Статьи журнала - Космическая техника и технологии
Все статьи: 488
Моделирование в задачах вибропрочности конструкций ракетно-космической техники
Статья научная
Рассмотрена роль конечно-элементной модели в системном многоэтапном процессе обеспечения вибропрочности конструкции изделий ракетно-космической техники. Изложены принципы построения модели, проблемные вопросы, сложности и особенности процессов ее разработки и использования для решения расчетно-теоретических и экспериментальных задач в процессе создания изделия. Показаны методы уточнения параметров, настройки модели и ее верификации для задач вибропрочности. Приведены примеры динамического моделирования конструкций автоматического космического аппарата и модуля космической станции.
Бесплатно
Статья научная
Описана модель расчета вольтамперной характеристики солнечной батареи в условиях наличия градиента температуры по ее фотоэлектрическим преобразователям и переменной освещенности их вследствие возможного загрязнения под действием факторов космического пространства, в т. ч. работы электроракетных двигателей. Модель создана на базе основного уравнения солнечного элемента. При этом учитываются как одномерный градиент температуры, так и двумерный. Приведены принципы построения модели, и проведен выбор исходных данных. Для моделирования условия освещения солнечной батареи используется понятие «эффективная освещенность» - плотность потока излучения, который пада ет на фотоэлектрические преобразователи, проходя через защитные покрытия. Описаны особенности моделирования распределения температуры по солнечной батарее и эффективной освещенности ее поверхности в случаях параллельной, последовательной и смешанной коммутаций солнечных элементов. Приведены методика и примеры расчета простейших примеров солнечных батарей. Описано построение модели в универсальном математическом пакете Mathcad. Обсуждаются некоторые результаты моделирования.
Бесплатно
Статья научная
На основе консервативного метода потоков осуществлено численное моделирование потока вязкого теплопроводного газа внутри диффузорной части пространственного сопла. Расчеты проведены в широком диапазоне изменения параметров, влияющих на характер и структуру потока, в частности, на отрыв потока внутри сопла. Рассматривалось критическое сечение сопла прямоугольной формы, величина которого может меняться за счет изменения размера одной стороны. Плоскость среза сопла сильно наклонена по отношению к его продольной оси. Проведены исследования влияния величины площади критического сечения и давления в конфузорной части на параметры потока в диффузорной части сопла, положение отрыва потока, а также на поперечные силы, действующие на внутреннюю часть сопла. Приводятся распределения параметров течения внутри сопла. Осуществляется визуализация структуры потока внутри и вне сопла. Расчеты выполнены на основе параллельных алгоритмов, реализованных на многопроцессорном вычислительном комплексе кластерной архитектуры с использованием до 1 000 вычислительных узлов.
Бесплатно
Моделирование перелёта межорбитального буксира с солнечной электроракетной двигательной установкой
Статья научная
В статье представлены результаты работы по определению технических характеристик межорбитального космического буксира, оснащённого электро-ракетными двигателями и солнечной энергоустановкой. Рассмотрен конструкционный облик космического буксира с электроракетной двигательной установкой мощностью до 200 кВт и возможные варианты энергетической системы на основе солнечной и аккумуляторной батарей. Приведены результаты расчётов параметров четырёх вариантов транспортной операции для обеспечения грузопотока на орбиты высотой ~20 000 км с возвращением космического буксира на опорную орбиту. Показано, что наиболее рациональной является конструкция буксира, не имеющая аккумуляторной батареи для работы электроракетной двигательной установки на теневых участках траектории. При этом транспортную операцию целесообразно выполнять по траектории с минимальной длительностью теневых участков.
Бесплатно
Статья научная
Возвращаемый аппарат, входящий в состав разрабатываемого РКК «Энергия» пилотируемого корабля «Федерация», в штатной ситуации совершает посадку на специально подготовленные грунтовые площадки с использованием парашютно-реактивной системы. В нештатных ситуациях возвращаемый аппарат имеет возможность совершать посадку на воду. В этом случае для корректного учета нагрузок и проведения прочностных расчетов необходимо знание уровней гидродинамических воздействий на корпус аппарата и динамики его поведения в водной среде с учетом всех возможных погодных условий в районе посадки и всех возможных режимов работы парашютно-реактивной системы в нештатных ситуациях. В данной публикации представлены результаты численного моделирования посадки возвращаемого аппарата, входящего в состав пилотируемого транспортного корабля «Федерация», в условиях морского волнения. Рассмотрены случаи посадки как с работающей, так и с выключенной двигательной установкой. Приведены данные по изменению кинематических характеристик возвращаемого аппарата, действующих на него сил и моментов, а также по испытываемым им перегрузкам. Полученные данные требуются для дальнейшего анализа нагружения и прочностных расчетов конструкции корпуса аппарата.
Бесплатно
Статья научная
Предложен подход к моделированию динамики процесса мягкой посадки лунного взлётно-посадочного модуля (ЛВПМ), снабжённого механическим посадочным устройством, на участке контакта с поверхностью. Описана кинематическая схема трансформируемой опоры посадочного устройства. Создана математическая модель динамики движения ЛВПМ от момента контакта с посадочной поверхностью до полной остановки, в рамках которой корпус ЛВПМ и отдельные элементы его посадочного устройства рассматриваются как структурно сложная механическая система с внутренними связями, отражающими конструктивные ограничения на относительное движение элементов опоры. Получена система уравнений для определения сил и моментов реакций связей. Возможности подхода проиллюстрированы конкретным примером.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлен подход к моделированию критически важного процесса отделения крышки узлов подвески (КУП) от возвращаемого аппарата с учётом взаимодействия между КУП и вытяжным блоком (ВБ) через уздечку. ВБ рассматривается как набор конечного числа твёрдых тел, взаимодействующих через вязкоупругие пружины. По результатам анализа видеозаписей проведённой наземной экспериментальной отработки создана методика по определению силы, действующей на точку подвеса ВБ. Приведены критерии корректности модели ВБ и методика подбора характеристик данной модели. Окончательная валидация модели ВБ будет выполнена по результатам комплекса запланированных экспериментов, что позволит уточнить динамическую модель процесса отделения КУП от возвращаемого аппарата.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе предложена математическая модель для проведения предварительных инженерных оценок параметров топливной системы ступени ракеты-носителя при наличии демпфера продольных колебаний. Демпфер устанавливается на расходной магистрали с целью недопущения колебаний топлива, которые могут вызвать рост давления в расходной магистрали, превышение давление опрессовки и, в конечном итоге, привести к разрушению расходной магистрали. Результаты расчётов по предложенной в работе математической модели позволяют сделать предварительные инженерные оценки как параметров топливной системы ступени ракеты-носителя, так и объёмной жёсткости демпфера на всём режиме работы маршевого двигателя ракеты-носителя. Это, в свою очередь, позволяет подтвердить работоспособность двигательной установки при наличии системы демпфирования. В работе рассмотрены методы оценки расходов газожидкостной смеси через дренажную систему демпфера, оценки критической высоты компонента топлива над уровнем среза дренажной магистрали демпфера с учётом воронкобразования.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются два метода моделирования сил и моментов сил от воздействия набегающего потока атмосферы на поверхность Международной космической станции (МКС) в процессе выполнения динамических режимов системы управления движением и навигации служебного модуля, которые разработаны РКК «Энергия». Эти методы, пригодные как для поиска оптимального управления движением МКС, так и для верификации динамических режимов системы управления движением и навигации служебного модуля, основаны на расчете аэродинамических характеристик в наборе точек четырехмерного (4D) пространства и последующей 4D-uнmepnoляцuu аэродинамических характеристик в ходе моделирования. Сравниваются результаты расчетов воздействия набегающего потока атмосферы во время моделирования оптимального по расходу топлива разворота (optimal propellant maneuvers) МКС на большой угол. Во время разворота геометрия МКС существенно меняется за счет поворотов крупногабаритных элементов МКС вокруг разнонаправленных осей. Предложенные методы планируется применить при подготовке космического эксперимента «МКС-Разворот». Они также могут быть пригодны при разработке алгоритмов управления системы управления движением и навигации будущих крупногабаритных космических объектов.
Бесплатно
Моделирование термоэмиссионной тепловой защиты при конвективном нагреве составной оболочки
Статья научная
В настоящее время разрабатываются высокоскоростные летательные аппараты, способные маневрировать в плотных слоях атмосферы. К ним относятся спускаемые аппараты перспективных космических кораблей многоразового применения и возвращаемые ступени ракет-носителей. Эти высокоскоростные летательные аппараты испытывают большие динамические и тепловые нагрузки, что может привести к разрушению и изменению их аэродинамических характеристик. Следовательно, очень важно обеспечить тепловую защиту их структурных элементов. Перспективным вариантом решения этой проблемы является использование термоэмиссионной технологии - электронного охлаждения в результате тепловой эмиссии электронов с поверхности эмиттера. Данная технология позволяет преобразовывать тепловую энергию, полученную от конвективного нагрева, непосредственно в электрическую. Для решения этой научно-технической задачи с высокой точностью необходимо развить математическое и физическое моделирование работы таких систем с учетом сложной природы взаимодействия высокоэнтальпийных потоков с теплозащитным материалом, когда сами элементы конструкции высокоскоростного летательного аппарата в большой мере участвуют в процессе их охлаждения. Применение этого подхода позволит моделировать системы термоэлектронной тепловой защиты высокоскоростных летательных аппаратов в условиях, которые соответствуют реальным нагрузкам вдоль их траектории.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты разработки алгоритма моногармонического метода расчета частотных характеристик динамической жесткости нелинейных динамических объектов с заданной погрешностью вычислений и за минимальное время. Предлагаемый вариант метода относится к методам автоинтегрирования и основан на численном интегрировании системы нелинейных дифференциальных уравнений математической модели динамического объекта при моногармонических входных воздействиях на фиксированных частотах и анализе откликов на эти воздействия методом Фурье. Процесс интегрирования на каждой из фиксированных частот продолжается до тех пор, пока средние значения коэффициентов Фурье исследуемой гармоники динамической жесткости нелинейного динамического объекта на входное моногармоническое силовое или моментное воздействие за пройденное количество периодов входного сигнала не станут достаточно постоянными. Исследуется работоспособность разработанного метода и алгоритма на примере расчета частотных характеристик динамической жесткости силового гидроцилиндра с перекрытыми гидромагистралями. Получаемые частотные характеристики динамической жесткости можно использовать для оценки демпфирующих свойств нелинейных динамических объектов.
Бесплатно
Статья научная
На базе современного программного комплекса Comsol Multiphysics авторами разработана базовая версия программной методики для выполнения трехмерных расчетов тепловых и электрических характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК) в составе ядерных энергетических установок космического и наземного назначений, названной авторами COMSOL-ЭГК. В работе представлено описание основных функциональных возможностей разработанного комплекса COMSOL-ЭГК, оптимизированного под задачи расчета ЭГК любой конструкции. Расширение функционала математической модели ЭГК в COMSOL-ЭГК осуществляется путем добавления новых программных модулей (физических разделов) к базовой математической модели электротеплофизических процессов в ЭГК. В работе представлено описание разработанного программного модуля, позволяющего рассчитывать влияние собственного магнитного поля ЭГК на его характеристики. Для тестирования созданной математической модели собственного магнитного поля ЭГК было проведено несколько тестовых расчетов для одно - и многоэлементного ЭГК.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена исследованию динамической реакции конструкции транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс» на отсечку тяги двигателя последней ступени ракеты-носителя (РН) «Союз». Импульсное воздействие на связку в составе ТГК и третьей ступени РН рассмотрено в двух вариантах: первый - типичная отсечка тяги, второй - с уменьшенным градиентом спада тяги. Исследования проведены на основе многоуровневого динамического моделирования конструкций. Реализованная технология решения задачи позволила получить следующие результаты: определить конфигурацию трансформированного, приведенного к любому поперечному сечению изделия, воздействия; дать исчерпывающую картину динамического отклика конструкции на импульсное воздействие; выделить класс конструкций с наиболее интенсивной реакцией на рассматриваемое импульсное воздействие; локализовать зону конструкции ТГК с максимальным уровнем напряженно-деформированного состояния. Из проведенного исследования сделаны выводы, основные из которых следующие: отсечка тяги последней ступени не дает энергоемких динамических эффектов; смягчение градиента спада тяги снижает уровень нагружения конструкции в 1,5раза; максимальный уровень напряжений реализуется в узкой зоне на одной из балок рамы нижнего приборного отсека с числом циклов менее 10; для типичной отсечки тяги двигателя запас прочности по пиковым напряжениям более двух, для модифицированной отсечки - более трех. Представленные в статье результаты показывают, что отсечка тяги третьей ступени РН не является расчетным случаем, не формирует напряженного состояния, близкого к критическому, и не оказывает влияния на прочность ТГК.
Бесплатно
Напряженно-деформированное состояние и прочность сварной оболочки с тоннельной трубой
Статья научная
Тонкостенные сварные оболочки - основной вид конструкции герметичных отсеков и топливных баков изделий ракетно-космической техники. Утяжки в процессе формирования сварного шва приводят к искажению формы оболочки и, как следствие, к существенному изменению ее напряженно-деформированного состояния, которое, в свою очередь, влияет на прочность и ресурс. В ракетных блоках с несущими баками в нижнем баке, как правило, встроена тоннельная труба для прохода к двигателю расходной магистрали второго компонента. В статье на примере топливного бака рассмотрены особенности поведения оболочки с тоннельной трубой: искажение формы в результате сварочных утяжек, повышение уровня напряжений в сварном шве из-за искажения формы, снижение несущей способности и ресурса. Для выполнения расчетов построена конечно-элементная модель оболочки. Проведены расчетные исследования зависимости просадки фланца тоннельной трубы от поперечной усадки сварного шва, зависимости коэффициентов усиления напряжений от просадки фланца. Определено снижение несущей способности оболочки из высокопрочного материала. Расчетами с учетом геометрической и физической нелинейностей показано, что оболочка из высокопластичного материала не теряет прочности из-за искажения формы, но у нее снижается ресурс из-за повышенного уровня напряжений от циклически повторяющихся нагрузок. Указаны источники циклических нагрузок на всех этапах жизненного цикла изделия.
Бесплатно
Напряжённо-дефомированное состояние упругого слоя при локальном нагружении
Статья научная
В трёхмерной постановке рассмотрена задача локального нагружения упругого слоя. Решение краевой задачи для действия сосредоточенной силы построено в виде комбинации двух составляющих. Первая - классическое решение теории упругости А. Лява; вторая - решение, форма которого предложена И.М. Рапопортом. Специфика второй составляющей в том, что она описывает точечный краевой эффект, быстро затухающий по мере удаления от точки приложения силы. Это решение построено в форме рядов - разложений по собственным функциям вспомогательного несамосопряженного дифференциального оператора. Сходимость рядов обеспечивается быстрым ростом собственных значений. Затухание к нулю на бесконечности обусловлено экспоненциальным законом убывания функций Макдональда. Решение о действии сосредоточенной силы используется как функция влияния для определения компонентов вектора перемещений, тензоров деформаций и напряжений в задаче о произвольном локальном нагружении упругого слоя. В результате аналитическое решение сингулярной задачи даёт возможность корректно определить напряженно -деформированное состояние в зоне локального нагружения.
Бесплатно
Статья научная
Научная аппаратура «Плазменный кристалл-4» («ПК-4») предназначена для исследования комплексной (пылевой) плазмы в условиях микрогравитации на Международной космической станции и является совместным проектом Европейского космического агентства и Роскосмоса. Научная аппаратура «ПК-4» интегрирована в стойку «Европейских физиологических модулей» в европейском лабораторном модуле Columbus. Управление экспериментом - автоматизированное, программно-интерактивное или ручное (с бортового ноутбука или с удаленного терминала в наземном центре управления). В научной аппаратуре «ПК-4» для создания плазмы используется разряд постоянного тока низкого давления в инертных газах в стеклянной трубке. Для получения комплексной плазмы в разряд инжектируются микрочастицы заданного размера. Две цифровые видеокамеры позволяют наблюдать за индивидуальными микрочастицами внутри трубки в фазовом пространстве, что делает комплексную плазму хорошим модельным объектом для изучения классических явлений в конденсированных средах на кинетическом уровне. Для контроля за состоянием плазмы используется интегрированный спектрометр и еще одна видеокамера, позволяющая регистрировать собственное излучение плазмы на разных длинах волн. Для исследования свойств комплексной плазмы на нее воздействуют различными способами: электрическими, оптическими, термофоретическими.
Бесплатно
Научно-технические проблемы реализации проекта "Пилотируемые космические системы и комплексы"
Статья научная
В настоящей, в значительной части обзорной, статье представлены результаты анализа современного состояния и перспектив развития отечественной пилотируемой космонавтики с точки зрения РКК «Энергия» как головной организации России в этой области науки и техники. Рассмотрены вопросы завершения развертывания Российского сегмента МКС вводом в ее состав трех разрабатываемых в РКК «Энергия» новых модулей (многоцелевого лабораторного - в 2020 г.; узлового - в 2021 г.; научно-энергетического - в 2022 г.) и создания модернизированной серии ТГК «Прогресс МС». Описываются сокращенные схемы сближения пилотируемых и грузовых кораблей с МКС. Обсуждаются вопросы повышения эффективности использования Российского сегмента МКС, проблемные вопросы коммерциализации и планы расширения научно-прикладных исследований. Рассмотрена целесообразность создания после завершения программы МКС Российской орбитальной станции. В качестве стратегической перспективы развития отечественной пилотируемой космонавтики сформулированы предложения по национальной программе исследования и освоения Луны. Приведены разработанные РКК «Энергия» предложения по созданию многофункционального комплекса поиска и спасения космонавтов при запусках пилотируемых кораблей с космодрома «Восточный». Обсуждаются результаты и проблемы создания научно-технического и технологического заделов для разработки перспективных пилотируемых космических комплексов, включая внедрение цифровых технологий, создание новых приборов, использование композиционных материалов, аддитивных и робототехнических технологий.
Бесплатно
Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес»
Статья научная
Рассмотрены проектные параметры ядерно-энергетической и электроракетной двигательной установок для межорбитального буксира «Геркулес» мощностью 550 кВт. Приведен научно-технический задел по этим установкам, включая создание высокотемпературных материалов и технологий изготовления изделий из них, результаты реакторных испытаний термоэмиссионных сборок и полномасштабного прототипа термоэмиссионного реактора-преобразователя на быстрых нейтронах, испытаний с электронагревом натриевых тепловых труб, электромагнитных насосов и других агрегатов и модуля в целом литий-ниобиевой системы охлаждения, а также магнитоплазмодинамических и холловских электроракетных двигателей.
Бесплатно
Нейросетевой анализ данных телеметрической информации бортовой аппаратуры космических аппаратов
Статья научная
Цель. Исследование и разработка методики и программных средств машинного автоматизированного анализа данных телеметрической информации бортовой аппаратуры космических аппаратов. Методы. Разработанные программные средства и методика базируются на методах и алгоритмах машинного обучения, нейронных сетей и обработки изображений. Полученные результаты. В статье представлены решения актуальных задач машинного анализа данных телеметрической информации бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) с целью выделения состояний её функционирования, анализа надёжности и работоспособности. Разработаны программные средства и методика нейросетевого кластерно-классификационного анализа данных телеметрической информации БА КА на основе применения нейронных сетей типа карты Кохонена и методов обработки изображений. Программные средства реализованы в десктоп- и веб-версиях и имеют гибкую модульную сервис-ориентированную архитектуру. Выводы. Представленные программные средства и методика нейросетевого анализа данных телеметрической информации БА КА были апробированы на реальных данных телеметрической информации БА Белорусского космического аппарата и группировки малых КА АИСТ и показали результаты с доверительной вероятностью не ниже 0,9. Предложенные средства нейросетевого анализа данных телеметрической информации БА КА дают возможность для разработки рекомендаций по повышению показателей её надёжности при проектировании и эксплуатации, определении состояний БА КА, принятия корректных управленческих и эксплуатационных решений наземного комплекса управления КА.
Бесплатно
