Отправить статью по E-mail Реализация технологии «цифрового двойника» при термодеформационных испытаниях прецизионного углепластикового рефлектора антенной системы космического аппарата
- Авторы: Иванов А.В.1
-
Учреждения:
- Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
- Выпуск: Том 24, № 2 (2023)
- Страницы: 335-347
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/524959
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-2-335-347
- ID: 524959
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Зеркальные антенные системы (АС) с раскрываемыми рефлекторами являются важной частью телекоммуникационных космических аппаратов (КА), обеспечивая прием и передачу информации в заданной зоне [1–4]. Конструкция рефлектора должна обеспечивать жесткость, заданный уровень радиотехнических характеристик (РТХ) и погрешность наведения оси диаграммы направленности (ДН) АС. Подтверждение соответствия характеристик проводится в рамках наземной экспериментальной отработки (НЭО), одним из этапов которой являются испытания на воздействие термоупругих деформаций – одной из категорий ошибки погрешности наведения ДН.
Проблема проведения данного вида испытаний заключается в следующих аспектах, приводящих к отсутствию гарантированного достижения критериев положительной оценки результатов:
– значительная разность теплофизического поведения наполнителя и матрицы углепластикового композиционного материала (УКМ) и его резко выраженная анизотропность приводят к увеличению разброса напряженно-деформируемых состояний слоев и возникновению внутренних напряжений, вносящих неопределенность в поведение конструкции в условиях тепловых воздействий;
– реализация в процессе испытаний карты тепловых полей на габаритном объекте практически невозможна в связи с большой неравномерностью температур в объеме термокамеры, при этом измерения деформированной поверхности рефлектора выполнимы в весьма ограниченном объеме, недостаточном для обеспечения заданной достоверности изменения геометрических параметров;
– продолжительность испытаний составляет около 50 дней со значительными затратами в части эксплуатации камеры с огромным энергопотреблением и расходом рабочего тела (жидкого азота) и изготовления дорогостоящего оборудования для создания тепловых режимов.
Эффективным методом решения проблем проведения термодеформационных испытаний является применение перспективной технологии «цифрового двойника», целью которой является замена реального объекта испытаний программным аналогом, верифицированным в части соответствия характеристик свойствам физического объекта. В статье приведена блок-схема технологии, представлены критерии сходимости и методика корреляции прогнозных и измеренных случаев термодеформаций. Приведены результаты оценки влияния деформированных состояний рефлектора на РТХ АС, которые подтвердили их соответствие заданным требованиям и успешно квалифицировали применение «цифрового двойника» при реальных испытаниях. Успешная апробация технологии «цифрового двойника» проведена в 2019 в АО «РЕШЕТНЁВ» при испытаниях рефлектора АС с контурной ДН телекоммуникационного КА «Экспресс-АМУ7», принятого в штатную эксплуатацию в 2021 г.
Впервые в российской космической отрасли успешно квалифицированы испытания с применением технологии «цифрового двойника» отечественного рефлектора высокочастотной космической АС с параметрами на уровне импортных аналогов. Квалификация технологии обеспечит конкуренцию отечественных высокотехнологичных разработок и позволит решить задачи импортозамещения и повышения доли российской составляющей на мировом рынке космической телекоммуникации.
Полный текст
Введение
При разработке космических спутниковых систем конкурентным преимуществом является рациональное построение пространства «Технические характеристики – Время – Стоимость» с освоением сверхвысоких частот, разработкой легких прецизионных конструкций АС, применением инновационных материалов [5; 6]. Эти задачи решаются применением офсетных АС с раскрываемыми рефлекторами с контурной ДН, высоким коэффициентом усиления, низким уровнем активных потерь. Компоновка офсетной АС с раскрываемым рефлектором диаметром 2400 мм в составе телекоммуникационного КА «Экспресс-АМУ7» представлена на рис. 1. Рефлектор фиксируется в сложенной конфигурации механизмами зачековки, после их срабатывания рефлектор с помощью механизма раскрытия и наведения переводится в рабочую конфигурацию.
Рис. 1. Компоновка офсетной АС с раскрываемым рефлектором в составе КА «Экспресс-АМУ7»
Fig. 1. Layout of the offset AS with deployable reflector in spacecraft “Express-AMU7”
Определение проектных параметров рефлектора АС
При разработке АС актуальными задачами являются уменьшение отклонений профиля, снижение ошибок наведения и массы, применение инновационных материалов [7; 8]. В табл. 1 представлены основные технические требования к рефлектору АС. Геометрические параметры рефлектора приведены на рис. 2.
Таблица 1. Основные технические требования к рефлектору АС
Технические требования к рефлектору | Требуемые параметры | |
Диапазон радиочастот – С | Прием 5,8–6,5 ГГц | Передача 3,5–4,2 ГГц |
Точность поверхности при формовании (СКО), мм | Не хуже 0,17 | |
Жесткость (собственная частота колебаний), Гц | Не менее 45 | |
Ошибка наведения оси ДН (угол полуконуса), градус | Не более 0,14 | |
Изменение СКО при воздействии термодеформаций, мм | Не более 0,2 | |
Рис. 2. Основные геометрические параметры рефлектора АС
Fig. 2. Main geometry parameters of AS reflector
Проектный бюджет ошибок наведения представлен в табл. 2.
Таблица 2.Проектный бюджет ошибок наведения рефлектора АС
Составляющие погрешности | Ошибка наведения по осям КА, градус | |||||
Крен | Тангаж | Рыскание | ||||
постоянная | переменная | постоянная | переменная | постоянная | переменная | |
Юстировка | 0,012 | 0,000 | 0,012 | 0,000 | 0,000 | 0,000 |
Измерения РТХ | 0,015 | 0,000 | 0,015 | 0,000 | 0,015 | 0,000 |
Термодеформации | 0,000 | 0,010 | 0,000 | 0,010 | 0,000 | 0,010 |
Механические нагрузки | 0,000 | 0,008 | 0,000 | 0,008 | 0,000 | 0,008 |
Конструкторско-технологическая разработка и изготовление протолётного рефлектора АС
При проектировании разработана оригинальная конструкция рефлектора [9] (рис. 3). Особенность конструкции состоит в функциональном разделении составных частей и применении углепластиковых композиционных материалов (УКМ) (табл. 3) с малыми деформациями, высокими механическими параметрами и разными схемами армирования [10].
Таблица 3. Конструктивное исполнение и функциональное назначение составных частей рефлектора АС
Элемент | Конструкция | Целевая функция | Технология изготовления |
Отражатель | Трехслойная панель с обшивками из УКМ | Формирование высокоточной отражающей поверхности | Формование на оправке (защищена патентом [11]) |
Штанга | Монооболочная рама из УКМ | Силовая конструкция для обеспечения жесткости | Метод вытравления оснастки |
Крепление штанги к отражателю | Набор пластин и уголков из УКМ | Распределенное крепление с температурной развязкой | Прессование на профильных оправках |
Интерфейсные кронштейны | Детали из титанового сплава | Реализация интерфейсов для интеграции рефлектора на КА | Фрезерование |
Юстировочные элементы ЮЭ | Сферы с зеркальной поверхностью | Контроль изменения геометрии рефлектора | Прецизионная шлифовка и тонкая полировка |
Рис. 3. Изготовленный летный рефлектор офсетной АС с контурной ДН: 1 – отражатель; 2 – штанга; 3 – узлы крепления; 4, 5 – кронштейны; 6 – элементы юстировки (ЮЭ)
Fig. 3. Manufactured flight offset AS reflector with shaped antenna pattern: 1 – reflector; 2 – arm; 3 – mounting hardware; 4, 5 – brackets; 6 – alignment elements (AE)
Разработка блок-схемы НЭО. Методика испытаний рефлектора на воздействие термодеформаций
НЭО является завершающим этапом подтверждения правильности выбора конструкции и проверка соответствия характеристик рефлектора заданным требованиям в условиях, приближенных к эксплуатационным [12]. Блок-схема НЭО рефлектора АС представлена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема НЭО рефлектора АС
Fig. 4. AS reflector ground experimental testing flow-chart
Рабочее место испытаний на воздействие термоупругих деформаций представлено на рис. 5. Методика определения термодеформаций приведена на рис. 6.
Измерения проводятся в СК зеркала рефлектора OЗЕРXЗЕРYЗЕРZЗЕР (рис. 7), центр ОЗЕР определяется в точке пересечения оси диаметра апертуры D и профиля поверхности рефлектора. Ось XЗЕР проходит через ОЗЕР по касательной к профилю, ось ZЗЕР перпендикулярна оси XЗЕР и лежит в плоскости OАНТXАНТZАНТ. Программными средствами формируется прямоугольная сетка измерений с шагом X1 и Y1 (рис. 8), контроль профиля в точках сетки проводится в СК OЗЕРXЗЕРYЗЕРZЗЕР. По результатам измерений формируется диаграмма распределения СКО от теоретического профиля.
Рис. 5. Рабочее место испытаний рефлектора на термоупругие деформации
Fig. 5. Workplace of reflector thermal-elastic distortion testing
Рис. 6. Методика определения термодеформаций
Fig. 6. Thermal-elastic distortion determination method
Рис. 7. Определение систем координат и схема измерений профиля рефлектора: OАНТXАНТYАНТZАНТ – СК АС; OЗЕРXЗЕРYЗЕРZЗЕР – СК зеркала; OАНТF – фокусное расстояние
Fig. 7. Determining of coordinate system and the reflector profile measuring scheme: OANTXANTYANTZANT – AS CS; OMIRXMIRYMIRZMIR – mirror CS; OANTF – focal length
Диаграммы распределения СКО термодеформированных состояний от номинального профиля Мi (см. рис. 7) представлены на рис. 8.
Рис. 8. Диаграммы распределения СКО деформированных состояний от номинального профиля
Fig. 8. The RMS distribution diagram of thermo-elastic distortion conditions from nominal profile
Результаты испытаний рефлектора АС на термоупругие деформации приведены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты испытаний рефлектора АС на термоупругие деформации
Параметр | Гигроупругая деформация | Холодный случай –140 °С | Промежуточная холодная полка –80 °С | Горячий случай +125 °С | Стабилизация объекта после испытаний |
СКО профиля от теоретического, мм | 0,019 | 0,196 | 0,132 | 0,124 | 0,014 |
Критерий оценки, мм | 0,07 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | – |
Статус выполнения критерия | Соответствует | Соответствует | Соответствует | Соответствует | – |
Предпосылки применения технологии «цифрового двойника» при термодеформационных испытаниях прецизионного углепластикового рефлектора АС КА
Испытания на термоупругие деформации являются наиболее сложным и дорогостоящим в плане материальных и временных затрат этапом НЭО рефлектора АС. Рассмотрим основные особенности проведения данного вида испытаний прецизионных углепластиковых конструкций.
- Конструктивное исполнение. Наряду с уникальными преимуществами УКМ обладают рядом существенных недостатков, отрицательно влияющих на технические характеристики рефлекторов, а также на достоверность результатов испытаний на тепловые воздействия:
- Создание тепловых полей внешних условий испытаний. Реализация и поддержание реальной карты тепловых полей с заданной точностью на крупногабаритном объекте практически невозможна, испытания проводятся в равномерном поле температур. Продолжительность испытаний составляет 50 дней со значительными затратами в части эксплуатации термокамеры с огромным энергопотреблением и изготовления специализированного оборудования тепловых режимов.
- Измерения деформаций рефлектора. Для достоверной оценки РТХ при воздействии ТУД в формате GRASP необходим измеренный массив точек с шагом сетки не более 10´10 мм (количество точек около 40000), что в реальных условиях практически невозможно, поскольку в течение 7 дней измерений необходимо обеспечить неравномерность температур не хуже 3 °С. Измерения возможны с шагом не менее 50´50 мм, что недостаточно для обеспечения заданной достоверности результатов.
Исходя из вышеизложенного, реализация технологии «цифрового двойника» с применением программных аналогов реального объекта для значительного снижения временных и материальных затрат без снижения показателей качества и достоверности является весьма актуальной задачей.
Постановка задачи разработки технологии «цифрового двойника»
Основной идеей технологии «цифрового двойника» является замена реального объекта испытаний программным аналогом – цифровой моделью, верифицированной в части характеристик УКМ и граничных условий с учетом выполнения критериев сходимости прогнозных и экспериментальных данных и расчета влияния деформаций на уровень заданных радиотехнических параметров АС.
Перечень цифровых моделей (ЦМ), используемых в технологии «цифрового двойника»:
Основные этапы разработанной технологии «цифрового двойника» [15]:
- Назначение критериев оценки сходимости прогнозных и измеренных случаев ТУД, разработка прогнозных ЦМ GRASP и КЭМ для оценки ошибки наведения вследствие ТУД.
- Измерения деформированного профиля вследствие воздействия тепловых случаев.
- Верификация ЦМ КЭМ с учетом критериев сходимости и построение ЦМ CATIA с деформированными профилями для каждого теплового случая.
- Интерполяция деформированных профилей с построением ЦМ CATIA для каждого теплового случая с построением шага сетки точек, достаточной для построения ЦМ GRASP расчетных случаев.
- Сравнение номинальной ЦМ GRASP и ЦМ GRASP для каждого расчетного теплового случая с оценкой выполнения критерия соответствия РТХ рефлектора в формате погрешности наведения.
Исходя из результатов испытаний, были определены критерии положительной оценки сходимости прогнозных и измеренных случаев термодеформаций для верификации ЦМ КЭМ:
Для практической реализации технологии цифрового двойника была разработана пошаговая блок-схема с определением входных и выходных данных для каждого этапа, представленная на рис. 9.
Рис. 9. Блок-схема реализации технологии «цифрового двойника»
Fig. 9. “Digital twin” technology implementation flow-chart
Методика корреляции прогнозных и измеренных случаев термодеформаций и оценка влияния деформаций конструкции на уровень радиотехнических параметров АС
Схема проведения измерений точек деформированного профиля рефлектора представлена на рис. 10. Юстировочные элементы и отражатели использовались для совмещения измерений профиля на разных температурных режимах относительно базового приспособления.
При обработке результатов измерений величины перемещений и разворотов поверхности рефлектора при деформации определялись в два этапа (рис. 11). На этапе 1 проводилось совмещение измерений контролируемого и номинального состояний по базовому приспособлению, на этапе 2 – по отражателям (см. рис. 10). Совмещение проводилось методом наилучшего совпадения.
Рис. 10. Схема проведения оптических измерений деформированного профиля рефлектора: 1 – юстировочные элементы; 2 – отражатели; 3 – базовое приспособление; 4 – сетка точек профиля
Fig. 10. The scheme of implementation of the reflector distorted profile optical measurement: 1 – alignment elements; 2 – subreflectors; 3 – base unit; 4 – profile points mesh
Рис. 11. Определение перемещений, разворотов и СКО поверхности рефлектора при деформации: 1, 2 – номинальное и контролируемое состояние; 3, 4 – точки состояний; 5 – интерполированная поверхность; 6 – базовое приспособление
Fig. 11. Determining of displacements, rotations and reflector surface RMS during deformation: 1, 2 – nominal and control reflector states; 3, 4 – points of states; 5 – interpolating surface; 6 – base unit
Рис. 12. Методика корреляции прогнозных и измеренных случаев для верификации ЦМ КЭМ
Fig. 12. Correlation method of predicted and measured cases for FEM model verification
После определения перемещений и разворотов проведена оценка деформации рефлектора в формате СКО. По точкам с шагом 50×50 мм строилась полигональная интерполяционная поверхность для разработки ЦМ КЭМ расчетных случаев ТУД. Параллельно выполнены прогнозные ЦМ КЭМ на основе ЦМ CATIA с изменением шага сетки с 10×10 на 50×50 мм. Одинаковый формат фактических и прогнозных моделей обеспечил верификацию с заданными критериями сходимости. Методика корреляции прогнозных и измеренных случаев ТУД представлена на рис. 12. Расстояния между точками деформированной и полигональной поверхностей применялись для интерполяции узлов прогнозной ЦМ КЭМ. В итоге получены верифицированные ЦМ КЭМ расчетных случаев для построения поверхностей и разработки ЦМ GRASP.
Оценка влияния деформаций конструкции на уровень радиотехнических параметров АС
На основе интерполяционных поверхностей для каждого расчетного случая ТУД были построены ЦМ формата CATIA с массивами точек с шагом сетки 10×10 мм. Оценка соответствия РТХ рефлектора в части погрешности наведения выполнялась методом сравнения ЦМ GRASP для каждого расчетного случая ТУД с номинальной ЦМ GRASP. Результаты сравнения испытаний рефлектора АС на ТУД с результатами прогнозных значений, полученных в результате реализации технологии «цифрового двойника», приведены в табл. 5.
Таблица 5. Сравнение испытаний рефлектора на ТУД с результатами прогнозных значений
Параметр | Гигроупругая деформация | Холодный случай | Промежуточная холодная полка | Горячий случай |
СКО измеренного профиля, мм | 0,019 | 0,196 | 0,132 | 0,124 |
СКО прогнозного профиля, мм | 0,037 | 0,245 | 0,187 | 0,138 |
Критерий сходимости (верификация КЭМ) | 0,02 | 0,06 | 0,06 | 0,06 |
Статус критерия | Выполнен | Выполнен | Выполнен | Выполнен |
Выполнение критериев сходимости прогнозных и фактических данных свидетельствует об успешной квалификации технологии «цифрового двойника» при испытаниях рефлектора АС на ТУД.
По результатам первой апробации применения технологии намечены некоторые пути повышения качества и достоверности ее реализации:
Заключение
В 2021 телекоммуникационный КА «Экспресс-АМУ7» был успешно запущен на целевую орбиту, прошел этап орбитальных испытаний и принят в летную эксплуатацию, что свидетельствует об успешной реализации программы НЭО. Положительный результат применения технологии «цифрового двойника» позволит в 2–3 раза снизить затраты на проведение сложных испытаний при выполнении следующих мероприятий:
Полученные результаты работы обеспечат решение задач импортозамещения и повышения доли российских разработок на мировом рынке космических телекоммуникационных услуг.
Об авторах
Александр Викторович Иванов
Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Автор, ответственный за переписку.
Email: ivs@iss-reshetnev.ru
заместитель начальника отдела
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Список литературы
- Проектирование крупногабаритного высокоточного рефлектора антенны космического аппарата с контурной диаграммой направленности / Н. А. Бердникова, А. В. Иванов, О. А. Белов, В. Е. Чичурин // Вестник СибГУ. 2016. Т. 17, № 2. С. 378–388.
- Иванов А. В., Белов О. А., Гулиев Р. Ш. Разработка прецизионного размеростабильного рефлектора бортовой антенны телекоммуникационного космического аппарата из полимерных композиционных материалов российского производства // Полимерные композиционные материалы для авиакосмической отрасли : материалы Всеросс. науч.-технич. конф. (Москва. 6 декабря 2019 г.) / ФГУП «ВИАМ». М. : ВИАМ, 2019. С. 121–136.
- Тайгин В. Б., Лопатин А. В. Разработка зеркальной антенны космического аппарата с ультралегким высокоточным размеростабильным рефлектором // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3, № 3. С. 121–131. Doi: 10/26732/2618-7957-2019-3-121-131.
- Зеркальные антенны космических аппаратов с механически реконфигурируемой поверхностью рефлектора / А. С. Першин, И. Ю. Ляпин, И. Ю. Данилов, Н. А. Бердникова // Наукоемкие технологии. 2015. Т. 16, № 3. С. 23–26.
- Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении / П. Гардымов, Е. В. Мешков, А. В. Пчелинцев и др. ; под общ. ред. П. Гардымова и Е. В. Мешкова. СПб. : СпецЛит, 1999. C. 10–18.
- Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. C. 7–14.
- Бахрах Л. Д., Галимов К. Зеркальные сканирующие антенны. Теория и методы расчета. М. : Наука, 1981. С. 15–30.
- Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988. С. 96–115.
- Патент № 2655473, С1, МПК H01Q 15/16, H01Q 1/12. Рефлектор / Белов О. А., Иванов А. В. № 2017120285; заявл. 08.06.2017; опубл. 28.05.2018. Бюл. № 16.
- Проблемы и перспективы использования полимерных композиционных материалов в силовых конструкциях планера / А. Н. Шаныгин, М. Ч. Зиченков, Е. А. Дубовиков и др. // Полимерные композиционные материалы для авиакосмической отрасли : материалы Всеросс. науч.-технич. конф. (Москва. 6 декабря 2019 г.) / ФГУП «ВИАМ». М. : ВИАМ, 2019. С. 6–20.
- Патент № 2657913, С1, МПК B29C 33/38. Композитная формообразующая оснастка и способ ее изготовления / Белов О. А., Бердникова Н. А., Иванов А. В. № 2017120895; заявл. 14.06.2017; опубл. 18.06.2018. Бюл. № 17.
- William A. Imbriale, Steven (Shichang) Gao, Luigi Boccia. Space Antenna Handbook. United Kingdom, Chichester, John Wiley & Sons Ltd. Publ., 2012. 768 p.
- Шатров А. К., Орлов Д. В. Основные особенности проектирования конструкций с применением композиционных материалов // Решетневские чтения : материалы ХХ Юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. Ч. 1. С. 63–65.
- Сулимов А. Н., Наговицин В. Н. Изготовление рефлекторов из углепластика с использованием углепластиковой оснастки // Решетневские чтения : материалы ХХ Юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. В 2 ч. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. Ч. 1. С. 46–54.
- Thomas P. Sarafin. Spacecraft Structures and Mechanisms – From Concept to Launch. USA, Hawthorne, Space Technology Library Publ., 2007, Fifth Printing, 850 p.
Дополнительные файлы
