Разработка конструкции и технологии изготовления каркаса наноспутника

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7
Дата публикации:
29 января 2022, 02:18
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Корнилов Егор Леонидович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
На сегодняшний день в ракетно-космической отрасли все чаще применяются малые космические аппараты и их группировки в связи с рядом их преимуществ. Предложен вариант каркаса наноспутника, изготовленного методом композитной трехмерной печати. Проведены конечно-элементный анализ, сравнение полученной конструкции с алюминиевым аналогом и экономическое обоснование перспективности предлагаемого способа изготовления каркаса наноспутника.
Ключевые слова:
композитные конструкции, композиционные материалы, наноспутник, 3D-печать, наноспутник CubeSat
Основной текст труда

Даже при малом размере, наноспутники способны выполнять множество задач. В состав их полезной нагрузки  как правило, входят фотокамеры, различные датчики, биохимические эксперименты, регистраторы, электронные компоненты, конструктивные и технологические решения, проходящие процедуру тестирования перед использованием в средних и больших спутниках (500...1000 кг и более 1000 кг соответственно) [1].

Зачастую при проектировании малых космических аппаратов представляется невозможным применение тех или иных конструкторско-технологических решений. Связано это с тем, что традиционные методы производства не могут предоставить тот особый набор качеств, который способны дать аддитивные технологии. С их помощью можно создавать изделия практически любых форм и размеров.

Применение 3D-печати композитами к изготовлению корпусов малых спутников является важной задачей, так решение ее позволит значительно снизить затраты и время на изготовление. При этом идет уменьшение массы конструкции, откуда вытекает возможность увеличение полезной нагрузки, при сохранении общей массы. Открывается возможность изготовления корпусов, сборки и запуска спутников с космических станций. Это открывает путь к принципиально новым вариантам исполнения спутников конструкции CubeSat. Следовательно, это упрощает саму конструкцию корпуса, снижает ее массу, что позволит увеличить полезную нагрузку и делает ее экономически выгоднее аналогов [2].

Цель работы — расширить методы изготовления корпусов малых спутников для повышения их весовой и экономической эффективности за счет применения 3D-печати изделий из композиционных материалов, армированных непрерывными волокнами.

В работе предложена конструкция каркаса наноспутника, изготовленного методом композитной трехмерной печати. Для конструкции проведены:

  • анализ деформированного состояния конструкции;
  • анализ влияния геометрического несовершенства конструкции на силу трения между корпусом и рельсами деплойера, что показало возможность работоспособности конструкции в экстремальных условиях эксплуатации [3];
  • анализ свободных колебаний каркасов из углепластика и аналога из алюминия, позволяющий выявить опасные места в конструкциях и оценить запас удельной жесткости предложенной конструкции [4].

Предложенная конструкция была изготовлена методом трехмерной печати изделий из композиционных материалов с непрерывным армированием. Была разработана траектория укладки слоев для 3D-принтера, которая позволила эффективно использовать свойства композита в конструкции рамы.

Был проведен сравнительный анализ композитной и аналогичной алюминиевой конструкций по массе. Композитная рама оказалась эффективней на 24 %.

Проведен сравнительно-экономический анализ, показавший увеличение рентабельности композитной рамы по сравнению с аналогом из алюминия в три раза. Данный анализ справедлив при изготовлении конструкции каркаса наноспутника на Земле [5].

Литература
  1. Каширин А.В., Глебанова И.И. Анализ современного состояния рынка наноспутников как подрывной инновации и возможностей его развития в России // Молодой ученый. 2016. № 7 (111). С. 855–867.
  2. Halmare M., Joshi H. CubeSat Market. https://www.alliedmarketresearch.com/cubesat-market-A09399 (дата обращения 26.12.2021).
  3. CubeSat Deployers. URL: https://www.isispace.nl/wp-content/uploads/2016/02/CubeSat-deployers-Brochure-web-compressed.pdf (дата обращения 16.12.2021).
  4. CubeSat 101: Basic Concepts and Processes for First-Time CubeSat Developers. URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/nasa_csli_cubesat_101_ 508.pdf (дата обращения 16.12.2021).
  5. United States Government Accountability Office. URL: https://www.gao.gov/products/gao-16-359 (дата обращения 26.12.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.