Регистрация / Вход
Прислать материал

Решение задач моделирования и проектирования сетчатых анизогридных элементов конструкций космических аппаратов

Номер контракта: 14.574.21.0082

Руководитель: Лопатин Александр Витальевич

Должность: Заведующий кафедрой компьютерного моделирования

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
композиционный материал, сетчатая анизогридная структура, анизогридная оболочка, космический аппарат, зонтичная антенна, солнечная батарея космического аппарата

Цель проекта:
Сетчатые композитные конструкции не имеют аналогов, сравнимых с ними в классе высоко нагруженных конструкций, по весовой, технологической и экономической эффективности. Использование таких структур для элементов космических аппаратов (КА) позволяет повысить их весовые характеристики, эксплуатационные параметры и время работы на орбите. Целями выполнения настоящего ПНИ являются разработка, моделирование и макетирование новых технических решений в области создания сетчатых (анизогридных) композитных конструкций элементов современных космических аппаратов (корпусов, антенн и панелей солнечных батарей).

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе ПНИ будет выполнен комплекс научных исследований для разработки новых конструктивных решений и создания методов расчета и проектирования композиционных сетчатых элементов конструкций современных космических аппаратов
Ожидаемыми результатами при проведении ПНИ являются:
- аналитические и приближенно-аналитические методы анализа нелинейных деформаций и моделирования типовых элементов композиционных конструкций космических аппаратов (сетчатых оболочек);
- конечно-элементные модели сетчатых конструкций используемых при создании космического аппарата;
- методика проектирования сетчатой конструкций используемых при создании космического аппарата при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и моменты, частоты продольных и поперечных колебаний;
- методическая документация по проведению исследований объектов ПНИ (методика экспериментов, результаты обработки данных, полученных при проведении экспериментов);
- программа и методики экспериментальных исследований;
- эскизная (рабочая) техническая документация на экспериментальный образец;
- технические требования и предложения по разработке продукции на основе результатов ПНИ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Композиционные материалы, состоящие из углеродных или органических волокон и полимерной матрицы, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. В сочетании с автоматизированными технологическими процессами намотки, эти материалы позволяют получать конструкции, обладающие высокой степенью весового совершенства. Сочетание высоких механических характеристик композиционных материалов с конструктивными концепциями и технологическими методами приводит к качественному улучшению технических характеристик конструкции используемых при создании космического аппарата. Разработка методов анализа и проектирования композитных сетчатых элементов космических аппаратов привлекает внимание многих исследователей в США, Китае, Японии и странах Европы, в Иране и Индии.
Существующая в мире потребность в увеличении весовой эффективности ракетных и космических конструкций, созданных на базе композитных сетчатых оболочек и панелей, инициирует дальнейшие исследования таких структур при различных видах силового и температурного воздействия.
В настоящее время сетчатые конструкции широко используются при производстве отечественных космических аппаратов, разрабатываемых ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (ОАО «ИСС»). Вместе с тем, отставание по применению композиционных материалов в космических конструкциях составляет 5 – 10 лет от основных зарубежных конкурентов (AASC, ATK-COI, США, MDA, Канада, THALES ALENIA SPACE Франция, EADS ASTRIUM, Германия). Поэтому целесообразно развивать создание композиционных элементов космических аппаратов в России. Это позволит исключить зависимость от зарубежных поставщиков, существенно снизить затраты на изготовление космических аппаратов и иметь национальные космические системы двойного назначения. Разработки, позволяющие сократить отставание отечественных производителей космической техники от ведущих иностранных фирм в области создания композитных конструкций, обладают значительной актуальностью.
В проекте будет впервые осуществлено исследование новых анизогридных сетчатых структур, применимых для создания перспективных образцов космической техники с улучшенными эксплуатационными характеристиками. К ним можно отнести несущие элементы корпусов, антенн и каркасов солнечных батарей космических аппаратов системы ГЛОНАСС. Будут разработаны оригинальные методы моделирования, анализа и проектирования таких сетчатых конструкций, выполненных из композиционных материалов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения результатов – разработка научно-технического задела для предприятий космической отрасли при проектировании и создании автоматических космических аппаратов связи и телекоммуникаций.
Результаты работы позволят создать принципиально новые сетчатые конструктивные элементы автоматических космических аппаратов с использованием композиционных материалов (силовые корпуса, конические адаптеры полезной нагрузки, спицы зонтичных антенн, каркасы солнечных батарей).
Использование новых анизогридных структур повысит весовую эффективность космических аппаратов, их эксплуатационные параметры и время работы на орбите. Результаты исследований помогут увеличить экономическую и экспортную привлекательность отечественной космической техники и ее конкурентоспособность на зарубежном рынке телекоммуникационных КА. Сетчатые конструкции, разработанные в проекте, инициируют создание новых технологических процессов изготовления композитных изделий.
Экономическая эффективность работы заключается в высоком потенциале коммерциализации (основные потенциальные заказчики – отечественные предприятия космической отрасли), результаты работы адаптированы под условия и потребности
целевого рынка: при сопоставимом качестве продукции (по основным техническим характеристикам) и более низкой (расчетной) цене на продукцию по сравнению с зарубежными аналогами.

Текущие результаты проекта:
Разработаны конечно-элементные модели сетчатых композиционных конструкций элементов космических аппаратов: сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением и постоянной жесткостью по длине; сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением и переменной жесткостью по длине; сетчатой цилиндрической оболочки с эллиптическим поперечным сечением; сетчатой цилиндрической оболочки с поперечным сечением в виде многоугольника; сетчатой конической оболочки; сетчатого каркаса солнечной батареи.
Получены и применены аналитические формулы для решения ряда задач поиска оптимальных параметров сетчатых композиционных структур, обеспечивающих максимизацию основной частоты колебаний - важного параметра при
проектировании космических конструкций.
Выполнены теоретические исследования механических характеристик сетчатых конструкций элементов космических аппаратов с использованием разработанных конечно-элементных моделей, включая: анализ деформирования консольной
сетчатой цилиндрической оболочки, нагруженной поперечным инерциальным усилием; определение основной частоты колебаний консольной сетчатой цилиндрической оболочки с присоединенным абсолютно жестким диском; определение
основной частоты колебаний сетчатой цилиндрической оболочки с жестко закрепленными краями.
Разработаны технические требования по параметрам механических нагрузок на сетчатые конструкции элементов космических аппаратов на этапе выведения КА на орбиту и при эксплуатации. Результаты соответствуют лучшим зарубежным практикам и тенденциям развития методов проектирования конструкций из композиционных материалов.