VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Методология проведения комплекса испытаний МКА на примере спутника SiriusSat
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наше время происходит бурное развитие космической техники. С каждым годом количество запусков аппаратов различного назначения в космос только возрастает. Их срок жизни также увеличивается, что является огромным плюсом для заказчика. Способствует этому не только развитие технологий проектирования, но и совершенствование систем проведения испытаний. Так как в условиях работы спутника невозможно осуществить своевременный ремонт какого-либо элемента, от испытателей требуется предусмотреть всевозможные варианты ситуаций, в которых будет находиться аппарат. Для этого проводятся комплексы испытаний, в ходе которых изучается его поведение в экстремальных условиях.
Цель: Проведение комплекса наземных испытаний над спутником SiriusSat.
Этапы:
Изучение методик проведения и видов испытаний космических аппаратов.
Проведение испытаний малого космического аппарата SiriusSat.
Подготовка к испытаниям.
Проведение механических испытаний:
Подготовка оборудования.
Выполнение испытаний.
Подведение итогов.
Проведение термовакуумных испытаний:
Подготовка оборудования.
Выполнение испытаний.
Подведение итогов.
Выводы.
1.1. Изучение методик проведения и видов испытаний космических аппаратов
Испытания космического аппарата делятся на два этапа: наземные и летные. Целью проведения наземных испытаний спутника является получение образца, соответствующего требованиям технического задания. В ходе них решаются следующие задачи:
• проверка правильности заложенных конструкторских решений и их корректировка в случае отрицательного результата;
• отработка систем аппарата в условиях их будущей эксплуатации;
• исследование и устранение потенциальных причин неисправностей КА.
Наземные испытания делятся на два типа, это:
лабораторные, в ходе которых исследуется возможность использования тех или иных отдельных элементов и материалов, а также применения новых технологий в данном космическом аппарате;
комплексные испытания, как некоторых систем, так и всего спутника в целом.
Основными видами наземных испытаний являются механические и термовакуумные.
Рассмотрим каждый вид отдельно.
Механические испытания
Во время выведения и полета космический аппарат испытывает существенные механические воздействия, оказываемые на его корпус. Среди механических испытаний выделяют:
• ударные;
• вибрационные;
• испытания ускорением;
• резонансные.
Рассмотрим цели каждого испытания.
• Цель испытаний на ударную нагрузку – демонстрация способности спутника выдерживать ударные уровни в течение короткого промежутка времени.
• Цель испытаний на случайные и синусоидальные вибрации - демонстрация способности космического аппарата выдерживать вибрации с заданными характеристиками, возникающими во время запуска или других вибрационных воздействий.
• Цель испытаний ускорением – демонстрация способности спутника выдерживать постоянные продольные и боковые перегрузки.
Цель резонансного испытания – определение собственных частот аппарата, которые должны превышать собственные частоты ракеты-носителя, предъявляемые оператором запуска.
Термовакуумные испытания
Цель термовакуумных испытаний – проверка работоспособности спутника в условиях, возникающих при запуске. Время испытаний начинается, когда требуемые уровни температуры и давления достигнуты и заканчиваются или какой-либо уровень больше не поддерживается. Если возможна связь со спутником внутри камеры, то термовакуумные испытания можно использовать для проверки правильности функционирования спутника в условиях сильно меняющихся температур и пониженного давления.
Проведение испытаний малого космического аппарата SiriusSat
Подготовка к испытаниям
Во время проектной смены “Большие вызовы” 2017 ОЦ”Сириус” наша команда занималась доработкой образовательного наноспутника Орбикрафт Про 1U созданного компанией “Спутникс”, впоследствии названного SiriusSat, и подготовкой его к запуску в космос. Аппарат предназначен для исследования микровысыпаний в радиационных поясах Земли, с помощью его полезной нагрузки, а именно сцинтилляционного детектора заряженных частиц разработанного сотрудниками НИИЯФ МГУ совместно с нами. Одной из задач было проведение наземных испытаний на оборудовании лаборатории космических систем ОЦ”Сириус”. Для этого совместно с лабораторией и научным руководителем была разработана методика проведения испытаний, которая сведена в таблицу 1.
2.1.2 Проведение механических испытаний
Испытания ускорением, синусоидальными и случайными вибрациями, ударами, а также изучение собственных частот космического аппарата мы проводили на вибростенде (рисунок 1.1). Так как крепления на стенде не предназначались для присоединения на него спутника, нам пришлось сделать переходник. Сначала мы сделали 3D-модель специальной платформы-крепежа в программе SolidWorks, а затем вырезали ее из алюминия толщиной 3 мм.
Но при исследовании собственных частот КА появлялись помехи, причиной которых являлась малая собственная частота пластины. Вследствие чего было решено вырезать переходник из более толстого материала, поэтому мы выбрали фанеру толщиной 10 мм:
Но фанеры также не хватило, и она давала помехи, как мы думаем, возникающие в основном из-за упругости дерева. Поэтому нами было решено делать крепеж из листа алюминия толщиной 10 мм:
Данной пластины было достаточно для проведения требуемых испытаний. Также для установки датчиков на спутник, мы начертили и вырезали из оргстекла крепления для них. Фотография всего устройства представлена на рисунке 1.2.
В ходе каждого испытания мы получали графики характеристик с прикрепленных на спутнике, платформе и вибростенде датчиков. Все графики представлены в приложении 2. Согласно требованиям, которые задал нам научный руководитель, собственная частота аппарата должна быть больше 135 Гц, что видно на графике резонансных испытаний. Это свидетельствовало об успешном проведении тестов.
Во время проведения вибрационных испытаний все проходило в соответствии с программой, и после них аппарат работал штатно, а также нами был получен график показаний, представленный в приложении 2. Поэтому вибрационные испытания прошли успешно.
Заключительным испытанием, проводимом на вибростенде, была проверка работоспособности аппарата при воздействии на него ударных нагрузок. Весь тест был проведен согласно плану, аппарат после него работал нормально. Это испытание прошло успешно. В конце мы также получили график показаний.
Подводя итог проведенным механическим испытаниям, можем отметить, что конструкция спутника, оказалась надежной, что доказывается успешным проведением всех запланированных тестов.
2.1.3 Проведение термовакуумных испытаний
Далее мы стали готовиться к проведению термовакуумных испытаний. Так как требовалось проверить работоспособность спутника в создаваемых условиях, то мы соединили его с переходником в камере, а затем с компьютером, на котором отображалась телеметрия (присунок 3.1), приходящая с аппарата. Для предотвращения перегрева проводов, мы обернули их алюминиевой фольгой. Все было готово к проведению испытаний. И во время испытаний и после спутник работал штатно и передавал нам телеметрию, мы также получили графики давления и температуры в камере (рисунки 3.2, 3.3), на которых видно, что требуемые показания окружающей среды были достигнуты.
2.2 Выводы
По результатам всех проведенных нами испытаний, мы сделали вывод, что МКА SiriusSat готов к запуску в космос. 10 июля 2018 года в 00:51 МСК с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя “Союз 2.1а” был запущен транспортный грузовой корабль Прогресс МС-09 на борту которого были 2 наноспутника SiriusSat, которые уже в 04:31 МСК того же дня были доставлены на МКС. А уже 15 августа 2018 года во время запланированного выхода в открытый космос космонавтами Олегом Артемьевым и Сергеем Прокопьевым были запущены в открытый космос (рисунки 4.1, 4.2). Спутники и по сей день штатно работают и несут полезную информацию о радиации для ученых МГУ.
Литература
Б.П.Соустин, Н.А,Тестоедов, А.Г.Рудомёткин, А.В.Алькин - Виброиспытания космических аппаратов, 2000.
П.Фортескью, Д.Старк, Г.Суинерд – Разработка систем космических аппаратов, 2017.
В.Н. Гущин - Основы устройства космических аппаратов, 2003 .
Таблца 1 - Характеристики испытаний
Приложение 1
Рис. 1.2. Готовая установка
Рис. 1.1. Вибростенд
Приложение 2
Рис. 2.1. График резонансных испытаний
Рис. 2.2. График вибрационных испытаний
Рис. 2.3. График ударных испытаний
На графиках: красная линия – показания со стенда
Синяя, розовая и голубая линии – с платформы и аппарата
Зеленая – заданная характеристика
Приложение 3
Рис. 3.1. Телеметрия со спутника.
Рис. 3.2. График давления
Рис. 3.3. График температуры
Приложение 4
Рис. 4.1. Запуск ракеты-носителя Союз 2.1а
Рис. 4.2. Запуск спутника SiriusSat