RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2059410.22363/2312-8143-2018-19-4-411-425Mechanical engineering and power-plantМашиностроение и материаловедениеResearch ArticleLarge-sized transformable space antenna reflector made оf composite materials dynamic modeling processМоделирование динамики раскрытия крупногабаритного трансформируемого рефлектора космической антенны из композиционного материала1000-3828ReznikSergey VРезникСергей Васильевич

Doctor of Sciences (Techn.), Professor, Head of the Department SM-13 Rocket and Space Composite Structures

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой CМ-13 ракетно-космических композитных конструкций

sreznik@bmstu.ruChubanovDmitriy EЧубановДмитрий Евгеньевич

Master of Engineering and Technologies, graduated in 2018 the Department SM-13 Rocket and Space Composite Structures

магистр техники и технологии, выпускник кафедры CМ13 ракетно-космических композитных конструкций

chubanoff1994@gmail.comBauman Moscow State Technical University (National Research University)Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)15122018194VOL 19, NO4 (2018)ТОМ 19, №4 (2018)41142524022019Copyright ©; 2018, Reznik S.V., Chubanov D.E.Copyright ©; 2018, Резник С.В., Чубанов Д.Е.2018Reznik S.V., Chubanov D.E.Резник С.В., Чубанов Д.Е.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/20594

Large space structures (LSS) occupy a special place among other objects of space technology. Due to their large size, these structures are compactly stowed under the fairings of the launch vehicles or in the cargo compartments of the Space Shuttle type spacecraft. After launch into the working orbit, they are deployed automatically into the predetermined configuration with the help of transformable elements, which act both as the load-bearing frame and actuators. The deployment should be carried out within the specified time and should not negatively affect the strength, shape or spatial orientation of the structure. To meet these requirements, it is necessary to theoretically investigate the deployment dynamics of the LSS under consideration. This paper aims to find the optimal design and engineering solutions of an ultralight transformable reflector for a space antenna made of metal mesh with load-bearing elements in the form of telescopic hollow rods made from carbon fiber reinforced plastic. The deployment dynamics of the load-bearing elements with the mesh attached was modeled using the Russian-made software package EULER 10.25. The modeling allowed us to estimate the effect of the tensile load from the mesh on the deployment process. With the elastic load from mesh accounted for, the stability and rigidity of the load-bearing elements will be ensured and the accuracy of the mesh tension will be increased.

Крупногабаритные космические конструкции (ККК) занимают особое место среди других объектов космической техники. Из-за больших размеров они компактно укладываются под обтекатели ракет-носителей или в грузовые отсеки космических аппаратов (КА) по типу Space Shuttle. После вывода на рабочую орбиту ККК автоматически развертываются и принимают заданную конфигурацию с использованием трансформируемых элементов, одновременно выполняющих функции силового каркаса и приводов. Операцию развертывания следует проводить в заданные сроки, и она не должна приводить к снижению прочности, нарушению формы и потере пространственной ориентации конструкции. Для выполнения этих требований необходимо теоретически исследовать динамику развертывания проектируемой ККК. Настоящая работа нацелена на поиск оптимальных конструкторско-технологических решений сверхлегкого трансформируемого рефлектора зеркальной космической антенны из металлического сетеполотна с силовыми элементами в виде телескопических полых стержней из углепластика. Проведено численное моделирование динамики раскрытия силовых элементов антенного рефлектора с учетом присоединенного к ним сетеполотна с помощью отечественного программного комплекса EULER 10.25. В результате моделирования определено влияние натяжения сетеполотна на процесс раскрытия конструкции рефлектора. Учет упругой нагрузки от сетеполотна на силовые элементы позволит обеспечить их стабильность и жесткость и увеличить точность натяжения сетеполотна.

mirror space antenna reflectorthe dynamics of deployment operationnumerical modelingdesign-layout schemecomposite materialзеркальная космическая антеннарефлектординамика раскрытиячисленное моделированиеконструктивно-компоновочная схемакомпозиционный материалSokolov A.G., Gvamichava A.S. Resheniya inzhenernyh konstrukcij kosmicheskih radioteleskopov [Solutions of the engineering constructions of space radiotelescopes]. Antennas. Iss. 29, 2—10. Moscow: Radio i svyaz’ Publ., 1981. (In Russ.)Соколов А.Г., Гвамичава А.С. Решения инженерных конструкций космических радиотелескопов. Антенны / под ред. А.А. Пистелькорса. М.: Радио и связь. 1981. Вып. 29. С. 2-10.Bojkov V.G. Programmnyj kompleks avtomatizirovannogo dinamicheskogo analiza mnogokomponentnyh mekhanicheskih system EULER [Software package for automated dynamic analysis of EULER multicomponent mechanical systems]. SAPR i grafika [SAPR and Graphics], 2000, No. 9, 17—20. (In Russ.)Бойков В.Г. Программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем EULER // САПР и графика. 2000. № 9. С. 17-20.Usyukin V.I., Arhipov Yu.M. Modelirovanie statiki i dinamiki krupnogabaritnyh reflektorov kosmicheskih antenn: uchebnoe posobie [Modeling of statics and dynamics of large-sized reflectors of space antennas: a manual]. Мoscow: Bauman MSTU Publ., 2015, 56. Available from: http:// ebooks.bmstu.ru/catalog/75/book973.html (accessed: 11.08.2018). (In Russ.)Усюкин В.И., Архипов Ю.М. Моделирование статики и динамики крупногабаритных рефлекторов космических антенн: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 56 с. URL: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/75/book973.html (дата обращения: 11.08.2018).Meshkovskij V.E. Geometricheskaya model’ raskryvayushchejsya krupnogabaritnoj kosmicheskoj konstrukcii fermennogo tipa [Geometric model of a large-scale open space construction of a truss type]. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series: Natural Sciences, 2009, No. 4, 56—71. (In Russ.)Мешковский В.Е. Геометрическая модель раскрывающейся крупногабаритной космической конструкции ферменного типа // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2009. № 4. C. 56-71.Kuznecova A.O. Issledovanie dinamiki dvizheniya raskryvayushchihsya mekhanicheskih sistem s uprugimi svyazyami [Investigation of the dynamics of the motion of unfolding mechanical systems with elastic bonds]. Vestnik SibGAU [Vestnik SibSAU. Aerospace technologies and control systems], 2005, No. 3, 135—138. (In Russ.)Кузнецова А.О. Исследование динамики движения раскрывающихся механических систем с упругими связями // Вестник СибГАУ им. М.Ф. Решетнева. 2005. № 3. С. 135-138.Zimin V.N., Meshkovskij V.E. Dinamika krupnogabaritnyh raskryvayushchihsya kosmicheskih konstrukcij [Dynamics of large-sized unfolding space structures]. Proceedings of the 2nd International Conference “Rocket and Space Technology: Fundamental and Applied Problems” (November 18—21, 2003, Moscow). Part II. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2005, 27—32. (In Russ.)Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Динамика крупногабаритных раскрывающихся космических конструкций // Труды 2-й Международной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (18-21 ноября 2003 г., Москва). М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. Ч. II. С. 27-32.Smirnov A.V., Baryshev A., Pilipenko S.V. et al. Space mission Millimetron for terahertz astronomy. Proceedings of SPIE, 21 September 2012, Vol. 8442, 9 p. doi: 10.1117/12.927184Smirnov A.V., Baryshev A.M., Pilipenko S.V. et al. Space mission Millimetron for terahertz astronomy // Proceeding of SPIE (21 September 2012). Vol. 8442. 9 p. doi: 10.1117/12.927184Banichuk N.V., Karpov N.I., Klimov D.I., Markeev A.P., Sokolov B.N., Sharanyuk A.V. Mekhanika bol’shih kosmicheskih konstrukcij. Moscow: Factorial Publ., 1997, 302. (In Russ.)Баничук Н.В., Карпов Н.И., Климов Д.И., Маркеев А.П., Соколов Б.Н., Шаранюк А.В. Механика больших космических конструкций. М.: Факториал, 1997. 302 с.Zimin V.N. Razrabotka metodov analiza dinamiki i ocenki rabotosposobnosti raskryvayushchihsya krupnogabaritnyh kosmicheskih konstrukcij fermennogo tipa [Development of methods for analyzing the dynamics and assessing the operability of large-scale open space structures of the truss type]: Dissertation. Мoscow: Bauman MSTU Publ., 2008, 309. (In Russ.)Зимин В.Н. Разработка методов анализа динамики и оценки работоспособности раскрывающихся крупногабаритных космических конструкций ферменного типа: дис. … д-ра техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 309 с.Arhipov M.Yu., Telepnev P.P. Kompleks rabot po chislennomu modelirovaniyu dinamiki konstrukcii kosmicheskogo radioteleskopa proekta “Radioastron”. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research], 2014, Vol. 52, No. 5, 418—422. (In Russ.)Архипов М.Ю., Телепнев П.П. Комплекс работ по численному моделированию динамики конструкции космического радиотелескопа проекта «Радиоастрон» // Космические исследования. 2014. Т. 52. № 5. С. 418-422.Golubev E.S., Galinovskij A.L., Arhipov M.Yu. Modelirovanie i analiz dinamicheskih harakteristik konstrukcii krupnogabaritnyh teplozashchitnyh ehkranov kosmicheskogo teleskopa [Modeling and analysis of the dynamic design characteristics of the large-size heat shields of the space telescope]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Seriya: Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building], 2016, No. 2, 76—84. doi: 10.18698/0536-1044-20162-76-84 (In Russ.)Голубев Е.С., Галиновский А.Л., Архипов М.Ю. Моделирование и анализ динамических характеристик конструкции крупногабаритных теплозащитных экранов космического телескопа // Известия высших учебных заведений. Серия: Машиностроение. 2016. С. 76-84.Imbriale W. Spaceborne antennas for planetary exploration. N.Y.: John Wiley and Sons, 2006, 592.Imbriale W. Spaceborne antennas for planetary exploration. N.Y.: John Wiley and Sons, 2006. 592 p.Kurkov C.B., Gutovskij I.E. Modelirovanie dinamiki processa raskrytiya kosmicheskogo apparata metodom konechnyh ehlementov XX Mezhdunarodnaya konferentciya “BEM & FEM”. [Conference proceedigs]. Saint Petersburg, 2003, 41—48. (In Russ.)Курков C.B., Гутовский И.Е. Моделирование динамики процесса раскрытия космического аппарата методом конечных элементов // Труды XX Международной конференции «BEM & FEM». СПб., 2003. С. 41-48.Krylov A.V., Churilin S.A. Modelirovanie razvertyvaniya mnogozvennyh zamknutyh kosmicheskih konstrukcij [Modeling the deployment of multi-tier closed space structures]. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovacii [Engineering Journal: Science and Innovation], 2012, No. 8(8). doi: 10.18698/23086033-2012-8-449 (In Russ.)Крылов А.В., Чурилин С.А. Моделирование развертывания многозвенных замкнутых космических конструкций // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 8. doi: 10.18698/2308-6033-2012-8-449Usyukin V.I. Stroitel’naya mekhanika konstrukcij kosmicheskoj tekhniki [Construction mechanics of space technology constructions]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1988. 392. (In Russ.)Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. M.: Машиностроение, 1988. 392 с.Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovsky K.V., Shafikova I.R. Material science problems of building space antennas with a transformable reflector 100 m in diameter. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016, 153 012001. doi:10.1088/1757-899X/153/1/012001Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovsky K.V., Shafikova I.R. Material science problems of building space antennas with a transformable reflector 100 m in diameter // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. 153. 012001. doi:10.1088/1757-899X/153/1/012001Yudincev V.V. Modelirovanie processov raskrytiya mnogoehlementnyh konstrukcij kosmicheskih apparatov [Modeling of the processes of disclosure of multi-element structures of space vehicles]. Polyot [Flight], 2012, No. 5, 28—33. (In Russ.)Юдинцев В.В. Моделирование процессов раскрытия многоэлементных конструкций космических аппаратов // Полет. 2012. № 5. С. 28-33.Lyannoj E.G., Kurkov S.V., Gutovskij I.E. Ispol’zovanie matematicheskih modelej dlya ocenki i obespecheniya bezopasnyh zon raskrytiya transformiruemoj fermy. Trudy XXV Rossijskoj shkoly i XXXV Ural’skogo seminara po problemam nauki i tekhnologij [Conference proceedigs]. Moscow: Mezhregional’nyj sovet po nauke i tekhnologiyam, 2005, 78—87.(In Russ.)Лянной Е.Г., Курков С.В., Гутовский И.Е. Использование математических моделей для оценки и обеспечения безопасных зон раскрытия трансформируемой фермы // Труды XXV Российской школы и XXXV Уральского семинара по проблемам науки и технологий. М.: Межрегиональный совет по науке и технологиям, 2005. С. 78-87.Dement’ev G.P., Zaharov A.G., Kazarov Yu.K., et al. Fiziko-tekhnicheskie osnovy primeneniya i sozdaniya kosmicheskih apparatov [Physicotechnical foundations of the application and creation of space vehicles]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1987, 264. (In Russ.)Дементьев Г.П., Захаров А.Г., Казаров Ю.К. и др. Физико-технические основы применения и создания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1987. 264 с.Andreeva E.A., Blinov A.F., Gimmel’man V.G., Fedorov Ya.Yu., Shesnyak S.S. Transformirue maya shtanga krupnogabaritnogo reflektora [Transformable rod of large reflector]. Materialy XIX Reshetnevskih chtenij [Conference proceedigs], 2015, Vol. 1, No. 19, 65—67. (In Russ.)Андреева Е.А., Блинов А.Ф., Гиммельман В.Г., Федоров Я.Ю., Щесняк С.С. Трансформируемая штанга крупногабаритного рефлектора // Материалы XIX Решетневских чтений. 2015. Т. 1. № 19. С. 65-67.Bushuev A.Yu., Farafonov B.A. Matematicheskoe modelirovanie processa raskrytiya solnechnoj batarei bol’shoj ploshchadi [Mathematical modeling of the process of opening a large solar battery]. Matematicheskoe Modelirovanie i Chislennye Metody [Mathematical modeling and numerical methods], 2014, No. 2, 101—114. (In Russ.)Бушуев А.Ю., Фарафонов Б.А. Математическое моделирование процесса раскрытия солнечной батареи большой площади // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 2. С. 101-114.