Механика трансформируемых крупногабаритных космических конструкций. Часть 1. Солнечные батареи космических аппаратов

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.Н. Зимин, С.В. Борзых

МЕХАНИКА ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В двух частях

Часть 1
Солнечные батареи
космических аппаратов

Рекомендовано научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Динамика раскрывающихся крупногабаритных
космических конструкций»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.396:531.3
ББК 39.62
З-62

З-62

Рецензенты: В.И. Усюкин, Ю.А. Цуриков

Зимин В.Н.
Механика трансформируемых крупногабаритных космических конструкций : учеб. пособие : в 2 ч. — Ч. 1 : Солнечные
батареи космических аппаратов / В.Н. Зимин, С.В. Борзых. —
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 67, [5] с. : ил.

Подробно рассмотрены особенности моделирования раскрытия
крупногабаритных солнечных батарей (СБ) космических аппаратов и
экспериментальной отработки их раскрытия. Приведены однофазные
и многофазные схемы раскрытия СБ и модель установки элементов
конструкции СБ на упоры и фиксаторы. Дан пример расчета трех
кинематических схем раскрытия СБ.
Для студентов старших курсов технических университетов, изучающих динамику космических летательных аппаратов.

УДК 621.396:531.3
ББК 39.62

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы развития радиоастрономии, солнечной энергетики, космической связи, исследования поверхности Земли и других
планет непосредственно связаны с возможностью вывода в космос
крупногабаритных конструкций. В настоящее время в России и за
рубежом ведутся исследования, направленные на создание в космосе конструкций различного класса, имеющих большие габариты: космические телескопы и антенны, энергетические и научные
платформы, крупногабаритные солнечные батареи (СБ) и т. п.
Одним из важных и бурно развивающихся направлений в области создания крупногабаритных космических конструкций является разработка раскрывающихся панелей СБ, а также антенн, устанавливаемых на космических аппаратах (КА) различного назначения.
По мере увеличения размеров и сложности КА серьезным конструктивным ограничением становится требование к размещению
КА под обтекателем ракет-носителей. Это обусловило создание
КА, имеющих различные конфигурации при транспортировке и в
рабочем состоянии на орбите.
В состав КА входят трансформируемые конструкции различных антенн, откидных штанг с установленными на них приборами
и датчиками, панелей СБ и другие, которые в космосе раскрываются и принимают форму, необходимую для функционирования на
орбите. Таким образом, современные КА представляют собой совокупность тел, связанных между собой определенным образом.
Как правило, КА имеет основной массивный блок, к которому
крепятся трансформируемые конструкции (рис. В1). Поэтому, для

3

Рис. B1. Спутник TDRS:
1 — солнечная батарея; 2 — датчик ориентации на Солнце; 3 — всенаправленная
антенна S-диапазона; 4 — антенна C-диапазона (диаметр 1,46 м); 5 — многоканальная антенна (излучатель фазированной антенной решетки); 6 — управляемая
антенна (K—S-диапазон единичного доступа, K-диапазон для линии связи космос — космос) (диаметр 4,88 м); 7 — направление вектора орбитальной скорости;
8 — направление на Землю; 9 — 30-элементная фазированная антенная решетка
S-диапазона
(многоканальная
линия
связи);
10
—
управляемая
антенна
K-диапазона (линия связи космос — Земля) (диаметр 1,98 м); 11 — антенна
K-диапазона (диаметр 1,13 м)

того чтобы современный КА поместился под обтекатель ракетыносителя, все трансформируемые конструкции должны быть определенным образом уложены в компактное транспортное положение. После вывода КА на определенную орбиту все трансформируемые конструкции раскрываются по заданной программе. В общем
случае число этапов приведения трансформируемых конструкций
в рабочее положение может быть довольно большим (рис. В2).
В процессе движения элементов трансформируемых конструкций

4

Рис. B2. Порядок раскрытия элементов спутника TDRS:
1 — начальная конфигурация элементов перед развертыванием; 2 — расчековка
и развертывание панелей солнечных батарей; 3 — фиксация штанг солнечных
батарей; 4 — развертывание антенны линии связи космос — Земля; 5 — развертывание антенны C-диапазона; 6 — отделение межорбитального буксира IDS;
7 — развертывание штанг антенн единичного доступа и вращение антенн; 8 —
окончательная конфигурация после развертывания всех элементов

происходит фиксация их в определенном положении, при этом движение осуществляется как с помощью электроприводов, так и за
счет энергии деформации различного рода пружин.
Таким образом, проблема создания навесных систем специального функционального назначения с габаритами, превышающими габариты КА, сводится к разработке складных конструкций,
удовлетворяющих таким противоречивым требованиям, как минимальные масса и объем в сложенном транспортном состоянии, высокая надежность раскрытия из транспортного состояния в рабочее
положение и функционирования на орбите, максимальная площадь
рабочей поверхности в раскрытом состоянии, стабильные эксплуатационные характеристики в условиях действия нагрузок. Работоспособность таких конструкций определяется главным образом
тем, насколько велики возникающие в них силы при раскрытии,
поэтому обеспечение их надежного раскрытия связано с решением сложных задач механики.
Несмотря на достигнутые значительные успехи в области проектирования таких конструкций, важной остается задача обеспечения плавного и надежного раскрытия крупногабаритных конструк
5

Рис. B3. Солнечные батареи спутников:
а — Thuraya; б — Astra; в — Экспресс АМ; г — ГЛОНАСС-М

ций при гарантированном обеспечении их последующего функционирования.
Современные тенденции в развитии космической техники диктуют необходимость создания КА высокой энерговооруженности
и повышенного срока эксплуатации — 15 лет и более. Рост энерговооруженности КА влечет за собой увеличение полезной площади крыла СБ (рис. В3). При этом их необходимо разместить
в зоне полезного груза существующих средств выведения КА на
орбиту. В этих условиях очевиден только один выход — строить
крыло СБ, увеличивая число панелей, которые на этапе выведения
КА на орбиту складываются в рациональный пакет. При наземных
экспериментах не удается в достаточной мере воспроизвести реальные условия процесса раскрытия СБ и тем самым полностью

6

подтвердить надежность и работоспособность системы раскрытия.
Отказ или нештатное функционирование системы раскрытия СБ
практически всегда ведет к возникновению аварийных ситуаций.
Применение методов математического моделирования существенным образом определяет качество, сокращает сроки и стоимость
разработки раскрывающихся многозвенных СБ. Это обеспечивает
возможность детального информационного сопровождения всего
периода разработки, изготовления, экспериментальной отработки
и эксплуатации СБ, включая анализ надежности, прогноз отказов
и аварийных ситуаций.

1. ОБЗОР КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ РАСКРЫТИЯ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

1.1. Структурные элементы системы раскрытия

В исходном транспортном положении СБ компактно сложены и
зачекованы (зафиксированы) на корпусе КА. При раскрытии батареи происходит ее расчековка, перевод батареи в конечное (раскрытое) рабочее положение и фиксация батареи в нем. Следовательно,
система раскрытия должна включать в себя следующие структурные элементы.
1. Cредства фиксации в транспортном положении, позволяющие при подаче соответствующей команды снять наложенные механические ограничения, допуская тем самым относительное движение элементов СБ (панелей, штанг). В качестве средств фиксации часто используют пирозамки.
Перспективным, но более сложным в конструктивном исполнении является техническое решение, при котором расчековка панелей батарей осуществляется не путем срабатывания пиротехнических устройств, а относительным движением КА при его отделении от последней ступени ракеты-носителя или разгонного блока.
Это позволяет практически исключить виброударные нагрузки на
приборы КА при раскрытии СБ.
2. Cредства инициации разворота элементов батареи. Как правило, относительный разворот пары панелей СБ осуществляется
пружинами кручения, установленными на оси вращения. Кроме
того, для преодоления сил трения на начальном участке используются короткоходовые пружинные толкатели.
3. Cредства фиксации батареи в рабочем положении, которые
также выполняются в виде устройств замкового типа.

8

На современных КА применяются следующие дополнительные
средства.
1. Средства тросовой синхронизации относительного углового
движения пар элементов СБ, не позволяющие реализоваться существенному различию углов относительного разворота соседних
пар. Если углы относительного разворота начинают различаться на
некоторое заданное значение (обычно 10◦ . . . 15◦), то средства синхронизации ускоряют разворот «отстающей» пары панелей и одновременно тормозят «спешащую» пару. Устройство представляет собой замкнутый подпружиненный (для компенсации температурных деформаций) трос, который переброшен через два шкива,
принадлежащих панелям, расположенным не рядом, а через одну.
Применение средств тросовой синхронизации позволяет снизить
нагрузки на элементы батареи, а также повысить надежность системы раскрытия, поскольку появляется возможность осуществить
процесс раскрытия даже при отказе одной из пружин кручения,
установленных на осях разворота.
2. Средства торможения (демпферы), предназначенные для гашения относительной угловой скорости пары соседних элементов
батарей перед фиксацией их в рабочем положении с целью снижения ударных нагрузок в момент фиксации.
Математические модели средств разворота, тросовой синхронизации, торможения и фиксации СБ в рабочем положении приведены далее.

1.2. Однофазные и многофазные схемы раскрытия
солнечных батарей

Простейшие кинематические схемы раскрытия — однофазные схемы — предполагают прямой перевод СБ из исходного
транспортного положения в рабочее. При более сложных многофазных схемах существует одно промежуточное фиксированное
положение (или несколько таких положений). Так, в первой фазе раскрытия осуществляется разворот одной или целого пакета
панелей до некоторого фиксированного положения, относительно
которого происходит дальнейшее раскрытие. Некоторые примеры

9

Рис. 1.1. Кинематические схемы раскрытия солнечных батарей:
а — однофазная схема; б, в — многофазные схемы

однофазных и многофазных процессов раскрытия батарей представлены на рис. 1.1, где указано время, соответствующее этапам
процесса раскрытия СБ.