Разработка моделей для исследования деформированного состояния рефлектора крупногабаритного космического радиотелескопа лепесткового типа

2 стр.

5.2 Конечно-элементная модель.11Ю.

5.3 Моделирование температурных деформаций КРТ. Д19.

5.4 Методика снижения отклонений отражающей поверхности путем парирования перемещений рефлектора как твердого тела.* 123.

5.5 Выводы.126.

Глава 6. Моделирование деформированного состояния КРТ при проведении наземных радиотехнических испытаний.132.

6.1 Конечно-элементная модель.134.

6.2 Моделирование деформированного состояния при НРТИ. 138 !

6.3 Методика снижения отклонений отражающей поверхности КРТ путем подстройки к параболоиду наилучшего приближения.147.

6.4 Выводы.156 >

Заключение

158.

Список использованных источников

160.

Приложение.164.

Среди современных и перспективных крупногабаритных космических конструкций имеется большой класс изделий, широко и устойчиво занимающих свою «экологическую нишу». Это космические антенны (как прикладного, так и научного назначения). Для разработки конструктивных решений и получения объективных критериев их оценки возникла необходимость в разработке методик статического расчета, наиболее полно учитывающих специфику работы космических конструкций.

Антенны прикладного, или коммерческого назначения используются на космических аппаратах (КА) связи, к которым относятся аппараты, обеспечивающие прием и передачу телеи радиосигналов, телефонную, телеграфную связь. В последнее время бурное развитие получает направление, связанное с обеспечением современных средств связи. Несмотря на большие объемы производства телекоммуникационных КА, использование уже отработанных конструктивных элементов (в том числе и рефлекторов антенн), при создании нового аппарата встает вопрос об обеспечении работоспособности крупногабаритных антенн. Речь идет в первую очередь о точности отражающей поверхности. Требуемая точность отражающей поверхности может быть достигнута моделированием деформированного состояния конструкции при ее проектировании и контролем при ее экспериментальной отработке после изготовления. Естественно, актуальной задачей является снижение объема экспериментальной отработки за счет более точного моделирования на этапе разработки изделия. Это обеспечивает уменьшение сроков на создание конструкции и снижение ее стоимости.

Антенные конструкции космических телескопов сантиметровогомиллиметрового диапазонов являются уникальными крупногабаритными конструкциями.

Основная цель развертывания телескопа рассматриваемого диапазона на орбите — создание интерферометра с исключительно большой базой. Разрешающая способность интерферометра равна разрешающей способности обычного зеркального телескопа с диаметром зеркала, равным базе интерферометра. При нахождении космического телескопа на сильно вытянутой эллиптической орбите, а второго телескопа интерферометрической пары на Земле, возможно создание интерферометра с базой порядка 150 ООО км. При расположении второго телескопа также на орбите, база интерферометра увеличивается до 300 ООО км.

Астрономический инструмент с такими характеристиками позволит решить ряд фундаментальных проблем физики, астрономии и волнующих не только узкий круг ученых. Решение этих проблем, несомненно, вызовет большой интерес в обществе, и, соответственно, будет иметь некоторое социальное значение. Это:

• Определение границ Вселенной.

• Более точное определение скорости расширения Вселенной. Уточнение скорости расширение позволит сделать вывод о дальнейшем сценарии развития Вселенной — или она будет бесконечно долго расширяться, вплоть до ее «тепловой смерти», или с какого-то момента начнется ее сжатие.

• Исследование планетных систем звезд, по своим характеристикам близких к Солнцу, на предмет обнаружения разумной жизни.

• Выявление, изучение и определение скрытой массы во Вселенной и др.

Большой интерес ученых прикован к миллиметровому диапазону длин волн. Он является наименее изученным и несет исключительно много информации о дальнем космосе. При этом длина волны 1 мм предъявляет особые требования к точности отражающей поверхности. Основным методом, использующимся при моделировании деформированного состояния антенн, является метод конечных элементов (в форме метода перемещений). Наряду с авторскими разработками программ для моделирования деформированного состояния антенн, существует ряд коммерческих программных комплексов, реализующих МКЭ. Это пакеты семейства NASTRAN: UAI/NASTRAN, MSC/ NASTRAN, Cosmic/NASTRAN, а также ANSYS, MARC, I-DEAS, DIANA, COSMOS, LS-DYANA3D и ряд других. 6.

Многие из этих пакетов разрабатываются более тридцати лет, и благодаря сильным авторским коллективам, эффективной коммерческой деятельности и государственной поддержке стали очень мощными средствами вычислений, включающими в себя большие библиотеки конечных элементов, различные типы решаемых задач, а также развитые средства по подготовке задачи и обработке результатов.

В связи с бурным развитием компьютерной техники за последние 10−15 лет позволило решать исключительно сложные задачи механики (и в том числе — моделирование деформированного состояния крупногабаритных космических конструкций) с использованием персонального компьютера. При использовании одного из перечисленных выше пакетов конечно-элементного моделирования возможности разработчика существенно увеличиваются. Однако, как показывает опыт использования данных программных средств, не всегда удается решить поставленную задачу стандартными средствами данных пакетов. Кроме того, необходимо учесть все возрастающие требования к техническому совершенству разрабатываемых конструкций, в том числе и крупногабаритных антенных космических конструкций. Все это требует разработки методик адаптации конечно-элементных пакетов для моделирования конкретной конструкции. Этим вопросам и посвящена данная работа.

6.4 Выводы,.

На основе проведенных исследований, изложенных в данной главе, можно сделать следующие вывода.

1. Разработана конечно-элементная модель КРТ и системы обезвешиваниябандажа.

2. Обоснована необходимость применения системы обезвешивания КРТбандажа — при НРТИ.

Получено деформированное состояние КРТ при проведении НРТИ для различных углов наклона конструкции 90°, 75°, 60°, 45°. Эти результаты показывают, что нормальные отклонения отражающей поверхности для всех.

157 углов наклона превышают допустимые значения. Это говорит о невозможности проведения испытаний и калибровки КРТ на длине волны 13.5 мм.

4. Разработан алгоритм определения параболоида наилучшего приближения для КРТ при различных углах ориентации. Показана эффективность подстройки антенны КРТ к ПНП для снижения отклонений отражающей поверхности. Применение данной технологии позволит обеспечит проведение испытаний и калибровки телескопа на длине волны 13.5 мм при углах наклона до 45°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью работы является комплексное решение задач моделирования деформированного состояния конструкции КРТ на всех этапах существования: от наземных испытаний до эксплуатации на орбитеучет реальных характеристик конструкционных материалов и реальных эксплуатационных условий, минимизация объема экспериментальной отработки.

В работе решена крупная научно-техническая задача, связанная с моделированием деформированного состояния КРТ. В рамках решения этой задачи впервые получены следующие результаты.

Разработан ряд математических моделей для моделирования деформированного состояния, как отдельных элементов, так и КРТ в целом.

Данные модели отличаются высоким уровнем преемственности, что уменьшает как время решения задач по моделированию, так и время всего проектирования;

Разработанные математические модели позволяют решать одновременно тепловые и термодеформационные задачи;

Разработан алгоритм, позволяющий учитывать при моделировании комплекс основных факторов, влияющих на деформированное состояние КРТ, в том числе обусловленных недетерминированными технологическими погрешностями. Данный алгоритм реализован в программном комплексе Force, включающем в себя как составную часть пакет NASTRAN;

Разработанные математические модели имеют очень высокий уровень детализации описываемых конструкций, что позволяет получить более точные результаты по сравнению с результатами, полученными в предыдущих работах.

Разработан и успешно применен алгоритм определения параболоида наилучшего приближения для снижения уровня отклонений отражающей поверхности при наземных радиотехнических испытаниях. Данный алгоритм реализован в программном комплексе BFP, включающем в себя как составную часть пакет NASTRAN;

Разработана серия программных комплексов, позволяющих адаптировать для решения поставленных задач пакет NASTRAN.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждена экспериментом, проведенном в международном центре «ESTEC» (ESA, г. Нордвик, Голландия) в рамках международного проекта «Радиоастрон».