СТУДЕНЧЕСКАЯ ПИКОСПУТНИКОВАЯ ПЛАТФОРМА SIBQUBE: РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА КОРПУСА ПИКОСПУТНИКА КЛАССА POCKETQUB

Полный текст

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.

Об авторах

А. П. Кравчуновский

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: anton.kravchunovsky@yandex.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. Н. Драганюк

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. М. Зуев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

С. А. Скоробогатов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

П. В. Мовчан

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы