STUDENT PICOSATELLITE PLATFORM SIBQUBE: DEVELOPMENT OF PROTOTYPE STRUCTURE OF POCKETQUB CLASS PICOSATELLITE

Full Text

Введение. В последние 10-20 лет в космической отрасли ярко выражена тенденция миниатюризации космических платформ. Наиболее распространенным результатом миниа- тюризации является стандарт КА CubeSat. Стандарт регламентирует габариты КА на уровне 10×10×10 см, 1,3 кг (базовая единица 1U), форму корпуса и набор интерфейсов [1]. Данные КА запускаются с помощью пусковых контейнеров, размещенных в качестве по- путной нагрузки на ракетах-носителях, тяжелых КА и международной космической станции. КА CubeSat изначально были задуманы для образовательных целей, но также приобрели популярность в качестве научного, коммерческого и популяризационного инструмента. Также были разработаны более миниатюрные стандарты КА: PocketQub (5×5×5 см, 125 г) [2], FemtoSAT (3×3×3 см, 35 г ) [3] (рис. 1), а также спрай- ты (Sprites), чипсаты (ChipSat) [4], которые состоят из небольшой печатной платы, на которой присутствуют солнечные батареи, передатчик, процессор и некото- рый набор простых датчиков. Обычно такие КА про- сто транслируют записанные сообщения. Стандарт PocketQub. Данный стандарт регламен- тирует внешние габариты КА 5×5×5 см и массу 125 г, что соответствует формату 1p. Стандарт предусмат- ривает различные компоновки от 1p до 8p. Существу- ет возможность запуска КА данного класса с исполь- зованием уже существующих контейнеров для КА класса CubeSat. Кроме массогабаритного стандарта существует также стандарт PQ60 [7], который регла- ментирует размеры печатных плат, типы межплатных электроинформационных разъемов и их распиновку. Изначально стандарт разрабатывался в рамках концепции 50$Sat - низкобюджетных спутников для широкого доступа в космос. Стандарт был разработан профессором Бобом Твиггсом совместно с Государст- венным университетом Морхеда [8]. На данный момент запущено четыре космических аппарата подобного класса: $50Sat [9], Wren [10], Qubescout S1 [11], T-LogoQube [12]. Данные КА были запущены в составе миссии UniSat-5 с использованием ракеты-носителя «Днепр» в ноябре 2013 г. Разрабатываемый сверхмалый космический аппарат SibQube. В Сибирском государственном университете науки и технологий разрабатывается студенческая спутниковая платформа SibQube, относящаяся к классу пикоспутников (рис. 2). Внешний вид КА представлен на рис. 2, а. Целью разработки является создание платформы- конструктора с низкой стоимостью для образователь- ных и научных целей. Основными потребителями будут являться научные организации, университеты, школы и организации дополнительного образования. Платформа может быть применима для следую- щих задач: - образовательные программы для студентов и школьников; - выполнение технологических экспериментов; - построение группировок КА для изучения пара- метров верхней атмосферы. На данный момент стоит задача разработки слу- жебной платформы. В базовом составе платформа должна включать в себя следующие системы: конст- рукции корпуса; механизм зачековки антенн; борто- вой комплекс управления; система электропитания; система приема и передачи данных (полнодуплекс- ная); набор сенсоров. В связи с малыми габаритами КА существует проблема энергообеспечения, связанная с малой пло- щадью солнечных батарей. Таким образом, одним из важных факторов разработки является обеспечение высокого уровня энергосбережения. Другим важным фактором разработки является обеспечение итоговой низкой стоимости платформы, чтобы сделать ее дос- тупной широкому кругу потребителей [13]. Конструкции корпуса. Корпус представляет собой сборную алюминиевую конструкцию (с воз- можностью масштабирования до размеров 2p, 3p без принципиальных изменений в конструкции). Кон- струкционная целостность достигается за счет винто- вого соединения. В качестве материала был выбран сплав Д16, так как он имеет подходящие механические свойства. В конструкции корпуса используются гнутые детали из листового металла из-за низкой стоимости производства и особенностей сборки (рис. 2, б) [14]. Основой корпуса служит стандартизированная алю- миниевая пластина Base plate. Она удерживает КА в пусковом контейнере, а также обеспечивает возможность перемещения КА по направляющим в контейнере при выведении аппарата из контейнера. Микропереключатели обеспечивают переход КА из спящего в активный режим при выходе аппарата из контейнера. а б Рис. 1. Устройство космического аппарата: а - класса KickSat [5]; б - стандарта FemtoSAT [6] Fig. 1. Structure of spacecraft: a - KickSat class [5]; б - FemtoSAT standard [6] a б Рис. 2. Космический аппарат стандарта PocketQub: а - внешний вид; б - устройство: 1 - Base plate; 2 - стенки корпуса; 3 - межплатные стойки; 4 - фотоэлемент; 5 - плата радиоэлектронного модуля; 6 - антенна; 7 - сервисный разъем; 8 - микропереключатель Fig. 2. PocketQub standard spacecraft: а - exterior view; б - structure: 1 - Base plate; 2 - sides of a body; 3 - interplane legs; 4 - photocell; 5 - board of electronic module; 6 - antenna; 7 - service connector; 8 - microswitch Электронно-технический модуль принципиально представляет собой совокупность печатных плат, раз- деленных межплатными стойками. Печатные платы связаны между собой электроинформационными межплатными соединениями. Таким образом, платы внутри КА организованы в структуру типа «стэк». КА предполагается оборудовать набором внешних сер- висных информационных и электрических интерфей- сов для обеспечения возможности внесения поправок в структуру программного обеспечения аппарата, зарядки аккумуляторных батарей. Изготовленный прототип корпуса представлен на рис. 3. Описанная конструкция полученного про- тотипа имеет массу 97 г. На данном этапе был изго- товлен технологический прототип, задачей которого было подтвердить конструкционные решения, задача максимального облегчения корпуса аппарата не ста- вилась. Выполнение в стенках вырезов позволит сни- зить массу деталей корпуса до 20 %. Анализ конструкции. Расчет для проверки проч- ности и устойчивости конструкции проводился в конечно-элементном пакете Ansys с использованием модулей Ansys Workbench, Ansys Design Modeller и Ansys Mechanical. Каждой детали был присвоен материал с уникаль- ными физико-механическими свойствами. Материал платы - текстолит. Материал шпилек - латунь. Мате- риал батарей - кремний. Граничные условия для анализа соответствуют данным по выведению на орбиту ракеты-носителя (РН) «Днепр» [15]. Был проведен статический анализ на воздействие линейных перегрузок до 20 g; модальный анализ на собственные частоты, динамический анализ слу- чайных воздействий. Анализ на воздействие линей- ных перегрузок по всем трем осям до 20 g проводился в трех вариантах: 1) продольное направление ускорения; 2) поперечное направление ускорения; 3) направление ускорения под углом в 45º ко всем трем плоскостям. Граничными условиями для каждого варианта анализа являются ускорение перегрузки и ускорение свободного падения. Фиксированная геометрия применяется для фик- сации модели от свободного перемещения по всем трем осям. Фиксация применяется на крайней грани Base plate (спутник упирается ей в направляющие контейнера). На основе проведенных расчетов установлено, что при заданных условиях линейных перегрузок конст- рукция выдерживает нагрузки. Максимальное напря- жение, наблюдаемое в модели, не превышает 3,1 МПа. В местах наибольшей концентрации напряжений мак- симальные напряжения для всех элементов конструк- ции значительно меньше предела текучести. Это спо- собствует высокому коэффициенту запаса прочности. Перед проведением анализа на случайную вибрацию необходимо провести модальный анализ на поиск собственных частот. Поиск собственных частот осуществлялся в диапазоне от 0 до 2000 Гц. Деформации при собственных частотах возникают исключительно в печатных платах электронно- технического модуля. Результаты модального анализа представлены в табл. 1. На основе модального анализа был проведен анализ на случайные воздействия. В расчет была вве- дена спектральная плотность виброускорений в зави- симости от частоты, эквивалентная вибрационным нагрузкам при полете РН «Днепр». Было рассмотрено два расчетных случая: 1) нагружение по продольной оси; 2) нагружение по поперечной оси. Результаты представлены в табл. 2. Рис. 3. Фотография полученного прототипа корпуса Fig. 3. Photo of the structure of the prototype produced Таблица 1 Моды собственных частот КА № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Частота, Гц 865,8 867,2 874,1 879,3 880,9 1435,3 1436,6 1438,3 1441,4 № 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Частота, Гц 1445,2 1454,8 1456,2 1456,5 1459,1 1467,8 1485,2 1488,1 1552,5 Таблица 2 Результаты динамического анализа случайных воздействий Масштаб 1 σ 2 σ 3 σ Вероятность возникновения, % 68,269 95,45 99,73 Эквивалентное напряжение, МПа 2,637 5,275 7,912 Так как случайная вибрация является величиной неявно заданной, можно лишь определить вероят- ность возникновения определенной нагрузки в диапа- зоне частот от 0 до 2000 Гц. Используется статисти- ческий анализ, определяющий вероятность появления той или иной амплитуды искомого параметра. Резуль- таты исследований распределяются по нормальному закону. По результатам проведенных анализов установле- но, что конструкция не имеет собственных частот в низкочастотном диапазоне (резонанс возможен при частотах выше 850 Гц). Первая собственная частота наблюдаются при 870 ГЦ, вторая - при 1450 ГЦ. Это удовлетворяет заявленным требованиям, что собст- венные частоты конструкции не должны быть меньше 10-20 ГЦ. Наиболее высокие показатели спектраль- ной плотности мощности напряжения наблюдаются на второй собственной частоте (1465 Гц), т. е. при данной частоте возникают самые высокие нагрузки. Однако максимальное возможное напряжение не превышает 8 МПа, что значительно меньше пределов текучести материалов (в среднем около 100-200 МПа для алюминиевых сплавов). Это способствует высо- кому коэффициенту запаса прочности. Разработанная конструкция удовлетворяет заявленным требованиям. Заключение. В статье были рассмотрены некото- рые стандарты пико- и наноспутников. Приведена концепция и результаты текущей итерации разработ- ки корпуса пикоспутника SibQube, разрабатываемого в СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Разработанный и изготовленный прототип корпуса СМКА стандарта PocketQub позволяет отработать технологию производства и сборки такого типа кор- пуса. В ходе сборки модели выявлено, что конструк- ция отдельных узлов не удовлетворяет поставленным эргономическим требованиям простоты конструкции и легкости сборки. Таким образом, конструкция тре- бует доработок, направленных на общее облегчение процесса сборки и наземного обслуживания аппарата, а также достижение минимальной массы при сохра- нении прочностных характеристик. В результате проведенного расчета конструкции было выявлено, что конструкция удовлетворяет заяв- ленным требованиям на прочность и устойчивость.

About the authors

A. P. Kravchunovsky

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: anton.kravchunovsky@yandex.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

M. N. Draganyuk

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

D. M. Zuev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. A. Skorobogatov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

P. V. Movchan

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files