Технические науки/9. Авиация и космонавтика

Магистрант Захаров В.О.

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Россия

Оптимизация композиционной платформы главного зеркала космического телескопа

Аннотация: В данной работе рассматривается одна из платформ орбитального телескопа.

Приводятся результаты расчётов на прочность и жёсткость и варианты оптимизации конструкции.

Ключевые слова: космический телескоп, композитные материалы, метод конечных элементов прочность, жёсткость.

В настоящее время большинство инженерных конструкций изготавливаются с применением из композиционных материалов. Свойства таких изделий представляют большой интерес.

Объектом исследования является платформа главного зеркала телескопа, который находится внутри космического аппарата.

Построение геометрической модели и генерация конечно-элементной сетки проводятся в интегрирующей среде систем проектирования, моделирования и анализа MSC.Patran. Для идеализации обшивок и рёбер жёсткости здесь используются элементы оболочки, а сотозаполнителя, который представляется как однородное ортотропное тело, – объёмные элементы. Статический расчёт при заданных значениях перегрузок, а также расчёт частот и форм собственных колебаний конструкции зеркала выполняются в программе MSC.Nastran.

Платформа главного зеркала орбитального телескопа, представляет собой трехслойную клееную конструкцию диаметром 1,6 метра, изготовленную с применением композитных материалов на основе углепластика. Несущие слои конструкции представляют собой тонкие углепластиковые пластины, а внутренний слой является сотовым заполнителем, усиленным двенадцатью рёбрами жёсткости, ориентированными преимущественно в радиальном направлении. Двенадцатью втулками к платформе присоединяются два массовых элемента конструкции телескопа. Втулки изготавливаются из титанового сплава. На рисунке изображена конструкция платформы без верхней пластины.

Данная конструкция является размеростабильной, то есть она должна сохранять свои размеры при действии внешних факторов, таких как температура. Размеростабильность конструкции обеспечивается использованием углепластика. Следует также отметить, что для обеспечения равномерного нагрева рассматриваемой конструкции имеется так называемая система терморегуляции космического аппарата.

В качестве расчётного был рассмотрен комбинированный расчётный случай “Старт-АВДУ”, где АВДУ – аварийное выключение двигательной установки.

Основные требования, предъявляемые к размеростабильной несущей конструкции зеркала телескопа следующие:

1) По прочности: от действия максимальных перегрузок в элементах конструкции не должны быть достигнуты предельные значения напряжений.

2) По жёсткости: наименьшая частота собственных колебаний конструкции должна быть не менее 100 Гц.

Основным материалом конструкции является углепластик КМУ-4Л, армированный в одном направлении длинными углеродными волокнами. Следует отметить, что однонаправленные материалы имеют один главный недостаток: они имеют низкие механические свойства в поперечном направлении. По этой причине композитные элементы конструкций часто изготавливают из нескольких монослоёв, ориентируя их в различных направлениях. В нашем случае укладка слоев выполнена “звёздочкой”: [0/45/-45/90/90/-45/45/0] (всего 8 слоев). При этом структура пакета слоев симметрична относительно срединной плоскости, что не приведёт к изгибу панели при её растяжении и наоборот, её изгиб не приведёт к растяжению. Укладка “звёздочкой” позволяет материалу работать во всех направлениях практически одинаково. При этом его можно рассматривать как квазиизотропный в своей плоскости, что значительно упрощает процесс моделирования [2,8-10].

Свойства углепластика были взяты из работы [1].

Проведенный компьютерный анализ на основе метода конечных элементов дал следующие результаты: наибольшие напряжения, действующие в точках крепления платформы и местах, воспринимающих вес массовых элементов, не превышают предел прочности материалов.

Модальный анализ показал, что частота колебаний по первому тону не превышает 72 Гц, а наибольшие деформационные перемещения конструкции около 2 мм.

По условиям работы платформы минимальная частота должна быть не менее 100 Гц. Таким образом, возникает необходимость оптимизации основных характеристик платформы.

где D – изгибная жёсткость пластины,

I – погонный момент инерции пластины.

Как видно из формул изгибную жёсткость платформы можно увеличить за счёт увеличения модуля упругости или за счёт увеличения погонного момента инерции пластины. Для изменения модуля упругости можно изменить укладку слоёв композита, но этот способ не будет являться эффективным в данной задаче. Поэтому наиболее рациональным вариантом будет увеличение расстояния между пластинами. Однако такое изменение приведёт к увеличению габаритов телескопа и к утяжелению конструкции. Существенно увеличить расстояние между пластинами нельзя, поэтому ыла увеличена толщина рёбер жесткости, усилены места крепления массовых элементов. После проведения повторного анализа получены приемлемые результаты: частота колебаний первого тона имеет значение 102 Гц, деформации – 2 мм.

Литература:

1) Гуняев Г.М., Сорина Т.Г.,Хорошилова И.П., Румянцев А.Ф., Конструкционные эпоксидные углепластики // Авиационная промышленность . – 1984. – №12.

2) Скворцов, Ю. В. Моделирование композитных элементов конструкций и анализ их разрушения в САЕ-системах MSC.Patran-Nastran и ANSYS [Электронный ресурс] : электронное учебное пособие / Ю. В. Скворцов, С. В. Глушков, А. И. Хромов; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т).– Электроные текстовые и граф. дан. (2,3 Мбайта). – Самара, 2012г. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM).