Авиационная и ракетно-космическая техника. Рубрика в журнале - Сибирский аэрокосмический журнал
Гидродинамическое исследование приторцевого течения прямых решеток
Статья научная
Отражены гидродинамические исследования приторцевого течения в прямых решетках. Описана методика проведения эксперимента и выявлены особенности приторцевого течения.
Бесплатно
Двигатель-маховик для малых космических аппаратов
Статья научная
При разработке малоразмерного двигателя-маховика одной из ключевых проблем является выбор подшипниковых опор, поскольку жесткие ограничения по габаритам и массе прибора позволяют применять только шарикоподшипники сверхлегких серий. На этапе предварительной проработки конструкции выполнялись расчеты коэффициентов запаса по нагрузкам при механических испытаниях и по изгибной прочности оси с определением критических сечений. Роторная система состоит из маховика, закрепленного на наружных кольцах шарикоподшипников, индукторов, магнитов и ротора датчика углового положения. Наиболее опасен момент остаточной неуравновешенности роторной системы, так как динамические нагрузки напрямую связаны с уровнем контактных напряжений между шариками и дорожками качения. При достижении значительных напряжений возможно усталостное выкрашивание дорожек и тел качения. Кроме того, давление из-за дисбаланса вала маховика неизбежно вызывает силы трения и, следовательно, выделение тепла, что приводит к росту момента сопротивления вращению ротора, а также ускоряет процесс старения смазки. В соответствии с общими требованиями к роторной системе она подвергалась динамической балансировке, поскольку только так устраняются все виды неуравновешенности с необходимой точностью. Для проведения этой технологической операции в роторной системе предусмотрены две плоскости коррекции, расположенные на ободе маховика в местах наибольшего удаления от оси вращения. Балансировка проводилась путем удаления материала в зонах кольцевых проточек плоскостей коррекции. Сравнение характеристик разработанного малоразмерного двигателя-маховика и зарубежных аналогов показывает, что их параметры соответствуют друг другу.
Бесплатно
Двухконусный адаптер для запуска блока трех космических аппаратов
Статья научная
Запуск нескольких космических аппаратов с помощью одного средства выведения - сложная инженерная задача. Решение этой задачи позволит значительно сократить расходы на формирование орбитальной группировки, состоящей из множества однотипных аппаратов. Основной вопрос в такой задаче, требующий тщательной проработки, - это соединение блока космических аппаратов с ракетой-носителем. Традиционно интеграция как одиночного космического аппарата, так и блока из нескольких аппаратов с ракетой-носителем осуществляется с помощью так называемого устройства отделения. Неотъемлемой частью этого устройства является адаптер - переходная конструкция, служащая для размещения различных элементов устройства отделения (таких как замки, толкатели, прижимные и поворотные устройства) и жесткого соединения космического аппарата или блока аппаратов с ракетой-носителем. Эта конструкция воспринимает нагрузки, возникающие при наземной эксплуатации и транспортировании, а также при старте ракеты-носителя, поэтому она должна обладать высокой жесткостью и прочностью. В настоящее время для вывода на орбиту блока трех космических аппаратов используют металлическую ферменную конструкцию, представляющую собой набор фитингов, соединенных между собой полыми алюминиевыми трубами. Такая конструкция обладает рядом существенных недостатков. Предлагается принципиально новый адаптер. Его конструкция, обладающая сравнительно небольшой массой и высокой жесткостью благодаря использованию современных композиционных материалов, позволяет равномерно распределить нагрузку на интерфейсные точки с ракетой-носителем. Технология производства элементов такой конструкции отработана на многих российских космических аппаратах. Проведен параметрический анализ предлагаемой конструкции адаптера. Показаны способы повышения жесткости адаптера: применение материалов с высоким модулем упругости, изменение толщины обшивок панели, а также изменение параметров сетчатой структуры конических оболочек. Произведена также предварительная оценка массы предлагаемой конструкции.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время космические аппараты дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) нашли широкое практическое применение для решения различных социально-экономических задач, таких как получение информации с районов чрезвычайных ситуаций или районов со слаборазвитой наземной инфраструктурой. Существенным недостатком современных КА ДЗЗ является низкая оперативность получения информации с заданного района земной поверхности. Существующие способы снижения периодичности наблюдения заданного района земной поверхности предполагают значительное наращивание численного состава орбитальных группировок КА ДЗЗ. Однако данный способ требует значительных экономических затрат. Предложен двухрежимный способ наблюдения земной поверхности. Данный способ предусматривает использование в процессе функционирования КА ДЗЗ режима глобального наблюдения и режима регионального наблюдения. Переход из одного режима наблюдения в другой предлагается осуществлять за счет изменения периода обращения КА вокруг Земли путем изменения большей полуоси рабочей орбиты с помощью маршевой двигательной установки. В рамках проводимых исследований была разработана методика определения основных параметров орбит глобального и регионального наблюдения. Для обеспечения прохождения трассы КА ДЗЗ через заданный район земной поверхности рассматривался вопрос фазирования при переходе в режим регионального наблюдения. В результате чего была разработана методика определения временных и энергетических затрат на изменение режима наблюдения. Исходя из необходимости математически описать взаимосвязь рабочей точки, принадлежащей орбите фазирования, с географическими координатами заданного района земной поверхности, была разработана методика расчета трасс КА ДЗЗ, функционирующих с применением двухрежимного способа наблюдения. Вышеперечисленные методики являются составными частями математической модели, описывающей двухрежимный способ наблюдения, которая послужит основой для формирования требований к перспективным двигателям, а также к двигательным и энергетическим установкам космических аппаратов. Сравнение двухрежимного способа наблюдения с известными способами повышения оперативности получения информации с заданных регионов показывает, что использование двухрежимного способа позволяет существенно снизить периодичность обзора при относительно небольших экономических и приемлемых энергетических затратах.
Бесплатно
Двухчастотное согласование комплексных нагрузок с помощью двойного Г-звена
Статья научная
Рассматривается метод согласования произвольных комплексных нагрузок с активным сопротивлением линии передачи с помощью сдвоенного Г-звена, обеспечивающий возможность согласования в двух частотных точках. Синтезируются четыре согласующие цепи. Приводятся соотношения для расчета элементов цепей и пример согласования.
Бесплатно
Динамика автоматизированного электропривода с комбинированной оптимальной системой управления
Статья научная
Оптимальные системы управления техническими системами, широко используемые в космической отрасли, получили дальнейшее развитие в теории комбинированных оптимальных систем управления, которые строятся при последовательной коррекции внутренних координат, что позволяет уменьшить порядок систем уравнений объекта управления, и регулировании внешних координат на базе теории оптимального управления, теории систем с переменной структурой или многосвязных систем автоматического регулирования. Рассматривается автоматизированный электропривод горнодобывающего оборудования на примере экскаватора, рабочий цикл которого связан с тяжёлыми условиями эксплуатации: большой запылённостью, повторно-кратковременными режимами работы, ударами, вибрациями, большой частотой включения, изменяющейся в широких пределах нагрузки на валу двигателя, что отрицательно сказывается как на качестве и количестве объёмов добычи горной породы, так и на состоянии систем горных машин в целом. Рассмотрен электропривод поворотного механизма, имеющего наибольшее число отказов в механической и электрической частях экскаватора, с комбинированной оптимальной системой управления, представляющей внутренний контур питающего напряжения, рассчитанный по методу «технического оптимума», и аналитически конструируемый оптимальный регулятор (АКОР) внешних координат по току якорной цепи и скорости двигателя, расположенный в прямом канале системы управления. Для исследования электропривода создана имитационная модель в программе MATLAB пакете Simulink. Изменение коэффициента при обратной связи по току двигателя и скорости первой массы влияет на время переходного процесса и на броски упругого момента автоматизированного электропривода поворота экскаватора. При увеличении весового коэффициента обратной связи по току двигателя увеличивается время переходного процесса и уменьшаются броски момента упругого, при увеличении весового коэффициента обратной связи по скорости первой массы уменьшается время переходного процесса и увеличиваются броски момента упругого. Исследовано влияние весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику электропривода в режимах пуска, а также предложен алгоритм выбора весовых коэффициентов. Результаты исследования показали преимущество оптимальных комбинированных систем управления электроприводом поворота экскаватора по сравнению с классической системой подчиненного регулирования.
Бесплатно
Динамика потока в радиально-кольцевой полости турбомашин
Статья научная
В работе рассмотрена задача моделирования вращательного течения в радиально-кольцевой полости турбомашин с неподвижными стенками. Данный расчетный случай соответствует граничным условиям подводящего канала для радиальной центростремительной турбины. В представленной модели поток условно разделен на радиальное и окружное движение. Радиальная составляющая скорости определяется массовым расходом из уравнения неразрывности, окружная составляющая формируется тангенциальным канальным подводом. Основным уравнением при интегрировании является уравнение изменения количества движения для потока в форме уравнения Эйлера. В случае окружной составляющей скорости используется закон изменения момента количества движения при допущении потенциальности потока и постоянства момента количества движения в пределах шага интегрирования. В результате преобразований уравнений количества движения получены дифференциальные уравнения для радиальной и окружной составляющих скорости, а также для статического давления, представляющие определенную систему трех уравнений с тремя неизвестными. Система уравнений позволяет вести интегрирование при известных граничных условиях на входе, в результате интегрирования возможно получить поле распределений скоростей и давлений по радиусу радиально-кольцевой полости. Результаты исследования могут быть использованы при моделировании окружных и радиальных усилий на ротор (рабочее колесо) турбомашин.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследуются участки динамически нестабилизированных течений, характерных для элементов проточных частей турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей; участки прямоугольного переменного сечения, цилиндрического переменного сечения, вращательных течений в полостях с неподвижными стенками, неподвижной и вращающейся стенками. К характерным элементам относятся: подводящие и отводящие аппараты, боковые полости между ротором и статором, полости гидродинамических уплотнений и элементы межлопаточного канала центробежных насосов и газовых турбин. Ввиду характерных особенностей режимных и конструктивных параметров, начальные участки динамически нестабилизированных течений являются преобладающими в проточных частях агрегатов подачи. Данные участки оказывают существенное влияние на энергетические параметры агрегата и влияют на теплообменные процессы и, как следствие, на надежность элементов конструкций. В характерных элементах систем подачи реализуется как ламинарный, так и турбулентный режимы течения рабочего тела. С использованием методов теории пространственного пограничного слоя, определены характерные параметры пограничного слоя, такие как: толщина динамического пограничного слоя, вытеснения и потери импульса. Получены зависимости для определения скорости ядра течения, необходимые для оценки потерь в зависимости от длины характерных участков. В целях достоверного определения энергетических параметров необходим корректный выбор законов трения и профилей скорости в пограничном слое и учет начального участка. Полученные зависимости учитывают профиль распределения скорости в пограничном слое на характерных участках для случаев ламинарного и турбулентного режимов.
Бесплатно
Динамика ротора двигателя-маховика в электромагнитном подвесе
Статья научная
Приведены результаты расчета амплитуды колебаний динамически неуравновешенного ротора двигателя-маховика с кинетическим моментом 1 Н·м·с, подвешенного посредством активных магнитных подшипников. Определены силы, требуемые для удержания ротора в бесконтактном положении, и резонансные зоны в рабочем диапазоне его угловой скорости в зависимости от значений коэффициентов жесткости и демпфирования магнитного подвеса. Расчеты осуществлялись при различных диапазонах угловой скорости ротора. С помощью разработанной параметрической 3D-модели ротора для каждого диапазона определены его требуемые массогабаритные характеристики: осевой и экваториальный моменты инерции, а также его масса. Предельно допустимые значения эксцентриситета ротора, характеризующего статическую неуравновешенность, и угла между геометрической осью ротора и его главной центральной осью инерции, характеризующего моментную неуравновешенность, определялись исходя из величины массы ротора и требуемой остаточной неуравновешенности в каждой плоскости коррекции. Выявлено, что в процессе вращения ротора двигателя-маховика преобладают радиальные колебания его центра масс, вызванные наличием статической неуравновешенности. Амплитуда результирующих колебаний ротора составляет 17 мкм для диапазона частоты вращения ротора 0-9000 об/мин и 13 мкм для диапазона 0-18000 об/мин. Первая критическая скорость ротора соответствует резонансной частоте его радиальных колебаний. В диапазоне частоты вращения ротора 0-18000 об/мин присутствует дополнительная критическая скорость, обусловленная тем, что экваториальный момент инерции ротора превышает его осевой момент инерции. В закритических областях наблюдается явление самоцентрирования ротора. По результатам расчета динамики ротора в магнитном подвесе сформированы исходные данные для выбора угловой скорости ротора, воздушных зазоров в аварийных опорах, активных частях магнитных подшипников, коэффициентов жесткости и демпфирования магнитного подвеса.
Бесплатно
Динамическая устойчивость адаптивной панели крыла экраноплана
Статья научная
Выполнено исследование движениякрыла экраноплана с адаптивной оболочкой над взволнованной поверхностью, определены собственные частоты, резонанс гибкой панели крыла, коэффициенты демпфирования.
Бесплатно
Статья научная
Особый интерес к теме математического анализа протекания процессов переноса теплоты определяется научной значимостью и практическим применением при разработке, проектировании и производстве ракетно-космических аппаратов и установок. Обоснование разработанных методик и моделирование данных, полученных в ходе эксперимента с применением 3д технологий процесса, дает преимущество. Точность и достоверность результатов расчетов играют ключевую роль в обеспечении безопасности и надежности ракетно-космических систем. Регулярная проверка и верификация результатов также необходимы для обеспечения высокой степени надежности и безопасности. Представленный в статье комплексный анализ течения потока жидкости в межлопаточном канале рабочего колеса малорасходного центробежного насоса с построением энергетических характеристик рабочего колеса может быть использован для уточнения числа лопаток. Разработанная методика расчета состоит из четырех частей: во-первых, получено выражение для определения проекции градиента давления на продольную ось φ, во-вторых, получено выражение для определения проекции градиента давления на поперечную ось ψ, в-третьих, определена производная продольной скорости в поперечном направлении и, в-четвертых, представлены результаты численной и экспериментальной визуализации (баланс мощностей, зависимость напора и коэффициента влияния конечного числа лопаток от расхода малорасходного центробежного насоса). На основе результатов теоретических исследований были разработаны алгоритм и программа расчета, позволяющие рассчитывать локальные значения. Рассматриваемый подход подтверждается верификацией результатов математического моделирования графической визуализацией течения и измерением баланса мощностей малорасходного центробежного насоса. Полученные выражения для проекций градиента давления, определение производной продольной скорости и экспериментальная визуализация играют важную роль при расчете и анализе работы центробежных насосов. Однако существует необходимость в дальнейшей проработке метода для приведения его к виду, позволяющему рассчитывать трехмерное течение рабочего тела в канале произвольной формы.
Бесплатно
Статья научная
Разработана методика динамического синтеза нагрузочных устройств с рекуперацией электроэнергии в сеть электропитания испытательного комплекса энергосистем космического аппарата.
Бесплатно
Дифференциальная коррекция погрешностей определения координат при геомагнитных возмущениях
Статья научная
Предложен новый способ прямой дифференциальной коррекции погрешностей определения координат, который будет избавлен от большого объема корректирующих дифференциальных поправок, передаваемых множеству потребителей системы с необходимостью осуществлять выбор наиболее точных из них в аппаратуре потребителя.
Бесплатно
Долговечность. Исследование и анализ процесса старения функциональных систем самолета
Статья научная
Рассмотрены вопросы надежности авиационной техники. Проведено исследование и выполнен анализ процесса старения (отработки ресурса) функциональных систем самолета при длительной эксплуатации.
Бесплатно
Статья научная
При испытаниях космического аппарата в термовакуумной камере особое внимание уделяется обеспечению гарантированного непрерывного энергопитания космического аппарата в течение продолжительного времени (до нескольких месяцев). Обесточивание космического аппарата может повлечь за собой отказ систем терморегулирования, вплоть до полного выхода из строя космического аппарата стоимостью несколько миллиардов рублей. В процессе эксплуатации наземного силового оборудования получены необходимые данные об интенсивности и типах отказов в работе данного наземного силового оборудования, что привело к увеличению сроков испытаний и рисков выхода из строя космического аппарата на этапе термовакуумных испытаний. В результате совместно проведенного анализа статистики отказов наземного силового оборудования, полученных в процессе эксплуатации, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» и Научно-исследовательским институтом автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, было разработано техническое задание по созданию методик увеличения времени безотказной работы наземного силового оборудования. Одним из ключевых требований к изготовляемому наземному силовому оборудованию нового поколения является обеспечение высокого показателя надёжности - времени безотказной работы. Опыт в области дополнительных отбраковочных испытаний электрорадиоизделий перед их установкой в космическом аппарате позволяет предложить способ определения количественного значения понижающего коэффициента отбраковочных испытаний с помощью метода оценки коэффициентов, характеризующих степень отличия электрорадиоизделий, успешно прошедших дополнительные отбраковочные испытания и полученных с завода-изготовителя. В результате расчётов понижающего коэффициента и математических расчётов времени безотказной работы можно определить влияние понижающего коэффициента отбраковочных испытаний на повышение надёжности наземного силового оборудования. Высокие требования по безотказной работе наземного силового оборудования для электроиспытаний космического аппарата привели к необходимости проведения дополнительных отбраковочных испытаний в специальных испытательных технических центрах, где должны проводиться проверки показателей количества отказов по доверительным вероятностям. Ввод дополнительных отбраковочных испытаний в технологический процесс изготовления наземного оборудования - это следующая ступень в методах повышения надёжности.(Русскоязычная версия представлена по адресу https://vestnik.sibsau.ru/arhiv/)
Бесплатно
Задача оптимизации отработки ресурсов самолетов гражданской авиации
Статья научная
Разраоотана методика, оиеспечивающая возмоэюностъ управления отраиоткои ресурсов самолетами авиакомпании с целью минимизации затрат на капитально-восстановительные ремонты
Бесплатно
Статья научная
Волновые процессы в трубопроводных системах являются причиной неравномерности расходов подаваемых через них жидкостей. При открытии или закрытии регулирующей арматуры системы питания жидкостных ракетных двигателей возникают одиночные ударные волны, которые являются возмущениями давления в широком спектре частот и могут приводить к возбуждению неустойчивости рабочего процесса в газогенераторах или камерах сгорания. Целью работы является экспериментальное исследование процессов затухания вынужденных колебаний и одиночных гидроударных волн в турбулентных потоках слабосжимаемой капельной жидкости в гладких гидравлических магистралях круглого сечения. Поскольку процесс затухания ударных волн заметен только в протяженных трактах с отношением длины к диаметру трубопровода более нескольких тысяч, то методология проведения данной работы была построена на возбуждении гидроударных волн в магистральной транспортной системе, осуществляющей перекачку углеводородных горючих и регистрацию давления датчиками, расставленными равномерно вдоль магистрали. При исследованиях создавались возмущения с амплитудой более чем в 2 раза большей уровня постоянного гидродинамического шума. Одиночные гидроударные волны возбуждались путем проведения отбора жидкости. При этом в ответ на открытие крана (начало отбора) генерировалась волна разрежения, а на закрытие - волна сжатия. Проведённый спектральный анализ сигнала показал, что основная часть спектра гидродинамических колебаний находится в частотном диапазоне до 10 Гц. Более высокие частоты, генерируемые работой насосных агрегатов, быстро затухают. В результате экспериментов была получена аппроксимационная зависимость декремента затухания одиночных волн сжатия и разрежения в виде функции от чисел Рейнольдса. При переходных режимах течения жидкости от ламинарного к турбулентному динамические изменения происходят внутри ламинарного слоя и показатель затухания ударной волны стремится к постоянной величине. На основании сделанных предположений экспериментальные точки аппроксимированы экспоненциальной кривой вида . По результатам проведенной обработки были получены значения для коэффициентов и выполнено сравнение расчетных данных с результатами экспериментов. Показано удовлетворительное согласие результатов испытаний на модельной установке и на протяженных магистралях. Полученная экспериментальная зависимость, описывающая затухание гидроударных волн в турбулентных потоках, используется при проведении инженерных расчетов систем питания жидкостных ракетных двигателей на кафедре ракетных двигателей в Московском авиационном институте.
Бесплатно
Звездный датчик для наноспутника
Статья научная
Проведен полный цикл разработки миниатюрного звездного датчика для наноспутника от выработки концепции до разработки конструкторской документации, изготовления опытного образца и его испытаний и калибровки на специально созданном испытательном стенде. Предложены алгоритмы для снижения шумов и повышения точности. На этой базе предложена система астроориентации из нескольких согласованных миниатюрных звездных датчиков на одном наноспутнике. Такая система позволяет уменьшить требования к индивидуальному датчику, входящему в систему. В настоящее время продолжаются работы по улучшению характеристик разработанного датчика и подготовки его к использованию на наноспутниках.
Бесплатно
Зеркально-линзовый расширитель лазерного пучка
Статья научная
Повышение точности определения дальности до космических аппаратов с помощью лазерной локации возможно при применении дисперсионного метода в определении поправки среднего коэффициента преломления атмосферы. Цель данной работы - рассчитать расширитель лазерного пучка, работающий одновременно для широкого диапазона длин волн без дополнительной перефокусировки. Приведен вариант расчета оптической системы расширителя лазерного пучка для лазерного спутникового дальномера в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Расширитель лазерного пучка представляет собой катадиоптрическую систему с входным зрачком диаметром примерно 42 мм и выходным - примерно 300 мм. Коллимация лазерного пучка происходит в расширителе без дополнительной перефокусировки для длин волн 435-2098 нм при 7-кратном увеличении. Определены расходимости пучков для монохроматического излучения. В предложенной оптической системе используется фокус Куде, позволяющий применять аппаратуру, установленную стационарно. При расчете оптической системы радиусы кривизны всех сферических поверхностей выбраны из рядов значений, рекомендуемых ГОСТ 1807-75, что удешевляет технологию изготовления. В обратном ходе лучей расширитель способен играть роль питающей оптики объектива сопровождения объекта в оптическом диапазоне. Чтобы избежать виньетирования при использовании расширителя в роли питающей оптики ПЗС-камеры для сопровождения спутника (в обратном ходе лучей), рассчитаны соответствующие световые диаметры линз. Рассчитанный зеркально-линзовый расширитель лазерного пучка для широкого оптического диапазона и ближней инфракрасной области спектра может быть использован как в системах лазерной спутниковой локации, так и для лазерных радаров на поверхности Земли.
Бесплатно
Идентификация математической модели теплового состояния гидросистемы летательного аппарата
Статья научная
Предложен метод математического моделирования теплового состояния гидросистемы летательного аппарата. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных для углепластиковой композитной теплоизоляции и обыкновенных дифференциальных уравнений для элементов гидросистемы, описывающих их теплообмен с воздушной средой и окружающими поверхностями. Для решения прямой задачи теплового состояния элементов гидросистемы, т. е. для решения жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений, использовали численную схему типа Розенброка второго порядка аппроксимации для неавтономных систем и решение системы дифференциальных уравнений с частными производными метода Монте-Карло на основе вероятностного представления решения в виде математического ожидания функционала от диффузионного процесса. Обратная задача теплового состояния элементов гидросистемы решена композицией метода наискорейшего спуска, метода Ньютона и квазиньютоновского метода Бройдена - Флетчера - Гольдфарба - Шэнно. Разработана математическая модель теплового состояния агрегата гидросистемы в негерметическом отсеке летательного аппарата и оценены доверительные интервалы каждого из искомых коэффициентов модели с использованием распределения при доверительной вероятности b = 0,95.
Бесплатно
