Разработка схемы подкрепления отражающей обшивки рефлектора методами параметрической и топологической оптимизации
- Авторы: Филина Е.К.1,2, Голубев Е.С.1,2, Михайловский К.В.1, Архипов М.Ю.2
-
Учреждения:
- Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
- Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
- Выпуск: Том 20, № 4 (2019)
- Страницы: 276-284
- Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journal-vniispk.ru/2312-8143/article/view/335221
- DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2019-20-4-276-284
- ID: 335221
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проектирование оптимальной схемы подкрепления обшивки размеростабильного рефлектора для достижения конструктивно-массового совершенства представляет интерес вследствие необходимости снижения поверхностной плотности и увеличения жесткости современных зеркальных космических антенн космических аппаратов. На сегодняшний день системы численного инженерного анализа позволяют разрабатывать такие конструкции как традиционными способами, например параметрической оптимизацией, так и способами, новыми в области создания рефлекторов, - топологической оптимизацией. В работе для проектирования схемы подкрепления размеростабильного рефлектора зеркальной космической антенны, функционирующего в составе космического аппарата на геостационарной орбите, используется параметрическая и топологическая оптимизация. Представлены алгоритмы создания схемы подкрепления, включающие в себя этапы постановки задачи оптимизации, разработки геометрии и проведения серии поверочных расчетов. Рассмотрен ряд вариантов конструкции рефлектора зеркальной космической антенны при действии нагрузок на этапе выведения, температурных перепадов в условиях близких к эксплуатационным, а также выполнен модальный анализ. Произведено сравнение разработанных схем подкрепления разными методами. Выполненные исследования позволили разработать оптимальную схему подкрепления обшивки зеркальной космической антенны с помощью методов параметрической и топологической оптимизации. Установлено, что разработанная с помощью оптимизации схема подкрепления отражающей обшивки рефлектора зеркальной космической антенны позволяет обеспечить в условиях эксплуатации необходимое среднеквадратичное отклонение поверхности относительно теоретического параболоида.
Об авторах
Елена Константиновна Филина
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана; Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: konst_mi@mail.ru
аспирант кафедры СМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ имени Н.Э. Баумана, инженер Астрокосмического центра ФИАН
Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1; Российская Федерация, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32Евгений Сергеевич Голубев
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана; Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Email: konst_mi@mail.ru
аспирант кафедры СМ12 «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ имени Н.Э. Баумана, ведущий инженер Астрокосмического центра ФИАН
Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1; Российская Федерация, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32Константин Валерьевич Михайловский
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
Email: konst_mi@mail.ru
доцент кафедры СМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ имени Н.Э. Баумана, кандидат технических наук
Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1Михаил Юрьевич Архипов
Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Email: konst_mi@mail.ru
старший научный сотрудник Астрокосмического центра ФИАН, кандидат технических наук
Российская Федерация, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32Список литературы
- Reznik S. Thermal regimes of space composite structures. Part I. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2018;194:01048. Available from: https://doi.org/ 10.1051/matecconf/201819401048
- Pilipenko S, Smirnov A, Kardashev N. Current status of the space mission Millimetron. Frontier Research in Astrophysics. SISSA Medialab. 2016;237:037. Available from: https://doi.org/10.22323/1.237.0037.
- Clampin M. Status of the James WEBB space telescope (JWST). Space Telescopes and Instrumentation 2008: Optical, Infrared, and Millimeter. International Society for Optics and Photonics. 2008;7010:70100L. Available from: https://doi.org/10.1117/12.790388.
- Babkina LA., Sorokin DV. Parametric Analysis of the Spacecraft Parabolic Antenna with a Multivariate Reinforcement Scheme. Engineering Journal: Science and Innovation. 2017;64(4):1–9. doi: 10.18698/2308-6033-2017-4-1611. (In Russ.)
- Yoder PJr, Vukobratovich D. Opto-Mechanical Systems Design. Design and Analysis of Opto-Mechanical Assemblies. 4th ed. Boca Raton: CRC Press; 2015. vol. 2. p. 97–101.
- Reznik SV, Prosuntsov PV, Novikov AD. Comparison of space antennas mirror reflectors parameters made of composite materials. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2017;110:01072. Available from: https:// doi.org/10.1051/matecconf/201711001072
- Qu Y, Wang W, Liu B, Li X. Topology Optimization Design of Space Rectangular Mirror. Proceedings of SPIE 10154, Advanced Optical Design and Manufacturing Technology and Astronomical Telescopes and Instrumentation, 1015421, 2016, Oct. 19, Beijing, China. doi: 10.1117/12.2247396.
- Liu J, Jiang B. Topology Optimization Design of a Space Mirror. Proceedings SPIE 9795, Selected Papers of the Photoelectronic Technology Committee Conferences, 97952Y, 2015, June – July, Hefei, Suzhou and Harbin, China. doi: 10.1117/12.2209031.
- Budinoff JG, Michels GJ. Design and Optimization of the Spherical Primary Optical Telescope (SPOT) Primary Mirror Segment. Proceedings SPIE 5877, Optomechanics 2005, 587711, 2005 Sept. 9, San Diego, US. doi: 10.1117/12.626566.
- Park K-S, Lee JH, Youn S-K. Lightweight mirror design method using topology optimization. Optical engineering. 2005;44(5):053002. doi: 10.1117/1.1901685.
- Liu G, Guo L, Wang X, Wu Q. Topology and parametric optimization based lightweight design of a space reflective mirror. Optical engineering. 2018;57(7):075101. doi: 10.1117/1.OE.57.7.075101.
- Liu S, Hu R, Li Q, Zhou P, Dong Z, Kang R. Topology optimization-based lightweight primary mirror design of a large-aperture space telescope. Applied optics. 2014;53(35):8318–8325. Available from: https://doi.org/ 10.1364/AO.53.008318.
- Leea Dong-Chan, Lee Jeong-Ick. Structural optimization design for large mirror. Optics and Lasers in Engineering. 2004;42:109–117. doi: 10.1016/S0143-8166(03) 00079-4.
- Eschenauer HA, Olhoff N. Topology optimization of continuum structures: a review. Applied Mechanics Reviews. 2001;54(4):331–390. doi: 10.1115/1.1388075.
- Denisova LV, Kalinin DYu, Reznik SV. Theoretical and Experimental Studies of Heat-Transfer Modes of Space Antenna Mesh Reflectors. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2011;1:92–105. (In Russ.)
- Reznik SV, Denisov OV, Chudnov IV. Main Approaches to Formation of a Thermal Vacuum Test Program of Precision Mirror Reflectors of Space Antennas. Science and Education: Scientific Edition of Bauman MSTU. 2013;8:167–184. doi: 10.7463/0813.0612062.
- Arkhipov MYu. Development of models for studies of the deformation state a large space telescope reflectors petal type (PhD in Engineering Sciences dissertation). Moscow; 2002.
- ANSYS User's Manual. ANSYS Inc.; 2016.
Дополнительные файлы
