Каркас солнечной батареи из труб треугольного сечения

За многолетнюю историю модернизации каркасы солнечных батарей прошли путь от небольших каркасов из алюминиевых профилей с клепаными соединениями до внушительных конструкций с применением композиционных материалов [1–5].

Применение композиционных материалов позволило резко снизить удельную массу каркаса. Совместно с переходом на новый тип фотоэлектрических преобразователей из арсенид-галлия, на смену сетеполотну, которое служит для закрепления фотопреобразователей, пришли струны, а фитинги стали обрабатываться на 5-ти координатных станках с ЧПУ. Все эти изменения также

привели к значительному уменьшению массы конструкции. Конструкция современного каркаса представлена на рис. 1.

На сегодняшний день дальнейшее уменьшение массы за счет применения новых материалов или обработки не представляется возможным, поэтому на передний план выступает оптимизация самой конструкции из условий ее работы и воспринимаемых нагрузок.

1. Анализ конструкции каркаса солнечной батареи

Наибольшей проблемой современных каркасов солнечных батарей выступает его жесткость. Жесткость каркаса обеспечивает стабильность ориентации фотоэлементов на источник светового излучения. Прочностные же свойства каркасов стоят не так остро, т. к. нынешние кон-

струкции имеют запас прочности, в несколько раз превышающий рабочие нагрузки.

Принимая во внимание механику раскрытия и конструкцию солнечных батарей, очевидно, что каркасы подвержены изгибу, по большей части, в одном из направлений [6–8]. Круглое сечение является равнопрочным во всех направлениях изгиба. Основываясь на условиях работы можно сделать вывод, что круглое сечение трубы не оптимально.

Также в конструкции используются элементы 1, установленные по периметру каркаса, в соответствии с рис. 2. Элементы поднимают струнную поверхность над плоскостью труб и фитингов, увеличивая полезную площадь каркаса.

Масса труб каркаса составляет более 50 % от массы каркаса. Треугольное сечение с концентрацией материала в углах наилучшим образом подходит для применения в конструкции каркаса за счет большего, по сравнению с круглым сечением, моментом инерции в одном из направлений изгиба. При этом, за счет наличия вершин сечения профиля, стало возможным исключение элементов 1 (рис. 2) из конструкции без потери полезной площади каркаса [9].

Для проверки заложенной концепции были изготовлены две партии труб разных конструкций. Первая и вторая конструкция включала в себя сосредоточение материала по вершинам сечения, однако у первой конструкции боковая стенка выполнена сплошной, а у второй – в виде поддерживающих элементов, то есть труба имела изогрид-ную конструкцию (рис. 3, 4). Характеристики, полученные при испытаниях, приведены в табл. 1.

Рис. 1. Конструкция каркаса солнечной батареи: 1 – углепластиковая труба круглого сечения;

2 – фитинг; 3 – струна

Круглые трубы изготавливались полностью автоматизированной намоткой. Треугольные же трубы включали формование отдельных составных частей вершин сечения с дальнейшей их выкладкой и намоткой самой трубы [10].

Рис. 2. Сравнение элементов каркасов с трубами круглого и треугольного сечения:

1 – бобышка; 2 – струна

а

б

Рис. 3. Общий вид образцов труб: а – труба со сплошными стенками, б – труба с поддерживающими элементами;

1 – продольные стержни, 2 – боковая стенка, 3 – поддерживающие элементы

Рис. 4. Изготовление трубы с треугольным сечением

Том 5

Испытания подтвердили концепцию, заложенную в конструкцию трубы, и расчеты. Материал, сконцентрированный в вершины сечения, воспринимает изгибные нагрузки, а боковые стенки воспринимают крутильные нагрузки.

По результатам испытаний принято решение использовать трубы с решетчатыми боковыми

стенками, т. к. помимо преимущества по массе, они обеспечивают простое крепление кабелей солнечной батареи и гибкую оптимизацию под различные нагрузки. Прочность таких труб в 2 раза ниже по сравнению классическими круглыми, однако, достаточная для применения в конструкции каркаса.

Таблица 1

Характеристики образцов труб

Конструкция трубы	Круглое сечение трубы	Треугольное сечение со сплошной стенкой	Треугольное сечение с решетчатой стенкой
Сечение	Ф31 ЛК	уХ Д1пД	А—f
	\\ Л u/i	.        1 30 _ Ох	Д' 50 X ' Ох         '
m уд.факт , г/м	0,188	0,140	0,133
М изг разр , кгс∙м	52	25	25
Е изг, кгс/мм2	21000	21000	21000

• 2.    Оптимизация труб треугольного сечения

В связи с большим количеством переменных данных определилась необходимость подбора конструкции трубы треугольного сечения, опираясь на ограничения технологии изготовления. За исходные данные принимались (рис. 5):

• •    высота профиля H ;

• •    радиус внешних скруглений профиля r ;

• •    изгибающие моменты M_x и M_y ;

• •    крутящий момент M _кр;

• •    сжимающая сила, воздействующая вдоль оси трубы, P ;

• •    требуемая жесткость профиля при изгибе EJ x и EJ y ;

• •    ширина жгута препрега b ;

• •    толщина жгута препрега k ;

• •    модуль упругости материала E ;

• •    прочность материала σ_в;

• •    плотность материала ρ.

В общем случае методика может включать 13 этапов.

Расчеты позволили оптимизировать конструкцию изогридной трубы треугольного сечения без больших временных затрат. Методика позволяет использовать общедоступные программы для расчетов, например Microsoft Excel [11].

На основе результатов оптимизации создана модель для проверки прочности и жесткости профиля в САПР (рис. 6). По результатам расчета профиля в САПР было принято решение о необходимости дополнительных корректировок.

Рис. 5. Параметры трубы треугольного сечения

Рис. 6. Оптимизированная послойная модель трубы с треугольным сечением

а

В результате аналитического метода подобраны трубы треугольного сечения, обладающие массовым преимуществом до 32 % по сравнению с используемыми на данный момент углепластиковыми трубами круглого сечения, обладающими аналогичными жесткостными характеристиками.

• 3.    Анализ оптимизированной конструкции и испытания

  

  б

  Рис. 8. Испытания каркаса: а – нагруженное состояние каркаса; б – проверка несущей способности (нагружение до разрушения)

  
  

После анализа конструкции каркаса с использованием полученных оптимизированных профилей (рис. 7) принято решение об изготовлении конструкции.

Рис. 7. Расчет каркаса с оптимизированными треугольными трубами

Собранный каркас подвергался статическим испытаниям на изгиб. Статические испытания имитируют максимальную нагрузку на участке выведения космического аппарата и на этапе раскрытия крыла солнечной батареи, а также подтверждают качество сборки каркаса (рис. 8).

Заключение

В результате испытаний было выявлено:

• •    каркас удовлетворяет прочностным характеристикам, коэффициент запаса прочности составляет 1,2, что соответствует расчетным параметрам;

• •    жесткость каркаса не изменилась в сравнении с аналогичным каркасом с профилями круглого сечения;

• •    масса каркаса снизилась на 10 % в сравнении с аналогичным каркасом с профилями круглого сечения.

Также выявились недостатки конструкции:

• •    сложность изготовления серийных изо-гридных профилей треугольной конструкции;

• •    высокое влияние на массу каркаса качества изготовления профилей;

• •    усложнение обработки фитингов, т. к. патрубки фитингов не являются телами вращения;

• •    сложность приклеивания изогридной трубы к фитингу и обеспечение прочности клеевого соединения, т. к. значительно снизилась прочность склеивания.

В процессе работ не удалось достигнуть расчетных значений снижения массы каркаса, что связано со снижением технологичности конструкции и повышением расхода клея при сборке каркаса. Так как при массовом производстве технологичность является одной из ключевых характеристик, при дальнейших работах рассматриваются возможности ее повышения.

Том 5

Таким образом, на сегодняшний день каркасы солнечных батарей из труб треугольного сечения в полной мере не могут заменить каркасы с трубами

круглого сечения на серийных космических аппаратах, в связи с чем прорабатываются варианты улучшения конструкции и внедрения новых технологий.