ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО МАЛOГАБАРИТНОГО ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Полный текст

Введение. Научно-исследовательский институт прикладной механики имени академика В. И. Кузне- цова (НИИ ПМ) разрабатывает гироприборы для сис- тем ориентации и стабилизации космических аппара- тов (КА) на базе динамически настраиваемых гиро- скопов (ДНГ), проводит их наземную отработку [1; 2]. Преимуществом применения ДНГ в составе кон- струкции гироприборов являются его небольшие га- бариты, средняя точность измерения, наличие двух осей чувствительности и газодинамической опоры, позволяющей обеспечивать длительный ресурс эксплуатации приборов (порядка 140000 часов) [3; 4]. Одним из таких разрабатываемых и изготавливае- мых в НИИ ПМ приборов является малогабаритный гироскопический измеритель вектора угловой ско- рости. Разрабатываемые НИИ ПМ малогабаритные гироприборы на базе ДНГ. Малогабаритный гиро- скопический измеритель вектора угловой скорости (рис. 1) был разработан в виде моноблока и получил название малогабаритного блока измерения угловых скоростей (МБИС), он предназначен для измерения и выдачи информации о приращении интегралов про- екций вектора угловой скорости КА на шесть измери- тельных осей, связанных с ортогональной приборной системой координат. Чувствительность измерения МБИС (0,3 угловой секунды) была реализована при наземной отработке, натурной эксплуатации в составе платформы «Эксперсс-1000», КА «ГЛОНАСС-К» головного заказчика АО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнева» (рис. 1) [5]. МБИС был разработан с частичным применением импортной элементной базы в составе сервисных электронных устройств ДНГ, обеспечивающих обмен информацией с системой управления КА. В рамках государственной программы по переходу с импортной элементной базы на отечественную НИИ ПМ модернизировал конструкцию МБИС и провел квалификационные испытания по подтверждению его технических характеристик (табл. 1). Масса прибора - 6,1 кг, габаритные размеры - 258 × 204 × 170 мм. В целях уменьшения габаритно-массовых характе- ристик МБИС в НИИ ПМ был разработан МБИС с техническими характеристиками, представленными в табл. 1, но с применением полностью импортной элементной базы (рис. 2). Данный прибор подтвердил свои характеристики при проведении квалификаци- онных испытаний в объеме, предусмотренном для МБИС, изготавливаемого по заказу АО «ИСС». Масса прибора - 4,5 кг и габаритные размеры - 258 × 204 × 142 мм. Для повышения отказоустойчивости приборов ти- па МБИС в НИИ ПМ был разработан третий модер- низированный вариант МБИС - механический модуль малогабаритного гироскопического измерителя век- тора угловой скорости (рис. 3). Данный прибор разра- ботан для иностранного заказчика. Модернизирован- ный МБИС представляет собой только механическую часть: корпус с установленным на него блоком чувст- вительных элементов (БЧЭ), закрытый кожухом. Сер- висные электронные устройства ДНГ разрабатывает заказчик. Модернизация МБИС заключается в повышении его отказоустойчивости за счет применения неорто- гональной кинематической схемы расположения трех ДНГ относительно ортогональной системы коорди- нат. В ранее разрабатываемых МБИС была применена взаимоортогональная схема расположения трех ДНГ относительно ортогональной приборной системы ко- ординат [6]. Выбор в качестве чувствительного элемента ДНГ позволяет обеспечить требуемый ресурс работы МБИС 15 лет [2], точность измерения 0,1 угловой секунды (автономная точность измерения ДНГ со- ставляет 0,01 угловой секунды). ДНГ, применяемый в приборах типа МБИС, разработан в НИИ ПМ [6]. По- казатель безотказности работы МБИС определяется выбранной кинематической схемой расположения ДНГ относительно приборной системы координат. Дополнительно надежность работы прибора опреде- ляется стойкостью к внешним факторам: радиацион- ным (факторам космического пространства), тепло- вым, механическим [7] и т. д. Рис. 1. Фото МБИС Fig. 1. Photo of the compact gyroscopic angular rate measurement Таблица 1 Основные технические характеристики прибора Характеристики прибора Единицы измерения Режим грубого функционирования Режим точного функционирования Диапазон работоспособности град/с Не менее ±30 Не менее ±15 Диапазон измерения угловых скоростей град/с Не менее ±8 Не менее ±4 Номинальное значение масштабного коэффициента % В пределах ±10 В пределах ±1 Случайная составляющая нулевого сигнала, не зависящего от перегрузки, в запуске до 24 ч град/ч (s) - 0,02 Количество измерительных осей 6 Информационный интерфейс ГОСТ Р 52070-2003 Напряжение питания постоянным током, В В 23-28 Потребляемая мощность Вт Не более 47 Температура теплоотводящей поверхности °С -20-40 Ресурс работы ч 138000 Срок эксплуатации лет 19 Масса прибора кг 6 Габаритные размеры мм 258 х 204 х 170 Стадия разработки Летная эксплуатация Рис. 2. МБИС на импортной элементной базе Fig. 2. Photo of the compact gyroscopic angular rate measurement based on the foreign electronics Рис. 3. Модернизированный МБИС Fig. 3. Mechanical part of the compact gyroscopic angular rate measurement designed for the foreign specifier Постановка задачи. Целью данной работы явля- ется задача по обеспечению стойкости модернизиро- ванного МБИС к внешним механическим воздейст- виям. Задача была решена на основе опыта разработки и изготовления МБИС для российского головного за- казчика. Чувствительный элемент как объект защиты от механических воздействий. В качестве чувстви- тельного элемента приборов типа МБИС выбран ДНГ. Конструктивно ДНГ представляет собой маховик, установленный на валу с помощью внутреннего упругого карданного подвеса. Вал вращается на газо- динамической опоре (ГДО) с помощью электродвига- теля [8; 9]. Согласно проведенному прочностному расчету конструкции ДНГ действующее на ДНГ ускорение не должно превышать 100 g [4; 10; 11]. Теоретическая оценка вибродинамических харак- теристик ДНГ показала, что резонансная частота на- ходится в высокочастотном диапазоне 1500-1800 Гц с коэффициентом передачи Q = 100 [12]. При оценке уровня возникающих ускорений на месте установки ДНГ в конструкции прибора МБИС при механических воздействиях выведения КА на орбиту выявлено, что без применения специальных мер защиты ДНГ на БЧЭ возникнет ускорение поряд- ка 600 g, в шесть раз превышающее допустимое значение 100 g [7]. Моделирование работы системы, обеспечи- вающей стойкость к механическим воздействиям гироскопического прибора. Для того, чтобы обеспе- чить требование по стойкости к механическим воз- действиям, в конструкции МБИС применен один из способов защиты, заключающийся: - в разнесении собственной частоты установки блока чувствительных элементов (где расположены три ДНГ) с собственной частотой ДНГ за счет приме- нения пружин-амортизаторов [13; 14]; - в применении ударных виброгасителей коле- баний (УВГ) для уменьшения амплитуды колебаний блока чувствительных элементов на резонансе [14; 15]. При непосредственной установке блока чувстви- тельных элементов на корпус прибора (без примене- ния амортизаторов) его резонансная частота будет находиться в высокочастотном диапазоне 1000-2000 Гц, т. е. в области резонансной частоты ДНГ. Этот факт приведет к совпадению резонансных частот ДНГ с частотой установки блока чувствитель- ных элементов на корпус прибора и, как следствие, к увеличению амплитуды его колебаний, приводящей к возможному разрушению конструкции ДНГ. Высокая динамичность конструкций ДНГ и блока чувствительных элементов (добротность Q = 50-100 у каждого) не позволяют ограничиться применением только УВГ в составе системы амортизации БЧЭ. Система амортизации МБИС требует применения специальных конструктивных элементов, позволяю- щих разнести резонансные частоты БЧЭ и ДНГ, - амортизаторов. При разработке первых приборов типа МБИС про- водилась теоретическая оценка параметров системы амортизации исходя из требования по уменьшению значений откликов элементов конструкции прибора на внешние механические воздействия. Теоретическая оценка проводилась без использования универсаль- ной расчетной модели. В результате, при отработке первых опытных образцов проводились доработки конструкции на этапе проведения первых испытаний опытного образца для решения задачи по обеспече- нию его стойкости к внешним механическим воздей- ствиям. На основе опыта разработки и изготовления при- боров типа МБИС для отечественного головного за- казчика при проектировании модернизированного МБИС для иностранного заказчика была разработана универсальная расчетная модель системы амортиза- ции, позволяющая осуществлять подбор ее конструк- тивных параметров (параметры пружины, масса гру- зов УВГ, величина зазоров в УВГ). Схема универсальной расчетной модели представ- лена на рис. 4. Исходными данными для нее являются: - масса БЧЭ, определяемая расположением ДНГ на основании; - собственная частота ДНГ. Применяя данный способ компьютерного модели- рования, при известных начальных условиях выбира- лись параметры СА: - геометрические размеры пружины (амортиза- тора); - величина зазора в конструкции УВГ; - масса грузов в конструкции УВГ. Подбор данных параметров проводился на основе обеспечения допустимого уровня значений перегру- зок для ДНГ (не более 100 g). УВГ обеспечивают демпфирование колебаний на резонансной частоте БЧЭ за счет совершения ударов между грузами в конструктивно предусмотренных зазорах. Величина массы грузов и зазоров выбрана исходя из реализации коэффициента передачи 10 на резонансной частоте установки блока чувствительных элементов 150 Гц. Собственная частота блока чувст- вительных элементов 150 Гц находится вне резонанс- ной зоны ДНГ и вне зоны действия низкочастотной синусоидальной вибрации 5-100 Гц, не совпадает с частотой воздействия ударных нагрузок (длительно- стью τ = 2-3 мс для МБИС российского головного заказчика и τ = 10±1 мс для модернизированного МБИС иностранного заказчика). Значение собствен- ной частоты выбрано исходя из уменьшения значения возникающего ускорения при действии широкопо- лосной случайной вибрации. Основной сложностью при создании системы амортизации является выбор параметров УВГ (массы грузов, параметров резиновой прокладки и величины зазора). В результате проведенного моделирования, ис- пользуя универсальную расчётную модель системы амортизации (рис. 4), были определены основные па- раметры УВГ и амортизатора. На рис. 5 представлена расчетная виброграмма распределения возникающих ускорений во времени на резонансной частоте колебаний БЧЭ при подоб- ранных геометрических параметрах СА, приведенных далее по тексту статьи. Рис. 4. Упруго-механическая модель системы амортизации: M1 - масса груза УВГ; М2 - масса БЧЭ; М3 - масса ДНГ; М4 - масса стержня УВГ; М5 - масса резиновой прокладки; С1/К1 - жесткость/демпфирование резиновой прокладки; С2/К2 - жесткость/демпфирование амортизатора; С3/К3 - жесткость/демпфирование ДНГ; С4 - жесткость УВГ; С5/К5 - жесткость/демпфирование стержня УВГ; G - зазор Fig. 4. Elasto-mechanical model of shock absorption system: M1 - lading weight UVG; M2 - weight BCHE; M3 - weight DNG; M4 - core weight (UVG); M5 - rubber pad weight; C1/K1 - rigidity/ rubber pad damping; C2/K2 - rigidity/shock reducer damping; C3/K3 - rigidity/ damping DNG; C4 - rigidity UVG; C5/K5 - rigidity/ core damping UVG; G - looseness Рис. 5. Виброграмма БЧЭ при G = 0,7-0,8 мм в демпфере Fig. 5. Theoretical vibration record of base frame for gyroscopes. Gap in damper is 0,7-0,8 mm Рис. 6. Элементы системы амортизации Fig. 6. Main elements of protecting systems from mechanical influence Разработанная расчетная модель СА позволила подобрать вибродинамические параметры СА, оцени- вая перегрузку на месте установки ДНГ. Конструкция системы амортизации для обеспе- чения стойкости к механическим воздействиям гироскопических приборов. Выбранная система амортизации БЧЭ МБИС конструктивно состоит из четырех амортизаторов и четырех УВГ (рис. 6). Подобранная жесткость амортизаторов 25 кгс/мм позволяет обеспечить собственную частоту БЧЭ в области значений низких частот 150 Гц. В качестве амортизатора предложена витая пру- жина квадратного сечения. Величина квадратного сечения - 3 × 3 мм, число витков - 4, длина пружи- ны - 18 мм. В качестве УВГ выбрана конструкция, представ- ляющая собой металлический стержень, на котором установлена резиновая трубка, грузы (масса четырех грузов каждого УВГ составляет 48 г при наружном диаметре каждого груза 16 мм, внутреннем - 8,6 мм, высоте - 5 мм) и между ними - резиновые прокладки толщиной 1 мм. Грузы могут свободно перемещаться в осевом и радиальном направлениях в предварительно установленных зазорах 0,7-0,9 мм. В целях уменьшения габаритно-массовых характеристик СА материалом груза является сплав ВНМ5-3 ТУ 48-19-85-83, обладающий плотностью ρ = 17 г/см3. Для того, чтобы работа УВГ не способствовала дополнительным угловым колебаниям БЧЭ, центр масс пружин амортизаторов расположен в одной плоскости с центром масс четырех УВГ. Практические результаты отработки системы, обеспечивающей стойкость к механическим воз- действиям. Выбранная модель СА была отработана при проведении вибродинамических испытаний при- боров типа МБИС (наземных испытаний), подтверди- ла свою работоспособность при натурной эксплуата- ции МБИС в составе КА навигационной группировки ГЛОНАСС. На рис. 7 представлена амплитудно-частотная ха- рактеристика БЧЭ МБИС, подтверждающая верность проведенного расчета. На рис. 8 - виброграммы БЧЭ при действии ШСВ (sзад = 16 g), на рис. 9 - вибро- грамма БЧЭ при действии низкочастотной синусои- дальной вибрации в диапазоне частот f = 5-100 Гц амплитудой А = 15 g, на рис. 10 - виброграмма БЧЭ при ударном воздействии длительностью τ = 2 мс, амплитудой А = 60 g и А = -60 g. Результаты проведенных работ по повышению стойкости к внешним механическим воздействиям модернизированного МБИС. Модернизированный МБИС имеет ряд конструктивных отличий от своих предшественников (МБИС для российских КА). Кри- тичными для выбора параметров системы амортизации гироскопов являются габаритно-массовые и же- сткостные характеристики БЧЭ. В модернизирован- ном МБИС чувствительные элементы расположены неортогонально для повышения отказоустойчивости работы прибора. Данное конструктивное расположе- ние привело к увеличению массы БЧЭ на 200 г и его габаритных размеров, но с сохранением жесткости и симметричности конструкции. 10.000 1.000 Подпись: Ratio (G/G)0.100 0.010 Transmissibility (reference = Control) Frequ Ch4/ Ch5/ ency: 155.1 Hz Control: 22.28 Control: 1.019 Frequ Ch4/ ency: Control: 1183 0.105 Hz Ch5/ Control: 4.231 0.001 20 100 1000 Frequency (Hz) 2000 Ch5/Control Ch4/Control Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика БЧЭ МБИС Fig. 7. Amplitude-frequency characteristics of the compact gyroscopic angular rate measurement 1.0000 Подпись: Acceleration (G^2/Hz)0.1000 0.0100 0.0010 Channels vs Freq Frequency: 125 .8 Hz 20 Ch4 100 1000 Frequency (Hz) 2000 Рис. 8. Распределение спектральных плотностей при действии ШСВ Fig. 8. Vibration record of the compact gyroscopic angular rate measurement during random vibrations 40.0 Acceleration Profile Подпись: Acceleration G peakПодпись: (Подпись: ) Frequenc y: 100 Hz Ch4: 32.4 3 G 5 10 1 10.0 1.0 Ch4 00 Подпись: (Подпись: )Frequency Hz Рис. 9. Виброграмма БЧЭ при действии низкочастотной синусоидальной вибрации в диапазоне частот 5-100 Гц амплитудой А = 15 g Fig. 9. Vibration record of the compact gyroscopic angular rate measurement during l ow frequency 5-100 Нz A = 15 g 150 Acceleration 0 0 020 10 0 10 20 30 40 50 60 10 Подпись: Acceleration GПодпись: ( )50 0 -5 Ch5 Ch4 Demand -10 - - 70 Подпись: (Подпись: )Time ms Рис. 10. Виброграмма БЧЭ при ударном воздействии длительностью τ = 2 мс амплитудой А = 60 g Fig. 10. Vibration record of the compact gyroscopic angular rate measurement during shock action A = 60 g τ = 2 ms Требования по стойкости к внешним механическим воздействиям, а именно, к ударным нагрузкам, у прибо- ров отличаются (табл. 2), к вибрационным - похожи. По разработанной расчетной модели системы амортизации (см. рис. 4) было получено, что при со- хранении параметров системы амортизации при удар- ном воздействии на БЧЭ модернизированного МБИС будет получена перегрузка, превышающая допусти- мую. На БЧЭ возникнет перегрузка, равная 107 g, при допустимой 100 g (рис. 11, 12). Проведенный анализ показал, что дополнительную перегрузку на БЧЭ обу- словливает работа демпфера. Первый пик характери- стики виброграммы БЧЭ вызван откликом конструк- ции БЧЭ (резонансная частота которого составляет 140 Гц) на ударное воздействие, второй - откликом четырех демпферов в силу совпадения резонансной частоты каждого (порядка 50 Гц) с частотой заданно- го ударного воздействия 10 мс. Таблица 2 Ударные воздействия приборов типа МБИС Требования Ударные воздействия модернизированного МБИС (механического модуля МБИС) Ударные воздействия МБИС Направление ±Х, ±Y, ±Z ±Х, ±Y, ±Z Амплитуда ударного воздействия 50 g 60 g Длительность 10±1 мс 2-3 мс Количество По три удара в каждом направлении Рис. 11. Расчетная виброграмма БЧЭ модернизированного МБИС Fig. 11. Theoretical vibration records of the modern compact gyroscopic angular rate measurements during shock action Рис. 12. Виброграмма БЧЭ, полученная в результате проведенного эксперимента Fig. 12. Vibration records of the modern compact gyroscopic angular rate measurements during shock action Техническое решение задачи по снижению значе- ния перегрузки при ударном воздействии заключа- лось в следующем: сохранив габаритно-массовые ха- рактеристики системы амортизации и стойкость МБИС к вибродинамическим воздействиям, целесо- образно изменить контактную жесткость соударений грузов в конструкции демпфера, что было достигнуто за счет увеличения толщины резиновой прокладки в конструкции демпфера с 1 до 2 мм. Расчетная и экспериментальная виброграмма БЧЭ при принятом тех- ническом решении представлены на рис. 13, 14. Проведенная оценка откликов БЧЭ при виброди- намических воздействиях (широкополосной случай- ной вибрации, низкочастотной синусоидальной) пока- зала, что на БЧЭ возникнут допустимые ускорения. При использовании демпферов немодернизированной конструкции на БЧЭ возникнет максимально 60 g. При использовании модернизированных - 40 g (рис. 15). Рис. 13. Расчетная виброграмма БЧЭ модернизированного МБИС при изменении параметров системы амортизации Fig. 13. Theoretical vibration records of the modern compact gyroscopic angular rate measurements during shock action after changing dimensions characteristics of protecting systems Acceleration 100 80 60 Подпись: Acceleration (G)40 20 0 Ch4 Control -20 -40 -30 -20 -10 0 Time (ms) 10 20 30 40 50 Рис. 14. Виброграмма БЧЭ модернизированного МБИС при изменении параметров системы амортизации Fig. 14. Vibration records of the modern compact gyroscopic angular rate measurements during shock action after changing dimensions characteristics of protecting systems Рис. 15. Расчетная виброграмма БЧЭ модернизированного МБИС при использовании демпферов разных конструкций (слева - демпферов ранее изготавливаемых МБИС, справа - новых) Fig. 15. Theoretical vibration records of the modern compact gyroscopic angular rate measurements during random vibration after changing dimensions characteristics of protecting systems Выбранные конструктивные и вибродинамические параметры системы амортизации позволяют снизить действующие механические нагрузки на БЧЭ модер- низированного прибора МБИС до допустимого уровня. Заключение. Оригинальность и новизна пред- ставленных исследований заключается в их приклад- ном назначении. В работе была исследована конст- рукция конкретного, ранее разработанного прибора (МБИС, разработан для российского головного заказ- чика). На основе проведенного исследования была решена задача по моделированию происходящих в приборе физических процессов, связанных с внешни- ми возмущающими факторами. Полученные резуль- таты использованы для создания универсальной рас- четной модели системы амортизации приборов типа МБИС. Система амортизации предназначена для обеспечения стойкости приборов типа МБИС к внеш- ним механическим нагрузкам, действующим в про- цессе выведения КА на орбитальный участок полета. В работе изложены основные принципы построе- ния системы амортизации. Приведена ее расчетная модель. Представлены теоретические результаты мо- делирования и конкретные практические результаты отработки приборов типа МБИС при проведении виб- родинамических испытаний. Теоретический и практический результат работы определяется обоснованными результатами работы системы амортизации в составе приборов типа МБИС, возможностью использования опыта данной работы при разработке новых приборов систем ориентации и навигации с повышенными показателями отказо- устойчивости, надежности и стойкости к внешним механическим воздействиям, как это было сделано при проектировании модернизированного МБИС для иностранного заказчика.

Об авторах

С. В. Топильская

Филиал ФГУП «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры» - Научный исследовательский институт прикладной механики имени академика В. И. Кузнецова

Email: s.v.topilskaya@mail.ru
Российская Федерация, 111024, г. Москва, ул. Пруд ключики, 12а

Д. С. Бородулин

Филиал ФГУП «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры» - Научный исследовательский институт прикладной механики имени академика В. И. Кузнецова

Российская Федерация, 111024, г. Москва, ул. Пруд ключики, 12а

А. В. Корнюхин

Филиал ФГУП «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры» - Научный исследовательский институт прикладной механики имени академика В. И. Кузнецова

Российская Федерация, 111024, г. Москва, ул. Пруд ключики, 12а

Список литературы

Дополнительные файлы