Проектирование служебных систем сверхмалых космических аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

бгту «военмех» им. д.ф. устинова

Курсовой проект

Проектирование служебных систем СМКА

Выполнил: Шеин Ф.И.

Группа М191

Проверил : Никольский В.В

2013 год

Оглавление

Введение

1.Расчёт конструктивно-силовой схемы КА

1.1. Определение нагрузок действующих на КА

1.2 Расчёт корпуса на основе теории тонких оболочек

1.3 Расчёт корпуса методом конечных элементов

1.3.1 Теория метода конечных элементов

1.3.2 Результаты расчёта

1.4 Расчёт панелей СБ

2 Расчёт параметров СЭС

3 Расчёт СОТР на основе тепловых труб

Заключение

Список литературы

1. Расчёт конструктивно-силовой схемы КА

1.1. Определение нагрузок действующих на корпус КА

Нагрузки на КА определяются исходя из перегрузок на наиболее нагруженных этапах эксплуатации: при транспортировке, установке РН на стартовую позицию (2 случая нагружения: начало и конец подъема), выведении на орбиту (2 случая: случай максимальной продольной и максимальной поперечной перегрузки).

Значения перегрузок и угловых ускорений для всех этапов получены из статистических данных.

Угловое ускорение при установке РН на стартовую позицию

Максимальная длинна стержней, из которых состоит каркас КА

Масса КА

Плечо силы

Коэффициент безопопасности

Случаи нагружения

1- транспортировка КА

2- установка РН: начало подъёма

3- установка РН: конец подъёма

4 - Случай максимальной поперечной перегрузки

5 - Случай максимальной продольной перегрузки

Продольные перегрузки

Поперечные перегрузки

Эквивалентная расчётная нагрузка на каркас КА

Для аналитического описания напряженно-деформированного состояния каркаса КА требуется принять однонаправленную нагрузку, но поскольку в реальности это не так, вводится эквивалентная расчётная нагрузка на каркас, при расчёте которой учитывается не только продольная сила, но и изгибающий момент.

Результат расчёта



сверхмалый космический апарат проектирование

Определение максимального случая нагружения

Максимальный случай нагружения - случай №4: случай максимальной поперечной перегрузки.

1.2 Расчёт корпуса на основе теории тонких оболочек

Расчёт на прочность

Стержень 20*2

длинна стержня

Материал - алюминиевый сплав 2219-Т 81

Модуль упругости

предел текучести , П а

момент инерции сечения стержня

площадь поперечного сечения стержня

Расчётное напряжение в стержне

Коэффициент запаса прочности

Расчёт на местную устойчивость

гибкость стержня

коэффициент характеризующий заделку стержня -

стержень жёстко заделан с обоих концов

Критическое напряжение при потере общей устойчивости по формуле Эйлера:

Коэффициент запаса общей устойчивости

Расчёт на местную устойчивость

a - длина 900мм

b - ширина 20мм

д - толщина 2 мм

ц = у 1/у 2 - разность между горизонтальным и вертикальным напряжениями

Критическое напряжение при потере местной устойчивости



Коэффициент запаса местной устойчивости

Масса конструкции

1.3 Расчёт корпуса методом конечных элементов

1.3.1 Теория метода конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ) - основной метод современной вычислительной механики, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения расчетов инженерных конструкций на ЭВМ. МКЭ используется для решения разнообразных задач как в области прочностных расчетов, так и во многих других сферах: гидродинамике, электромагнетизме, теплопроводности и др.

Метод конечных элементов позволяет практически полностью автоматизировать расчет механических систем, хотя, как правило, требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами механики деформируемого твердого тела. Современный уровень развития вычислительной техники открывает широкие возможности для внедрения МКЭ в инженерную практику. Поэтому знание основ метода конечных элементов и современных программных средств, позволяющих на его основе решать разнообразные задачи, в наше время для инженера является абсолютно необходимым.

В МКЭ исследуемая конструкция мысленно разбивается на отдельные части - конечные элементы, соединяющиеся между собой в узлах. Совокупность соединенных между собой и прикрепленных к основанию конечных элементов образует расчетную схему, называемую конечноэлементной схемой или конечноэлементной моделью. Каждый отдельно конечный элемент должен быть достаточно простым, чтобы имелась возможность легко определить перемещения и напряжения в любой его части по заданным перемещениям узлов.

Основные этапы решения задач с применением МКЭ могут быть представлены в виде схемы (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Первая стадия - геометрическое моделирование включает создание геометрии модели конструкции, пригодной для МКЭ, с учетом всех параметров, которые могут оказать существенное влияние на результаты расчетов. На этой стадии помимо ввода геометрических параметров конструкции задаются физические свойства материалов, из которых она изготовлена.

На этапе создания сетки конечных элементов выясняется целесообразность использования различных видов конечных элементов(оболочечных, балочных, пластин, объемных и т. д.) в рассматриваемой модели. На этой стадии выполняются мероприятия по созданию максимально возможного количества областей с регулярной сеткой конечных элементов. В местах, где предполагаются большие градиенты напряжений, необходима более мелкая сетка.

На стадии моделирования граничных условий учитывают как действие активных сил, так и наложенных на систему связей. Приложение силовых факторов должно учитывать особенности реальной работы конструкции при рассматриваемых режимах эксплуатации. Количество связей должно быть достаточным, чтобы обеспечить построение кинематически неизменяемой модели.

Численное решение системы уравнений равновесия выполняется, как правило, автоматически с использованием ЭВМ.

На пятом этапе проводят анализ полученных результатов путем получения полей законов распределения напряжений и деформаций, а также построения необходимых графических зависимостей либо табличных форм вывода результатов.

1.3.2 Результаты расчёта

На рисунке 1.2 видно напряженно - деформированное состояние одного стержня . напряжение в стержне равномерно , 130 МПа ,что соответствует теоретическим расчётам. Максимальная деформация (рисунок 1.3)равна 0.386 % что не превышает предельно-допустимую.

На рисунках 1.4-1.6 показаны напряжение, деформация и перемещения всего корпуса они так же не превышают предельно-допустимые.

1.4 Расчёт панелей СБ

Исходные данные

Материал изготовления - алюминиевый сплав 2219-T81 :

Предел текучести

Модуль упругости

Плотность

к г /м³

к г /м² - удельная маса панели

1/c - угловая скорость раскрытия панели

Коэффициент безопасности

Длина панели

м

м - ширина панели

м

м² - площадь панели

Маса панели

к г

Погонная масса

к г /м

Массовый момент инерции

к г *м³

Функция, выражающая форму колебаний

Момент инерции сечения трубки

Момент сопротивления сечения трубки

- собственная частота колебаний

- максимальный прогиб

- максимальный момент

- расчетный момент

- расчетные напряжения

Первое приближение

м

м - толщина стенки трубки

м - радиус трубки

Гц - собственная частота

Н *м

Н *м

м - максимальный прогиб

масса трубок:

кг

2. Расчёт параметров СЭС

Расчет производится для двух случаев : нахождение на теневой и освещенной стороне орбиты . Потом выбирается наибольшая площадь панелей БС.

Случай освещенной стороны орбиты

км высота круговой орбиты

cуток - время работы

вт

вт

вт

сек период обращения

сек-время пребывания на теневом участке орбиты

сек - время пребывания на освещенном участке орбиты

сек - длительность сеанса связи

Мощность СБ определяется из равенства энергий заряда и разряда

КПДАБ по энергии

энергия, получаемая АБ при заряде

энергия,отдаваемая АБ при разряде

Из равенства этих энергий получаем:

Мощность БС

Вт

сек^-1 коэффициент интенсивности деградации БС

запас мощности, учитывающий потери от воздействия космической среды

коэффициент Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

запаса, учитывающий термоциклирование

коэффициент запаса, учитывающий неточность ориентации панелей

суммарный коэффициент запаса по мощности

Вт - проектная мощность СБ вначале САС

Расчёт массогабаритных характеристик

Вт/м2 - солнечная постоянная

Применяем ФП на основе арсенидагалия

КПД фотопреобразователей

1/⁰С

коэффициент заполнения для прямоугольных панелей БС

коэффициент эффективности

С - равновесная температура

м²

кг/м2 удельная массапанели

кг/м2 удельная маса ФП

кг/м2 удельная маса защитного покрытия

кг - Маса СБ

сек - допустимая продолжительность полного заряда

- для среднего режима работы

сек - допустимая продолжительность полного разряда

Вт - мощность заряда

Вт - мощность разряда

Дж - ограничение, определяющее предельную скорость заряда и максимальный ток

Дж-ограничение, определяющее предельную скорость разряда и максимальный ток

Допустимая глубина разряда:

Число циклов "заряд-разряд":

Дж - ограничение на предельно допустимую глубину разряда

Вт*ч

В - среднее напряжение на элемент:

В- напряжение бортовой сети

Используемый тип аккумулятора

VES180- литий-ионный АБ

Масса - 1 .138 кг в блоке 2АБ параллельно

А *ч

кг - масса АБ

Случай теневой стороны орбиты

км высота

cуток - срок активного существования

вт

вт

вт

сек период обращения

сек время пребывания на теневом участке орбиты

сек время пребывания на освещенном участке орбиты

сек длительность сеанса связи

КПД АБ по энергии

энергия, получаемая АБ при заряде

энергия, отдаваемая АБ при разряде

Вт мощность БС

сек - 1 коэффициент интенсивности деградации БС

запас мощности, учитывающий потери от воздействия космической среды

коэффициент запаса, учитывающий термоциклирование

коэффициент запаса, учитывающий неточность ориентации панелей

суммарный коэффициент запаса по мощности

Вт - проектная мощность СБ в начале САС

Расчёт массогабаритных характеристик

Вт/м2 - солнечная постоянная

Применяются ФП на основе Арсенидагалия

1/⁰C

коэффициент заполнения для прямоугольных панелей БС

коэффициент эффективности

⁰С - равновесная температура

кг/м2 удельная маса сетчатой панели

коэффициент заполнения

кг/м2 удельная масса ФП

кг/м2 удельная маса защитного покрытия

кг

Используем CЦ

сек - допустимая продолжительность полного заряда

- дляс реднего режимаработы

сек - допустимая продолжительность полного разряда

Вт - мощность заряда

Вт - мощность разряда

Дж - Ограничение, определяющее предельную скорость заряда и максимальный ток

Дж - ограничение, определяющее предельную скорость разряда и максимальный ток

допустимая глубина разряда

Число циклов "заряд-разряд"

Дж ограничение на предельно допустимую глубину разряда

Вт*ч

Среднее напряжение на элемент:

В

Напряжение бортовой сети

В

А*ч-ЁмкостьАБ

Используемый тип аккумулятора

VES180 - литийионный АБ

Маса - 1.138 кг

В блоке 2АБ паралельно

кг

Результаты расчёта:

Маса АБ:6.828 кг

Площадь СБ:1.022 м²

Маса СБ:9.767 кг

3. Расчёт СОТР на основе тепловых труб

Используемая модель

Рис. 2. Устройство и параметры тепловой трубы:

1-жидкость; 2- пар; 3-источник тепла; 4-холодильник-конденсатор;

Тепловая труба (Рис.2) - это герметичное испарительно-конденсационное теплопередающее устройство, в котором перенос теплоты осуществляется за счет парообразования и испарения жидкости, а перенос теплоносителя осуществляется за счёт сил поверхностного натяжения.[1]

При расчете основных характеристик ТТ рассматривается совокупность одновременно протекающих процессов двух типов:

· термодинамический процесс переноса тепла;

· газодинамический процесс переноса жидкости.

Термодинамический процесс

Описание процесса сводится к составлению уравнения теплового баланса перепадов температур на отдельных участках ТТ, сумма которых не должна превысить располагаемый температурный перепад между зоной испарения и конденсации.

где - температурный напор; - перепад температур в стенке конденсатора; - перепад температур в фитиле конденсатора; - перепад температур в стенке испарителя; - перепад температур в фитиле испарителя.

Газодинамический процесс

Для устойчивой работы ТТ требуется выполнение уравнения гидравлического баланса

где - капиллярный напор; - потери давления в жидкой фазе; - потери давления в паровой фазе; - потери давления, вызванные действием массовых сил (в расчёте =0 т.к. ТТ работает в невесомости); - потери давления на фазовые переходы.

Потери давления на фазовые переходы малы, по сравнению с другими слагаемыми, пренебрегаем ими.

Капиллярный напор определяется по формуле

где - коэффициент поверхностного натяжения; - радиус капилляра.

Потери давления в жидком канале определяется действием сил вязкого трения. Для ламинарного режима течения жидкости через пористую структуру справедлива формула Дарси



где - динамическая вязкость жидкости; - плотность жидкости; - удельная теплота парообразования; - перносимая теплота; - проницаемость фитиля; - площадь поперечного сечения фитиля; - эффективная длина ТТ.

Для определения потерь в паровом канале используется зависимость Пуазеля

где - динамическая вязкость пара; - плотность пара; - радиус парового канала.

Гидравлическое ограничение на перенос тепла

Предельный тепловой поток по скорости звука

где - площадь парового канала; - газовая постоянная; - радиус парового канала; - средняя рабочая температура; - показатель адиабаты.

Эжекционная граница



где - характерный размер фитиля.

Расчет ведется в первом приближении, поэтому пренебрегаем «малыми» параметрами процесса:

· Тепло от стенки к жидкости и от пара к стенке передается мгновенно;

· Тепло от аппаратуры к стенке передается мгновенно;

· Силами инерции пренебрегаем;

· Линейный характер изменения градиентов давления и температуры в жидкости и пару между зонами испарения и конденсации;

· ТТ изолирована от внешнего излучения.

Расчёт ТТ

Рисунок 3 - Общий вид СОТР

Теплоноситель Ацетон

CH3COCH3

, - Теплота парообразования ацетона, при температуре 60^оС

, - Плотность пара при температуре 60^оС

,-Удельная теплоемкость, при постоянном давлении при температуре 60^оС

, - Плотность жидкости при температуре 60^оС

K Температура кипения ацетона

K Температура зоны конденсации

Вт, - подводимая теплота

, - массовый расход теплоносителя

м, - длина зоны конденсации

м ,- длина зоны испарения

м, - длина зоны транспортировки

м, - эффективная длина трубы

универсальная газовая постоянная

удельная газовая постоянная

, - Удельная теплоемкость, при постоянном объеме при температуре 60^оС

Диаметр парового канала:

мм - диаметр парового канала

мм выбранный диаметр парового канала

Предельный тепловой поток по скорости звука

м, радиус внешней стороны фитиля

К

Степень черноты излучающей поверхностиТТ

постоянная Стефана-Больцмана

Диапазон изменения температур:

К

К

Необходимая площадь радиационной поверхности:

м²

Результаты расчета

Получены следующие параметры ТТ:

Q_max=100 Вт - максимальной теплопередающей способностью;

Т = 333 К - средняя рабочая температура;

0.4 м - длина зоны конденсации;

0.2 м - длина зоны испарения;

0.4 м- длина зоны трансортировки;

0.18 м² площадь радиационной поверхности

ТН - ацетон C₂H₅OH

Заключение

В данном проекте проведен расчёт основных служебных систем СМКА. В ходе работы определены баллистические параметры КА, условия освещенности и обзора, определены параметры СЭС, СОТР и конструктивно-силовой схемы. При выполнении работы применены системы автоматизированного проектирования: MathCad , SolidWorks 2012, SolidWorks Simulation 2012.

Список литературы

1. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. «Машиностроение» 1994 г.

2. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики : учеб.-метод. пособие для студентов технических специальностей / А.О. Шимановский, А.В. Путято ; М-во образования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. - Гомель : БелГУТ, 2008. - 61 с.

3. «Конструирование КА». Евстафьев В.А. лекции, БГТУ «ВОЕНМЕХ».

4. «Конструирование теплоэнергетических установок». Матвеев Н.К. лекции, БГТУ «ВОЕНМЕХ».

Размещено на Allbest.ru

...