WEB-ресурс научно-практических конференций

К.ф.-м.н. Седельников А.В., Ратничкин Д.С.

Институт энергетики и транспорта Самарского государственного аэрокосмического университета имени ак. С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Российская Федерация

ЗАДАЧА УЧЕТА ДЕМПФИРОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ МИКРОУСКОРЕНИЙ

Для успешной реализации гравитационно-чувствительных технологических проектов в космосе на специализированной космической лаборатории необходимо обеспечить выполнение требований к микроускорениям внутренней среды космического аппарат (КА) в зоне предполагаемого размещения технологического оборудования. Основной вклад в поле микроускорений вносят колебания больших упругих элементов конструкции КА после включения двигателей системы ориентации и управления движением (УРД). В работе [1] представлена модель оценки квазистатической составляющей микроускорений без учета демпфирования собственных колебаний. Однако недопустимо высокий уровень микроускорений может с течением времени стать приемлемым благодаря демпфированию. Существуют предложения по увеличению продолжительности временного отрезка между двумя последовательными включениями УРД [2], которые делают задачу учета демпфирования более актуальной, особенно, если речь идет о непродолжительных по времени гравитационно-чувствительных процессах.

Анализ влияния демпфирования на поле микроускорений осложняется тем, что КА периодически оказывается в тени Земли. Совершая околоземный полет, при заходе и выходе из тени, на большие упругие элементы КА воздействует перепад температур, приводящих к тепловому удару, который способствует появлению дополнительных микроускорений [3-5]. Для прогнозирования появления микроускорений необходимо знать зависимость изменения демпфирующих свойств материала от изменения температуры. Теоретически эту зависимость возможно найти, смоделировав математическую модель всего процесса.

Моделирование происходит в среде NX Nastran . Данная программа выбрана с целью проведения компьютерного инженерного анализа проектируемых изделий методом конечных элементов. Решатель NX Nastran обеспечит выполнение полного набора инженерных расчетов, необходимых для решения поставленной задачи, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, анализ частотных характеристик, отклика на динамические и случайные воздействия.

Для проверки актуальности поставленной задачи выберем простейшую схему представления упругих элементов КА как балки Эйлера-Бернулли. Балке задается материал МА2 и инерционно-массовые характеристики соответствуют панелям солнечных батарей КА типа «НИКА-Т». Рассматривается жесткое крепление упругого элемента к КА. Моделирую разные условия космического пространства (на солнечной стороне и в тени Земли), наблюдается изменение ряда параметров определяющих колебания упругих элементов, рассматриваемые как свободные колебания.

При каждом переходе границы тени, начальная температура тела будет разной, поэтому необходимо выбрать наиболее неблагоприятный сценарий, при котором логарифмический декремент окажется минимальным, а демпфирование колебаний наиболее длительным. Нужно составить математическое ожидание модели.

Температура в тени Земли составляет -170°С. Выходя из тени, температура поднимается до +110°С. Эксперименты показали, что при увеличении температуры для магниевых сплавов логарифмический декремент увеличивается, при достижении максимальной рабочей температуры. Для магниевого сплава МА2, максимально длительная рабочая температура составляет +150°С, максимальная кратковременная +200°С. Анализируя параметры орбита КА типа «НИКА-Т» можно оценить время нахождения в тени Земли как 830 сек. за один виток. Ставится задача оценки микроускорений с учетом изменений логарифмического декремента и сравнения результатов с базовой моделью [1]. В случае существенных различий, для адекватной оценки микроускорений необходимо будет отказаться от гипотезы о постоянстве логарифмического декремента.

Предварительный анализ показал, что при длительном нахождении КА в тени Земли наблюдается существенное различие в результатах оценок по разным моделям, однако требуется более скрупулезный анализ с учетом особенностей реальных орбит КА технологического назначения.

Список использованных источников:

1. Седельников А.В. Проблема микроускорений: от осознания до фрактальной модели. Ч.1 / А.В. Седельников // Физическая модель квазистатической компоненты микроускорений. – М.: РАН, Избранные труды Российской школы. – 2010. – 107 с.

2. Sedelnikov A.V. Alternative solution to increase the duration of microgravity calm period on board the space laboratory / A.V.Sedelnikov, A.A. Kireeva // Acta Astronautica. – 2011. – Vol. 69. – № 6-7. – P. 480-484.

3. Седельников А.В. О влиянии температурных деформаций упругих элементов на динамику движения космического аппарата / А.В. Седельников, М.И. Казарина // Известия СНЦ РАН. – 2010. – Т. 12.

4. Седельников А.В. Влияние температурных деформаций упругих элементов на динамику движения космического аппарата типа «НИКА-Т» / А.В. Седельников, М.И. Казарина // Вестник МАИ. – 2011. – Т.18. – №2. – С.47-51.

5. Седельников А.В. Оценка влияния температурных деформаций упругих элементов космической лаборатории на поле микроускорений ее внутренней среды / А.В. Седельников, В.В. Юдинцев // Известия СНЦ РАН. – 2011. – Т. 13. – №1(2). – С. 344-346.