие в состав КА.
2. В чем различие выходных параметров кинематического и динами-
ческого анализов?
3. Что является результатом функционального анализа?
4. Приведите структуру анализа надежности (кратко).
5. Какова цель анализа надежности?
6. Каково назначение структурной схемы надежности?
2. НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА ОТДЕЛЕНИЯ. УСЛОВИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Устройство отделения (УО) предназначено для закрепления КА на
разгонном блоке (РБ) на период совместной эксплуатации, разъединения
механической и электрической связей изделия с РБ, обеспечения требуе-
мых параметров безударного отделения КА от РБ.
У О выполняет следующие функции:
- закрепление изделия на РБ (начинается с момента снятия съемного
оборудования и заканчивается непосредственно перед отделением изделия
на орбите);
- срабатывание УО.
В процессе эксплуатации У О подвергается воздействию следующих
факторов:
- механические нагрузки при наземной эксплуатации на участке вы-
ведения;
- наземные климатические условия;
- высокие и низкие температуры (-70 °C, +90 °C);
- вакуум, радиация.
2.1. Конструкция устройства отделения
(ЛИНЕЙНОЕ ОДИНОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ)
По составу УО имеет обечайку (цилиндр или конус) и функциональ-
ную часть, смонтированную на обечайке (рис. 2.1).
Функциональная часть УО состоит из восьми механических замков,
восьми пружин сжатия и тросового бандажа. Механическая связь КА с РБ
осуществляется с помощью восьми механических замков, удерживаемых
от раскрытия тросовым бандажом. В состав тросового бандажа входят две
стяжные муфты и две пирочеки. Стяжные муфты предназначены для стя-
гивания тросового бандажа определенным усилием, необходимым для
удержания рычагов замков от перемещения (раскрытия), пирочеки - для
9
разъединения бандажа при подаче на пироэлементы пирочек электриче-
ского сигнала.
Рис. 2.1. Конструкция УО:
1 - канат; 2 - муфта; 3 - пирочека; 4 - обечайка; 5 - замок; 6 - пружина
УО - механизм одноразового срабатывания, происходящего в сле-
дующей последовательности:
- по команде с РБ проходит электрический сигнал на каждый из двух
мостиков накаливания пироэлементов пирочек. При срабатывании любой
из двух пирочек или обеих вместе происходит разъединение тросового
бандажа;
- срабатывают восемь механических замков.
После устранения механической связи под действием восьми пру-
жин происходит отделение КА от РБ и разъединение четырех разъемов от-
рывных.
Функционирование тросового бандажа определяется превышением
несущей способности R каната (несущая способность муфты и корпуса пи-
рочеки существенно выше) над усилием У, действующим в тросе, которое
определяется условием нераскрытия стыка.
Усилие N, действующее в тросе, характеризуется моментной затяж-
кой стяжной муфты и определяется по формуле
10
N = —
0,15-D
(2.1)
где M- среднее значение момента затяжки муфты, Н-м; D - наружный
диаметр резьбы наконечника, м.
2.1.1. Функционирование пирочеки
При срабатывании пироэлемента происходит перемещение поршня
под действием образовавшихся газов. При этом поршень 2 срезает прово-
локу 3 и выдвигает наконечники канатов из корпуса 4, осуществляющих
механическую связь (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Конструктивная схема пирочеки:
1 - пироэлемент; 2 - поршень; 3 - проволока; 4 - корпус
2.1.2. Пример функционального анализа пирочеки
Надежность срабатывания пирочеки определяется вероятностью вы-
полнения следующих событий:
- срабатывание пироэлемента;
- срез проволоки и преодоление сил трения при перемещении нако-
нечников канатов. Критерием надежного срабатывания пирочеки является
освобождение наконечников канатов, равное
Р(Л22) = P(N > R>) = F(U2),
где N ~ усилие, развиваемое газами при срабатывании пироэлемента, Н;
R - сила сопротивления движению подвижных элементов пирочеки, Н;
2 Jst+sf
где N, SN- среднее значение и среднеквадратическое отклонение величины N;
R, SR - среднее значение и среднеквадратическое отклонение величины R;
11
N = P-S-
SN=^^-, (2.2)
где P = 1 380 * 105 H • m2 - начальное давление , обеспечиваемое при сраба-
тывании пироэлемента в объем V - 1,54 • 10 м3; S = —— - площадь
4
поршня, м2; D ~ диаметр поршня, м ; Z ~ квантиль, соответствующая дове-
рительному уровню 0,95. Среднее значение величины R рассчитывается по
формуле
.R — .R| + >
— ^7C-Z>2 тт
где Л] = 2----- среднее значение величины усилия среза проволоки, Н;
4
D - диаметр проволоки, м; аср - напряжение среза материала проволоки
(материал АмГ 3), Н • м2; Ri = 2 • • f - среднее значение величины силы
трения при перемещении подвижных элементов, Н; /- коэффициент тре-
ния ; QI - усилие, действующее в тросе; в качестве величины возможного
усилия в тросе в расчете принято разрушающее усилие каната, Н;
_______ D — R
S^JS^+S^, (2.3)
А™ =2-^-1,5тЧ), (2.4)
Plmax ~ 2 QI ’ f
где QI - разрушающее усилие троса согласно ГОСТ 2172-80; fl - коэф-
фициент трения; ZI - квантиль, соответствующая доверительному уров-
ню 0,999.
2.1.3. Пример проведения функционального анализа
механического замка устройства отделения
Механический замок представляет собой рычажный механизм, удер-
живаемый в равновесии тросовым бандажом (рис. 2.3).
Надежность срабатывания механического замка Р(Я3) характеризу-
ется вероятностью превышения движущего момента D, открывающего за-
мок, над моментом сопротивления С и определяется по формуле
Р(Л3)=Д1)>С)=Ш
где D - движущий момент, открывающий замок, Н • м; С ~ момент сопро-
тивления в трущихся парах при раскрытии замка, Н • м;
3 4si+s$’
12
где D, Sd - среднее значение и среднеквадратическое отклонение величи-
ны Z); С, Sc - среднее значение и среднеквадратическое отклонение вели-
чины С;
<
s‘-----z-’
где Dnfa ~ минимальное значение величины; Z - квантиль, соответствую-
щая доверительному уровню 0,95;
С -С
g — v
с Z ’
где Стах - максимальное значение величины С.
Расчетная схема для определения D показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Конструктивная схема замка УО:
1 - гайка; 2 - опора; 3 - пружина; 4 - пружина; 5 - рычаг; 6 - ось;
7 - ролик; 8 - штырь
13
Движущий момент, открывающий замок, определяется по формуле
(2.5)
где Q - сила, действующая на рычаг 5; Т- усилие пружины 4 (рис. 2.3);
/р, 1Т - линейные размеры.
Выражение для определения силы Q имеет вид
- N -I
£ = (2.6)
Z2
где Ni - сила, действующая на рычаг 4 от штыря 8, Н; 12 - линейные
размеры.
Силу запишем выражением
. f ТС
_ Sin --ф2
М-----6, (2.7)
• । ТС I
Sin^2-(P1J
где-фь ф2 ~ углы наклона опорных площадок штыря 8.
Сила #2 рассчитывается по формуле
. (тс
Sin --фИ
N2=N^-r±±--------4, (2.8)
81П(7С-ф2-ф1)
где N - сила, действующая на штырь 8.
Сила N равна
Й = Рг+Р2, (2.9)
где = q ~ Усилие от затяжки гайки 7, Р2~ усилие пружины 3, Н;
Д ~ момент затяжки гайки 7, Н • м; d\ - диаметр резьбы гайки 7, м.
Момент сил сопротивления С (среднее значение) определяется вы-
ражением
С(О2) = 2/ёт, (2.10)
где f - коэффициент трения для шарнирной пары с твердой смазкой
ВНИИНП-212; г - радиус осей шарниров Оь О2-
Максимальное значение величины момента сил сопротивления оп-
ределяется по формуле
С(О2)max 2 'Углах ’ £?тах * Г,
где- максимальное значение величины /; 0тах ~ максимальное значе-
ние величины Q.
14
Условие несрабатывания замка в транспортировочном положении
определяется следующим выражением:
Рзам? /
где Рк - минимальное усилие от каната, действующее на замок, Н; Рзам - мак-
симальное усилие от замка, Н,
Рк = 2*/4^ • СОБф, (2.11)
Мтт А ХГ
где Лпип =—-------^2 “ минимальное усилие, действующее в канате;
0,15-d
ДУ2 - изменение усилия в канате в теневой зоне (максимальная отрица-
тельная температура).
Величина &N2 определяется в зависимости от изменения длины ка-
ната А/ по ОСТ 100768 -75, равного
А/ =1-(оо2-оо1)« ДТ2,
где ДТ2 = Ттш = 20 °C - изменение температуры; 7,min= - 70 °C;
(2-12)
^Х^2)тах = бтах * IQ + Ттах * (2.13)
где £>гаах? бтах, Ттах - максимальные значения величин D, Q, Т.
2.2. Назначение устройств отделения д ля трех
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (В БОКОВОМ НАПРАВЛЕНИИ)
Устройство отделения (рис. 2.4) предназначено для закрепления на
нем трех КА во время транспортирования, хранения и эксплуатации блока
КА и отделения КА от РБ с требуемыми параметрами по заданной про-
грамме.
УО состоит из фермы 7, шести пирозамков 2, монтажа кабелей 3 и при-
боров системы виброизмерений 4. У О обеспечивает безударное отделение
КА в направлении, перпендикулярном движению PH.
Конструктивно У О представляет собой ферму, на которой смонтиро-
ваны пирозамки, кабели и приборы системы виброизмерений.
Устройство отделения работает следующим образом: отделение трех
КА происходит одновременно по команде от СУ РБ. Команды на отделе-
ние подаются в виде электрических импульсов на пирозамки отделения
КА. После срабатывания двух пирозамков каждого КА происходит его от-
деление за счет освобождения энергии сжатых пружин. В каждом из пиро-
замков расположено по две пружины. Факт отделения КА подтверждается
15
разрывом электрических цепей перемычек, расположенных в отрывных
электросоединителях, срабатывающих при разделении пирозамков.
Рис. 2.4. Общий вид устройства отделения:
1 - ферма; 2 - пирозамок; 3 - монтаж кабелей;
4 - приборы системы виброизмерений
После отделения всех КА ферма У О вместе с элементами крепления
КА остается на РБ.
2.2.1. Устройство и работа пирозамка
Пирозамок представляет собой устройство (рис. 2.5), предназначен-
ное для отделения КА от УО и включает три группы элементов: связы-
вающие пластины 7 и 2, снимающие эту связь, расталкивающие пластины.
К элементам связи относятся: гайка 20, шайба 23, шток 27, сепаратор
5, вкладыш 16. Гайка и шток законтрены между собой шпатлевкой, а отно-
сительно пластины 7 - стопором 22. Стопор препятствует вращению гай-
ки, но позволяет ей перемещаться от пластины. Вкладыш представляет со-
бой радиально разрезанную на шесть частей резьбовую гайку.
К элементам, снимающим силовую связь, относятся пироэнергодат-
чики-обтюраторы 10, втулка 7, поршень 73.
Конструктивно-связующую роль выполняют кольцо 14, винты 6 и 17
и корпуса 72 и 75.
16
К элементам отделения относятся пружины 4 и 75, приклеенные к пла-
стине 2 и имеющие разное направление навивки.
Рис. 2.5. Общий вид пирозамка:
1 - пластина; 2 - пластина; 3 - шпилька; 4 - пружина; 5 - сепаратор; 6 - винт; 7 - втулка; .
8 - резиновое кольцо; 9 - мембрана; 10 - пироэнергодатчик-обтюратор; 11 - колпачок;
12 - корпус; 13 - поршень; 14 ~ кольцо; 15 ~ корпус;?^ - вкладыш; 17 - винт;7£ - пру-
жина; 19 - пружина; 20 - гайка; 21 - шток; 22 ~ стопор; 23 - шайба; 24 - скоба
Логика функционирования пирозамка. Подается питание на пиро-
энергодатчики-обтюраторы 10, пироэнергодатчики-обтюраторы срабаты-
вают, вследствие чего создается давление пороховых газов. Под действием
этого давления происходит перемещение втулки 7 в направлении х с одно-
временным срезанием винтов 6, под действием пружин 4, 18, 19 части
вкладыша раздвигаются в радиальном направлении, а шток 21 с закреп-
ленными на нем деталями перемещается до полного выхода из сепаратора 5.
Пружины 4 к 18 расталкивают пластины 7 и 2, а пружины 19 способствуют
ускоренному выведению штока 27 из полости пирозамка до начала отно-
сительного перемещения перпендикулярно оси X. Энергия перемещаю-
17
щихся деталей, связанных со втулкой 7, гасится при смятии кольца 14 ме-
жду поверхностями втулки 7 и корпуса 75.
Срабатывание пирозамка происходит за « 0,15 с.
Функционирование У О определяется надежностью отделения и ха-
рактеризуется превышением усилия, обеспечиваемого пружинами толка-
телей, над усилием разъединения электрических соединителей.
Усилие разъединения соединителей в соответствии с техническими
условиями и контролируется при изготовлении на каждом соединителе.
При несоответствии усилия расстыковки требуемой величине соеди-
нитель забраковывается.
2.3. Динамика отделения космического
АППАРАТА ОТ РАЗГОННОГО БЛОКА
Исследование динамики КА, отделяющегося от РБ при помощи уст-
ройства отделения, проводится с целью проверить, обеспечивают ли пру-
жины относительную скорость, необходимую для отделения КА без со-
ударения с РБ, не создавая при этом больших угловых скоростей.
К устройству отделения предъявляются следующие требования:
~ отделение КА от РБ - без соударений;
- составляющие угловой скорости КА после отделения по каждой из
трех осей не должны превышать заданной величины с учетом угловой ско-
рости РБ на момент отделения;
- линейная относительная скорость отделения КА в продольном на-
правлении должна быть не менее заданной величины;
- угловые скорости РБ от срабатывания УО не должны превышать
заданной величины по каждой из трех осей.
При расчете параметров отделения учитываются следующие возму-
щающие факторы:
- разброс усилий пружин и их расположение;
- разброс масс и моментов инерции КА и РБ;
- эксцентриситеты центров масс КА и РБ;
- разновременность срабатывания замков У О;
- силы трения в фильерах БС;
- силы трения в электрических разъемах.
В расчете принимается, что разделяемые тела абсолютно жесткие.
Сила, создаваемая каждой из пружин отделения при осевом сжатии, на-
правлена вдоль оси пружины. Момент, создаваемый пружиной относи-
тельно ее продольной оси, принимается равным нулю.
Для проведения расчетов задаются три правые системы коорди-
нат (рис. 2.6):
- система координат C\XiYyZb жестко связанная с КА;
18
- система координат C2X2Y2Z2, жестко связанная с РБ, с началом в его
центре масс. Оси системы координат C2X2Y2Z2 в начальный момент време-
ни развернуты вокруг оси СХл на угол 22°30' против часовой стрелки со
стороны положительного направления оси С\Х\9
- центральная система координат CXYZ.
Для решения задачи составляются уравнение движения центра масс
КА и РБ и уравнение вращательного движения КА и РБ относительно их
центров масс.
В инерциальной системе координат уравнение движения центра масс
тела записывается в виде
m-W = F,
где т - масса тела; W - абсолютное линейное ускорение центра масс тела;
F - главный вектор внешних сил, действующих на тело.
Плоскость
разделения
Рис. 2.6. Расчетная модель
Уравнение вращательного движения относительно центра масс тела
имеет вид
Jc -w + w- Jc • w = M9 (2.14)
19
где Jc - матрица инерции тела в его центре масс; w - вектор угловой ско-
рости тела; М - главный момент внешних сил, действующих на тело.
Для описания пространственного движения КА (определения коэф-
фициентов матрицы направляющих косинусов) используются дифферен-
циальные уравнения для направляющих косинусов углов Кд между осями
координат CXYZ иС^У^:
^n=-^cos(XVI) = JFz^1-Fr^31;
at
^=^coS(^) = ^22-^32;
^13=4cos(AZ1) = ^23-^33;
at
K2l = — cos (EE.) = JEJC. - WZK,,;
£„=—cos(1T) = 1F„£„-J7JC • (2.15)
22 \ 1 / X 52 L 12 ’ v '
K23 = — cos (EE.) = WXK33 - W7K,3,
23 & \ 1/ X 55 Z 159
^^(zx^w^-w^-,
^2=^(ZYi) = WrK12-WxK22;
at
K33=^COS(ZZl) = WrK33-WxK23>
at
где WXS WY, WZ - проекции вектора угловой скорости КА на оси Cp¥i,
CiKbC^.
Аналогично составляются дифференциальные уравнения для направ-
ляющих косинусов углов по формуле (2.15) между осями координат CXYZ
и C2X2Y2Z2 (рис. 2.6).
Винтовая пружина с параллельными и коаксиальными концами соз-
дает вектор силы, проходящий через центр пружины несколько наклонно
к ее оси, а также малый момент относительно оси пружины. Отбор пружин
и подгонка их по парам позволяет скомпенсировать нежелательные попе-
речные составляющие силы каждой из пружин. Следовательно, при анали-
зе можно предположить, что равнодействующая восьми пружин при осе-
вом сжатии направлена вдоль продольной оси КА.
20
Применяемые винтовые пружины имеют линейную характеристику
по осевой нагрузке. Осевая сила Fx, создаваемая каждой из пружин, запи-
сывается в виде
Fx=-Kx-bx, (2.16)
где Кх - осевая жесткость пружины, Н • м; Ьх - осевая деформация пружи-
ны, м.
Поперечная составляющая силы винтовой пружины Fy, возникающая
при ее поперечной деформации, определяется по следующей формуле:
FY=KY-bY, (2.17)
где KY ~ жесткость пружины в поперечном направлении, Н • м; by - попе-
речная деформация пружины, м;
„ \5КХС
&Y ~~ z \2
,, н}
1,3 + —
Id J
(2.18)
где Кх- жесткость пружины в осевом направлении, Н м;
Y
С = \--±2—,
0,7-Но
где Н- высота сжатой пружины, м; D - средний диаметр витка пружины, м;
Хет ~~ деформация пружины, м.
Для расчета параметров отделения использованы массовые и момент-
но-центровочные характеристики КА, РБ и УО.
Коэффициент полезного действия работы пружинных толкателей при-
нимается (0,9~ 1). По результатам испытаний разновременность срабатыва-
ния замков составляет не более 0,000 6 с.
2.4. Результаты динамического анализа
Проводимые расчеты должны показать насколько УО обеспечивает за-
данным требованиям разделения КА и РБ для наихудшего случая как суммы
максимальных составляющих от всех возмущающих факторов:
1) разделение без соударения или наличие критических точек (соуда-
рений);
2) величины угловых возмущений при разделение КА и РБ;
3) величина линейной относительной скорости разделения КА и РБ;
4) угол выхода элементов КА, заглубленных в УО;
Пример траектории относительного движения РБ и КА после сраба-
тывания УО в течение 3 с показана на рис. 2.7.
21
Рис. 2.7. Траектория движения:
— - момент отделения; - - - через 1 с после отделения;
— - через 2 с после отделения; через 3 с после отделения
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите функции У О.
2. Каким факторам воздействия подвергается УО?
3. Приведите основные конструктивные элементы УО (одиночное отде-
ление) и опишите их назначение.
4. Опишите логику функционирования УО.
5. По каким параметрам выбирается критерий функционирования
тросового бандажа?
6. Перечислите основные конструктивные элементы пирочеки и опи-
шите выполняемые ими функции.
7. Приведите критерий надежности функционирования пироэлемента.
8. Кратко опишите конструкцию механического замка. Приведите со-
став и логику функционирования.
9. Каковы критерии надежности срабатывания замка?
10. Опишите назначение и состав УО группового отделения.
11. Приведите пример конструктивного исполнения пирозамка.
12. Каковы основные требования к УО?
13. Назовите основные возмущающие факторы при отделении КА.
14. Каковы задачи исследования динамики отделения?
22
3. МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
Механические устройства БС предназначены для закрепления пане-
лей БС (каркасов с модулями ФП и электрическими кабелями) на корпусе
КА в сложенном положении и раскрытия панелей БС в рабочее положение.
Механические устройства (МУ) БС выполняют следующие функции:
- установка крыльев панелей БС и закрепление панелей БС в транс-
портировочном (сложенном) положении на изделии в зоне полезного гру-
за (ЗПГ);
- освобождение панелей БС от закрепления в транспортировочном
положении;
- перевод панелей БС в рабочее положение.
В процессе эксплуатации МУ БС подвергаются воздействию следую-
щих факторов:
- механические нагрузки при транспортировании, при старте, на участ-
ке выведения, при разделении ступеней, при раскрытии БС;
- наземные климатические условия;
- высокие и низкие температуры участка выведения и орбитального
участка;
- вакуум, радиация.
Примеры конструктивного исполнения МУ БС и их компановки на
КА приведены на рис. (3.1-3.3).
Для механических устройств панелей БС проводятся следующие
анализы: А
- кинематический - с целью определения времени и скоростей раскры-
тия элементов конструкции крыла БС;
- динамический - с целью определения нагрузок на элементы конструк-
ции при фиксации в рабочем положении;
- механический;
- функциональный анализ и расчет надежности (ВБР).
Пакет панелей БС (рис. 3.2) состоит из следующих узлов: корневая
панель (1 шт.); промежуточная панель (1 шт.); концевая панель (1 шт.);
корневые ШУ поворота пакета; промежуточные ШУ раскрытия промежу-
точной панели; концевые ШУ раскрытия концевой панели; привод пру-
жинный поворота пакета (две пружины); привод пружинный раскрытия
промежуточной панели (две пружины); привод пружинный раскрытия
концевой панели (две пружины); узел задержки раскрытия промежуточной
панели (2 шт.); узел задержки раскрытия концевой панели (1 шт.).
Узлы зачековки крыла состоят из следующих узлов: пироузел (1 шт.)
на оба крыла (в состав пироузла входят две пирочеки); замок зачековки пакета
БС верхний; замок зачековки пакета БС нижний; система тяг (1 комплект).
Комплект включает в себя две тяги.
23
Рис. 3.1. Панели БС в сложенном положении
Рис. 3.3. Крыло панелей БС в рабочем положении:
1 - панель корневая; 2 - панель промежуточная; 3 - панель концевая;4 - шарнирное
устройство (ШУ) раскрытия концевой панели; 5 - ШУ раскрытия промежуточной
панели; б - ШУ поворота пакета
Корневая, промежуточная и концевая панели в пакете соединены
между собой ШУ.
25
Пакет БС крепится к фермам БС в корневых ШУ.
В транспортировочном (сложенном) положении пакет БС удержива-
ется на корпусе КА по четырем углам: 2 корневых ШУ; 2 замка зачековки.
Верхний замок зачековки удерживает корневую и концевую панели.
Нижний замок зачековки удерживает промежуточную и концевую панели.
В углах пакета БС с корневыми ШУ промежуточная панель соединена
с корневым ШУ узлом задержки. В нижнем углу пакета БС с промежуточ-
ным ШУ концевая панель удерживается узлом задержки.
Для раскрытия штанги и створок используются механические (пружин-
ные) привода.
Функционирование МУ БС происходит в следующей последователь-
ности:
1) после прохождения КО (команда на отделение) от БУ БКУ пода-
ется питание на пирочеки, происходит срабатывание верхних и нижних
замков и пакеты БС поворачиваются на 72° в корневых ШУ;
2) при зачековке корневых ШУ происходит срабатывание узлов за-
держки раскрытия промежуточных панелей и промежуточные панели (со-
вместно с концевыми) поворачиваются на 180° в промежуточных ШУ;
3) при зачековке промежуточных ШУ происходит срабатывание уз-
лов задержки раскрытия концевых панелей и концевые панели поворачи-
ваются в концевых ШУ на 180°.
Зачековка концевых ШУ свидетельствует об окончании раскрытия
конструкции МУ БС.
3.1. Расчет параметров раскрытия
Раскрытие пакета БС (или панели) рассматривается как вращение
жесткого тела вокруг неподвижной оси (ШУ) и описывается уравнением
Г ^ = Мда-Мс, (3.1)
где I ~ момент инерции раскрываемого элемента относительно оси
вращения кг • м2; - угловое ускорение элемента конструкции ,1/с2;
Мдв - движущий момент пружинного привода, Н • м; Мс - момент сопро-
тивления вращению в шарнирном узле (сопротивление кабеля, трение, те-
леметрический датчик, защелка фиксатора).
Движущий момент определяется по характеристике пружины и кон-
струкции шарнирного узла. Момент сопротивления кабеля, телеметриче-
ского датчика и трение в ШУ берутся из экспериментальных данных. Рас-
чет сопротивления защелки фиксатора приводится в функциональном ана-
лизе. В результате решения уравнения (3.1) получают скорость и время
раскрытия элементов конструкции.
26
3.2. Расчет нагрузок
Расчет динамических нагрузок, возникающих при зачековке, заклю-
чается в определении динамических сил, действующих на сосредоточен-
ные массы расчетной модели при ее свободных колебаниях, вызванных
мгновенным наложением связи (фиксация) на движущуюся с угловой ско-
ростью dFi систему.
Уравнение свободных колебаний системы в выбранной системе ко-
ординат имеет вид
[ж]’ J2Jr+[£]-jr=0, (3.2)
где [ап] - матрица сосредоточенных масс; X ~ вектор перемещений сосре-
доточенных масс; [X] - матрица жесткости.
Уравнение (3.2) преобразуется в уравнение для собственных значений:
[К~Р2-т]-^ = 0, (3.3)
где Д - вектор амплитуд перемещений, характеризующий форму колеба-
ний; Р ~ круговая частота собственных колебаний.
Из уравнения (3.3) определяется матрица собственных форм колеба-
ний [Ф] и вектор собственных частот Р1.
Для каждой и-ой формы колебаний определяется обобщенная масса
Ми и обобщенная жесткость Кп:
Ми =Х'[«]#'; Kn-jhU‘[K\-jh\
где fn“ - транспонированный вектор формы колебаний и-го тона;уй’ - век-
тор формы колебаний и-го тона.
Уравнение колебаний для каждой формы имеет вид
Мп • d2Yn + Kn-Yn = Gww. d2Yn + Рп2 -Yn = 0. (3.4)
Решение уравнения (3.4) имеет следующий вид:
Ки(0 = (dYn(0)/Pn) • sin(P« • f) + Уи(0) • cos(Pn • t\
где Уи(0), dYn(O) - соответственно начальные значения обобщенных пере-
мещений и скорости для и-й формы колебаний.
Величины Уи(0), dYn(0) выражаются через вектор начальных пере-
мещений ДО) и вектор начальных скоростей системы dX(Q):
Yn(Q) = fitu [zn] • ДО) /Мп Р\
dYn(O) = fiiu [m] • dX(0)/Mn.
Вектор динамических сил, действующих на сосредоточенные массы
системы, равен
F1 = [т] • [Ф] • [Рп2 Yn(t)],
где [Рп2 • Ки(0] - вектор обобщенных перемещений, умноженных на квад-
раты собственных частот.
27
С учетом начальных условий ДО), dX(Q) = dF- R, где R - радиус-вектор
положения сосредоточенных масс системы, относительно оси вращения.
Максимальное значение обобщенного перемещения Yn рассчитыва-
ется по формуле
Yn = (fit1' [w] • dFt R)/Мп P. (3.5)
Вектор динамических сил с учетом выражения (3.5) принимает вид
Fh = [от] • [Ф] • [Ри2 Ти].
Момент динамических сил относительно оси вращения при колеба-
ниях по и-му тону равен
Мл -Fn- R.
3.3. Функциональный анализ
Расположение пакетов панелей БС в транспортировочном положе-
нии в зоне полезного груза (рис. 3.1) обеспечивается их установкой по кон-
структорской документации.
Заданная конфигурация панелей БС в рабочем положении (рис. 3.2)
обеспечивается после срабатывания пироузла, замков зачековки панелей,
поворотом и фиксацией в рабочем положении панелей в ШУ.
Функция закрепления в транспортировочном положении осуществ-
ляется замками зачековки панелей БС, которые удерживаются от срабаты-
вания тросовыми тягами, связанными с пироузлом, и выполняется при сле-
дующих условиях:
- несрабатывание замков зачековки до команды на пироузлы;
- неразрушение силовых элементов.
Несанкционированное срабатывание замков зачековки возможное
из-за несанкционированного срабатывания пироузла от разряда статиче-
ского электричества устраняется металлизацией конструкции.
Неразрушение силовых элементов МУ БС обеспечивается проекти-
рованием элементов с запасом прочности не менее [1] при действии худ-
шего сочетания нагрузок при транспортировке, старте, на участке выведе-
ния, и разделении ступеней.
На орбитальном участке при переводе панелей БС в рабочее поло-
жение МУ работают в режиме развертывания.
Функционирование МУ БС происходит в следующей последователь-
ности:
1) после прохождения КО от БУ БКУ подается питание на пирочеки,
происходит срабатывание верхних и нижних замков и пакеты БС повора-
чиваются на 72° в корневых ШУ;
2) при зачековке корневых ШУ происходит срабатывание узлов за-
держки раскрытия промежуточных панелей и промежуточные панели (со-
вместно с концевыми) поворачиваются на 180° в промежуточных ШУ;
28
3) при зачековке промежуточных ШУ происходит срабатывание уз-
лов задержки раскрытия концевых панелей и концевые панели поворачи-
ваются в концевых ШУ на 180°.
Зачековка концевых ШУ свидетельствует об окончании раскрытия
конструкции МУ БС.
Раскрытие выполняется при превышении усилий (моментов), обес-
печивающих срабатывание узлов, над усилиями (моментами) сопротивле-
ния срабатыванию.
Расчет усилий (моментов) в узлах МУ БС проводится при оценке на-
дежности.
Функционирование замка (рис. 3.4) происходит в следующей после-
довательности:
1) после срабатывания пироузла под действием пружины 1 через ка-
чалку 7 и звено 6 крючок 5 поворачивается на оси О4;
2) после поворота крючка на угол 10° освобождается упор, который под
действием пружины 14Ф112.0100-112, установленной на оси вращения упора,
поворачивается и освобождает пакет 4 от закрепления в верхнем замке.
Рис. 3.4. Конструктивная схема верхнего замка зачековки пакета:
1 - пружина; 2 - пружина; 3 - упор; 4 - пакет панелей БС; 5 - крючок; 6 - звено;
7 - качалка; 8 - тяга; О4 - ось
29
Надежный выход пакета из замка обеспечивается толкателем с двумя
последовательно установленными пружинами.
Расчетная схема для определения действующих моментов изображе-
на на рис. 3.5.
Snp2
Рис. 3.5. Расчетная схема верхнего замка зачековки пакета:
1 - пружина; 2 - упор; 3 - крючок; 4 - звено; 5 - качалка
30
Движущий момент Мдв (О4) описывается уравнением
мда(о4)=а.д, (3.6)
где Qi ~ сила, поворачивающая крючок 5, Н; L\- плечо силы Qi относи-
тельно оси (?4, м.
Сила Qi определяется по формуле
й-^.
где M(Oj) - момент, поворачивающий качалку на оси Ob Н • м; Ь2 - плечо
силы Q\ относительно оси м.
С учетом сил, препятствующих повороту качалки, момент M(Oi) рас-
считывается по выражению
М(О1) = 0пр-А-Л1 (3.7)
гДв бпр ~ усилие пружины, Н; - усилие протягивания троса в тяге, Н;
R\ ~ реакция на оси О\9 Н; Z3, Ц - линейные размеры, м; г\ ~ радиус оси О1} м;
/= 0,2 - коэффициент трения скольжения.
Формула для вычисления реакция R\ имеет вид
Л = ^(бпр) +(0ф) •
В соответствии с требованиями чертежа (КД):
1) пружина регулируется на размер, соответствующий усилию 280±10, Н;
2) усилие протягивания троса в тяге не более 20 Н.
Минимальный момент М™П(О4) реализуется на момент поворота
крючка на угол 10°; при этом усилие £“in определяется по диаграмме пру-
жины с учетом уменьшения ее длины при повороте звена.
Коэффициент трения принимается равным /гаах = 0,2.
Исходные данные и результаты расчета М™(04) приведены в табл. 3.1,3.2.
Таблица 3.1
Линейные размеры, м-10 3
12 д П у max
28 30 30 35 4 0,2
Таблица 3.2
Силы и] реакции, Н Моменты, Нм
Л)тах »тр (Зтт Rt er M(<?i)mm
20 233 234 203,3 6,1 5,7
31
Момент Мс сопротивления повороту крючка определяется по формуле
Мс(О4) = Г£5+А4-г4-/+Я3г3/ + Л2-г2-/, (3.8)
где Т = Q2 • сила трения крючка по упору, Н; Q2 ~ сила, действующая
на крючок от упора, Н; Л4 - реакция на оси О4, Н; R2 = R3 = Qi - реакции
на осях О2, Оз, Н; r2, r3 ,г4- радиусы осей О2, Оз, О4, м.
Реакция R± равна
^=>Ы2+к)2.
где ^ = g2+Qcosa -проекция реакции/^ на ось ОУ, Н; 7?^ = Q-sina -про-
екция реакции Я4 на ось ОУ, Н; a = 50° - угол между направлением оси ОХ
и силы б/
Сила Q2 вычисляется по формуле
где М(О5) - момент, действующий на упор, Н • м; Ц - плечо силы Q2 отно-
сительно оси О5, м.
Расчет момента М(О5) запишем в виде
M(OS)=83-L,+M„
где бз- сила, действующая на упор, Н; Мп - момент пружины 14Ф112.0100-112,
установленной на оси поворота упора, Н • м; £7 - плечо силы бз относи-
тельно оси 0$, м.
Сила бз описывается уравнением
а=----------------—, (з.9)
3 cos30°
„ Мшуп
где бщуп = —~~ сила’ действующая на упор от пружинного привода в кор-
невом ШУ пакета, Н; Мшуп“ момент в корневом ШУ пакета, Н • м; £п рас-
стояние от корневого ШУ пакета до точки приложения силы бшуп> м;
бт“ усилие пружины 11Ф663.0100-16, установленной в толкателе, Н; Мп-
момент пружины 14Ф112.0100-112, установленной на оси О5 поворота
упора, м; бпР2_ усилие пружины 721.0100-22 (см. рис. 2.6.) поджимающей
шток датчика, Н; £8> Ц - линейные размеры, м.
Максимальный момент реализуется при максимальных значениях Мщуп,
бт5 Мп2, бпр2»
32
Исходные данные и результаты расчета момента М™2* (О4) приведе-
ны в табл. 3.3—3.5.
Таблица 3.3
Линейные размеры, м-10 3
Ls L6 L, l9 г^гз Г4
32 15 20 38 24 1400 2 4
Таблица 3.4
Силы и реакции, Н
Отах *4р2 £)тах КъКз Т Оз £?шуп
38,5 232,9 82,5 203,3 393,5 46,6 171,0 4,7
Таблица 3.5
Моменты, Н м
М™4 щуп Мт« М(О5) М^“(О4)
6,6 0,074 3,49 1,9
После поворота крючка и освобождения упора в соответствии с рас-
четной схемой, изображенной на рис. 3.5, момент Мда(О5) определяется
по формуле
мд,(о5)=мп+е317.
Минимальный момент М™П(О5) реализуется при М™п, М“^,
eimin
пр2 ’
Момент Мс (О5) определяется по формуле
Мс(О5) = А5г5-/.
Максимальный момент М^1ах(О5) реализуется при максимальном зна-
чении коэффициента/; в расчете принято= 0,2.
Функционирование нижнего замка (рис. 3.6) происходит в следую-
щей последовательности:
1) после срабатывания пироузла под действием пружины 6 через плас-
тину и звено крючок поворачивается на оси Од,
2) после поворота крючка на угол 10° освобождается упор с крюч-
ком, который под действием двух пружин поворачивается и освобождает
пакет панелей от закрепления в нижнем замке. Расчет функционирования
проводится аналогично как и для верхнего замка.
33
Рис. 3.6. Конструктивная схема нижнего замка зачековки пакета панелей:
7— пружина 11Ф628.1600-219А1; 2 - пакет панелей; 3 -упор 14Ф113.0130-07 с крючком 0100-203;
4 -пружина 11Ф638.1711-01; 5 -тяга 0100-500; б -пружина 11Ф628.1600-04А1; 7-пластина
14Ф113.0100-02; 8-звено 11 Ф647.0100-09; 9-крючок 11Ф663.0100-19
3.4. Система синхронизации раскрытия панелей
Системой синхронизации обеспечивается организованный процесс
раскрытия каркасов БС. Раскрытие каждого крыла происходит синхрон-
но при помощи системы синхронизации, обеспечивающей равномерное
и пропорциональное в соответствии с коэффициентом редукции раскры-
тие всех ШУ (рис. 3.7, 3.8).
Моменты М'с и М^1, действующие в каждой паре шарнирных узлов
от системы синхронизации (рис. 3.9), определяются выражениями
-Ссс-АСфлЛ-Фм1^)..
приФ.^<Ф(+1-д+1;
Ф(-/?(>Ф,.+1-/г(+1
(З.Ю)
мм
М,+ — s
“ [-C^^R.-^R,^
Ф,.-Я,<Ф/+1-Я/+1
при ,
Ф,-Д>Фм
где Ссс - жесткость каната системы синхронизации, Н; фг-ы - углы рас-
крытия пары синхронизируемых шарнирных узлов; Rb Ri+} - радиусы ро-
ликов системы синхронизации в шарнирных узлах ШУ1 и ШУ2 соответст-
венно; Ri9 Ri+i - радиусы роликов системы синхронизации в парах шарнир-
ных узлов ШУ2 и ШУз, ШУ3 и ШУ4, ШУ4 и ШУ5 соответственно.
34
Рис. 3.7. Система синхронизации
Рис. 3.8. Конструктивная схема крыла БС в рабочем положении:
1 ~ ШУ 1; 2 - ШУ2; 5 - корневая створка; 4 - ШУ4; 5 - вторая промежуточная створка;
6 - ШУ5; 7 - концевая створка; 8 - первая промежуточная створка; 9 - ШУЗ;
10 - устройство синхронизации; 11 - рама; 12 - устройство поворота (блок Э16)
Рис. 3.9. Расчетная схема для определения реакций в ШУ
Жесткость троса СС EF определялась двумя способами. В соответст-
вии с ГОСТ 2172-80 относительное удлинение е каната при нагружении 60 %
разрывного усилия Р не превышает величины 0,8 %.
В этом случае EF= 60 Р / г = 60 1 969 / 0,8 = 147 675 Н.
В другом варианте считалось, что канат - это стальной стержень
(Е = 2 • 1011 Н • м2), площадь F сечения которого равна площади сечения
каната (F=1,58 мм2), т. е. EF = 316 000 Н.
Момент Мдв ((pi), приведенный к ШУ1, определяется по формуле
Чв (<Pi)=Ч» (ч>1)+—•м» (<Рг)+—• (Фз)+—мж (ф< )+—М’.(ф5), (3.11)
Ф1 Ф1 Ф1 Ф1
где М;та - движущий момент в соответствующем шарнире.
Усилие в тросе системы раскрытия ШУ! и ШУ2 равно
=7(7?+т»+т;р+(^-^+T^+2(Tj+T»2+Т^—Tf+TK), (3.12)
где Гк = 24,5Н (усилие температурного компенсатора),
Л/f 1 max
рв - м
rl+rk
+Д7’1;
КДтах
тв _ да..
r2 + rk
*^^2(3)»
N/Tlmax Л/[2тах
Тв=-^2-+Д7’4; Л.=^а_+дг
П + гк r2+rk
36
где £i = 0,019 5м - расстояние от места закрепления пружины до оси ШУ;
ДГ1(2.6) ~ усилия натяжения от дополнительных роликов системы раскры-
тия, определенные в соответствии с расчетной схемой (рис. 3.9) по формуле
ДГ = 2 ^L.cosa''ro'/; (3.13)
' rPi + rk
где и == 0,044 м, г2 = 0,022 м - радиусы роликов системы раскрытия;
гк = 0,000 9м- радиус каната системы раскрытия; rpi - радиусы дополни-
тельных роликов системы раскрытия; г0 = 0,002 м - радиус оси поворота
дополнительного ролика; /= 0,2 - коэффициент трения.
Контрольные вопросы и задания
1. Для чего предназначены механические устройства БС и какие вы-
полняют функции?
2. Каким воздействиям подвергаются МУ БС в процессе эксплуатации?
3. Какие виды анализов проводят для механических устройств БС?
4. Приведите основные конструктивные элементы пакета панелей БС.
5. Перечислите типы приводов для раскрытия панелей БС их досто-
инства и недостатки.
6. Перечислите основные кинематические схемы развертывания па-
нелей БС.
7. Каковы основные подходы при расчете нагрузок и параметров
раскрытия МУ БС.
8. Приведите последовательность функционального анализа МУ БС.
9. Каковы критерии надежного функционирования механических уст-
ройств?
10. Опишите конструкцию и последовательность функционирования
замка зачековки.
II. Каково назначение и конструктивное исполнение системы син-
хронизации.
4. МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ЖАЛЮЗИ
Механические устройства жалюзи предназначены для обеспечения
теплового режима в гермо контейнере космического аппарата на весь срок
активного существования.
Они выполняют следующие функции:
- установка створок жалюзи и закрепление их в транспортировочном
положении на КА в ЗПГ (рис. 4.1);
~ освобождение створок жалюзи от закрепления в транспортировоч-
ном положении;
37
. - перевод каждой пары створок жалюзи из одного крайнего положе-
ния в другое не менее ЗЮ4 раз (рис. 4.2).
Рис. 4.1. Конструкция жалюзи в сложенном положении:
1 - створка жалюзи; 2 - замок зачековки; 3 - шарнирный узел створки;
4 -привод 11Ф654.1310-0
1 1
Рис. 4.2. Створки жалюзи в раскрытом (крайнем) положении:
1 - створка жалюзи в раскрытом положении; 2 - комплект тяг
Расположение створок жалюзи в транспортировочном положении
в зоне полезного груза на КА обеспечивается их установкой по конструк-
торской документации.
38
Закрепление каждой пары створок в транспортировочном положении
осуществляется устройством зачековки, в состав которого входят замки,
удерживаемые от срабатывания связью с УО, и выполняется при следую-
щих условиях: 1) неразрушение силовых элементов, 2) несрабатывание
замков зачековки до отделения КА.
Неразрушение силовых элементов МУ жалюзи обеспечивается про-
ектированием элементов с запасом прочности не менее [1] при действии
худшего сочетания нагрузок при транспортировке, старте, на участке вы-
ведения, при разделении ступеней.
Освобождение каждой пары створок жалюзи от закрепления в транс-
портировочном положении выполняется при следующих условиях: 1) осво-
бождение замков от связи с УО; 2) срабатывание замков.
Освобождение замков от связи с УО обеспечивается заданным пере-
мещением троса (по конструкторской документации).
Срабатывание замков обеспечивается превышением усилия пружины,
обеспечивающей срабатывание, над усилиями сопротивления срабатыванию.
Расчет усилий в замках, проводится при оценке надежности.
Перевод каждой пары створок жалюзи из одного крайнего положе-
ния в другое выполняется при следующих условиях: 1) срабатывание уст-
ройства поворота каждой пары створок; 2) перевод створок из одного
крайнего положения в другое обеспечивается превышением момента, раз-
виваемого электро-приводом, над моментом сопротивления повороту
створок.
Контрольные вопросы и задания
1. Для чего предназначены механические устройства жалюзи?
2. Назовите основные функции механических устройств жалюзи?
3. Перечислите элементы конструкции жалюзи в сложенном поло-
жении?
4. При каких условиях выполняется освобождение каждой пары
створок жалюзи от закрепления в транспортировочном положении?
5. МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА АНТЕНН
Механические устройства антенн предназначены для осуществления
перевода функциональных элементов из стартого в орбитальную конфигу-
рацию.
В состав МУ антенн входят (рис. 5.1): 1) МУ зачековки и раскры-
тия рефлектора антенны; 2) силовая рама; 3) замки зачековки силовой
рамы на платформе МПН; 4) штанга; 5) замки зачековки штанги; 6) шар-
нирные узлы штанги; 7) электромеханические привода (функционально);
8) блок механический системы поворота антенны (функционально); 9) пи-
роузел.
39
Элементы МУ антенн проектируются с запасом безопасности более
10 % по пределу текучести при действии худшего сочетания нагрузок при
транспортировке, при старте, на участке выведения, при разделении сту-
пеней.
На орбитальном участке при переводе штанг с антеннами в рабочее
положение МУ работают в режиме развертывания.
Рис. 5.1. Схема размещения антенн:
1-5 - антенны
Закрепление антенн в транспортировочном положении осуществля-
ется замками (рис. 5.2, 5.3).
После срабатывания пироузла освобождается тяга, под действием
пружины через рычаг и звено крючок поворачивается на оси и освобожда-
ет антенну (сферу) от закрепления (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Замок в транспортировочном положении:
1 ~ сфера, 2 - пружина, 3 - коромысло, 4 - рычаг,
5 ~ пружина, 6 - тяга, 7 - звено, 8 - крючок
40
о
Рис. 5.3. Замок в рабочем положении
Расчетная схема для определения действующих моментов изображе-
на на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Расчетная схема определения действующих моментов:
1 - крючок; 2 - сфера; 5 - пружина; 4 - коромысло; 5 - рычаг; 6 - пружина;
7 - тяга; 8 - звено
41
Движущий момент Мдв, поворачивающий крючок на оси опреде-
ляется по формуле
= (5.1)
где Q - усилие, действующее на крючок; L\ - плечо силы Q относительно
оси О\.
Сила Q определяется по формуле
где М(О3) - момент, поворачивающий рычаг на оси О3; Ь2 - плечо силы Q
относительно оси О3.
Момент М(О3) определяется по формуле
М(Оз) = 0пр1-1з~ бтр ^4-Лз -Гз /, (5.2)
где 2npi - усилие пружины, Н; 0^ - усилие протягивания троса в тяге, Н;
R3= бпр] + 0тр - реакция на оси О3, Н; г3 - радиус оси О3, м; Ц - плечо си-
лы 0гр относительно оси О3, м .
Расчет проводится для минимального значения усилия пружины и мак-
симального значения коэффициента трения /== 0,3, при этом значение Мдв
является минимальным.
Конструктивное исполнение механизма раскрытия рефлектора показано
на рис. 5.5. Поворот силовых спиц в рабочее положение обеспечивается спи-
ральными пружинами (пружины кручения). За 3° (4 мм хода штока) до рабо-
чего положения происходит срабатывание подтягивающих устройств (рис. 5.6)
и натяжение сетеполотна совместно с основными пружинами раскрытия.
Рис. 5.5. Механизм раскрытия рефлектора
42
Необходимый движущий момент основных пружин раскрытия опре-
деляется величиной натяжения сетеполотна на момент срабатывания под-
тягивающих устройств и сопротивлением их взведения.
Механизм раскрытия рефлектора предназначен для перевода реф-
лектора из транспортировочного положения в рабочее и фиксации силовых
спиц в этом положении с обеспечением требуемой надежности функцио-
нирования, жесткости и точности положения. Механизм раскрытия должен
обеспечивать синхронное развертывание спиц рефлектора как механиче-
скими приводами (пружины), так и электромеханическим приводом. При
этом электромеханический привод выполняет функцию регулятора скоро-
сти и синхронизатора движения силовых спиц, а при необходимости - функ-
цию исполнительного элемента в создании движущего момента.
Конструктивное исполнение устройства поворота рефлектора приве-
дено на рис. 5.7.
Узел поворота (УП) предназначен для поворота рефлектора из транс-
портировочного положения в рабочее и зачековки его в рабочем положении.
Технические требования:
1. Размещение УП в транспортировочном положении в зоне разме-
щения штанги при сложенном положении рефлектора.
2. Обеспечение необходимой жесткости УП в транспортировочноми
рабочем положении.
3. Обеспечение надежности функционирования УП.
4. Обеспечение погрешности воспроизводимости поворота не более
0,008° при 30 циклах раскрытия-закрытия.
5. Обеспечение трехкратного превышения момента движения над
моментом сопротивления на всем угле поворота УП.
43
6. Обеспечение погрешности взаимного положения посадочных поверх-
ностей УП под штангу и под БМСПР в рабочем положении не более 0,005°.
Использование механизма выдвижения мачты обеспечивает поворот
рефлектора с угловой скоростью, определяемой скоростью движения мач-
ты (имеющееся движение), при минимальной массе и количестве входя-
щих деталей.
Конструктивное исполнение механизма поворота силовых спиц при-
ведено на рис. 5.8 и 5.9 На неподвижном основании закреплены шарнир-
ные устройства силовых спиц. Между неподвижным основанием и под-
вижной кареткой по окружности через 120° установлены три направляю-
щих стакана с пружинами.
44
Рис. 5.8. Начальное положение механизма поворота силовых спиц
Рис. 5.9. Конечное положение механизма поворота силовых спиц
Для повышения эффективности пружин в создании максимального
движущего момента подвижная каретка связана с корневым звеном спицы
через рычажный механизм. Рычажный механизм состоит из двух тянущих
рычагов, шарнирно соединенных между собой, и диагонального (упорно-
го), соединенного с тянущими вилочным соединением. При выпрямлении
рычагов в линию вилка упорного рычага выходит из зацепления и исклю-
чается из силовой схемы поворота корневого звена спицы. Пружины пере-
мещения верхней каретки настраиваются до рабочего усилия механизмом
взведения.
Основные реакции при работе верхнего рычажного механизма в про-
цессе раскрытия силовой спицы показаны на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Реакции в рычажном механизме:
Р - усилие пружин верхней каретки; Ru R2, R3 - реакции в рычажном механизме;
R4 - реакция в тяге механизма редукции; 7?щу - реакция в шарнирном узле спицы
46
В момент страгивания (начало поворота корневого звена) движущий
момент определяется:
M=Rxh,
=Р I sin а-реакция в рычагах от усилия пружин, Р; h = 0,243 м • cos 0-
плечо реакции R\,
Сжимающее усилие на упор Р3 = R\ / sin 0.
Механизм редукции предназначен для организации синхронного
движения звеньев силовой спицы в соответствии с коэффициентом редук-
ции. За счет жесткой реактивной тяги механизм редукции реверсивный.
В состав механизма входят (рис. 5.11): реактивная тяга; рычаг реактивной
тяги; два промежуточных рычага; профилированный ролик; шарнирные
соединения.
Рис. 5.11. Механизм редукции с реактивной тягой
Характерной особенностью движущего момента, создаваемого пру-
жинами механизма редукции, является значительная величина страгиваю-
щего момента и повышение к концу раскрытия (натяжение формообра-
зующей). Данный характер зависимости определяется конструктивным ис-
полнением элементов механизма редукции (рис. 5.12).
47
Рис. 5.12. Начальное положение механизма редукции
Механизм начального движения силовых спиц рефлектора
Схема начального поворота спиц откидным подкосом, приведена на
рис. 5.13-5.15. Принцип его работы заключается в следующем:
- выдвижение мачты с вытягиванием ленточных тяг с разворотом
откидного подкоса, шарнирно закрепленного на спице на 108°, что соот-
ветствует перемещению мачты на 855 мм (рис. 5.14);
- дальнейшее перемещение мачты до 1 812 мм с поворотом силовой
спицы до угла 40° (рис. 5.15); ------------
- выход ленты из зацепления с откидным подкосом и дальнейший
разворот спицы под действием усилия в ленточной тяге при перемещении
мачты до рабочего положения.
Максимальное осевое усилие, развиваемое приводом, приходящееся
на одну спицу составляет: Р = 1 650 Н /12 = 137 Н.
Усилие в ленточной тяге: F = Р / cos а = 137 Н / cos 55° = 239 Н.
Начальный момент, поворачивающий подкос:
М == 239 Н • (0,03- sin 55° ) = 6,4 Н • м.
48
Рис. 5.13. Начальное положение подкоса
Рис. 5.15. Выход тянущей ленты из откид-
ного подкоса
Рис. 5.14. Начало поворота спицы
Движущий момент относительно шарнира спицы (угол поворота от-
кидного подкоса 108°) равен
М = Р / cos си • L,
где си = 58°; L = 0,697 м; М = 137 Н / cos 58° • 0,697 м = 197 Н • м.
Сжимающее усилие на откидной подкос Р = 239 Н • cos 50° = 153 Н.
Величина движущего момента относительно шарнира спицы до угла 40°
(поворот спицы совместно с откидным подкосом) изменяется незначитель-
но, в дальнейшем идет его увеличение, по мере увеличения плеча раскры-
вающего усилия в тяге, после отхода упора.
При раскрытии рефлектора в рабочее положение необходимо пре-
одолеть сопротивление натяжения сетеполотна с усилием 5 Н • м (отно-
сительное удлинение 10 %), сопротивление натяжения тросовой систе-
мы формообразующей структуры с усилием 50 Н/м (относительное уд-
линение 0,5 %), момент сопротивления в парах вращения и системы
фиксации.
Момент Мс от натяжения сетеполотна при раскрытии спиц парабо-
лического рефлектора представляет собой суммарный момент от действия
распределенной нагрузки q вдоль спицы, обусловленной натяжением се-
теполотна (рис. 5.16).
Мс; = \m-dr, (5.3)
с° R
где т- q • h- момент от натяжения сетеполотна в некоторой точке спи-
цы, Н • м; q - сила натяжения в некоторой точке спицы, Н; h = г • cosy - пле-
чо силы q, м; г - расстояние от оси поворота спицы до произвольной точ-
ки, м; у - угол между г и осью OZ (при г = R, у = ф); R - расстояние от оси
поворота спицы до конечной точки спицы, м.
Сила q складывается из двух составляющих qn и qn, действующих
в горизонтальной плоскости вдоль линий натяжения, соединяющих сосед-
ние спицы (рис. 5.16). В силу осевой симметрии конструкции qn = <?п, а ре-
зультирующая сила направлена в горизонтальной плоскости к фокальной
оси параболоида: ----
_ „ .а
^ = 2^nsm-,
2тг
а =—,
п
где п = 12.
50
Рис. 5.16. Направление сил натяжения
Зависимость между дл,п и удлинением е сетеполотна между двумя
соответствующими точками на соседних спицах выражается формулой
?л,п
1 7
Где е = —u = -L -1; /0 - длина сетеполотна между двумя соответствующей-
ми точками на соседних спицах в свободном состоянии; ZT - длина сетепо-
лотна между двумя соответствующими точками на соседних спицах в неко-
торый момент времени в процессе натяжения сетеполотна; и, w - коэффи-
циенты, определенные в процессе подбора эмпирической формулы для ус-
тановленной из эксперимента зависимости <?=У(е)-
51
По результатам испытаний образцов сетеполотна запишем
^=467-84
Длина сетеполотна /т определяется (рис. 5.16) по формуле
1Т = 2а sin— + 2г • sin у • sin-j = 2 • sin—(а + г • sin у). (5.4)
Для полностью раскрытого рефлектора /т = ZK получим уравнение вида
/т=2-8т--(а + г-8шук).
При этом длп = и следовательно
(i Г I
&=«•-г-1 ;4=—т—>
\ 0 / (л Aw
— +1
V и J
(5.5)
где /к - длина сетеполотна между двумя соответствующими точками со-
седних спиц в раскрытом положении рефлектора.
Схема для определения г и у показана на рис. 5.17, что можно пред-
ставить в виде
г = -yj(x - a)2 +(z~ b)2. (5.6)
В раскрытом положении рефлектора зависимость между х и z рас-
сматриваемой параболы выражается следующими уравнениями:
х2 , а2
z-— и 6 =—.
4F 4F
С учетом этих зависимостей выражение примет вид
г=^^716F2+(x+a)2 •
Представим зависимости, изображенные на рис. 5.17 в виде
х = AR • созсц - zx • sin а! + а,
z = AR • sin 04 - Zj • costtj + 6,
(5.7)
Отсюда
2F
sin у
\2
я-этом AK’sina,
cosa, +------ +----------1
1 2F J F
-созоц
(5.8)
52
Я А
у = ~-а +Ду.
(5.9)
(5.Ю)
Суммарный момент от натяжения сетеполотна определяется по формуле
я a R
Мс= k’^-cosydr = 2sin--w f<
о 2 о
а + r -sin у
a + r -sinyK
+ 1 -В r-cosyJr.
53
Для определения момента необходимо интегрировать уравнение с уче-
том формул (5.6), (5.9), (5.10) при условии, что при 1Х < Ц = 0.
Этим условием определяется граница натяжения сетеполотна между
спицами, так как в создании силы и момента участвует только натянутая
часть сетеполотна, а свободно провисающая исключается.
При установке рефлектора в рабочее положение создается дополни-
тельный момент сопротивления от тросовых шпангоутов (формообразую-
щая структура). Сопротивление Мтш определяется аналогично сопротивле-
нию от натяжения сетеполотна. Схема для расчета показана на рис. 5.18.
Мпп для каждого пояса определяется по формуле
Мтш.=2Ртш^-51П^СО8У(, (5.11)
где ртш - усилие натяжения формообразующей структуры.
54
Контрольные вопросы и задания
1. Приведите состав механических устройств антенн и их назначение.
2. Укажите основные конструктивные элементы замка зачековки и опи-
шите принцип работы.
3. Каково конструктивное исполнение механизма раскрытия рефлек-
тора и его логика функционирования?
4. Перечислите основные принципы гарантирования надежности МР.
5. Для чего предназначено подтягивающее устройство?
6. Приведите технические требования к устройству поворота реф-
лектора.
7. Опишите конструкцию верхнего устройства поворота силовых спиц.
8. Раскройте назначение и конструктивное исполнение механизма
редукции раскрытия силовой спицы.
9. Охарактеризуйте назначение и конструктивное исполнение меха-
низма начального движения силовых спиц.
10. Опишите последовательность функционирования механизма на-
чального поворота силовой спицы.
11. Перечислите основные силы сопротивления, возникающие при
развертывании рефлектора?
6. КОНЦЕПЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Решение многих задач с использованием трансформируемых косми-
ческих конструкций требует наряду с очень высокой точностью в геомет-
рии, высокую надежность функционирования.
Во-первых, надежность процесса раскрытия зависит от сложности
движения элементов конструкции и возможности обеспечения резервиро-
вания исполнительных элементов (приводов). Во-вторых, надежность в дос-
тижении необходимой точности рефлектора зависит от возможности кон-
струкции достигать высокой позиционной стабильности.
Увеличение габаритных размеров конструкции значительно услож-
няет кинематику развертывания элементов конструкции и, как следствие,
повышению энерговооруженности исполнительных элементов (приводов).
Требование по надежности развертывания должно являться определяю-
щим при проектировании конструкции трансформируемых систем. Анализ
надежности имеет максимальную эффективность, если он проводится па-
раллельно с начальным этапом проектирования, выявляя критичные эле-
менты, которые, в случае необходимости, могут быть усовершенствованы
(доработаны) путем резервирования или замены. Однако полученный в ре-
зультате прогноз надежности вряд ли представляет собой реальную оцен-
55
ку, если только изначально не следовать правилам проектирования на про-
тяжении всех этапов разработки. Эти правила включают следующие осно-
вополагающие моменты: для раскрытия (развертывания) необходимо ис-
пользование больших запасов по силе или движущему моменту. Привод
должен обеспечивать превышение движущего момента над моментом со-
противления не менее 200 % на всем угле раскрытия, а на начальных эта-
пах закладывать и большую величину.
Исходя из последовательности функционирования крупногабаритно-
го рефлектора, надежность определяется выполнением в заданной после-
довательности следующих событий:
- начальное страгивание элементов конструкции;
- разворот (или перемещение) на соответствующие углы (длину) до
рабочего положения;
- фиксация в рабочем положении.
Надежность страгивания достигается применением начальных тол-
кателей (механизм начального движения), создающих небольшим усилием
значительную величину движущего момента.
Надежность развертывания в рабочее положение определяется ре-
зервированием приводов раскрытия (дублированием) - раскрытие пружи-
нами и сдерживание электромеханическим приводом, с двойным функ-
циональным назначением.
Надежность фиксации в рабочем положении определяется превыше-
нием движущего момента над моментом сопротивления не менее, чем на
200 % на всем угле раскрытия, а также применением подтягивающих уст-
ройств, работающих в момент фиксации.
Необходимо исключить применение неуправляемых механизмов или
схем развертывания. Процесс развертывания (раскрытия) должен быть
полностью управляемым и предсказуемым на всем временном диапазоне
функционирования.
Для антенн, учитывая значительные размеры радиоотражающей по-
верхности рефлектора, в обеспечение надежности, исключения зацеплений
и механических повреждений, необходимо предусмотреть и разработать
мероприятия, обеспечивающие организованное развертывание сетеполотна
и формообразующей структуры: —------------
- схему упорядоченного размещения «пакетов» сетеполотна и эле-
ментов формообразующей структуры между элементами конструкции си-
лового каркаса рефлектора в транспортировочном положении;
- систему фиксации сетеполотна и формообразующей структуры в на-
пряженном состоянии;
- методы организации упорядоченного движения сетеполотна и эле-
ментов формообразующей структуры при раскрытии рефлектора (силовых
спиц);
56
- систему контроля упорядоченного (организованного) движения се-
теполотна и формообразующей структуры при раскрытии рефлектора.
Кинематическая схема раскрытия элементов конструкции рефлекто-
ра (силовых спиц) должна обеспечивать надежное раскрытие и фиксацию
элементов конструкции в рабочем положении с обеспечением заданных
требований по надежности, прочности и точности положения - сохранение
несущей способности при воздействии нагрузок активного участка выве-
дения и фиксации в рабочем положении в момент раскрытия.
Количество конструктивных элементов рефлектора, шарнирных уз-
лов определяется компоновкой конструкции в зоне полезного груза, а так-
же минимальной величиной суммарного сопротивления раскрытию.
Минимальное количество поясов зачековок в транспортировочном
положении определяется критерием сохранения работоспособности конст-
рукции от воздействия нагрузок активного участка.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие события определяют надежность функционирования МУ?
2. Опишите пути обеспечения надежности развертывания до рабоче-
го положения.
3. Перечислите мероприятия, обеспечивающие надежность развер-
тывания крупногабаритного рефлектора.
4. Как выбирается кинематическая схема развертывания исходя из
гарантирования надежности?
5. Опишите способы воздействия, гарантирующие страгивание эле-
ментов конструкции.
6. Какими способами гарантируется фиксация в рабочем положении?
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Основная часть этой главы посвящена системному рассмотрению
каждого типа раскрываемых механических устройств. Особое внимание
уделяется их специфическим особенностям. Существует большое количе-
ство правил, которые являются общими для всех раскрываемых систем
и достоинства которых будут рассмотрены ниже. Среди них - правила про-
ектирования, которым необходимо следовать при разработке любой систе-
мы; аспекты проблем надежности и уязвимости, относящиеся, в частности,
к раскрываемым системам; перечень вопросов, которые необходимо за-
дать, прежде чем определить, какая из раскрываемых систем будет наи-
лучшим образом соответствовать задачам функционирования МУ. В заклю-
чительной части рассмотрены два дополнительных аспекта, представляю-
щих интерес для всех раскрываемых систем: критичные механизмы и ас-
пекты испытаний.
57
7.1. Правила проектирования
Проектирование механических устройств (средств раскрытия) - это
искусство, добившееся значительного прогресса в последние годы, в ос-
новном, путем проб и ошибок. Механизмы раскрытия разрабатываются во
всех секторах аэрокосмической индустрии: от правительственных центров
и производителей больших космических аппаратов, изготавливающих сис-
темы под каждую конкретную программу, до небольших компаний, изго-
тавливающих типовые системы с целью развития коммерчески доступной
продукции, до поставщиков отдельных механизмов, таких как шарниры,
исполнительные органы, фиксаторы и переключатели. Опыта набираются
как на успехах, так и на провалах, из публикаций и на конференциях, и по-
хоже, что набор правил проектирования существует в любой организации,
участвующей в разработке и использовании раскрываемых систем. К со-
жалению, многие из этих правил так никогда и не появлялись на бумаге, но
остаются лишь в головах ведущих проектантов и инженеров.
Некоторые правила являются общими для всех форм инженерного
проектирования, в то время как другие являются специфическими для про-
ектирования раскрываемых конструкций. Этот список никоим образом не
претендует на абсолютную полноту и, вероятно, любой специалист по ме-
ханизмам может либо добавить в него несколько позиций по своим меха-
низмам, или же, напротив, что-то исключить из него.
1. Используйте большие запасы по силе и крутящему моменту (дви-
жущей силе) для раскрытия. Обычно требуется запас в 100 %, отнюдь не-
плохо показать и 200 %, а на этапе проектирования будет умным шагом
начать с 400 %.
2. Избегайте применения неуправляемых механизмов.
3. Используйте механические демпферы для защиты раскрываемых
систем и окружающей их конструкции в случае неуправляемых раскрытий.
4. Обеспечивайте доступ к оборудованию в сложенной конфигура-
ции для ручной и визуальной проверки всех элементов на предмет их
функциональности.
5. Не верьте, что трение может помочь функционированию на орбите.
6. Используйте, в случае необходимости, кинематические крепления,
чтобы изолировать раскрывающиеся системы от вибрации КА или чтобы
защитить КА от динамики раскрытия.
7. Определите все соответствующие условия внешней среды, которым
могут подвергаться механизмы раскрытия, включая изготовление и сборку,
приемочные испытания, хранение, отправку, интеграцию и проверки в со-
ставе КА, запуск и функционирование на орбите.
8. Как можно ранее по программе полностью определите и испытай-
те (аттестуйте) все наземное вспомогательное оборудование, которое мо-
жет потребоваться вплоть до момента запуска.
58
9. Рассчитайте и испытайте, если возможно, все запасы на полностью
собранной конструкции.
10. Измерьте все критичные зазоры на всех блоках, чтобы подтвер-
дить, что они находятся в заданных пределах, если они слишком большие
или слишком малые. Это может означать, что где-то допущена ошибка.
11. Всегда уделяйте особое внимание испытаниям, включая вибра-
ционные испытания на прочность. Это абсолютно необходимо, чтобы быть
уверенным в своей разработке и в том, что она стоит затрат на нее.
12. Помните о гравитационных эффектах во время проведения на-
земных испытаний. Это может оказаться неожиданно полезным, но очень
важным фактором (например, выведение бездействующих вытяжных шну-
ров в нужное направление и форму).
13. Полностью проверьте, может ли что-либо предположительно
пойти неправильно (обратите внимание, что это должен делать независи-
мый, но критичный проверяющий, а не проектант или главный инженер,
который в данном случае помочь не может, поскольку будет думать о том,
каким образом система будет работать, но не о том, каким образом она от-
кажется работать).
14. Если возможно, делайте проектную разработку таким образом,
что если что-то пойдет не так, должна иметься возможность исправить си-
туацию, хотя бы частично.
15. Если в системе имеется электродвигатель, сделайте так, чтобы он
был реверсивным, даже если этого и не требуется, чтобы у вас была воз-
можность вернуться в исходное положение и сделать еще одну попытку, ес-
ли раскрытие «зависнет».
16. Всегда следует применять резервирование, если этого можно
добиться просто и легко (без необоснованного увеличения массы и
габаритов).
17. Чтобы добиться максимальной надежности, конструкция меха-
низма должна быть простой, элегантной и должна быть спроектирована
с большим, но не грубым, запасом прочности в областях точек единичного
отказа.
Если вы будете следовать этим правилам на проектном этапе про-
граммы, ваш шанс создания надежного механического устройства повы-
сится, но помните, что надежность остается аспектом, который будет ска-
зываться на всех этапах программы, включая анализ, изготовление, испы-
тания и эксплуатацию на орбите.
7.2. Надежность и уязвимость
Анализ надежности будет иметь максимальную эффективность, если
он будет проводиться параллельно с начальным этапом проектирования,
когда он сможет помочь выявить критические компоненты, которые, в слу-
чае необходимости, могут быть усовершенствованы путем добавления
59
резервирования или замены комплектующих. Однако получаемый в ре-
зультате прогноз надежности вряд ли представляет собой реальную оцен-
ку, если только параллельно не следовать правилам инжиниринга на про-
тяжении всего срока жизни программы. Эти правила включают следующие
основополагающие моменты:
на этапе проектирования:
- консервативный дизайн, комплектующие с малым механическим
напряжением, достаточные запасы, простота, и когда только возможно -
вводить в разработку устойчивость к воздействиям и резервирование;
на этапе изготовления:
- проверки наличия запасов «на складах» и неразрушающий анализ
выполненных комплектующих;
- повышенное внимание к комплектующим при закупке, отслежива-
нии и такелажным работам с матчастью;
- никаких компромиссов в плане «использовать как есть»;
- уважительное отношение к матчасти на всех этапах, начиная с мон-
тажных работ на уровне отдельных комплектующих, до защиты на уровне
полной сборки.
Когда матчасть готова:
- обширные испытания и проверки на этапе разработки;
- полная программа квалификации;
- достаточные приемочные испытания для летных блоков, чтобы га-
рантировать функциональность и выйти за пределы начальной отработки.
Все эти правила основаны на здравом смысле и являются в общем
консервативными, но их следует выполнять с четким пониманием и боль-
шим чувством ответственности за все работы, проводимые в рамках про-
граммы, в части сборки, испытаний и монтажных работ.
7.3. Порядок выбора раскрываемого механизма
Чтобы правильно определиться, какой механизм раскрытия в наи-
большей степени подойдет для конкретного задания, на ранних этапах
процесса проектирования необходимо ответить на следующие вопросы:
- каково будет функциональное назначение данного механизма рас-
крытия;
- может ли эту функцию выполнить фиксированная конструкция (а не
раскрываемая);
- каковы требуемые размеры в стартовой и рабочей конфигурации;
- какая прочность и жесткость требуются от конструкции в рабочем
положении и, что особенно важно, во время раскрытия;
- может ли этот механизм быть многоразовым, или будет достаточно
только одного раскрытия;
- каким внешним воздействиям будет подвергаться эта система?
60
Для ответа на данные вопросы потребуется выпуск полной специфи-
кации на механизм. Однако, даже имея весьма приблизительные ответы,
можно уменьшить количество раскрываемых механизмов (самое большее -
примерно до двух вариантов). По мере уточнения требований можно начи-
нать прорабатывать детали дизайна, который затем будет точно приспо-
соблен с последующим определением большого количества других пара-
метров, таких как время раскрытия и возврата в начальное положение,
среда испытаний, а также ограничения по стоимости и графику проведения
работ.
7.4. Раскрываемые системы
Одна из целей данной главы - ознакомить проектантов механиче-
ских систем с терминологией, аспектами и вариантами проектирования
механизмов раскрытия, которые они могли бы выбирать, а также интер-
фейсом между этими механизмами на уровне проекта системы. Предостав-
ление технической информации, необходимой для детального проектиро-
вания механизмов различных типов, находится за рамками данной мето-
дички, поэтому не делалось никаких попыток представить полное описа-
ние анализа или испытаний конкретной раскрываемой системы. Однако
представлено большое количество примеров для демонстрации огромного
разнообразия существующих механизмов и многочисленных специфиче-
ских особенностей их установки на КА.
В самом общем смысле определение устройств раскрытия охватывает
широкий спектр: от самых малых механизмов, которые вращают объективы,
до самых крупных выдвижных механизмов, которые раскрываются на орби-
те в рабочую конфигурацию. В этой главе в основном рассматриваются
крупные раскрываемые системы, которые можно сгруппировать в зависи-
мости от геометрии раскрытия: шарнирные механизмы раскрытия; линей-
ные механизмы раскрытия; механизмы раскрытия поверхностей; объемные
механизмы раскрытия.
7.4.1. Шарнирные механизмы раскрытия
Множество операций раскрытия представляет собой простое враще-
ние или поступательное перемещение некоторого элемента конструкции из
одного положения в другое. Эти операции можно осуществить при помо-
щи простейшего шарнира или рычажного механизма. Например, штыревая
антенна может быть развернута из сложенного состояния вдоль корпуса
КА в раскрытое положение, перпендикулярно корпусу при помощи пру-
жинного шарнира. Другой, более сложный, пример представляет собой
крышку люка, которая должна приподниматься и перемещаться в сторону
от люка при помощи четырех стержневого рычажного механизма. Важной
61
характеристикой рычажных механизмов является то, что при раскрытии
они пытаются переместить конструкцию через то пространство, которое не
будет им занято после полного раскрытия. Другими словами, для работы
рычажных механизмов требуется простор, в то время как большинство
штанг линейного раскрытия раскрываются только в том пространстве, ко-
торое они в конечном счете и займут.
Фактически для развертывания рычажного механизма можно ис-
пользовать любой источник энергии. Выбор движущей силы зависит, в ос-
новном, от требований по геометрии и динамике работы этих механизмов.
Некоторые рычажные механизмы, такие как ступенчатые шарнирные ме-
ханизмы, могут иметь пружины и поэтому не нуждаются во внешнем ис-
точнике. Для активации других рычажных механизмов, таких как цапфо-
вые узлы, по возможности, используются пружины или вращательный
электропривод, если требуется перемещение назад. Обратите внимание,
что в некоторых случаях движущая сила совмещена с шарниром (как в слу-
чае с торсионной пружиной, накрученной вокруг оси поворота шарнира),
но в других случаях может оказаться более удобным вызывать перемеще-
ние в точке смещения раскрываемой конструкции для получения хорошего
плеча момента относительно оси.
В ситуациях, когда основным движителем является пружина, рас-
крытие может быть скачкообразным и сопровождаться ударной нагрузкой,
когда конструкция достигает конечной точки своего перемещения. Это,
в частности, справедливо для благоприятных условий раскрытия, когда за-
пас по крутящему моменту раскрытия был намеренно завышен, чтобы
обеспечить надежность раскрытия при неблагоприятных условиях. Чтобы
ослабить этот эффект и защитить космический аппарат и раскрываемую
конструкцию от излишних динамических нагрузок, применяют некоторые
виды демпфирования, которые вводят в систему. В последнем случае или
если запас по крутящему моменту раскрытия слишком велик, предпочти-
тельно применять шарнирно-линейный демпфер, который будет выпол-
нять роль поглотителя удара для замедления раскрытия и гасить остаточ-
ные колебания рычажного механизма.
Если возникает необходимость принять нагрузки после раскрытия
в направлении перемещения, может потребоваться что-то типа защелки-
вающего или блокирующего механизма для защиты шарнира в дополнение
к стопорам, которые не допустят перемещения шарнира за пределы рабо-
чего положения. Для операции одноразового раскрытия может оказаться
достаточным иметь в узле защелку с нагруженной пружиной. Если требу-
ется принудительная фиксация или значительная сила для раскрытия,
можно раскрыть дополнительную подпорку конструкции для восприятия
более широким основанием.
62
7.4.2. Жесткие рычажные механизмы
Жесткие рычажные механизмы имеют различную геометрию, кото-
рая в основном зависит от того, сколько степеней свободы необходимо для
выполнения требуемого перемещения. Самым простым жестким рычаж-
ным механизмом является одноосевой шарнир. Хотя механизм и выглядит
очень простым, он имеет резервирование по всем основным параметрам:
- резервированные скользящие поверхности;
- резервированные пружины;
- резервированный путь нагружения конструкции;
- резервированное электрическое соединение.
Здесь мы видим в действии некоторые основополагающие правила
проектирования жестких рычажных механизмов с целью обеспечения воз-
можности вращения вокруг оси обоим рабочим поверхностям, соединен-
ным друг с другом. Чтобы гарантировать резервные режимы вращения,
предпочтительно использовать несколько небольших пружин, чем одну
большую, и если цапфовый узел имеет конфигурацию «вилка-ухо», то
«ухо» надо проектировать с несколькими плоскостями сдвига (больше,
чем одна или две) для передачи нагружения.
Помимо максимального увеличения резервирования, считается хо-
рошим правилом проектировать все скользящие интерфейсы в шарнирном
узле с положительным зазором как для максимальной, так и для мини-
мальной эксплуатационных температур. Кроме этого, смазка в определен-
ной форме (например, сухая смазка на алюминии или тонкий плотный
хром на стали) и поддержание низкого давления на скользящих контакт-
ных поверхностях очень важны для предотвращения холодной сварки или
любого вида залипания. Жесткие рычажные механизмы являются более
сложными для проектирования и эксплуатации при наличии большого ко-
личества шарниров, которые должны работать сообща, чтобы обеспечить
надежное раскрытие системы. Однако надежное функционирование необ-
ходимо проверять не только при нормальных условиях, но также при всех
крайних температурах, так как тепловая деформация конструкции, к кото-
рой крепится рычажный механизм, может в значительной степени повли-
ять на плотно соединенный шарнир. Разбалансировка приведет, в лучшем
случае, к остаточным напряжениям, а в худшем случае - к невозможности
провести раскрытие. Кроме того, проблему с разбалансировкой можно ре-
шить за счет использований узлов с несколькими степенями свободы (ша-
ровые шарниры), которые обеспечат перемещение в любом направлении,
в котором ожидается деформация.
Если шарнир применяется для раскрытия полезной нагрузки, имею-
щей жесткие требования по геометрическому положению, может оказаться
необходимым обеспечить регулировку в упорах или монтажных крон-
штейнах узла. В некоторых случаях может потребоваться регулировка
в космосе из-за инерциальных или тепловых деформаций, которые невоз-
63
можно исправить на земле. Чтобы добиться требуемой регулировки, может
потребоваться применение активно управляемого исполнительного органа.
При наличии таких особенностей жесткие рычажные механизмы должны
отвечать чрезвычайно жестким требования по регулировке для конструк-
ции в рабочем положении.
7*4.3. Механизмы раскрытия поверхностей
Механизмы раскрытия поверхностей - это очень маленькие конст-
рукции, как минимум, в одном измерении, которые раскрываются в объект
с площадью поверхности, отвечающей требованиям заказчика. Существует
огромное разнообразие конструкций раскрываемых поверхностей.
Назначение солнечных батарей - обеспечить конструкцию, которая
поддерживает фотопреобразователи БС и наводит их на Солнце. Следова-
тельно, целью является плоская поверхность с некоторым уровнем жестко-
сти. Антенны же, напротив, имеют поверхность в форме тарелки заданной
точности и (при допущении, что форма поддерживается) с минимальными
требованиями по динамике.
Прямоугольные солнечные батареи обычно укладываются в виде
плоского ящика, основание которого соответствует размерам некой эле-
ментарной зоне конструкции. Существует, конечно же, огромное множе-
ство вариантов этих базовых концепций, и другие типы панелей радиато-
ров и рефлекторов также очень важны, но в данной главе рассматривают-
ся только эти наиболее известные конструкции. Разворачиваемые по-
верхности раскрываются синхронно или последовательно, после поступ-
ления команды на раскрытие. Раскрытие может обеспечиваться пиротех-
ническими средствами, исполнительными органами, двигателями, после
чего в дело вступает некая комбинация пружин и демпферов, обеспечи-
вающих полное и мягкое раскрытие. Существует множество приемов,
помогающих гарантировать надежное раскрытие, например, пружины-
толкатели, помогающие начать движение, возможности самонастройки
для интерфейсов, которые должны удаляться друг от друга, и большое
количество хитроумных проектных мелочей, не допускающих столкнове-
ние. Для раскрываемых поверхностей, которые занимают в сложенном
положении малый объем и имеют узлы зачековки по краям, различия
в тепловом расширении между космическим аппаратом и сложенной ба-
тареей может привести к заеданию, если только не предприняты меры для
предотвращения этого при наихудших температурах раскрытия. За по-
следние несколько лет было разработано много умных решений для ми-
нимизации риска нераскрытая элементов конструкции, критичных для
функционирования КА. Практически всем конструкциям солнечных ба-
тарей присущи определенные проблемы. Даже в большей степени, чем
другие раскрываемые конструкции, солнечная батарея должна склады-
ваться очень аккуратно, чтобы гарантировать, что фотопреобразователи и
64
экраны их покрывных стекол не будут соударяться и растрескиваться под
воздействием вибрации при запуске. Этого можно добиться, разнеся па-
нели на достаточное расстояние друг от друга, вставив между ними амор-
тизирующие подушки. Еще одной проблемой для проектировщиков сол-
нечных батарей является то, что электрический кабель должен раскры-
ваться как часть крыла солнечной батареи, чтобы осуществлять передачу
энергии от фотопреобразователей к потребителю. Кроме того, основание
БС в раскрытом состоянии может быть смонтировано к УПБС, для кото-
рого нужно, если он вращается постоянно, чтобы кабель прокладывался
около токосъемных колец, проходящих через этот узел, и чтобы центр
масс БС находился около центра вращения.
7.4.4. Жесткие поверхности
Элементарным «кирпичиком» БС с жесткими панелями является
обычно составная панель, состоящая из сотового заполнителя, приклеен-
ного к графито-эпоксидным наружным обшивкам, на которые устанавли-
ваются фотопреобразователи. Панели могут быть любой формы, но в боль-
шинстве своей - прямоугольные, и их толщина определяется требования-
ми по жесткости (частоте) в раскрытой конфигурации и тепловыми сооб-
ражениями. Фотопреобразователи и их электрические схемы монтируют-
ся непосредственно на наружную обшивку с одной стороны каждой пане-
ли. Они выступают в роли теплопоглотителя и поддерживающей конст-
рукции одновременно. Модульные панели с разъемами представляют со-
бой удобные подсборки, которые могут подвергнуться огромному коли-
честву электрических и функциональных проверок (по отдельности) до
их сборки в крыло БС. Простейший способ объединения жестких панелей
вместе (для однократно раскрываемых батарей) состоит в их последова-
тельном соединении друг с другом при помощи пружинных шарниров, за
счет которых раскрывается вся система. Этот тип раскрываемой конст-
рукции с жесткими панелями должен обладать следующими чертами.
Шарниры должны быть резервированы как в части конструкции «стер-
жень-шарнир», так и сил торсионных пружин, которые обеспечивают
раскрытие, но не должны накладывать излишние ограничения на панели.
Хотя в этом нет строгой необходимости, демпферы или ограничители
скорости можно применять на каждом шарнире для сдерживания скоро-
сти развертывания, за счет чего обеспечиваются большие запасы крутя-
щего момента для системы. Тросовая синхронизация между панелями -
это хороший вариант контролируемого развертывания, отличающийся
предсказуемым и строго определенным конечным положением конструк-
ции. Упоры и защелкивающие замки необходимы для обеспечения точно-
го местоположения панелей относительно друг друга при полном раскры-
тии и гарантированной фиксации в рабочем положении. Основная часть
концепций БС с жесткими панелями, описываемых выше, может быть ис-
65
пользована для других применений с жесткими поверхностями, таких как
панели радиаторов, жесткие антенны и плоские поддерживающие конст-
рукции. В каждом случае именно конкретное применение будет дикто-
вать особенности конструкции для использования по целевому назначе-
нию. Тепловые радиаторы (жалюзи) имеют меньше панелей, чем солнеч-
ные батареи, но обладают повышенной сложностью из-за наличия жидко-
стного контура, проходящего через металлические панели, и наличия
герметичных жидкостных разъемов между панелями. Жесткие плоские
антенны также имеют тенденцию к уменьшению размеров по сравнению
с солнечными батареями, при этом их сложение будет происходить при
помощи шарниров относительно корпуса КА, или же одинарного или
двойного раскрытия.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите правила проектирования механических устройств (уст-
ройств раскрытия). Что бы вы добавили к данному списку правил?
2. Охарактеризуйте этап проектирования и изготовления механиче-
ских устройств.
3. Каким образом предопределить надежность и уязвимость механи-
ческих устройств?
4. Определите сущность раскрываемых систем в широком понимании.
5. Что предполагает шарнирный механизм раскрытия?
6. Каково резервирование по всем основным параметрам жестких
рычажных механизмов?
7. Приведите примеры приемов раскрытия поверхностей. Какова роль
каждого из них?
8. КРИТИЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАСКРЫТИЯ
Основная часть устройств раскрытия состоит из специальной сборки
механизмов, предназначенных для совместной работы друг с другом стро-
го определенным образом. Мы уже представили общий обзор основных
типов систем, не вдаваясь в подробности их компонентов.
К тому же многие из этих механизмов применяются в большом ко-
личестве рассмотренных устройств и, что более важно, являются абсолют-
но критичными для функционирования системы. В данной главе представ-
лен краткий и, естественно, далеко не полный обзор некоторых из наибо-
лее интересных комплектующих механизмов. Поставщики комплектующих,
являющиеся настоящими экспертами в части всего разнообразия и ограни-
чений по каждому механизму, могут предоставить более подробную ин-
формацию по этим и другим механизмам и проконсультировать относи-
тельно их применения.
66
8.1. Пружины и гофрированные элементы
Пружины, по всей вероятности, чаще всего используются в меха-
низмах раскрываемых систем, обеспечивая движущую силу для различных
действий по раскрытию. Среди них - раскрывающие шарниры, предвари-
тельно нагруженные стопоры, защелкивающие замки, установочные эле-
менты, обладающие некоторой упругой деформацией, приводящей к «лип-
кому» раскрытию. Такие гофрированные элементы, как стекловолоконные
планки и катушечные лонжероны, часто используются не только для соз-
дания силы раскрытия, но, фактически, для обеспечения жесткости конст-
рукции в рабочем положении. Не забывайте о следующем:
- используйте резервированные пружины, где только возможно;
- располагайте пружину сжатия только со штырем, расположенным
по ее центру, или с оболочкой вокруг нее;
- удостоверьтесь, что отталкивающие пружины имеют достаточную ве-
личину хода, чтобы полностью освободить удерживающее приспособление;
- обеспечьте достаточные запасы по усталости для всех пружин, от-
личающихся большой цикличностью действий;
- получите информацию о температурной чувствительности и вре-
мени хранения гофрированных элементов, в частности тех, которые хра-
нятся в условиях механического напряжения, так как ползучесть может
стать важным фактором.
8.2. Защелкивающие замки
Защелкивающие замки наиболее часто применяются в одноразовых
механизмах раскрытия, но, в случае необходимости, могут обеспечивать
и возвратное действие для перемещения назад. Наиболее простыми явля-
ются пружинные крюки (скобы), стопоры «шар-в-гнезде», рукава, которые
скользят вдоль шарнира при настройке. Эти элементы однозначно являют-
ся критичными, поскольку система не может достичь полной жесткости
без срабатывания (защелкивания) этих элементов и вернуться в исходное
положение, если элемент не освободится. Ниже приведены основные пра-
вила работы с этими защелкивающими механизмами:
- отдавайте предпочтение простым по конструкции защелкивающим
приспособлениям, особенно это касается тех механизмов, которые должны
срабатывать синхронно с другими механизмами в части защелкивания
и освобождения;
- если защелкивающий элемент находится на пути основного нагру-
жения до или после раскрытия, спроектируйте его как конструкцию, а не
механизм;
- избегайте использовать фиксаторов из пластинчатых пружин в ка-
честве основного элемента для реакции на нагрузки раскрытия;
- избегайте использовать защелкивающий элемент, имеющий мак-
симальную устойчивость около своей точки останова;
67
- какими бы привлекательными они ни казались, не следует исполь-
зовать защелкивающие элементы с постоянным магнитом;
- защелкивающий элемент (как любые другие пружинные механиз-
мы) следует устанавливать на основание, если оно достаточно жесткое для
поддержания нагрузок при защелкивании;
- для прецессионных защелкивающих элементов требуется обеспе-
чить точные допуски, особенно для тех, которые будут работать в больших
диапазонах температур;
- смазка и такие аспекты износа, как изменение геометрических раз-
меров и образование мусора, должны быть тщательно учтены для защел-
кивающих элементов, на краях и углах которых может образоваться эрозия
под воздействием циклических действий.
8.3. Упоры
Упоры могут быть критичными в части безопасности или настройки
раскрываемых систем. Они штатно используются в отдельных шарнирах
для ограничения перемещения вдоль заданной дуги, но они также могут
устанавливаться в критичных зонах для выполнения более глобальных за-
дач. Например, упоры обычно устанавливаются в верхней части контейне-
ра раскрытия, чтобы случайно не перегрузить элемент конструкции в кон-
це его раскрытия в случае отказа концевых выключателей, контролирую-
щих процесс раскрытия.
Упоры должны проектироваться с хорошим запасом по безопасно-
сти, включая динамические нагрузки, которые будут передаваться при
ударе (воздействии). Если параллельно используются несколько упоров,
в идеале каждый из них должен быть спроектирован, чтобы выдерживать
полную нагрузку. Упоры могут применяться для точного позиционирова-
ния раскрытого элемента, типа панели солнечной батареи или датчика, но
жесткость в этом положении может равняться предварительному нагруже-
нию, обеспеченному силой раскрытия, если только не используются за-
щелкивающие элементы.
Многие раскрываемые конструкции содержат элементы, которые ка-
тятся или скользят, поэтому подшипники и втулки применяются достаточ-
но часто:
- для случаев, где требуется минимальное сопротивление, малые на-
грузки, низкая скорость, малое количество циклов, и при которых имеет ме-
сто избыточный крутящий момент. Но также мохуг использоваться и резер-
вированные втулки для обеспечения скользящей поверхности вместо катя-
щейся. Преимущества втулок заключается в их простоте и малом весе.
Подшипники - более сложные инженерные приспособления;
- хорошей практикой является проектирование подшипников с боль-
шими запасами для использования в космосе (по сравнению с теми, кото-
рые используются в наземных условиях);
68
- смазка механизмов, подвергающихся воздействию космического
вакуума, может осуществляться одним из двух методов: используйте жид-
кую смазку (жиры или масла) и гарантируйте, что она останется на месте
с уплотнителем любого вида, или сухую смазку (сухую пленочную смазку
или тонкий хром с большой плотностью на нержавеющих сталях), но при
этом будьте готовы, что рано или поздно эта смазка сотрется. В любом
случае необходима гарантия, что базовые материалы работают, даже если
смазка стерлась.
8.4. Датчики
Датчиками, наиболее часто устанавливаемыми в механизмах рас-
крытия, являются ограничивающие переключатели и датчики позициони-
рования, которые применяются для контроля или управления раскрытием.
Ограничивающие переключатели могут быть механическими, телеметри-
ческими или электромагнитными. Очень важно иметь надежные резерви-
рованные ограничивающие переключатели для подтверждения гарантиро-
ванного раскрытия, а в некоторых случаях и для задержки включения дви-
гателя в определенное время.
Датчики позиционирования (телеметрия) могут использоваться вме-
сто или в дополнение к переключателям для получения полного объема
информации о состоянии процесса раскрытия и промежуточных положе-
ниях. Датчики позиционирования - это обычно потенциометры или опти-
ческие датчики положения, которые могут быть либо абсолютными (пре-
доставляющими уникальные выходные данные по каждому положению)
или инкрементными (показывающими только изменения в положении от-
носительно предыдущего цикла).
Для получения полетных данных о раскрываемых конструкциях так-
же могут использоваться и многие другие датчики типа термодатчиков
и акселерометров. Необходимо включать их в изначальный проект систе-
мы, интегрировать их во время сборки и использовать при всех испытани-
ях узлов.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите общие правила проектирования механических уст-
ройств по запасам, управляемости и трению.
2. Какими правилами необходимо руководствоваться при проекти-
ровании по дублированию и реверсивности.
3. По каким показателям определяется эффективность анализа на-
дежности?
4. Какие правила инжиниринга необходимо соблюдать на этапе из-
готовления?
69
5. Чем определяется выбор механизма раскрытия?
6. Каково назначение шарниров и требование к ним?
7. Назовите типы рычажных механизмов и требования к ним.
8. Дайте определение жестких рычажных механизмов, перечислите
требования к ним.
9. Опишите механизмы раскрытия поверхностей.
10. В каких случаях применяются пружины и гофрированные эле-
менты в механических устройствах?
11. Приведите основные требования к защелкивающимся замкам.
9. ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Испытаниям механизмов раскрытия перед полетом должно быть
уделено много внимания. Многочисленных отказов в полете удается избе-
жать за счет обнаружения возможных отказов во время наземных испыта-
ний. Раскрываемый летный узел должен пройти хорошую проверку, не
имеет смысла экономить деньги на испытаниях, чтобы затем получить
сбой в работе космического аппарата на орбите. Стандартные правила оп-
ределения объема испытаний, необходимого для механизма раскрытия,
определяются на проектных стадиях разработки. Данный подход к вери-
фикации летной матчасти был разработан на основании существующего
опыта. Он настоятельно рекомендуется для всей матчасти, так как является
необходимым для раскрываемых систем.
Испытания механизмов раскрытия представляют собой уникальный
метод для конструкций, которые не являются устойчивыми. По этим же
причинам испытания необходимы, потому что большое количество во-
просов, относящихся к правильному функционированию раскрываемых
систем, не может быть полностью решено только аналитическим мето-
дом. В данном разделе мы 1) рассматриваем проблемы, являющиеся об-
щими для основной части раскрываемых систем, 2) рекомендуем, какие
испытания в связи с этим необходимо проводить, а также 3) каким образом
эти испытания проводятся для конструкций, которые не могут поддержи-
вать свой собственный вес. Кроме того, определены аспекты, которые не
относятся к верификации испытаний.
9.1. Задачи наземной экспериментальной отработки
В процессе наземной экспериментальной отработки механических
устройств КА решаются следующие задачи:
- квалификация системы на соответствие системы нормативным тре-
бованиям по внешним воздействиям;
- подтверждение функционирования и работоспособности системы
после (во время) внешних воздействий;
70
- выявление дефектов сборочных и монтажных операций;
- подтверждение устойчивости технологических процессов;
- выдача заключения о положительных результатах испытаний и до-
пуск к последующему этапу.
Целью испытаний является подтверждение правильности заложенных
конструктивных решений; прочности несущих элементов конструкции; рабо-
тоспособности МУ БС в условиях, приближенных к эксплуатационным;
влияния воздействия факторов нагружения на функционирование МУ; выяв-
ление возможных конструктивных и технологических дефектов; определение
коэффициентов вибропередачи в элементах конструкции МУ; усилия сраба-
тывания верхних и нижних замков зачековки; усилия протяжки тяг в боуде-
нах; моментов сопротивления в ШУ МУ; возможности допуска к ПРИ МУ
9.2. Системы имитации невесомости (обезвешивание)
Самой большой проблемой при испытании конструкции, которая не
может поддерживать собственный вес в условиях земной гравитации, яв-
ляется ее разгрузка во время раскрытия и в условиях полного раскрытия.
Даже если конструкция может поддерживать собственный вес, все же мо-
жет оказаться необходимым разгружать ее для более точной имитации ус-
ловий космического пространства. Будет полезно проектировать ее с по-
вышенным запасом прочности, чтобы конструкция была устойчивой, если
полученный избыточный вес будет сбалансирован существенной экономи-
ей денежных средств в части крепежной оснастки и наземных такелажных
работ. Однако во многих случаях раскрываемые конструкции нельзя изго-
товить настолько прочными.
Широко используемый метод разгрузки раскрываемого механизма -
это применение системы обезвешивания (рис. 9.1).
71
Подразумевается, что во время раскрытия все части конструкции
движутся известным образом в параллельных горизонтальных плоскостях.
Конструкции должны иметься места крепления тросов системы обезвеши-
вания, а движение их плавное без приложения внешних усилий. Простей-
шей системой подвешивания является прямая балка с подвижными карет-
ками, которая располагается непосредственно над конструкцией. Критич-
ным моментом для тракта раскрытия является необходимость иметь малое
трение и быть настроенным точно параллельно относительно раскрывае-
мой штанги, в противном случае могут возникнуть значительные нежела-
тельные механические напряжения (следствие перекосов). Более сложные
системы обезвешивания - те, которые обеспечивают боковое движение
в дополнение к линейному перемещению, а также системы, которые обес-
печивают раскрытие конструкции до принятия круглой формы за счет ра-
диального или кругового движения.
Менее сложные способы разгрузки раскрываемых конструкций обес-
печиваются флотационными системами или системами с воздушными по-
плавками. Эти системы предпочтительно применять, когда требуется
обеспечить две степени свободы в плоскости, перпендикулярной силе тя-
жести. Преимущество водяного стола или ванны заключается в том, что
его легко построить, и не требуется настройка оснастки, но это пригодно
только для тех конструкций, которые раскрываются медленно, потому что
в противном случае может возникнуть эффект вязкости. Система с воз-
душными поплавками может быть сконфигурирована таким образом, что-
бы поплавки были прикреплены к матчасти и скользили по поверхности,
выбрасывающей воздух, или чтобы ролики, выбрасывающие воздух,
скользили по гладкой плоской поверхности. Недостаток второго метода
заключается в том, что трубы, подающие воздух, как минимум, должны
скользить вместе с раскрываемой конструкцией, а преимущество - в том,
что для таких испытаний может использоваться гладкий пол с большой
поверхностью.
Конфигурация всех типов систем обезвешивания должна быть очень
точно и грамотно разработана с тем, чтобы обеспечить достаточное коли-
чество точек захватов для плавного взаимодействия весу испытываемой
конструкции. Если точек захватов недостаточно, гравитационные силы мо-
гут вызвать локальное перенапряжение конструкции; и при этом будет уже
неважно, как распределена поддерживающая система: сила тяжести всегда
будет присутствовать и может вызвать смещение положения, усилий или
напряжений.
Взаимная настройка оснастки и раскрываемой конструкции может
оказаться критичной во всех случаях, но особенно при поддержке больших
жестких конструкций, в которой могут возникнуть значительные механи-
ческие напряжения.
72
9.3. Испытание на соответствие характеристикам
Эксплуатационные качества раскрываемых конструкций определя-
ются следующими факторами: 1) функциональные возможности, 2) настрой-
’ ка, 3) жесткость, 4) прочность и 5) динамика раскрытия. Как правило, каж-
дый из этих факторов может и должен быть верифицирован при наземных
испытаниях до полета.
Функциональные испытания механизмов раскрытия имеют цель
продемонстрировать то, что система может раскрываться (и в случае необ-
ходимости, возвращаться в исходное состояние), и при этом будут выпол-
няться такие заданные по спецификации параметры, как время раскрытия
и движущий момент (усилие). В случае необходимости должны приклады-
ваться внешние нагрузки для имитации условий на орбите, также должна
отслеживаться динамика раскрытия. Инерция, жесткость и влияние при-
кладываемых нагрузок обычно имитируются очень неплохо во время на-
земных испытании, в отличие от воздействия демпфирования, которое
очень сложно имитировать точно вследствие чувствительности к воздейст-
вию воздуха, температуры и оснастки. Запас по движущему моменту ве-
рифицируется во время функциональных испытаний путем измерения из-
быточного момента в наихудшей точке во время раскрытия.
Сразу же после раскрытия должны быть проверены все критичные
настройки и допуски. Например, для штанги критичным параметром мо-
жет оказаться крутящее вращение ее вершины, для многопанельных сол-
нечных батарей критичной может быть настройка (юстировка) панелей.
Критичные допуски также следует проверить на этом этапе, потому что
отличие результатов измерений от прогнозов (в большую или меньшую
сторону) может быть показателем того, что не все как следует понято.
Аналогично, после возвратного движения (складывания), также следует
верифицировать допуски и настройки, которые могут потребоваться для
повторной зачековки замков. Количественные результаты, полученные при
первых функциональных испытаниях, часто используются в качестве базо-
вых для контроля работоспособности приспособления, поскольку после-
дующие испытания отличаются повышенной жесткостью.
Как правило, требования по жесткости и (или) прочности являются
самыми важными для раскрываемых систем и, следовательно, должны
пройти верификации во время испытаний. Жесткость проще всего изме-
рить, нагрузив полностью раскрытую систему и измерив результирующие
смещения.
Если прикладываемые нагрузки вызывают колебания троса обезвеши-
вания по типу маятника, восстанавливающее усилие, равное горизонтальной
составляющей натяжения троса, стремится вернуть конструкцию в ее нена-
груженное положение. Данный «эффект маятника» минимизируется за
счет использования длинных тросов обезвешивания конструкции с высо-
ким соотношением жесткости к весу. Однако, если эффект будет сущест-
ва
венным, его необходимо учитывать, потому что он будет влиять на изме-
рение жесткости не зависимо от того, насколько малыми будут приклады-
ваемые нагрузки и результирующее отклонение. В простых случаях воз-
можно компенсировать этот эффект аналитическими средствами. Жест-
кость при кручении также можно измерить, если обезвешивающая система
спроектирована таким образом, чтобы обеспечить кручение конструкции
без ограничений. Вилочные подвесы обеспечивают эту дополнительную
степень свободы.
Испытания раскрываемой конструкции на прочность может прово-
диться до допустимой нагрузки, до предельной нагрузки или до разруше-
ния. Такой тип испытаний, когда используются некие формы поддержи-
вающих приспособлений для разгрузки полностью раскрытой конструк-
ции, в принципе не отличаются от испытаний на жесткость любого другого
механизма или конструкции.
9.4. Испытания на внешние воздействия
Представляется очень важным проводить испытания механических
устройств при наихудшем случае предельных температур, спрогнозирован-
ных для работы в космосе. Беспокойство вызывает тот факт, что различное
расширение или сжатие разнородных материалов могут уменьшить зазор
между движущимися частями и замедлить или помешать необходимому
движению. Этого можно избежать, делая более свободным зазор, чтобы до-
пустить тепловые изменения, но конструкции могут стать недопустимо сво-
бодными (вследствие свободного хода) при номинальных температурах.
Обычной практикой является проектирование конструкции с минимальным
зазором для наихудшего случая предельных температур, а затем испыта-
ние узла при этих температурах для верификации функционирования.
9.5. Ресурсные испытания
Ресурсные испытания - это одна из наиболее сложных проблем, ко-
торую следует учитывать для механизмов раскрытия, для которых преду-
смотрены многочисленные срабатывания (раскрытия и возврат в исходное
положение) на протяжении всего срока активного существования. В идеале
узел летного типа должен использоваться для демонстрации, как минимум,
пятикратного запаса требуемого количества циклов штатного функциони-
рования. Если при проведении данных испытаний отсутствует разработоч-
ный узел (блок), то для обеспечения уверенности в надежности проекта
конструкции можно провести сочетание испытаний на летном блоке (по-
сле чего последует обновление) и испытания компонентов. Особенно для
испытаний на уровне компонентов принято демонстрировать более, чем
двойной запас по ресурсу при номинальных нагрузках или проводить тре-
буемое количество срабатываний (циклов) при избыточных нагрузках.
74
Особое внимание следует уделять тому, чтобы нештатные нагрузки не вы-
звали новых (нереальных) видов (режимов) отказов, в частности, в поверх-
ностях, которые подвержены ускоренной деградации при избыточных на-
грузках.
Как правило, механические срабатывания (циклы) систем раскрытия
ограничены усталостью или износом активных частей. Если имеются ана-
литические способы оценки усталости и появления трещин в комплек-
тующих, то самым трудным для анализа будет процесс износа. Воздейст-
вие износа, среди прочего, включает перемещение смазки, деградацию по-
крытий поверхностей, изменение формы краев и истирание кабелей. Экс-
плуатационные характеристики некоторых механизмов могут быть усо-
вершенствованы при начальных эффектах износа (например, приработка
цепи привода, шарнира), но, в конечном счете, эксплуатационные характе-
ристики будут ухудшаться в результате повышенного трения, появляться
частицы изнашивания (мусора) и, наконец, наступит отказ или заедание
комплектующих. Для раскрываемых систем или сборочных единиц, кото-
рые должны выполнить большое количество срабатываний, испытания при
нормальных условиях, при которых комплектующие неоднократно под-
вергаются нагрузкам, могут помочь определить, какие поверхности явля-
ются наиболее критичными, определить объем загрязнения и компонент,
который может отказать первым.
9.6. Заключения по испытаниям
Не существует адекватной замены основным испытаниям приспо-
соблений раскрытия перед полетом. Основная часть испытаний предназна-
чена для того, чтобы проверить работоспособность системы в требуемом
режиме. Наиболее трудными, но потенциально более информативными
испытаниями, однако, являются те, при которых делается попытка вы-
явить, при каких условиях система не работает. Например, испытания на
виды отказов, на прочность до предельных нагрузок (отказа) исследования
нештатной эксплуатации элементов конструкции могут очень хорошо ил-
люстрировать надежность (прочность) или дефектность проекта конструк-
ции. Для этого надо получить ответ в отношении любой раскрываемой
конструкции на следующие вопросы:
- что произойдет, если конструкция будет раскрыта лишь частично,
а затем снова сложена;
- если конструкция раскрывается не полностью, каковы будут ее же-
сткость и прочность при частичном раскрытии;
- что произойдет, если в ограничивающих переключателях произой-
дет сбой, и узел будет продолжать работать после полного раскрытия или
полного сложения;
75
- что произойдет, если трос оборвется (для систем, раскрываемых
при помощи троса);
- если будет поврежден элемент мачты, будет ли узел (конструкция)
все же укладываться?
На многие из этих вопросов ответы лучше всего получить при испы-
таниях, которые проводятся сверх установленного объема квалификацион-
ных или приемочных испытаний необходимых для раскрываемых конст-
рукций. Конечно же, даже при наиболее экстенсивной программе испыта-
ний не существует замены полному критичному пониманию всех момен-
тов проекта конструкции, анализу испытаний раскрываемого механизма.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите задачи наземной экспериментальной отработки.
2. Каковы цели наземных испытаний?
3. Какие применяются системы имитации невесомости?
4. Приведите требования к системам имитации космического про-
странства.
5. Каковы задачи и граничные условия при испытаниях на проверку
функционирования?
6. Приведите некоторые виды испытаний на подтверждение несущей
способности и жесткости механических устройств. Чем диктуется необхо-
димость проведения ресурсных испытаний?
7. Какова необходимость испытаний на виды отказов? В чем их от-
личительные особенности?
10. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
Постоянно разрабатываются новые проекты и усовершенствуются
старые проекты раскрываемых конструкций. Похоже, что это бесконечные
возможности для инноваций и рынка, который высоко ценит усовершенст-
вования в таких областях, как степень компановки, характеристики на
единицу веса, и характеристики на единицу стоимости. Разрабатываются
новые раскрываемые системы, цель которых - быть сложенными в мини-
мальном объеме и при этом демонстрировать лучшие характеристики рас-
крытия. Интеллектуальные технологии конструкций типа оптико-волокон-
ных датчиков и пьезоэлектрических исполнительных органов вводятся
в структурные элементы раскрываемых конструкций для обеспечения по-
вышенного контроля формы и подавления вибрации. Разрабатываются
шарнирные узлы, имеющие точность на уровне микронов, для высоко пре-
цессионных раскрываемых конструкций. Инновации в области солнечных
батарей адресуются, главным образом, технологии раскрываемых концен-
траторов и отражателей (рефлекторов), дающей возможность воспользо-
76
ваться преимуществами высокоэффективных фотопреобразователей, пока-
зывающих оптимальные результаты при концентрированном освещении.
Большое количество перспективных программ, в центре внимания ко-
торых находятся технологии раскрытия, - также на стадии рассмотрения.
Например, солнечные паруса являются большими по площади и малыми по
весу отражателями, которые можно разворачивать в космосе и использовать
для буксировки полезных нагрузок через солнечную систему под воздей-
ствием давления солнечных лучей. Постоянно ведется разработка новых
материалов для конструкций, имеющих более длительный срок существо-
вания в условиях радиации, которые, без сомнения, станут доступны в бли-
жайшие несколько лет.
Успешное функционирование любой конструкции во многом зави-
сит от определения критических или основных нагрузок и критериев про-
ектирования. До последнего времени большинство конструкций, исполь-
зуемых в космосе, разрабатывалось, в основном, с учетом нагрузок, возни-
кающих при их выведении. В 60-х гг. эти нагрузки были тщательно изуче-
ны и установлены соответствующие критерии проектирования, позволяю-
щие создавать конструкции, которые достаточно легко выдерживают такие
нагрузки. Таким образом, процесс проектирования механических уст-
ройств должен основываться на твердом обосновании критериев проекти-
рования.
Надежность и стоимость являются важными факторами при проек-
тировании. Опыт показывает, что оба фактора тесно связаны с наземными
испытаниями. Надежность демонстрируется преимущественно путем про-
ведения наземных испытаний.
Этап изготовления влияет на проект, в основном, через требования
по точности изготовления и наземным испытаниям. Процесс запуска влия-
ет на компактность конфигурации. Импульс для перевода на другую орби-
ту может создать основные проектные нагрузки, если конструкция уже
была развернута. Должна гарантироваться целостность частично разверну-
той конструкции (была ли она раскрыта, собрана или изготовлена).
Наконец, конструкция должна обеспечить безопасную и прецизион-
ную поддержку полезной нагрузке в течение этапа длительной эксплуата-
ции. Действительно, самым основным требованием является то, что конст-
рукция должна благоприятно взаимодействовать со своей полезной на-
грузкой и другими частями системы.
Контрольные вопросы и задания
1. Кратко охарактеризуйте линии развития и совершенствования
проектов раскрываемых конструкций.
2. Каковы основные направления развития в данной области.
3. Опишите особенности проведения проектирования.
4. Приведите примеры новых технологий перспективных программ.
77 ”,
11. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Математическая модель раскрытия формируется на основании тех-
нического описания исследуемой механической системы. Объект исследо-
вания - многокомпонентная механическая система - представляется как
совокупность многозвенных пространственных механизмов, состоящих из
определенного количества тел - звеньев, связанных кинематическими свя-
зями (шарнирными соединениями), упруго-демпфирующими элементами
(формообразующая структура, сетеполотно, конструктивные жесткости)
и приводами, а также элементов контроля и управления (датчики зачеко-
вок, логических преобразователей).
Основные этапы моделирования многокомпонентной механической
системы (ММС) - формирование 1) исходных данных и концепции моде-
ли; 2) геометрической модели по исходной системе; 3) динамической мо-
дели; 4) математической модели; 5) исследование системы.
11.1. Формирование исходных
ДАННЫХ И КОНЦЕПЦИИ МОДЕЛИ
Результаты анализа зависят, в первую очередь, от представления ис-
ходной механической системы, то есть концепции идеализированной мо-
дели, от понимания степени влияния различных факторов на поведение
исходной механической системы, от правильности выбора между точно-
стью создаваемой модели и сложностью ее описания.
Прежде всего определяем, из каких звеньев состоит модель исходной
механической системы, и какими шарнирами эти звенья соединяются. Зве-
нья - это тела, из которых образуется механическая система.
Типы шарниров в модели выбраны так, чтобы они обеспечивали все
необходимые движения тел в исходной системе. Для сокращения времени
расчета максимально уменьшено количество звеньев и ненужных для про-
ведения исследований шарниров.
При формировании идеализированной модели выделяются все ак-
тивные силы, влияющие на движение исходной системы. К ним относятся:
- усилие привода механизма раскрытия;
- упругие силы формообразующей системы и сетеполотна;
- силы трения в шарнирных соединениях;
- усилия в тягах системы синхронизации звеньев спицы.
Все активные силы описываются в модели в виде силовых элементов
с соответствующими исходными данными.
При моделировании механической системы организовано управле-
ние ею в процессе движения. Для моделирования каналов управления соз-
даются датчики, привода и программные движения.
78
11.2. Формирование геометрической
И ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Геометрическая модель является основой построения динамической
модели и расчета массово-инерционных характеристик частей системы.
В дальнейшем ее используют при задании кинематических связей и сило-
вых воздействий. Динамическая модель рефлектора в рабочем положении
с использованием всех необходимых геометрических объектов приведена
на рис. 11.1-11.4.
Рис. 11.2. Фрагмент рефлектора
79
Рис. 11.3. Динамическая модель панелей БС
Рис. 11.4. Панели БС в рабочем положении
11.3. Формирование математической модели
На этом этапе формируются рабочие кинематические цепи и генери-
руются уравнения, описывающие движение систем по следующим пара-
метрам: движения звеньев; кинематических связей системы; связей в шар-
нирах; программных движений (каналов управления).
Математическая модель представляет собой систему алгебраических
и дифференциальных уравнений. Она формируется в нелинейной поста-
новке с учетом больших перемещений звеньев. Для всех характеристик,
описывающих поведение, управление и силовые воздействия в математи-
ческой модели, учитывается их нелинейная природа.
11.4. Моделирование приводов раскрытия рефлектора
Включение в работу электромеханических приводов выполняется
программным движением, которое задает определенную скорость. В каче-
стве регулирующей силы, обеспечивающей такое движение, используется
электромеханический привод, имеющий постоянную угловую скорость
80
вращения выходного вала. В качестве датчика-регулятора используется
датчик линейной скорости перемещения троса в ступице механизма рас-
крытия.
Синхронное движение звеньев силовой спицы при раскрытии реф-
лектора обеспечивается механизмом редукции (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Механизм редукции звеньев силовой спицы:
7,2, 6, 7 - рычаги механизма редукции, 3 - тяга механизма редукции,
4 ~ корневое звено силовой спицы, 5 - концевое звено
11.5. Моделирование процессов раскрытия
В НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
Для моделирования процессов раскрытия рефлектора в наземных усло-
виях требуется рассчитать значения следующих показателей (рис. 11.6 и 11.7):
- параметров функционирования механических систем конструкции
БС в условиях наземной экспериментальной отработки (НУ);
- времени раскрытия элементов конструкции на стенде с учетом
влияния системы обезвешивания и сил аэродинамического сопротивления;
- нагрузок на элементы конструкции при раскрытии на стендах обез-
вешивания при проверке функционирования (для подтверждения правиль-
ности заложенных конструкторских решений);
- обобщение результатов анализа параметров функционирования и вы-
дача заключения о возможности использования стенда компенсации сил
тяжести на этапе наземной экспериментальной отработки.
81
Пример результатов расчета приведен на рис. 11.8,11.9.
Рис. 11.8. Реакции в точке захвата панели 1 (dRV), панели 2 (dR2)
Рис. 11.9. Реакции в точке захвата панели 3 (dR3) и панели 4 (dR4)
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите основные этапы моделирования механической сис-
темы.
2. Каковы подходы при разработке концепции модели?
3. Назовите способы учета активных сил в модели.
4. Как формируются геометрическая и динамическая модели (концеп-
ция подхода)?
5. Приведите пример математической модели и описания движения.
6. Каково отличие моделирования процессов функционирования в на-
земных условиях?
7. Какие цели и задачи расчетов функционирования при НЭО?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проектирование механических устройств и исследование их дина-
мических характеристик на инженерном уровне приобретает все большую
актуальность для решения проблемы создания наиболее совершенных об-
разцов современных космических аппаратов. Только полноценное и осоз-
нанное понимание требований к механическим устройствам открывает
путь к достижению необходимого уровня качества как самой космической
техники, так и связанных с ней технологического и эксплуатационного
процессов. Сложившаяся концепция и определила содержание представ-
ленного методического материала: обзор существующих конструкций ме-
ханических устройств, правила и стратегия при разработке новых конст-
рукций, математическое моделирование и наземная экспериментальна от-
работка. В аналитической части (моделирование) для сокращения объема
материала приведены примеры анализов для конструкций наиболее про-
блематичных. По возможности подробно дано функциональное описание
практически всех механических устройств космических аппаратов:
- устройство отделения;
- панели солнечных батарей;
- жалюзи (система терморегулирования);
- антенно-фидерные устройства.
Дискуссионными могут оказаться представленные конструкторские
решения, так как для некоторых из них дана лишь постановочная интер-
претация. Они вполне способны заинтересовать неравнодушных к технике
студентов, потому что находятся в начале проектно-конструкторской дея-
тельности.
В рассмотренных материалах уделено особое внимание концепции
обеспечения надежности функционирования механических устройств как
наиболее критичном направлении при их проектировании и разработке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т.
Т. 1 / В. И. Анурьев. - М.: Наука, 2001.
2. Артоболевский, И. И. Механизмы в современной технике : в 7 т. Т. 1 /
И. И. Артоболевский. - М.: Машиностроение, 1979.
3. Бидерман, В. Л. Теория механических колебаний / В. Л. Бидерман. -
М. : Высш. шк. 1980.
4. Войнов, К. Н. Прогнозирование надежности механических систем /
К. Н. Войнов, -М.: Машиностроение, 1978.
5. Хенли, Э. Дж. Надежность технических систем и оценка риска /
Э. Дж. Хенли, X. Кумамото - М.: Машиностроение, 1984.