Mobile system weightlessness simulation for a large spacecraft

全文:

Введение. Система имитации невесомости может найти применение в различных областях промышленности, прежде всего, авиационной и ракетнокосмической. В частности, система относится к испытательной технике, к наземным испытаниям механизмов, имеющих гибкую, многозвенную конструкцию, рассчитанную на работу в невесомости. Подобные конструкции (складные панели солнечных батарей космических аппаратов, раскрываемые многозвенные конструкции и т. п.) необходимо равномерно обезвешивать, прилагая усилие к каждому звену конструкции, в процессе перемещения этих звеньев относительно друг друга. Система имитации невесомости может быть использована для обезвеши-вания крупногабаритных трансформируемых конструкций и устранения деформаций или разрушений под действием силы тяжести при наземных испытаниях (экспериментального уточнения или идентификации параметров математической модели конструкции механизмов на Земле) или при физической отработке и поверке работы системы управления трансформируемыми конструкциями на Земле для проведения лётных испытаний [1; 2]. Постановка задачи. Создание стационарных портальных конструкций, на которых размещается система обезвешивания, предполагает строительство отдельного технологического участка, точное позиционирование космического аппарата (КА) или отдельных элементов его конструкции под соответствующими элементами системы. Это накладывает ограничения и создает дополнительные трудности при работе с крупногабаритными КА [3-8]. Возникает необходимость в конструкции, которая не ограничивает зону проведения монтажносборочных работ с КА, т. е. может быть расположена в цехах, оборудованных подвесными кранами или кран-балками, тем самым не создавая помех для их работы, т. е. может монтироваться по месту на стенах, потолке и в сложенном состоянии не занимать рабочее пространство над КА. Сказанное дает возможность позиционировать научную задачу разработки «мобильной» системы имитации невесомости как новую и актуальную. Цель изобретения. Целью изобретения является упрощение и унификация конструкции, создание возможности имитации невесомости в наземных условиях для подвижных элементов трансформируемых механизмов КА больших габаритов и значительных перемещений обезвешиваемых подвижных элементов конструкций, предназначенных для работы в состоянии невесомости. Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой системе имитации невесомости имеется блок управления на основе компьютера и микроконтроллера, соответствующее программное обеспечение и необходимое количество модулей обезвешивания, соответствующих требуемому количеству точек приложения усилия обезвеши-вания. Описание разработанной мобильной системы имитации невесомости. Каждый модуль обезвеши-вания представляет собой консольную конструкцию, крепящуюся на стену или потолок, имеющую возможность вращения относительно точки крепления, подобно электрическому консольному крану с сервоприводом. В зависимости от точки крепления достигается требуемый угол поворота стрелы. В случае крепления на стену угол поворота стрелы - 180°, в случае крепления на потолок - 360°. Второй сервопривод установлен на некотором расстоянии от первого на стреле и позволяет вращаться на 270° второй части конструкции относительно первой. Совместным согласованным движением по радиусам поворота обеих сервоприводов достигается требуемая траектория движения грузозахватного органа, устанавливаемого на конце второй части конструкции. Модульный принцип построения позволяет адаптировать систему под различные характеристики из небольшого, экономически обоснованного количества типоразмеров модулей, которые подбираются, исходя из геометрии и необходимого числа точек приложения усилия обезвешивания применительно к конкретному объекту. Кроме этого, конструкция позволяет расположить точки приложения усилий обезвешивания компактно, когда первоначально элементы обезвешиваемого объекта находятся в сложенном положении, располагая модули на стенах или потолке по разные стороны от обезвешиваемого объекта, а затем по мере раскрытия и приведения в рабочее состояние перемещать эти точки - каждую по самостоятельной траектории с разными скоростями в следящем режиме, по мере раскрытия (перемещения) составных частей объекта обезвешивания [9-12]. С учетом вышеизложенного создана универсальная система имитации невесомости. Система включает в себя (рис. 1) блок управления 1 и необходимое количество модулей обезвешивания (для примера на рис. 1 показана система с двумя модулями 2 и 3). Каждый модуль 2 или 3 (рис. 2) включает в себя два сервопривода (М1 и М2). Первый сервопривод 4 крепится к стене или к потолку. На рабочий вал 6 сервопривода 4 крепится поворотная консоль 7, на конце которой расположен второй сервопривод 5, в свою очередь, имеющий собственную поворотную консоль 8, на конце которой находится грузозахватный орган 9 (рис. 3). Грузозахватный орган 9 состоит из весоизмерительной ячейки 10, соединенной с платформой 11, на которой установлен электропривод 12, редуктор 174 Авиационная и ракетно-космическая техника которого связан с катушкой 13, на которой намотан установлен датчик угла 16, определяющий его вертистроп 14. Строп идет на тросоукладчик 15, на котором кальное отклонение, и датчик расхода стропа 17. Рис. 1. Исходное положение “А ’Y 4 6 7 5 8 Vi Рис. 2. Модуль обезвешивания 17 175 9 6 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) В целом предлагаемая система имитации невесомости работает следующим образом: - перед процессом раскрытия устанавливается необходимое количество модулей 2 и 3, соответствующее количеству точек приложения усилия обезвешивания, гибкие связи 18 грузозахватного органа 9 присоединяются к элементам обезвешиваемого объекта 19, находящегося в сложенном положении (см. рис. 1); - при раскрытии элементы обезвешиваемого объекта 19 (рис. 4 и 5) начинают поступательное движение, система имитации невесомости по сигналам с датчиков угла 16 осуществляет позиционирование модулей 2 и 3 таким образом, чтобы гибкие связи 18 были вертикальные по отношению к объекту обезве-шивания 19 вплоть до конечного расположения системы (рис. 5). Сигналы с датчика угла 16 поступают в систему управления 1, в которой задаются алгоритм и динамические характеристики (скорости, ускорения) сервоприводов (М1 и М2) с целью поддержания вертикальности гибкой связи 18. Система имитации невесомости позволяет обезве-шивать элементы конструкции, имеющие разную скорость движения в процессе раскрытия, так как работает в следящем режиме по сигналам с датчиков угла отклонения 16, и каждый модуль 2 и 3 системы работает на «свой» элемент обезвешиваемой конструкции 19. Таким образом, имеется возможность удерживать весь объект в целом в обезвешенном состоянии. Так, в приведенном примере (рис. 6) модуль 2 проходит прямолинейную траекторию от точки А до точки В, а модуль 3 проходит сложную траекторию от точки А до точки С и далее - до точки D. Рис. 4. Промежуточное положение Рис. 5. Конечное положение 176 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 6. Вид сверху Заключение. При больших габаритах и сложных конструкциях приводов раскрытия антенных систем зачастую сложно предоставить точные расчетные данные необходимых усилий обезвешивания, включающих в себя не только собственно массовесовые характеристики конструкции, но усилия и моменты, связанные с динамическими характеристиками процесса раскрытия [12-15]. Предлагаемая система имитации невесомости позволяет снимать весовые характеристики (посредством весоизмерительной ячейки), при наземных испытаниях -экспериментальном уточнении параметров при физической отработке механизмов раскрытия антенных систем КА. Данные впоследствии используются для более качественной имитации невесомости при раскрытии антенных систем КА.

作者简介

Igor Kovalev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: secret398@mail.ru
Dr. Sc., Professor of System analysis department

Julia Kikot

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”, Jeleznogorsk

Email: secret398@mail.ru
design engineer of the 3d category

参考

补充文件