Выбор рациональных параметров композитной силовой конструкции космического аппарата с ядерной энергетической установкой

Язык труда и переводы:
УДК:
629.785
Дата публикации:
23 января 2022, 13:11
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена композитная силовая конструкция космического аппарата с ядерной энергетической установкой. Разработаны параметризованные механические модели сетчатых элементов данной силовой конструкции, пригодные для анализа их напряженно-деформированного состояния и форм потери устойчивости. Показано значительное снижение массы силовой конструкции, включающей в себя параметрически оптимизированные сетчатые элементы, изготавливаемые из композиционных материалов с высокими удельными характеристиками. Для выполнения параметрической оптимизации сетчатых элементов силовой конструкции применялся программный комплекс ANSYS 2019R1.
Ключевые слова:
сетчатые конструкции, композиционные материалы, конечно-элементная модель, параметрическая оптимизация, космический аппарат, ядерная энергоустановка
Основной текст труда

Одной из основных задач космической отрасли является увеличение относительной массы полезного груза (ПГ), доставляемого космическим аппаратом (КА) на целевую орбиту около заданного космического тела. Среди методов решения задачи — применение более эффективных двигательных установок (ДУ) и снижение массы элементов КА. Вне атмосферы наибольшего удельного импульса достигают электроракетные ДУ (ЭРДУ), однако им требуется бортовой источник электроэнергии высокой мощности [1, 2]. Во внешней области Солнечной системы самым высоким значением удельной электрической мощности [Вт(э)/кг] обладают ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [3–5].

Таким образом, наибольшей весовой эффективности в описываемых условиях достигают КА с ЭРДУ, питающейся от бортовой ЯЭУ. Поэтому снижение массы силовой конструкции такого аппарата является актуальной задачей.

Рассмотрена композитная силовая конструкция КА с ЯЭУ. В качестве аналога выбрана силовая конструкция КА NEP KBOO, предназначенного для изучения малых космических объектов во внешней области Солнечной системы и несущего в качестве ПГ 100 кг научного оборудования [6]. В состав силовой конструкции входят секция приборно-агрегатного отсека и секции системы отведения ЯЭУ от приборно-агрегатного отсека.

Цель работы — минимизация массы элементов данной конструкции при обеспечении требуемой несущей способности за счет рационального использования композиционных материалов (КМ) с высокими удельными механическими характеристиками и применения методов параметрической оптимизации.

Секции предложено выполнить в виде композитных сетчатых элементов, состоящих из спиральных (±φ) и кольцевых ребер, а также двух силовых шпангоутов на торцах. Изготавливать секции целесообразно методом намотки однонаправленного препрега на оправку конической или цилиндрической формы.

Для решения задачи оптимизации разработаны параметризованные механические модели композитных сетчатых элементов силовой конструкции, учитывающие анизотропию свойств КМ и слоистую структуру ребер, универсально пригодные для определения их напряженно-деформированного состояния и форм потери устойчивости. Параметризация механических моделей выполнена в среде Workbench программного комплекса ANSYS версии 2019R1.

В эксплуатационных условиях наибольшие механические нагрузки силовая конструкция КА воспринимает на активном участке траектории ракеты-носителя, поэтому система рассматривается в сложенном виде. Для определения напряженно-деформированного состояния элементов рассматриваемой силовой конструкции под действием ускорений, испытываемых конструкцией в процессе выведения, к ним приложены точечные массы, отражающие массы бортовых систем, аналогичных бортовым системам КА NEP KBOO.

В результате решения задачи оптимизации получены оптимальные наборы геометрических параметров элементов силовой конструкции.  Проектная масса разработанной силовой конструкции КА с ЯЭУ оценивается в 132,0 кг, что на 219,3 кг или в 2,66 раза ниже проектной массы конструкции-аналога, выполненной в основном из алюминиевых сплавов.

Литература
  1. Гусев Ю.Г., Пильников А.В. Роль и место электроракетных двигателей в Российской космической программе // Труды МАИ. 2012. № 60. С. 22.
  2. Carter M., Ilin C., Olsen A et al. Using VASIMR® for the proposed Europa mission // AIAA SPACE Conference and Exposition. Vol. 1 of the AIAA Space Forum. San Diego, CA, August 4–7, 2014. Pp. 1297–1317.
  3. Houts M., Mitchell S., Aschenbrenner K. et al. Space fission propulsion and power. 2017. Avaiulable at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20170011526 (accessed December 24, 2021).
  4. Litchford R., Harada N. Multi-MW closed cycle MHD nuclear space power via nonequilibrium He/Xe working plasma. 2011. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20110009914 (accessed December 24, 2021).
  5. Gibson M., Oleson S., Poston D. et al. NASA's Kilopower reactor development and the path to higher power missions. 2017. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20170002010 (accessed December 24, 2021).
  6. Oleson S., Dankanich J., Grantier D. et al. A Kuiper Belt Object Orbiter enabled by 10 kW Kilopower electric propulsion. 2019. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20190029259/ (accessed December 24, 2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.