PRACTICAL POTENTIAL OF TECHNICAL COMPATIBILITY THEORY AT SPACE ENGINEERING AND RESCUE EQUIPMENT

Full Text

Введение. Актуальность работы определяется обозначенными авторами проблемами, получившими отображение в названии формулировки целей, задач и прикладных решений. 15. Анализируя жизненный цикл становления и формирования теории технических систем как нового научно-технического знания, можно констатировать факт ускоренного его развития, начиная со второй половины прошлого века. Это связано с противоречивостью научно-технического прогресса, порождающего, с одной стороны, принципиально новые технические решения, а с другой - новые проблемы по методологическому обеспечению процесса практического применения этих решений [1]. Так, миниатюризация электронной аппаратуры позволяет значительно улучшить тактико-технические характеристики радиоэлектронных изделий, но в то же время порождает серьёзные трудности для методического обеспечения их тепловых режимов (тепловой совместимости), пожарной безопасности и электромагнитной совместимости [2]. 16. Современная строительная техника позволяет возводить здания даже в сотни этажей. Но чем больше этажность зданий, тем проблематичнее они становятся в отношении пожаробезопасности, а также в случаях отказа и ремонта лифтов [3]. 17. В приведённых примерах общей причиной является низкая эксплуатационная совместимость реализованных разработок. Это одна из мотиваций заметного изменения отношения инженерии и науки к проблеме обеспечения ТС. 18. Последнее обстоятельство побудило авторов статьи исследовать соответствующие научные и инженерно-практические возможности теории ТС применительно к аварийно-спасательным средствам. В составе этих средств рассмотрены и космические аппараты связи (КАС), создаваемые АО «Информационно-спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» (г. Железногорск), как один из наиболее перспективных претендентов для построения современной отечественной системы космического мониторинга чрезвычайных ситуаций (ЧС) [4-7]. Кроме того, КАС вполне могут служить примером для подражания в вопросах обеспечения качества и эффективности даже в условиях жёсткого прессинга конкурентов. 19. Изложенные в статье материалы могут дать сотрудникам МЧС полезные сведения по обеспечению механической совместимости при создании современной космической техники [8]. Теория технической совместимости. Механическая совместимость (МхС) - способность изделий функционировать с требуемым качеством при воздействии динамических механических нагрузок (мехвоздействий) в реальных условиях эксплуатации [9; 10]. На технику в процессе эксплуатации воздействуют вибрации, ударные нагрузки и линейные ускорения. Эти нагрузки могут повлечь деформации (остаточные и упругие), вплоть до разрушения конструктивных элементов. Даже упругая деформация может привести к появлению усталостных поломок, а в электрорадиоаппаратуре - ещё и прерывистого (блуждающего) электрического контакта, дугового разряда, образования радиопомех. В обеспечении МхС современной техники наиболее проблематичными являются динамические расчёты на этапе проектирования для определения прочности конструкции, вычисления резонансных частот и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации. При этом прежде всего выбирается динамическая (физическая) модель проектируемой конструкции (совокупность инерционных, упругих и демпфирующих элементов) с учётом спектральных составляющих динамического воздействия. Затем разрабатывается математическое описание этой модели, т. е. математическая модель конструкции, которая должна содержать замкнутую систему основных уравнений, а также способы задания начальных и граничных условий. Сложность конструкций современной техники такова, что моделирующие их упругие системы являются системами с бесконечным числом степеней свободы или системами с распределёнными параметрами, исследования которых весьма сложны и проводятся методами математической физики или вариационными методами. На практике обычно прибегают к упрощениям, предусматривающим переход от сложной системы к более простой, эквивалентной системе с одной или с конечным числом степеней свободы, являющейся системой с сосредоточенными параметрами, позволяющей выполнять исследования на основании уравнений Лагранжа. При постановке задачи по определению динамических воздействий, начальных и граничных условий в качестве физической модели обычно рассматривают колебания стержней и пластин, поскольку последние наиболее часто применяются в несущих конструкциях. Далее находят граничные условия в зависимости от закона движения конца стержня и формируют краевые задачи для уравнения колебаний с учётом граничных условий. В монографии [17] подробно описаны шаги решения задачи по определению динамических воздействий, начальных и граничных условий. В практике конструирования вибронагрузки задают-ся вполне определенными, нередко несколькими, диапазонами частот. Так, для космических аппаратов связи расчёты осуществляются по диапазонам частот средств транспортировки (автомобиля, железнодорожного транспорта, самолёта) и средств выведения. В правильно сконструированном изделии собственная частота f0 конструкции не должна находиться в спектре частот внешних воздействий. Хотя любая конструкция обладает несколькими значениями собственных частот, расчёт выполняется только для низшего значения f0. Если низшее значение f0 входит в диапазон внешних воздействий, то конструкцию дорабатывают с целью увеличения этого значения f0 и выхода его из спектра частот внешних воздействий. Для увеличения вибропрочности в конструкциях вводятся дополнительные крепления, рёбра и рельефы жёсткости, отбортовки, используются материалы с высокими демпфирующими свойствами, демпфирующие покрытия, а также специальные амортизаторы. Пример механической совместимости. Рассмотрим пример разработки конструкции для установки приборов системы ориентации и стабилизации (СОС) [11]. В случае невозможности выполнения требования по непопаданию элементов в зону обзора (плотная компоновка приборов, антенн и др.), при размещении приборов СОС непосредственно на астроплате оптимальным решением является поднятие аппаратуры на определенную высоту. При этом появляется необходимость разработки прецизионных размеростабильных конструкций с достаточно высокими характеристиками по прочности и жесткости. Проектирование размеростабильных космических конструкций сегодня представляет собой самостоятельный класс задач, результаты которых широко востребованы современной промышленностью. Примерами таких конструкций являются крупногабаритные космические антенны, платформы и другие несущие конструкции для размещения высокоточной целевой аппаратуры, корпусы спутниковых телескопов и фотоаппаратов. Во всех этих случаях основным требованием, определяющим работоспособность конструкции, является сохранение заданных размеров при изменении различных характеристик окружающей среды (в первую очередь, температуры) [12; 13]. В существующих разработках АО «ИСС» поддерживающие конструкции реализуются либо в виде металлических кронштейнов (при небольшой высоте поднятия приборов СОС над астроплатой), либо в виде корпуса из сотопанелей с композитными обшивками (рис. 1). Такая конструкция позволяет выполнять монтаж приборов СОС на значительном расстоянии от астроплаты, выполняя при этом требования по прочности и жесткости. Вместе с тем данное решение имеет ряд недостатков: высокая трудоемкость изготовления и сборки; необходимость установки дополнительных элементов крепления для выполнения монтажа бортовой кабельной сети по конструкции; достаточно высокая масса конструкции. С целью разработки конструкции, лишенной перечисленных недостатков, была рассмотрена силовая анизогридная сетчатая конструкция из композиционного материала, используемая в платформах КА «Экспресс-1000» и «Экспресс-2000» [14]. Сетчатая конструкция образована из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра. Дополнительные ребра ориентированы в продольном направлении. Дополнительные ребра короче длины образующей и неравномерно распределены по длине и периметру. Сетчатая оболочка из композиционных материалов содержит спиральные, продольные, кольцевые и дополнительные ребра, а также дополнительные ребра с шириной, отличающейся от ширины спиральных, продольных и кольцевых ребер (рис. 2) [15; 16]. Рис. 1. Поддерживающая конструкция из сотопанелей Анализ расчетов на жесткость. В рамках работ по созданию новой конструкции была выпущена 3D-модель конструкции (рис. 3) и проведены расчеты на жесткость (табл. 1) с использованием программного обеспечения UAI (Femap). Ребра сетчатой структуры описываются двухузловыми балочными элементами, нижний шпангоут - плоскими четырехузловыми элементами. При расчетах нижний торец жестко закрепляется, к верхнему нагрузка прикладывается через жесткий элемент. Напряженно-деформированное состояние конструкции при изгибе показано на рис. 3, а шкала справа обозначает силу, приложенную в верхней части этой конструкции. Полученные результаты показали, что частота собственных колебаний конструкции - 20 Гц. Данное значение является недостаточным с точки зрения требований по жесткости (табл. 1). Значения X, Y, Z - перемещения по осям; RX, RY, RZ - суммарный вектор перемещений соответственно. Одним из способов повышения собственной частоты конструкции является введение оболочки. После введения оболочки данная конструкция отвечает требованиям по жесткости. Для определения оптимальных толщин ребер и оболочки был проведен механический анализ наиболее нагруженных узлов (места крепления конструкции к астроплате) средствами модуля генеративного анализа прочности в Femap. В результате были определены значения для ребер 4×4 мм, для оболочки 1,2 мм (табл. 2). исходный вариант Рис. 2. Сетчатая конструкция для установки приборов СОС, выполненная из углепластика Рис. 3. Модель сетчатой конструкции для установки приборов СОС в 3D-изображении в нагруженном состоянии Таблица 1 Значения эффективных масс и частот конструкции Тон N Частота, Гц Эффективные массы, % X Y Z RX RY RZ 1 20,65 22,38 64,62 - 74,41 25,36 - 2 20,65 64,62 22,38 - 25,36 74,41 - 3 128,26 - - 27,38 - - 50,66 Итого 87,00 87,00 27,38 99,77 99,77 50,66 Таблица 2 Значения эффективных масс и частот конструкции с оболочкой Тон N Частота, Гц Эффективные массы, % X Y Z RX RY RZ 1 115,72 90,22 1,35 - 1,48 98,52 - 2 115,72 1,35 90,22 - 98,52 1,48 - 3 1164,66 - - 95,42 - - 50,66 Итого 91,58 91,58 95,42 100,00 100,00 0,00 Заключение. В рамках работ по созданию новой конструкции была выпущена 3D-модель конструкции и проведены расчеты на жесткость с использованием программного обеспечения UAI (Femap). Полученные результаты показали, что частота собственных колебаний конструкции 20 Гц является недостаточной. Для того, чтобы повысить собственную частоту конструкции, ввели оболочку. Для определения оптимальных толщин ребер и оболочки был проведен механический анализ наиболее нагруженных узлов. В результате были определены значения для ребер 4×4 мм, для оболочки 1,2 мм. Анализ описанных конструкций показал, что наиболее универсальной является сетчатая композитная конструкция с оболочкой. Высокие характеристики по параметрам жесткости, прочности, вариантности исполнения и размеростабильности в сочетании с низкой массой позволяют использовать её на КА, различных как по типу (малые, среднего класса, тяжелые), так и по средствам выведения [14]. Уменьшения влияния мехвоздействий добиваются повышением механической прочности и жесткости составных частей и изделий в целом. Увеличение жёсткости составных конструкций достигается силовой затяжкой узлов сочленения, увеличением площади опорных поверхностей и жёсткости деталей на участках сопряжения. Краткий экскурс в сложнейшие, трудоёмкие теоретические расчёты по обеспечению механической совместимости современной техники показал, что здесь, как и для теории вообще, последнее слово за экспериментом, подтверждающим правильность этих расчётов. Так, для КАС изготавливается и испытывается на динамических стендах отдельный технологический образец аппарата. Во время этих испытаний задаётся весь диапазон возможных эксплуатационных динамических нагрузок. Следует отметить, что отечественные специалисты превосходно обеспечивают такой важный показатель МхС нашей техники, каким является прочность. Это видно на примерах обеспечения прочности ракет-носителей и авиационной техники, автотранспорта (в том числе пожарного назначения), механической аварийно-спасательной техники. Но главная проблема здесь заключается в необходимости значительного улучшения габаритно-весовых характеристик технических, в том числе аварийно-спасательных, средств. Решение этой проблемы ведёт к повышению мобильности, удобству эксплуатации, снижению энергопотребления средств и, конечно, может быть выполнено только путём оптимизации их конструктивного построения, учитывающей результаты экспериментально-технологической отработки. Масштабную проблему представляет снижение МхС по причине некачественного технического обслуживания и ремонта техники в процессе её эксплуатации. При этом известны даже случаи, когда изношенные детали оборудования самолетов заменяли ранее изношенными деталями, восстановленными кустарным способом в бытовых условиях. Предотвращение таких и им подобных случаев, разумеется, входит в число важных задач процесса обеспечения МхС на этапе эксплуатации технических средств любого назначения [17].

About the authors

V. V. Dvirniy

JSС “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: dvirnyi@iss-reshetnev.ru
52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

M. V. Elfimova

Siberian Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of EMERCOM of Russia

1, Severnaya Str., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation

G. V. Dvirniy

JSС “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

E. G Patskova

JSС “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

References

Supplementary files