Моделирование вибрационного фона космического аппарата


DOI: 10.34759/trd-2023-131-02

Авторы

Герасимчук В. В.*, Жиряков А. В.**, Кузнецов Д. А.***, Телепнев П. П.****

Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, ул. Ленинградская, 24, Химки, Московская область, 141400, Россия

*e-mail: gerasimchuk@laspace.ru
**e-mail: dep127180@laspace.ru
***e-mail: kuznetsovda@laspace.ru
****e-mail: telepnev@laspace.ru

Аннотация

Двигатели-маховики и двигатели коррекции, являясь устройствами обмена импульсами, выступают фундаментальным компонентом большинства космических аппаратов как для грубого управления ориентацией, так и для точного наведения. Неуравновешенность вращающихся масс при работе двигателей-маховиков и силовые вибрационные воздействия, вызванные пульсациями давления в камере сгорания двигателей коррекции, способны вызывать чрезмерные колебания исследовательского оборудования, что может привести к снижению точности функционирования. Уровни вибронагруженности определяются в ходе экспериментальной отработки космического аппарата, однако на ранних стадиях проектирования целесообразно предварительным моделированием вибрационного фона мест установки высокоточного оборудования выбрать оптимальные места для их установки с целью минимизации уровней их вибронагруженности.

Вибрационный фон определялся для разработанной конечно-элементной модели «гибкой» конструкции космического аппарата в среде пакета программ Femap with NX Nastran. Расчёты проводились для вариантов вибронагружения одним из четырёх двигателей-маховиков и от двух двигателей коррекции. Модель воздействия от двигателя-маховика учитывала силы, возникающие в результате дисбаланса маховика. Моделировалось гармоническое воздействие с амплитудой, пропорциональной квадрату скорости вращения маховика. Уровни вибронагруженности от возмущающих сил двигателей коррекции исследовались для синфазного и противофазного случаев воздействия. Исследование выполнялось методом гармонического анализа. Значения величин воздействий соответствовали уровням возмущений штатных двигателей-маховиков и двигателей коррекции.

Оценка уровней вибронагруженности в местах предполагаемого крепления приборов осуществлялась по максимальным значениям рассчитанных линейных и угловых виброускорений, угловых скоростей и угловых перемещений по трём осям.

Представленный в статье вариант моделирования вибрационного фона мест установки аппаратуры, чувствительной к стабильности положения для эффективной работы, позволяет провести предварительную оценку уровня вибронагруженности такой аппаратуры на ранних этапах проектирования космических аппаратов.

Ключевые слова:

собственная частота колебаний, динамическая схема, космический аппарат

Библиографический список

  1. Ефанов В.В., Телепнев П.П., Кузнецов Д.А. Межпланетные станции с прецизионной точностью ориентации: требования по обеспечению комплексной виброзащиты // Астрономический вестник. 2019. T. 53. № 6. С. 475-480.
  2. Моишеев А.А., Мордыга Ю.О. Сравнительный анализ влияния основных бортовых источников возмущений КА на «вибрационный смаз» изображения космического телескопа. — М.: НПО им. С.А. Лавочкина, 1998.
  3. Попов И.П. Свободные синусоидальные колебания на основе взаимного обмена кинетической энергией между тремя грузами // Труды МАИ. 2023. № 129. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=173002. DOI: 34759/trd-2023-129-02
  4. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. — М.: Наука, 1974. — 600 с.
  5. John Alcorn, Cody Allardy, Hanspeter Schaubz. Fully-Coupled Dynamical Jitter Modeling of a Rigid Spacecraft with Imbalanced Reaction Wheels // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2016, Boulder, Colorado, DOI:2514/6.2016-5686
  6. Агеенко Ю.И., Пегин И.В., Чесноков Д.В. Двигатель коррекции тягой 50 и для посадочного аппарата «Луна-Ресурс» // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 5 (47). Ч. 1. С. 112-117.
  7. Машиностроение. Энциклопедия. Т. 1-3. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин / Под ред. К.С. Колесникова. — М.: Машиностроение, 1994. Кн. 1. — 534 с.
  8. Masterson R., Miller D., Grogan R. Development and Validation of Reaction Wheel Disturbance Models: Empirical Model // Journal of Sound and Vibration, 2002, vol. 249 (3), pp. 575-598. DOI:1006/jsvi.2001.3868
  9. Rizzo M.J., Rinehart S., Alcorn J., Barry R., Benford D., Fixsen D. et al. Building an Interferometer at the Edge of Space: Pointing and Phase Control System for BETTII // SPIE Space Telescopes and Instrumentation, 2014. DOI:1117/12.2055016
  10. Занин К.А., Москатиньев И.В., Демидов А.Ю. Разработка обобщённых критериев разрешающей способности для различных типов космических систем наблюдения // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2023. № 1. С. 12-20. DOI: 26162/LS.2023.59.1.002
  11. Shaub H., Junkins J. Analytical Mechanics of Space Systems, Reston, Virdzhiniya, 2018. DOI: 10.2514/4.105210
  12. Деменко О.Г., Бирюков А.С. К вопросу об определении параметров эквивалентного ударного импульса при испытаниях космических аппаратов // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2023. № 2. С. 70-77.
  13. Фролов К.В. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти томах. Т. 6. Защита от вибраций и ударов. — М.: Машиностроение, 1985. — 456 с.
  14. Герасимчук В.В. Снижение уровня вибронагруженности прецизионного оборудования космического комплекса применением системы виброизоляции с регулируемой упруго-демпфирующей характеристикой // Двойные технологии. 2021. № 2 (95). С. 28-32.
  15. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran для Windows. — М.: ДМК Пресс, 2004. — 704 с.
  16. Telepnev P.P., Zhirykov A.V., Gerasimchuk V.V. Calculating the Structural Vibration Loading Applied to Spacecraft Using Dynamic Analysis // Solar System Research, 2021, vol. 55, no. 7. DOI: 1134/S0038094621070200
  17. Лурье С.А., Шрамко К.К. Об условии корректности в краевых задачах градиентной теории упругости // Труды МАИ. 2021. № 120. URL: https://trudymai.ru/ published.php?ID=161414. DOI: 34759/trd-2021-120-02
  18. Амирьянц Г.А., Малютин В.А. Об экспериментальном определении жесткостных характеристик авиационных конструкций // Труды МАИ. 2018. № 103. URL: https://trudymai.ru/ published.php?ID=100600
  19. Телепнев П.П., Кузнецов Д.А. Основы проектирования виброзащиты космических аппаратов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2019. — 102 с.
  20. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. — М.: Наука, 1974. — 331 с.
  21. Хейлен В., Ламменс С., Сас П. Модальный анализ: теория и испытания. — М.: ООО «Новатест», 2010. — 319 с.
  22. Елисеев А.В., Кузнецов Н.К., Елисеев С.В. Частотная энергетическая функция в оценке динамических состояний технических объектов // Труды МАИ. 2021. № 118. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=158213. DOI: 34759/trd-2021-118-04
  23. Семенов М.Е., Соловьев А.М., Попов М.А. Стабилизация неустойчивых объектов: связанные осцилляторы // Труды МАИ. 2017. № 93. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=80231
  24. Меркурьев С.А. Методика отработки алгоритмов управления угловым движением космических аппаратов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 6 (102). DOI: 18698/2308-6033-2020-6-1990
  25. Кудрявцев С.В., Розовенко В.М. К вопросу создания информационно-диагностической системы контроля технического состояния образцов космической техники // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2023. № 1. С. 74-79. DOI: 26162/LS.2023.59.1.009

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход