Actuator made of a material with a shape memory effectfor transformable space structures

Full Text

Введение

Проектирование и создание больших космических конструкций сопряжено с решением многих технических и механических проблем, обусловленных уникальностью систем (рис. 1).

 

Рис. 1. Трансформируемые крупногабаритные космические антенны

Fig. 1. Transformable large-sized space antennas

 

Главная особенность – сочетание противоречивых требований: существенное увеличение геометрических размеров и обеспечение требуемой жесткости при весьма ограниченной массе материала несущего силового каркаса [1].

Трансформируемые крупногабаритные космические конструкции, развертываемые в космосе, в силу своих габаритных размеров имеют относительно большую массу, что порождает большие трудности с их доставкой на орбиту. Неизбежное усложнение конструктивных схем перспективных трансформируемых крупногабаритных космических систем вследствие повышения требований к их эксплуатационным функциональным возможностям, обеспечение жесткости конструкций в рабочем положении, сохранение первоначальной геометрии в процессе эксплуатации может привести к увеличению их массовых характеристик. Задача снижения массовых характеристик подобных конструкций, несомненно, является актуальной.

В области создания крупногабаритных космических антенн к настоящему времени достигнуты значительные успехи, связанные с увеличением коэффициента развертывания (отношение диаметров в рабочем и транспортном положениях) и отношением массы рефлектора в рабочем состоянии к его площади [2–8]. Дальнейшая минимизация массы трансформируемых космических конструкций связана с возможностью использования материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для создания приводов как для их раскрытия, так и для управления формой параболических антенн [9; 10]. Другое направление применения материалов с ЭПФ связано с гашением колебаний космических конструкций.

Материал с ЭПФ представляется целесообразным использовать как активный элемент приводов, развертывающих крупногабаритные трансформируемые космические конструкции. Приводы с активным элементом из материала с ЭПФ позволят управлять процессом раскрытия, при этом избавят от необходимости использовать всевозможные демпферы для гашения ударных нагрузок, которые возникают, например, при использовании обычных пружин, развертывающих конструкцию за счет предварительно запасенной упругой энергии [11]. Приводы с активным элементом из материала с ЭПФ могут быть выполнены в форме проволоки, пружины или ленты [12–14]. Для определения деформационно-силовых характеристик активных элементов силового привода, выполненных в виде проволоки диаметром 1,5 мм из материала никелида титана, был проведен комплекс экспериментальных исследований.

1. Экспериментальные исследования

Активные элементы предварительно подвергались различным видам температурной обработки. Термообработка проводилась с целью устранения возможных внутренних напряжений. На этом этапе температура нагрева печи варьировалась от 450 до 850 ºС. Время термообработки активных элементов варьировалось от 30 до 60 мин, при этом охлаждение происходило в печи. Далее к активному элементу прикладывалось растягивающее усилие, которое создавало в его сечениях растягивающее напряжение. Затем активный элемент нагревался путем пропускания через него электрического тока. Температура активного элемента в момент начала сокращения им своей длины составляла порядка 70–80 ºС. Для оценки стабильности параметров активного элемента силового привода, таких как рабочий ход (уменьшение относительного удлинения активного элемента) и усилие срабатывания (усилие, создаваемое активным элементом), были проведены следующие испытания. К активному элементу прикладывалось растягивающее усилие (рис. 2, а). Далее активный элемент нагревался. Нагрев активного элемента после деформирования проводился на экспериментальной установке, представленной на рис. 2, б.

 

Рис. 2. Экспериментальные установки: а – для деформирования активных элементов; б – для определения основных характеристик активных элементов

Fig. 2. Experimental setups: a – for deformation of active elements; b – for determining the main characteristics of active elements

 

В ходе испытаний контролировались следующие параметры активного элемента: температура, электрическое сопротивление, рабочий ход и усилие срабатывания. Для измерения температуры использовались два метода: контактный и бесконтактный. При контактном методе был применен набор из датчиков термопары, размещенных по длине активного элемента. При бесконтактном измерении температуры использовался тепловизор, измеряющий излучение активного элемента в ИК-диапазоне. В процессе экспериментальных исследований было установлено, что бесконтактное измерение температуры имеет существенное преимущество перед контактным измерением. При использовании контактного метода измерения отчетливо фиксировалась значительная задержка в показаниях датчиков по сравнению с реальной температурой активного элемента, фиксируемой тепловизором.

Основными функциональными параметрами силового привода с активным элементом, выполненным из материала с ЭПФ, являются создаваемое усилие, время срабатывания и величина рабочего хода. Величина рабочего хода определяется изменением относительного удлинения активного элемента в процессе его нагрева. Время срабатывания активного элемента силового привода определяется временем его прогрева до температуры окончания обратного мартенситного превращения. В таблице приведены экспериментально полученные результаты времени срабатывания активных элементов силового привода при изменении напряжения, подводимого к ним.

 

Время срабатывания активных элементов силового привода при изменении напряжения, подводимого к ним

№ п/п	Рабочая длина (мм)	Напряжение (В)	Сила тока (А)	Среднее время срабатывания (с)	Рабочий ход (%)
1	175	1,9	7,8–8,7	230	5,7
2	173	2,0	8,2–9,1	110	5,7
3	175	2,1	8,6–9,5	65	5,7
4	175	2,2	9,1–10,1	40	5,7
5	175	2,3	9,4–10,4	35	5,7
6	175	2,4	9,8–10,8	30	5,7
7	174	2,5	10,2–11,1	25	5,7
8	175	2,6	10,6–11,5	20	5,7
9	175	2,7	11,1–12,0	15	5,7
10	175	2,8	11,5–12,5	10	5,7
11	174	2,9	11,9–12,8	10	5,7

 

При изменении напряжения источника питания время срабатывания активного элемента силового привода изменялось. Однако, несмотря на разное время срабатывания силового привода, рабочий ход активного элемента оставался постоянным.

2. Модель функционирования привода

В настоящее время предложены разные модели, описывающие кинетику мартенситных превращений, закономерности накопления и возврата деформаций при различных режимах взаимодействия. Однако математические сложности описания поведения материалов с ЭПФ, необходимость использования в математических моделях существенного количества фактических экспериментальных данных пока не позволили разработать инженерные методики расчета силовых приводов с активными элементами, изготовленными из материалов с ЭПФ [15; 16]. Поэтому основную роль сегодня играют экспериментальные методы при конструировании подобных силовых приводов.

В процессе наземных испытаний можно принять, что изменение тепловой энергии активного элемента силового привода равно количеству теплоты, поступившему за счет электрической энергии, минус тепловые потери от естественной конвекции

$cm\frac{dT}{dt}=R{I}^2-\alpha S\left(T-T_c\right),$                                                                                                             (1)

где c – удельная теплоемкость активного элемента; m – масса активного элемента; T – температура активного элемента; t – время; R – сопротивление материала активного элемента; I – сила тока в активном элементе при испытаниях; a – коэффициент теплообмена; S – площадь поверхности теплообмена; T_c  – температура окружающей среды.

При расчете изменения температуры активного элемента силового привода проводился подбор коэффициента теплообмена. При проведении численного эксперимента полученные результаты хорошо коррелировались с результатами экспериментальных исследований. В расчете учитывались изменения сопротивления и теплоемкости активных элементов в процессе нагрева.

 

Рис. 3. Результаты испытаний и численных расчетов изменения температуры активного элемента: 1 – при измерении датчиком; 2 – при измерении тепловизором; 3–6 – при расчетных коэффициентах теплообмена a, равных 70, 55, 47 и 45

Fig. 3. Test results and numerical calculations of the temperature change of the active element: 1 – when measured by a thermocouple; 2 – when measured by a thermal imager; 3–6 – calculated with heat transfer coefficients a equal to 70, 55, 47 and 45

 

Рис. 4. Результаты испытаний и численных расчетов: 1, 2 – при расчетных значениях коэффициента k, равных 1; 0,5; 3 – изменение теплоемкости активного элемента; 4 – при измерении температуры активного элемента тепловизором

Fig. 4. Test results and numerical calculations: 1, 2 – calculated with values of the coefficient k equal to 1, 0.5; 3 – change in the heat capacity of the active element; 4 – measuring the temperature of the active element with a thermal imager

 

Для учета скрытой теплоты фазового превращения Q, которая при нагреве поглощается, а при охлаждении выделяется в интервале температур обратного и прямого превращения, соответственно, можно записать уравнение (1) в следующем виде:

$cm\frac{dT}{dt}=R{I}^2-\alpha S\left(T-T_c\right)-Q.$                                                                                                       (2)

До температуры начала фазовых превращений температура активного элемента рассчитывается по формуле (1), после достижения температуры начала фазовых превращений температура активного элемента определяется по формуле (2). После того, как фазовые превращения заканчиваются, температура активного элемента снова рассчитывается по формуле (1).

Алгоритм расчета перемещения активного элемента силового привода строится следующим образом. На каждом временном шаге Δt подсчитывается энергия Q', ушедшая на фазовые превращения, следующим образом:

$Q^{\text{'}}=k\cdot \left(R{I}^2\Delta t-\alpha S(T_1-T_c)\Delta t\right),$

где k – коэффициент, определяемый численным экспериментом, характеризующий часть тепловой энергии, которая уходит на фазовые превращения за Δt; T₁ – температура активного элемента на предыдущем временном шаге Δt (рис. 4).

3. Обсуждение результатов

В результате экспериментальных исследований получены температурные зависимости деформаций памяти формы и деформационно-силовые зависимости для активных элементов, работающих в условиях одноосного сжатия. Время срабатывания активного элемента определяется временем его прогрева до температуры окончания обратного мартенситного превращения. При изменении напряжения источника питания время срабатывания активного элемента силового привода с ЭПФ изменялось. Однако, несмотря на разное время срабатывания силового привода, рабочий ход активного элемента оставался постоянным.

Анализируя полученные результаты экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что активный элемент при работе в условиях осевого сжатия имеет большие значения восстанавливающей силы (развиваемое усилие), но относительно малые перемещения (рабочий ход). Обеспечение больших перемещений активными элементами силового привода с ЭПФ требует значительных линейных размеров проволоки, выполненной из материала никелида титана. Этот недостаток легко преодолеть за счет схемы укладки длинного проволочного активного элемента в составных звеньях трансформируемой космической конструкции.

Заключение

У активных элементов из материалов с ЭПФ управляющим воздействием может быть только температурное поле. При этом наряду с задачей деформирования возникает необходимость решать задачу теплопроводности. Обе эти задачи являются нелинейными и связанными. Поэтому в настоящее время методы проектирования силовых приводов с ЭПФ основаны на большом количестве экспериментальных данных и аппроксимируемых зависимостях деформации памяти формы их активных элементов. В ходе количественных и качественных исследований активных элементов силового привода с ЭПФ было установлено, что он пригоден для весьма медленных плавных движений. Поэтому силовые приводы с ЭПФ могут обеспечить «управляемое» раскрытие перспективных трансформируемых крупногабаритных космических конструкций, исключающее динамические нагрузки ударного характера на их составляющие элементы при срабатывании замковых устройств, фиксирующих раскрытое рабочее состояние систем на орбите.

About the authors

Vladimir N. Zimin

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: zimin@bmstu.ru

Dr. Sc., senior scientific staff member, head of the department

Russian Federation, 5, building 1, 2-nd Baumanskaya St., Moscow, 105005

Alexey V. Krylov

Bauman Moscow State Technical University

Email: kav1982@bmstu.ru

Cand. Sc., associate professor of the department

Russian Federation, 5, building 1, 2-nd Baumanskaya St., Moscow, 105005

Vasily S. Filippov

Bauman Moscow State Technical University

Email: vs.filippov@mail.ru

technician of the Department of Scientific and Technical Information of Research Institute of Special Engineering

Russian Federation, 5, building 1, 2-nd Baumanskaya St., Moscow, 105005

Artur O. Shakhverdov

Bauman Moscow State Technical University

Email: shah@bmstu.ru

engineer of Research Institute of Special Engineering

Russian Federation, 5, building 1, 2-nd Baumanskaya St., Moscow, 105005

References

Supplementary files