Implementation of “digital twin” technology within the thermo-elastic distortion testing of a precision carbon fiber reflector for the spacecraft antenna subsystem

全文:

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

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

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

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 O_ЗЕРX_ЗЕРY_ЗЕРZ_ЗЕР (рис. 7), центр О_ЗЕР определяется в точке пересечения оси диаметра апертуры D и профиля поверхности рефлектора. Ось X_ЗЕР проходит через О_ЗЕР по касательной к профилю, ось Z_ЗЕР перпендикулярна оси X_ЗЕР и лежит в плоскости O_АНТX_АНТZ_АНТ. Программными средствами формируется прямоугольная сетка измерений с шагом X₁ и Y₁ (рис. 8), контроль профиля в точках сетки проводится в СК O_ЗЕРX_ЗЕРY_ЗЕРZ_ЗЕР. 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: O_АНТX_АНТY_АНТZ_АНТ – СК АС; O_ЗЕРX_ЗЕРY_ЗЕРZ_ЗЕР – СК зеркала; O_АНТF – фокусное расстояние

Fig. 7. Determining of coordinate system and the reflector profile measuring scheme: O_ANTX_ANTY_ANTZ_ANT – AS CS; O_MIRX_MIRY_MIRZ_MIR – mirror CS; O_ANTF – focal length

Диаграммы распределения СКО термодеформированных состояний от номинального профиля М_i (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

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.

1. 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:

2. 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.
3. 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]:

1. Назначение критериев оценки сходимости прогнозных и измеренных случаев ТУД, разработка прогнозных ЦМ GRASP и КЭМ для оценки ошибки наведения вследствие ТУД.
2. Измерения деформированного профиля вследствие воздействия тепловых случаев.
3. Верификация ЦМ КЭМ с учетом критериев сходимости и построение ЦМ CATIA с деформированными профилями для каждого теплового случая.
4. Интерполяция деформированных профилей с построением ЦМ CATIA для каждого теплового случая с построением шага сетки точек, достаточной для построения ЦМ GRASP расчетных случаев.
5. 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

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.

作者简介

Alexander Ivanov

编辑信件的主要联系方式.
Email: ivs@iss-reshetnev.ru

deputy head of department

参考

补充文件