Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0082

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0082
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"
Название доклада
Решение задач моделирования и проектирования сетчатых анизогридных элементов конструкций космических аппаратов
Докладчик
Уваев Илья Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Реализация проекта направлена на решение проблемы моделирования и создания перспективных силовых элементов и конструкций космических аппаратов с улучшенными механическими и эксплуатационными характеристиками.
Целью реализуемого проекта является разработка, моделирование и макетирование новых технических решений в области создания сетчатых (анизогридных) композитных конструкций элементов современных космических аппаратов (силовых корпусов, адаптеров, спиц антенн и панелей солнечных батарей).
Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта являются сетчатые композитные конструкции космических аппаратов (КА). Такие структуры не имеют аналогов, сравнимых с ними в классе высоко нагруженных конструкций, по весовой, технологической и экономической эффективности. Использование таких структур для элементов КА позволит улучшить их весовые характеристики, эксплуатационные параметры и время работы на орбите.
Актуальность и новизна исследования
Современные концепции космических конструкций реализуются в сетчатых оболочках, состоящих из системы спиральных и кольцевых ребер.
Такие сетчатые оболочки изготавливаются из композитных материалов методом автоматизированной непрерывной намотки. Сетчатые композитные конструкции удачно сочетают возможности композиционных материалов с конструктивно-технологическими решениями, позволяющими использовать их высокую удельную прочность и жесткость. До настоящего времени эти структуры не имеют аналогов по весовой, технологической и экономической эффективности. Существующие сетчатые конструкции применяются, например, в качестве переходных отсеков тяжелого космического носителя Протон-М, а также в качестве несущего корпуса и адаптера космического аппарата системы ГЛОНАСС. Кроме того, сетчатые композитные структуры используются для изготовления космических ферм и антенн различного назначения.
Для удержания конкурентных позиций отечественных производителей ракетной и космической техники необходимо осуществлять поиски перспективных форм и методов проектирования анизогридных структур. Поэтому для развития критических технологий, используемых в оборонной промышленности, большой практический интерес представляет создание следующих принципиально новых сетчатых конструкций, выполненных из композиционных материалов.
Описание исследования

Методология проведения работы основана на:

- разработке аналитических и численных методик расчета и проектирования композиционных сетчатых элементов конструкций современных космических аппаратов, в т.ч. с учетом ряда ограничений, накладываемых на критические усилия и частоты продольных и поперечных колебаний конструкции.

- построении конечно-элементных моделей для обеспечения оптимального проектирования композиционных анизогридных элементов конструкций КА с различной геометрической конфигурацией.

Результаты исследования

На первом этапе выполнен аналитический обзор и показана тенденция возрастающего применения сетчатых композитных оболочек, пластин и стержней в конструкциях отечественных и зарубежных космических аппаратов. Выполнена сравнительная оценка существующих технических решений по проектированию композитных сетчатых конструкций элементов современных космических аппаратов. Показано, что особенностями задачи проектирования сетчатых оболочек из композитных материалов являются многообразие видов потери несущей способности и зависимость механических и структурных характеристик от параметров технологического процесса. Разработаны технические требования по параметрам механических нагрузок на сетчатые конструкции элементов космических аппаратов.

На втором этапе разработаны конечно-элементные модели ряда сетчатых композиционных конструкций элементов космических аппаратов. Выполнены теоретические исследования механических характеристик сетчатых конструкций элементов КА 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.

На третьем этапе разработаны методики анализа и проектирования различных сетчатых конструкций элементов космических аппаратов (цилиндрических оболочек, спиц зонтичных антенн, конических адаптеров полезной нагрузки, каркасов солнечных батарей) с различными геометрическими формами и внешними ограничениями, накладываемые на критические усилия, частоты колебаний и механические параметры конструкций.

На четвертом этапе разработаны эскизная конструкторская документация для изготовления макетов сетчатых конструкций элементов КА и программы и методики численных и экспериментальных исследований макетов сетчатых конструкций элементов КА. Проанализированы результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований. Показано, что разработанные методики обладают надежностью и эффективностью, достаточной для проведения как проектировочных, так и поверочных расчетов сетчатых цилиндров и спиц. Изготовлен макет анизогридной сетчатой силовой конструкции корпуса КА. Проведены численные исследования моделей макетов сетчатых конструкций элементов КА и экспериментальные исследования макета анизогридной сетчатой цилиндрической силовой конструкции корпуса КА. Показано, что разработанные модели позволяют быстро и надежно оценивать влияние проектных параметров макетов на перемещения, частоты колебаний и критические усилия.

В целом, разработанные методики позволяют проектантам осуществлять оптимальный подбор конструктивной схемы с выбором параметров сетчатой структуры различных конструктивных элементов КА. Этими параметрами являются: физико-механические характеристики композиционного материала, число спиральных ребер, размеры поперечных сечений ребер, углы намотки спиральных ребер. Параметры выбираются в процессе проектирования сетчатых конструкций, которые должны удовлетворять требованиям прочности, жесткости и устойчивости.

Практическая значимость исследования
Область применения результатов – разработка научно-технического задела и его применение на предприятиях 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). Сетчатые конструкции, разработанные в проекте, инициируют создание новых технологических процессов изготовления композитных изделий.
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.
Полученные результаты будут использованы на предприятиях космической отрасли, прежде всего в АО «ИСС», при проведении дальнейших опытно-конструкторских работ по проектированию и изготовлению композиционных элементов конструкции космических аппаратов связи. Результаты будут содействовать обеспечению экспортного потенциала отечественных автоматических космических аппаратов за счет новых конструктивных решений и преимуществ, появляющихся при использовании новых композитных сетчатых структур.