Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University10910.18323/2073-5073-2019-1-50-57ArticlesСтатьиDETERMINATION OF LOADS FOR STRENGTH CALCULATIONS OF THE ATTACHMENT FITTINGS OF THE DEVICES AND ASSEMBLIES OF A SPACECRAFT IN A POWERED FLIGHTОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК ДЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ ПРИБОРОВ И АГРЕГАТОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА АКТИВНОМ УЧАСТКЕ ПОЛЕТАPopkovA. A.ПопковА. А.
Russian Federation
FilatovV. A.ФилатовВ. А.
Russian Federation
FilipovA. G.ФилиповА. Г.
Russian Federation
Academician S.P. Korolev Samara State National Research UniversityСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева29032019150571103202111032021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/109

The paper presents the technique of the study of the loads on the gyroscopes of the spacecraft motion control system in the flight segment as a part of a space rocket. This problem is a problem of vibration resistance and is solved mainly for the attachments, which is mounted to the body of a vehicle. These attachments can be the mechanisms, antennas, locks, explosive charges, electrical actuators, telemetry transmitters, devices, and assemblies of a spacecraft. In addition to the above mentioned the elements of fastening equipment: fittings, landing planes, brackets, and flanges may be an object of consideration as well.

The goal of the study is the description of the calculation of the loads (dynamic analysis) for the onboard equipment of a spacecraft in the flight segment as a part of a space rocket. The load values are necessary for strength calculations, the results of which are considered when designing the fixtures for the devices and units, as well as when designing and configuring the devices of rocket and space technology.

As an example of calculation, the authors chose the gyroscopes of the motion control system of small spacecraft “AIST-2D”, the load case was “the max-q”. Based on the initial data, the authors constructed a finite element model (FEM) of the plants to determine the loading values. The model is constructed in the FEMAP software program for interactive creation and maintenance. NX NASTRAN is the solver that is used to carry out the dynamic analysis of the structure – the transient analysis.

As a result of the solution, based on the data obtained, the time change of characteristic parameters of loading – acelerations – is shown. Operational overloads influencing the gyroscope assemblies in each direction of the rectangular coordinate system are obtained from the acceleration graphs by dividing by the acceleration of gravity. The authors compared the calculated and experimental data. For the convenience of performance evaluation, the values are shown for one of four gyroscopes mounted in the spacecraft service systems module.

В статье приведена методика исследования нагрузок на установки гироскопов системы управления движением космического аппарата на участке полета в составе ракеты космического назначения. Задача относится к типу вибропрочностных и решается в основном для навесного оборудования, которое крепится к корпусу изделия. У космических аппаратов это могут быть механизмы, антенны, замки, пирозаряды, электроприводы, передатчики телеметрии, приборы и агрегаты. Помимо вышеперечисленного, объектом рассмотрения также могут выступать элементы крепления оборудования: фитинги, посадочные плоскости, кронштейны, фланцы.

Цель работы – описание расчета нагрузок (динамический анализ) для бортовой аппаратуры космического аппарата на участке полета в составе ракеты космического назначения. Значения нагрузок необходимы для прочностных расчетов, результаты которых учитываются при проектировании креплений приборов и агрегатов, а также при составлении конструкции и компоновки изделий ракетно-космической техники.

В качестве примера расчета выбраны гироскопы системы управления движением малого космического аппарата «АИСТ-2Д», случай нагружения – «максимальный скоростной напор». Для определения значений нагрузок на основе исходных данных построена конечно-элементная модель установок. Построение модели проводится в программе интерактивного создания и сопровождения Femap. Решателем является NX Nastran, с помощью которого выполняется динамический анализ конструкции – анализ переходного процесса.

В результате решения на основе полученных данных показано изменение по времени характерных параметров нагружения – ускорений. Эксплуатационные перегрузки, действующие на установки гироскопов в каждом из направлений прямоугольной системы координат, получены из графиков ускорений путем деления на ускорение свободного падения. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Для удобства оценки характеристик, значения показаны для одного из четырех гироскопов, установленных в модуле служебных систем космического аппарата.

spacecraftcalculated load casevibration resistancefinite element modeldynamic analysistransient analysisdamping coefficientкосмический аппаратрасчетный случай нагружениявибропрочностьконечно-элементная модельдинамический анализанализ переходного процессакоэффициент демпфированияChebotarev V.E., Fateev A.V. Features of orientation of navigating spacecrafts. Kosmicheskie apparaty i technologii, 2018, vol. 2, no. 2, pp. 84–88.Чеботарев В.Е., Фатеев А.В. Особенности ориентации навигационных космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2018. Т. 2. № 2. С. 84–88.Zimin I.I., Valov M.V., Chebotarev V.E. The principles of submodular design of the unified space platform. Issledovaniya naukograda, 2017, vol. 1, no. 4, pp. 161–165.Зимин И.И., Валов М.В., Чеботарев В.Е. Принципы субмодульного построения унифицированной космической платформы // Исследования наукограда. 2017. Т. 1. № 4. С. 161–165.Demenko O.G., Biryukov A.S. Special features of verification for EXOMARS-2020 Spacecraft Composite Descent Module shock strength. Vestnik NPO imeni S.A. Lavochkina, 2018, no. 2, pp. 71–77.Деменко О.Г., Бирюков А.С. Особенности отработки ударной прочности десантного модуля космического аппарата (межпланетной станции) «ЭкзоМарс-2020» // Вестник НПО имени С.А. Лавочкина. 2018. № 2. С. 71–77.Park T.Y., Jeon S.H., Kim S.J., Jung S.H., Oh H.U. Experimental Validation of Fatigue Life of CCGA 624 Package with Initial Contact Pressure of Thermal Gap Pads under Random Vibration Excitation. International Journal of Aerospace Engineering, 2018, vol. 2018, article number 2697516.Park T.Y., Jeon S.H., Kim S.J., Jung S.H., Oh H.U. Experimental Validation of Fatigue Life of CCGA 624 Package with Initial Contact Pressure of Thermal Gap Pads under Random Vibration Excitation // International Journal of Aerospace Engineering. 2018. Vol. 2018. Article number 2697516.Mikrin E.A. Outlook for our country’s manned spaceflight development (to mark the 110th anniversary of S.P. Korolev). Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 1, pp. 5–11.Микрин Е.А. Перспективы развития отечественной пилотируемой космонавтики (к 110-летию со дня рождения С.П. Королёва) // Космическая техника и технологии. 2017. № 1. С. 5–11.Kirilin A.N., Akhmetov R.N., Shakhmatov E.V., Tkachenko S.I., Baklanov A.I., Salmin V.V., Semkin N.D., Tkachenko I.S., Goryachkin O.V. Opytnotekhnologicheskiy malyy kosmicheskiy apparat “AIST- 2D” [Experimental and technological small spacecraft “AIST-2D”]. Samara, Samarskiy nauchnyy tsentr RAN Publ., 2017. 324 p.Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Шахматов Е.В., Ткаченко С.И., Бакланов А.И., Салмин В.В., Семкин Н.Д., Ткаченко И.С., Горячкин О.В. Опытно-техно-логический малый космический аппарат «АИСТ-2Д». Самара: Самарский научный центр РАН, 2017. 324 с.Ermakov D.A. Methodological support of the solution of mathematical problems. Molodoy uchenyy, 2018, no. 8, pp. 15–17.Ермаков Д.А. Методическое обеспечение решения математических моделей // Молодой ученый. 2018. № 8. С. 15–17.Kurochkina I.V., Milokhova V.I., Mokshanova R.A., Voronkova G.V. Solution of spatial frame structure with large node displacements by finite elements method in a mixed form. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal, 2017, no. 7-3, pp. 45–50.Курочкина И.В., Милохова В.И., Мокшанова Р.А., Воронкова Г.В. Решение пространственных стержневых систем с большими перемещениями узлов методом конечных элементов в смешанной форме // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 7-3. С. 45–50.Zhang H.-M., Shang D.-G., Lv S. FES of the effect of free vibration treatment on fatigue damage recovery for notched copper film. MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 165, article number 14008.Zhang H.-M., Shang D.-G., Lv S. FES of the effect of free vibration treatment on fatigue damage recovery for notched copper film // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 165. Article number 14008.Popkov A.A., Filatov V.A., Filipov A.G. The method of calculation of loads for installations on-board equipment of the spacecraft. Sovremennye nauchnye issledovaniya i razrabotki, 2018, no. 12, pp. 722–727.Попков А.А., Филатов В.А., Филипов А.Г. Методика расчета нагрузок для установок бортовой аппаратуры космического аппарата // Современные научные исследования и разработки. 2018. № 12. С. 722–727.Kyi A.M., Htwe E.E., Maung W.P. Transient Response Analysis and Modelling of Elevating Screw for Radial Drilling Machine. International Journal of Scientific and Research Publications, 2018, vol. 8, no. 10, pp. 683–691.Kyi A.M., Htwe E.E., Maung W.P. Transient Response Analysis and Modelling of Elevating Screw for Radial Drilling Machine // International Journal of Scientific and Research Publications. 2018. Vol. 8. № 10. P. 683–691.Losev N.N., Golovkov V.V., Kindyakov D.G., Ulanov R.O., Trunov K.A. Universal stand Assembly and testing of equipment on-board information and navigation system of the spacecraft “GLONASS-K2”. Kosmicheskie apparaty i tekhnologii, 2018, vol. 2, no. 3, pp. 175–179.Лосев Н.Н., Головков В.В., Киндяков Д.Г., Уланов Р.О., Трунов К.А. Универсальный стенд сборки и испытаний аппаратуры бортового информационно-навигационного комплекса космического аппарата «ГЛОНАСС-К2» // Космические аппараты и технологии. 2018. Т. 2. № 3. С. 175–179.Bezmozgiy I.M., Bobylev S.S., Sofinskiy A.N., Chernyagin A.G. The effect of thrust cut-off the third stage of the launch vehicle on the loading and strength of the transport cargo vehicle structure. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 2, pp. 63–79.Безмозгий И.М., Бобылев С.С., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. Нагружение и прочность конструкций транспортного космического корабля при воздействии отсечки тяги двигателя третьей ступени ракеты- носителя // Космическая техника и технологии. 2017. № 2. С. 63–79.Vostrukhin A.A., Golovin D.V., Kozyrev A.S., Litvak M.L., Malakhov A.V., Mitrofanov I.G., Mokrousov M.I., Tomilina T.M., Grebennikov A.S., Laktionova M.M., Bakhtin B.N. Microphonics in scintillation gamma-spectrometer in vibration environment onboard spacecraft. Kosmicheskaya tekhnika i technologii, 2017, no. 1, pp. 82–88.Вострухин А.А., Головин Д.В., Козырев А.С., Литвак М.Л., Малахов А.В., Митрофанов И.Г., Мокроусов М.И., Томилина Т.М., Гребенников А.С., Лактионова М.М., Бахтин Б.Н. Микрофонный эффект в сцинтилляционном гамма-спектрометре в условиях вибрационных воздействий на борту космического аппарата // Космическая техника и технологии. 2017. № 1. С. 82–88.Igolkin A.A., Safin A.I., Filipov A.G. Modal analysis of the dynamic mockup of “AIST-2d” small spacecraft. Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie, 2018, vol. 17, no. 2, pp. 100–108.Иголкин А.А., Сафин А.И., Филипов А.Г. Модальный анализ динамического макета малого космического аппарата «АИСТ-2Д» // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17. № 2. С. 100–108.Mezhin V.S., Obukhov V.V. The development and experimental verification of solar array in folded configuration dynamic finite element model with taking into account an air environment. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 1, pp. 98–108.Межин В.С., Обухов В.В. Разработка и экспериментальное Подтверждение динамической конечноэлементной модели Солнечной батареи в конфигурации участка выведения, учитывающей влияние воздушной среды // Космическая техника и технологии. 2018. № 1. С. 98–108.Avershev A.S., Bobylev S.S., Falin K.A. The updated verification procedure of detailed finite element structural models of rocket-space technology for analysis of dynamic loading in flight by the example of the Progress MS cargo transport vehicle. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 1, pp. 40–53.Авершьев А.С., Бобылев С.С., Фалин К.А. Процедура проведения уточненной верификации подробных конечноэлементных моделей конструкций ракетно- космической техники для анализа динамических нагружений в полете на примере транспортного грузового корабля «Прогресс МС» // Космическая техника и технологии. 2018. № 1. С. 40–53.Sedelnikov A.V., Puzin Yu.Ya., Filippov A.S. Method of flight operation of software and hardware for controlling parameters of the rotational motion of small spacecraft of the AIST series. Aviatsionno-raketnoe i energeticheskoe mashinostroenie, 2018, vol. 2, no. 3, pp. 35–42.Седельников А.В., Пузин Ю.Я., Филиппов А.С. Методика летной эксплуатации программно-аппаратных средств контроля параметров вращательного движения малых космических аппаратов серии «АИСТ» // Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2. № 3. С. 35–42.Dorosinskiy A.Yu., Gerasimov O.N., Artamonov D.V. The Influence of shock loading on structural materials and wire wound resistors. Nadezhnost i kachestvo slozhnykh system, 2017, no. 3, pp. 33–36.Доросинский А.Ю., Герасимов О.Н., Артамонов Д.В. Влияние ударных нагрузок на конструкционные материалы и проволочные резисторы // Надежность и качество сложных систем. 2017. № 3. С. 33–36.Gerasimov O.N., Dorosinskiy A.Yu., Berezin M.N. Study of the effect of the action of vibration loads on the structural materials of electronic devices. Nadezhnost i kachestvo slozhnykh system, 2017, no. 3, pp. 37–42.Герасимов О.Н., Доросинский А.Ю., Березин М.Н. Исследование влияния воздействия вибрационных нагрузок на конструкционные материалы изделий электронной техники // Надежность и качество сложных систем. 2017. № 3. С. 37–42.