Разработка моделей для исследования деформированного состояния рефлектора крупногабаритного космического радиотелескопа лепесткового типа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Обзор публикаций, посвященных вопросам моделирования деформированного состояния и экспериментальной отработки крупногабаритных космических антенн.

Выводы.

Глава 2. Космический телескоп «Радиоастрон» и факторы, влияющие на отклонения его отражающей поверхности.

2.1 Конструктивные особенности КРТ «Радиоастрон».

2.2 Факторы, влияющие на деформированное состояние отражающей поверхности КРТ.

2.3 Выводы.

Глава 3. Анализ результатов экспериментальной отработки лепестка КРТ «Радиоастрон».

3.1 Описание термовакуумных испытаний.

3.2 Анализ ТВИ.^

3.3 Обработка теодолитных измерений.«.

3.4 Моделирование деформированного состояния лепестка при ТВИ.

3.5 Выводы.

Глава 4. Моделирование статики лепестка КРТ «Радиоастрон»./

4.1 Математическая модель.

4.2 Расчетные случаи.

4.3 Результаты моделирования.

4.4 Исследование влияния характеристик композиционных материалов на температурные деформации.

4.5 Выводы.;.

Глава 5. Моделирование температурных деформаций КРТ «Радиоастрон».

2 стр.

5.2 Конечно-элементная модель.11Ю

5.3 Моделирование температурных деформаций КРТ.Д19

5.4 Методика снижения отклонений отражающей поверхности путем парирования перемещений рефлектора как твердого тела.* 123

5.5 Выводы.126

Глава 6. Моделирование деформированного состояния КРТ при проведении наземных радиотехнических испытаний.132

6.1 Конечно-элементная модель.134

6.2 Моделирование деформированного состояния при НРТИ. 138 !

6.3 Методика снижения отклонений отражающей поверхности КРТ путем подстройки к параболоиду наилучшего приближения.147

6.4 Выводы.156 >

Заключение.158

Список использованных источников.160

Приложение.164

ВВЕДЕНИЕ

Среди современных и перспективных крупногабаритных космических конструкций имеется большой класс изделий, широко и устойчиво занимающих свою «экологическую нишу». Это космические антенны (как прикладного, так и научного назначения). Для разработки конструктивных решений и получения объективных критериев их оценки возникла необходимость в разработке методик статического расчета, наиболее полно учитывающих специфику работы космических конструкций.

Антенны прикладного, или коммерческого назначения используются на космических аппаратах (КА) связи, к которым относятся аппараты, обеспечивающие прием и передачу теле- и радиосигналов, телефонную, телеграфную связь. В последнее время бурное развитие получает направление, связанное с обеспечением современных средств связи. Несмотря на большие объемы производства телекоммуникационных КА, использование уже отработанных конструктивных элементов (в том числе и рефлекторов антенн), при создании нового аппарата встает вопрос об обеспечении работоспособности крупногабаритных антенн. Речь идет в первую очередь о точности отражающей поверхности. Требуемая точность отражающей поверхности может быть достигнута моделированием деформированного состояния конструкции при ее проектировании и контролем при ее экспериментальной отработке после изготовления. Естественно, актуальной задачей является снижение объема экспериментальной отработки за счет более точного моделирования на этапе разработки изделия. Это обеспечивает уменьшение сроков на создание конструкции и снижение ее стоимости.

Антенные конструкции космических телескопов сантиметрового -миллиметрового диапазонов являются уникальными крупногабаритными конструкциями.

Основная цель развертывания телескопа рассматриваемого диапазона на орбите - создание интерферометра с исключительно большой базой. Разрешающая способность интерферометра равна разрешающей способности обычного зеркального телескопа с диаметром зеркала, равным базе интерферометра. При нахождении космического телескопа на сильно вытянутой эллиптической орбите, а второго телескопа интерферометрической пары на Земле, возможно создание интерферометра с базой порядка 150 ООО км. При расположении второго телескопа также на орбите, база интерферометра увеличивается до 300 ООО км.

Астрономический инструмент с такими характеристиками позволит решить ряд фундаментальных проблем физики, астрономии и волнующих не только узкий круг ученых. Решение этих проблем, несомненно, вызовет большой интерес в обществе, и, соответственно, будет иметь некоторое социальное значение. Это:

• Определение границ Вселенной.

• Более точное определение скорости расширения Вселенной. Уточнение скорости расширение позволит сделать вывод о дальнейшем сценарии развития Вселенной - или она будет бесконечно долго расширяться, вплоть до ее «тепловой смерти», или с какого-то момента начнется ее сжатие.

• Исследование планетных систем звезд, по своим характеристикам близких к Солнцу, на предмет обнаружения разумной жизни.

• Выявление, изучение и определение скрытой массы во Вселенной и др.

Большой интерес ученых прикован к миллиметровому диапазону длин волн. Он является наименее изученным и несет исключительно много информации о дальнем космосе. При этом длина волны 1 мм предъявляет особые требования к точности отражающей поверхности. Основным методом, использующимся при моделировании деформированного состояния антенн, является метод конечных элементов (в форме метода перемещений). Наряду с авторскими разработками программ для моделирования деформированного состояния антенн, существует ряд коммерческих программных комплексов, реализующих МКЭ. Это пакеты семейства NASTRAN: UAI/NASTRAN, MSC/ NASTRAN, Cosmic/NASTRAN, а также ANSYS, MARC, I-DEAS, DIANA, COSMOS, LS-DYANA3D и ряд других. 6

Многие из этих пакетов разрабатываются более тридцати лет, и благодаря сильным авторским коллективам, эффективной коммерческой деятельности и государственной поддержке стали очень мощными средствами вычислений, включающими в себя большие библиотеки конечных элементов, различные типы решаемых задач, а также развитые средства по подготовке задачи и обработке результатов.

В связи с бурным развитием компьютерной техники за последние 10-15 лет позволило решать исключительно сложные задачи механики (и в том числе - моделирование деформированного состояния крупногабаритных космических конструкций) с использованием персонального компьютера. При использовании одного из перечисленных выше пакетов конечно-элементного моделирования возможности разработчика существенно увеличиваются. Однако, как показывает опыт использования данных программных средств, не всегда удается решить поставленную задачу стандартными средствами данных пакетов. Кроме того, необходимо учесть все возрастающие требования к техническому совершенству разрабатываемых конструкций, в том числе и крупногабаритных антенных космических конструкций. Все это требует разработки методик адаптации конечно-элементных пакетов для моделирования конкретной конструкции. Этим вопросам и посвящена данная работа.

6.4 Выводы,

На основе проведенных исследований, изложенных в данной главе, можно сделать следующие вывода.

1. Разработана конечно-элементная модель КРТ и системы обезвешивания -бандажа.

2. Обоснована необходимость применения системы обезвешивания КРТ -бандажа - при НРТИ.

Получено деформированное состояние КРТ при проведении НРТИ для различных углов наклона конструкции 90°, 75°, 60°, 45°. Эти результаты показывают, что нормальные отклонения отражающей поверхности для всех

157 углов наклона превышают допустимые значения. Это говорит о невозможности проведения испытаний и калибровки КРТ на длине волны 13.5 мм.

4. Разработан алгоритм определения параболоида наилучшего приближения для КРТ при различных углах ориентации. Показана эффективность подстройки антенны КРТ к ПНП для снижения отклонений отражающей поверхности. Применение данной технологии позволит обеспечит проведение испытаний и калибровки телескопа на длине волны 13.5 мм при углах наклона до 45°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью работы является комплексное решение задач моделирования деформированного состояния конструкции КРТ на всех этапах существования: от наземных испытаний до эксплуатации на орбите; учет реальных характеристик конструкционных материалов и реальных эксплуатационных условий, минимизация объема экспериментальной отработки.

В работе решена крупная научно-техническая задача, связанная с моделированием деформированного состояния КРТ. В рамках решения этой задачи впервые получены следующие результаты.

Разработан ряд математических моделей для моделирования деформированного состояния, как отдельных элементов, так и КРТ в целом.

Данные модели отличаются высоким уровнем преемственности, что уменьшает как время решения задач по моделированию, так и время всего проектирования;

Разработанные математические модели позволяют решать одновременно тепловые и термодеформационные задачи;

Разработан алгоритм, позволяющий учитывать при моделировании комплекс основных факторов, влияющих на деформированное состояние КРТ, в том числе обусловленных недетерминированными технологическими погрешностями. Данный алгоритм реализован в программном комплексе Force, включающем в себя как составную часть пакет NASTRAN;

Разработанные математические модели имеют очень высокий уровень детализации описываемых конструкций, что позволяет получить более точные результаты по сравнению с результатами, полученными в предыдущих работах.

Разработан и успешно применен алгоритм определения параболоида наилучшего приближения для снижения уровня отклонений отражающей поверхности при наземных радиотехнических испытаниях. Данный алгоритм реализован в программном комплексе BFP, включающем в себя как составную часть пакет NASTRAN;

159

Разработана серия программных комплексов, позволяющих адаптировать для решения поставленных задач пакет NASTRAN.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждена экспериментом, проведенном в международном центре «ESTEC» (ESA, г. Нордвик, Голландия) в рамках международного проекта «Радиоастрон».

1. Rioboo J.L., Tejero P., Jimenez R. Test/analysis correlation of ARTEMIS CLRD reflector. International conference "Spacecraft structures and mechanical testing". 24-26 april 1991, Noordwijk, Netherlands. P. 215-234.

2. Prud'hon C., Le Goff Т. ARABSAT2 and NAHUEL dual shaped polarisation sensitive reflectors. International conference "Spacecraft structures and mechanical testing". 24-26 april 1991, Noordwijk, Netherlands. P.321 -325.

3. Prud'hon C., Noir A. Large rigid reflectors: N-STAR reflectors experience. International conference "Spacecraft structures and mechanical testing". 24-26 april 1991, Noordwijk, Netherlands. P. 235 240.

4. Miyasaka A., Mitsugi J. Thermal distortion of over 10 meter diameter reflectors formed by truss structure. 32-nd Thermophysics Conference. 23-25 june 1997, Atlanta, USA. P. 54 62.

5. Hoftbauer F., Duran M., Luquet Ph. Development, manufacturing and alignment of 02 m mirror for PRONAOS. International conference "Spacecraft structures and mechanical testing". 24-26 april 1991, Noordwijk, Netherlands. P. 321- 333.

6. Поляк B.C., Бервалдс Э.Я. Прецизионные конструкции зеркальных радиотелескопов. Рига, Зинатне, 1990. 526 с.

7. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. Москва, Наука, 1973. 416 с.

8. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва, Наука, 1984, 804 с.

9. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. Москва, Высшая школа, 1994. 544 с.

10. Ю.Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. -М.: Машиностроение, 1988. 390 с.

11. П.Попов Б.Г. Расчет многослойных конструкций вариационно-матричными методами. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993. - 256 с.

12. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 539 с.

13. Ендогур А.И., Вайнберг М.В., Иерусалимский К.М. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование. М.: Машиностроение, 1986. - 200 с.

14. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. - 516 с.

15. Гардымов Г.П., Мешков Е.В., Пчелинцев А.В., и др. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении. Санкт-Петербург, Спецлит, 1998.-271 с.

16. Молодцов Г.А., Биткин В.Е., Симонов В.Ф., и др. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. Москва, Машиностроение, 2000. 352 с.

17. Беляков И.Т., Зернов И.А., Антонов Е.Г. и др. Технология сборки и испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

18. Усюкин В.И., Архипов М.Ю., Котик А.Н. Моделирование тепловых деформаций панели космического радиотелескопа. // Международный семинар "Крупногабаритные космические конструкции". Сборник тезисов. 7-9 апреля 1997, Москва. С. 21.

19. Котик А.Н., Лазарева Г.С., Архипов М.Ю. Численное обоснование способа опирания конструкции изделия 1405/1 на бандаж при установке на полигоне в г. Пущино. АКЦ. AMI .30.20.04, 2000. 68 с.

20. Архипов М.Ю. Идентификация и моделирование деформированного состояния лепестка космического радиотелескопа «Радиоастрон» при проведении термовакуумных испытаний. Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Машиностроение №3, 2001. - С. 30-40.

21. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. -347 с.

22. Секулович М. Метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1993. 664 с.

23. Radio Astron. Profile measurements on two modified Petals of the Space Radio Telescope Antenna. Thermocycling test in ESTEC — HBF-3. TOS-MTE/T/MET/0264,1998. -512 c.

24. UAI/NASTRAN. Advanced Finite Element System for Structural Analysis and Design. Version 11.7. User's Reference Manual. UAI, 1994. 902 p.

25. UAI/NASTRAN. Advanced Finite Element System for Structural Analysis and Design. Version 11.7. User's Guide. UAI, 1994. 879 p.

26. FEMAP. Finite Element Modelling and Postprocessing. Version 4.3 for Windows. User's Manual. Enterprise Software Products, Inc., 1994. 549 p.