Анализ использования привода из материала с эффектом памяти формы для раскрытия ободной конструкции

Язык труда и переводы:
УДК:
629.8:531.395
Дата публикации:
26 января 2022, 23:41
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Шахвердов Артур Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Зимин Владимир Николаевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Кисанов Юрий Алексеевич
ИСС им. М. Ф. Решетнёва
Павлов Николай Геннадьевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрен ободной трансформируемый рефлектор. Для раскрытия рефлектора рекомендуется заменить традиционный привод, использующий для раскрытия пружины сжатия и управление с помощью тросовой системы, на силовой привод, активные элементы которого выполнены из материала с эффектом памяти формы. Предложенная методика позволяет выбрать параметры привода. Оценена возможная выгода по массовым характеристикам.
Ключевые слова:
привод, память формы, рефлекторы, раскрытие, параметры
Основной текст труда

Ободной рефлектор является одним из вариантов перспективных крупногабаритных трансформируемых конструкций [1]. В первичном варианте предполагалось что каркас рефлектора разворачивается из транспортного положения в рабочее за счёт вспомогательных спиральных пружин и пружин сжатия, которые выполняют основную работу по перемещению концов тяг. Управление раскрытием осуществляется при помощи тросовой системы сдерживания [2]. Предложено заменить пружины сжатия и тросовую систему сдерживания на силовой привод с эффектом памяти формы.

Предлагается проект методики расчета линейного привода раскрытия на примере ободного рефлектора размером 12 м. В качестве привода используется проволока из материала никелида титана. Внутри каждой из трубчатых стоек рефлектора располагается активный элемент привода. Управляющим воздействием на активный элемент является температурное поле. В условиях космического пространства единственным надёжным методом нагрева является пропускание через активный элемент электрического тока.

Нагрев может производится либо постоянным напряжением, либо специальной схемой, учитывающей температуру активных элементов и изменение внутреннего электрического сопротивления проволоки по мере нагрева. В обоих случаях раскрытие управляемое. В первом варианте возможно управление временем раскрытием в ручном режиме методом выключение-включение без минимизации мощности потребления электропитания. Во втором случае управление производится в автоматическом режиме с минимизацией мощности электропотребления за счёт учёта температуры активного элемента.

Приведем уравнение энергетического баланса:

cm(T_{2}-T_{1})=RI^{2}\Delta t-\varepsilon \sigma _{0}ST_{1}^{4}\Delta t-Q.

Изменение внутренней энергии привода равно энергии поступившей от нагрева электрическим током, минус потери энергии от радиационного теплообмена и минус энергия, затраченная на фазовые превращения [3].

Расчет проводится по шагам по времени. На каждом шаге рассчитывается Q^{'} — энергия, ушедшая на фазовое превращение за ∆t :

Q^{'}=k\cdot (RI^{2}\Delta t-\varepsilon \sigma _{0}ST_{1}^{4}\Delta t).

Величина данной энергии равна разнице тепловой энергии тока за ∆t и энергии, отведенной за счет радиационного теплообмена за ∆t.

Коэффициент k(0...1), определяемый экспериментально, показывает какая часть энергии уходит на фазовые превращения, так как некоторая часть энергии продолжает идти на нагрев:

Затем от суммарной скрытой теплоты мартенситного превращения Q , необходимой для полного перехода привода в аустенитное состояние, на каждом шаге отнимается Q^{'} до тех пор пока  Q не станет \leq 0 , что означает максимальное срабатывание привода.

Формула для расчета температуры в таком случае может быть представлена в следующем виде:

{\begin{cases}T_{2}={\frac {RI^{2}\Delta t-\varepsilon \sigma _{0}ST_{1}^{4}\Delta t}{cm}}+T_{1};\quad T_{2}<A_{\text{н}};Q>0;\\T_{2}={\frac {RI^{2}\Delta t-\varepsilon \sigma _{0}ST_{1}^{4}\Delta t-Q^{'}}{cm}}+T_{1};\quad T_{2}\geq A_{\text{н}};Q>0;\\T_{2}={\frac {RI^{2}\Delta t-\varepsilon \sigma _{0}ST_{1}^{4}\Delta t}{cm}}+T_{1};\quad T_{2}\geq A_{\text{н}};Q\leq 0.\end{cases}}

До температуры начала фазовых превращений A_{\text{н}} температура рассчитывается обычным методом, после достижения температуры начала фазовых превращений и до тех пор, пока Q>0 , в формуле учитываются затраты на фазовые превращения. После того как фазовые превращения закончились (Q\leq 0) , расчет возвращается к стандартной формуле.

Перемещение привода на каждом шаге при расходе Q^{'}  может быть рассчитано в виде:

h^{'}={\frac {Q^{'}}{Q}}\beta l,

где \beta — максимальный процент срабатывания привода; l — рабочая длина привода.

Общую длину срабатывания привода h можно рассчитать по формуле

h=h^{'}\cdot n; n={\frac {Q}{Q^{'}}}.

Здесь n — количество шагов на которых происходит фазовое превращение.

Описанная выше методика позволяет по геометрической схеме рефлектора, заданной характеристике сил сопротивления механизмов рефлектора, допустимой мощности потребления и времени раскрытия рассчитать и выбрать параметры привода: диаметр и длину проволоки, схемное решение и параметры системы электропитания [4]. Оценка массовых характеристик варианта с пружинным приводом и варианта с приводом с активными элементами с эффектом памяти формы показывает преимущество последних.

Литература
  1. Величко А.И., Кисанов Ю.А., Церихов В.И., Матросова И.В. Ободной крупногабаритный космический рефлектор // XXII Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва «Решетневские чтения»: сб. мат-лов. В 2 ч. Т. 1. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2018. С. 88–89.
  2. Величко А.И., Кисанов Ю.А., Церихов В.И., Матросова И.В. Оптимизация механизма раскрытия ободного космического рефлектора // XXII Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва «Решетневские чтения»: сб. мат-лов. В 2 ч. Т. 1. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2019. С. 87–88.
  3. Барвинок В.А., Богданович В.И., Грошев А.А., Плотников А.Н., Ломовской О.В. Методика проектирования силовых приводов из материала с эффектом памяти формы для ракетно-космической техники // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 6. С. 272–277.
  4. Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н., Зарубин В.С., Шахвердов А.О. Разработка математической модели силового привода для трансформируемых космических конструкций // XXIV Международная еждународная научно-практическая конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва «Решетневские чтения»: сб. мат-лов. В 2 ч. Т. 1. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2020. С. 76–77.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.