Повышение производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров космических антенн. Полухин николай валерьевич

Оставьте комментарий 6,950

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

На правах рукописи

УДК 629.7.018.002.72(075)

ПОЛУХИН НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ АНТЕНН

Специальности: 05.02.08 – Технология машиностроения;

05.07.02 – Проектирование, конструкция и производство
летательных аппаратов

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2008

Работа выполнена в Ракетно-космической корпорации «Энергия» им.С.П. Королёва и Московском государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тарасов Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чумадин Анатолий Семенович

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Попов Евгений Дмитриевич

Ведущее предприятие: ФГУП ЦНИИ «Комета»

Защита состоится « 29 » октября 2008 г. на заседании диссертационного совета Д.212.141.06 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: 499-267-09-63

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н.,доцент Михайлов В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение точности выходных геометрических параметров и снижение трудоёмкости её достижения является важной технологической задачей машиностроительного производства, поскольку она определяет повышение технической и экономической эффективности эксплуатации технических систем. Задача часто решается путем регулирования геометрических параметров на базе различных методов компенсации погрешностей при сборке конструкции: удалением припуска в процессе сборки путём механической обработки по месту; заполнением зазоров между стыкуемыми поверхностями; относительным перемещением и деформированием элементов конструкции.

В ракетно-космическом машиностроении особой остротой отличается технологическая задача регулирования формы поверхности больших раскрывающихся космических антенн, где при габаритных размерах антенны 10 – 20м необходимо ограничить отклонение точек поверхности рефлектора от теоретического контура уровнем ±0,3мм. В этом классе изделий ракетно-космической техники (РКТ) стремление снизить материалоёмкость конструкции и трудоёмкость её сборки определило предпочтение деформационному методу регулирования геометрических параметров объекта среди других методов компенсации погрешностей.

Однако сложность его реализации состоит в том, что регулировочное смещение любой контролируемой точки вызывает индуцированное смещение соседних точек и нарушает достигнутое состояние геометрических параметров поверхности антенны, требуя новых итераций в процессе уточнения положения одних и тех же точек. Большое количество контролируемых точек (порядка нескольких тысяч), отсутствие алгоритмов регулирования и доказательств сходимости итерационного процесса требуют создания теоретической базы обеспечения точности поверхности.

В связи с этим данную работу, посвященную методическому обеспечению технологического регулирования формы поверхности антенны, следует считать актуальной, поскольку разрабатываемые положения могут быть использованы при изготовлении самых современных и перспективных антенн без ограничений по размерам и форме крупногабаритных конструкций.

Работа выполнена в период с 2002 по 2006 годы и имеет практическое применение при регулировании поверхности 12 метровой антенны, изготовленной в ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева по заказу ЗАО НПО «ЭГС».

Цель работы - повышение точности геометрических параметров рефлектора крупногабаритных космических антенн и сокращение трудоёмкости их сборки.

Научная задача. Теоретическое обоснование технологического метода и способов снижения трудоёмкости и повышения точности деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн их при сборке.

Научная новизна работы заключается:

В теоретическом обосновании технологического метода безитерационного деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн, который обеспечивает снижение трудоёмкости сборки при достижении требуемой точности параметров.
В доказательстве возможности применения линейной модели регулирования такой сложной конструкции как антенна.
В установлении безразмерного комплекса, характеризующего протяженность зоны влияния регулировочного смещения.
В научном обосновании наследственного характера формирования остаточных погрешностей положения точек поверхности антенны, что доказывает возможность повышения точности антенны путём повторения регулировки.

Практической ценностью обладают следующие результаты работы:

Предложенное методическое обеспечение, сокращающее более чем в 3 раза трудоёмкость регулировки геометрических параметров антенны. В том числе установленная зависимость между исходной погрешностью и регулировочным смещением.
Способ применения контр-эталона при монтаже отражающей поверхности антенны, который защищён патентом РФ.
Технологический процесс монтажа отражающей поверхности антенны, который обеспечивает требования к точности формы и электрофизическим характеристикам.

Методы исследования. При выполнении исследований использовался аппарат теории упругости, механики сплошной среды, математического анализа и математической статистики, положения теории технологической наследственности и теории технических измерений.

Достоверность результатов исследования обеспечена корректным использованием математических и экспериментальных методов исследования и подтверждена сравнением расчетных зависимостей с экспериментальными данными, а также результатами лабораторных и натурных испытаний.

Апробация и внедрение результатов работы .

Материалы диссертации доложены на 5 международных научно - технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 2 научные статьи и 1 доклад. Получен патент РФ на устройство регулирования положения жестких точек вантово-сетевой конструкции антенны. Методическое и технологическое обеспечение, разработанное в диссертационной работе, использовано при изготовлении рефлектора крупногабаритной антенны 12АКР в ракетно-космической корпорации “Энергия” им. С.П.Королева.

На защиту выносится .

Технологический метод безитерационного деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн, который обеспечивает снижение трудоёмкости сборки при достижении требуемой точности параметров.
Методическое обеспечение определения коэффициентов взаимного влияния регулировочных и индуцированных смещений контролируемых точек вантово-сетевой конструкции космических антенн.
Установленные функциональные связи между исходными погрешностями, регулировочными смещениями и остаточными погрешностями, которые позволяют прогнозировать достижимую точность регулирования формы поверхности антенны и осуществлять экспресс-оценку уровня регулировочных смещений.
Рекомендации на конструктивные параметры устройства для регулирования положения жестких точек рефлектора.

Реализация результатов работы. Предложенные рекомендации по построению технологического процесса сборки и регулировки отражающей поверхности и применению защищенной патентом конструкции контр-эталона использованы при изготовлении на РКК «Энергия» космического рефлектора 12АКР.

Структура и объём работы. Диссертация включает 134 страницу машинописного текста, 60 рисунков, 5 таблиц и состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка использованных источников литературы.

Во введении изложена проблема повышения точности формы отражающей поверхности космического рефлектора за счёт применения деформационного регулирования положения его точек по отношению к теоретическому контуру.

В первой главе работы рассматриваются вопросы обеспечения точности маложёстких конструкций трансформирующихся космических антенн. Анализ показал, что разработка и производство космических антенн определяет эффективность большинства космических систем: телекоммуникационных спутников, спутников наблюдения и навигации. Значительный вклад в успехи развития космических систем внесли работы таких зарубежных и российских фирм, как Astro Aerospaсe Northrop Grumman, Harris Corp и JPL, Mitsubishi, DLR, ESA ESTEC, Alenia Spazio, НПО ПМ (г.Железногорск), ОКБ МЭИ, ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, РКК «Энергия», «НПО ЭГС», СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева (г. Красноярск) и др. Среди авторов научно-методического обеспечения для разработки и производства космических антенн следует назвать: В.И.Халимановича, В.В.Двирного, В.Г.Бутова, С.В.Понамарёва, А.А.Лохова, А.Г.Чернявского, П.П.Белоножко, В.Н.Зимина, Ueba Masazumi, Tanaka Hiroshi, Harada Satoshi, Mark W. Thomson.

Обеспечение эффективности космических систем требует от конструкции и технологии производства, чтобы рефлектор имел размеры 10-20м и более, насчитывал не менее 800-1000 контролируемых точек, а погрешность их положения не превышала бы ±0,3мм. На стойках каркаса антенны располагается только половина точек, а другая половина точек образуется узлами сетевой конструкции из нитей, армирующих сетеполотно отражающей поверхности. Для регулировки положения этих точек конструкция имеет ванты-растяжки, с помощью которых сетевая конструкция упруго деформируется.

Основная проблема регулировки положения точек антенны состоит в том, что принудительное перемещение одних точек с помощью вант вызывает индуцированное смещение соседних точек, которое нарушает ранее достигнутое положение. Для осуществления регулировки потребуется большое число итераций, сходимость которых может быть невысокой.

Проведённый анализ литературы показал, что большинство публикаций посвящено выбору конструктивных параметров рефлектора. Работ, направленных на обеспечение точности рефлектора, явно недостаточно для построения эффективной технологии регулировки поверхности рефлектора. Результаты анализа доказали важность научной задачи методического обеспечение регулировки поверхности антенны и позволили провести её декомпозицию, выделив задачи исследования.

Вторая глава посвящена созданию методического обеспечения для выбора рациональной комбинации регулировочных смещений, обеспечивающих безитерационный процесс регулирования формы поверхности рефлектора. Показано, что в основу методического обеспечения можно положить линейную модель

связывающую матрицы-столбцы регулировочных (Vy) (размер J) и индуцированных смещений (VФ) (размер I) точек рефлектора в процессе регулирования формы его поверхности, где () – матрица коэффициентов влияния регулировочных и индуцированных точек (размер I J).

Особенностью применения линейной модели является её избыточность в силу того, что в общем случае выполняется неравенство I > J.

Методическое обеспечение создано на базе сопоставления двух принципов выбора регулировочного решения. Принцип альтернативного выбора состоит в последовательном решении С систем из J уравнений,

полученных вычеркиванием из общей системы I – J уравнений, где С – число сочетаний из I по I - J.

В результате заполняются таблицы вариантов регулировочных смещений (Vy) и остаточных погрешностей (Ф) для этих вариантов (табл.1,2), где k - индекс остаточных погрешностей, соответствующих удаленным уравнениям. Число строк матрицы - I-J. Для удобства сравнения в правой части строк приводятся допустимые значения этих погрешностей.

Рациональное регулировочное решение выбирается после удаления из табл. 2 неприемлемых вариантов по величине регулировочных смещений и остаточных погрешностей.

В основе принципа безальтернативного выбора лежит метод наименьших квадратов, где в качестве целевой функции используется сумма квадратов остаточных погрешностей

Равенство нулю частных производных позволяет получить систему из J уравнений, которая даёт единственное решение

где ; - обратная матрица; - матрица коэффициентов влияния регулировочных смещений на соседние точки; - транспонированная матрица коэффициентов влияния ; - матрица свободных членов.

Сравнение результатов применения обоих принципов в тестовой задаче регулирования точек поверхности антенны показывает, что безальтернативный выбор регулировочного решения сокращает трудоёмкость и субъективность принимаемого решения в силу его единственности. При этом точность регулирования не уступает лучшему варианту, найденному при альтернативном выборе решения.

В третьей главе проведено экспериментальное и теоретическое исследование поведения взаимосвязанных точек вантово-сетевой конструкции антенны при осуществлении регулировочных смещений. Методика исследования состояла в том, что в условиях физического или вычислительного эксперимента совершаются регулировочные смещения и определяются индуцированные смещения. Результатом исследования стало определение матрицы коэффициентов взаимных влияний, компоненты которой могут быть определены путем физического и вычислительного эксперимента.

При проведении физического эксперимента измерение координат осуществлялось одновременно двумя парами электронных теодолитов в системе координат реперных знаков, установленных на стенах сборочного цеха.

На основе применения методики измерения координат точек антенны с помощью электронных теодолитов экспериментально установлено существование всех компонент индуцированного смещения как у мягких, так и у жестких точек антенны. Для всех точек отражающей поверхности определены коэффициенты влияния между индуцированными и регулировочными смещениями.

Рис.1. График значений коэффициентов влияния регулировочного смещения на соседнюю мягкую точку антенны в направлении центра

(Линии: сплошные- экспериментальное значение; пунктирная – теоретическое значение; штрих-пунктирные – границы доверительного интервала)

В качестве примера на рис.1. представлен график значений коэффициентов влияния регулировочного смещения на соседнюю мягкую точку антенны в направлении центра. Показано, что уровень коэффициентов влияния внутри силового кольца вдвое меньше, чем на периферии антенны.

Альтернативным способом определения коэффициентов связи регулировочных и индуцированных смещений, который не требует применения трудоёмких измерительных процессов и дорогостоящего оборудования, является разработка и исследование конечно-элементной модели вантово-сетевой конструкции антенны.

В работе создана конечно-элементная модель вантово-сетевой конструкции антенны (рис.2) в среде Nastran. При этом принималось, что армирующие волокна имеют круглые сечения, а стойки – прямоугольные. Механические характеристики для волокна соответствовали арамидному волокну, а стойки углепластику.

Рис.2. Общий вид конечно-элементной модели отражающей поверхности рефлектора 12АКР в MSC/NASTRAN for Windows

Пример оценки индуцированных смещений при регулировании положения мягкой точки отражающей поверхности рефлектора 12АКР представлен на рис.3.

Сравнение вычислений с экспериментом показало, что конечно - элементная модель антенны позволяет с удовлетворительной точностью рассчитать коэффициенты влияния без дорогих и трудоёмких экспериментов, а линейная модель регулирования может быть положена в основу выбора регулировочного решения. Это важно на стадии принятия конструктивно-технологических решений, определяющих облик проектируемой антенны, обеспечение её точности и экономической эффективности её производства.

Рис.3. Численный анализ деформирования отражающей поверхности
антенны при регулировании

Аналитические оценки, проведённые в 3-й главе, были направлены на установление размеров локальной области регулировочного воздействия, что важно для определения потребного количества технологической оснастки при проведении регулирования. Было получено дифференциальное уравнение для прогибов нити и установлено, что размер зоны влияния зависит от допустимого уровня смещения на границе зоны влияния и безразмерного параметра. Его образуют геометрические параметры схемы армирования, а также жесткости армирующего волокна и углепластиковых стоек.

Четвёртая глава посвящена практическому использованию методических разработок и технологических рекомендаций, позволивших сократить трудозатраты на достижение требований к точности поверхности.

В предложенном технологическом решении принципиальное значение имеет применение контр-эталона, конструкция которого представлена на рис.4 и защищена патентом Российской Федерации.

Рис. 4. Конструктивная схема контр-эталона для обеспечения
точности отражающей поверхности рефлектора

Конструкция контр-эталона содержит основание, выполненное в виде центральной ступицы 1 с закрепленными на ней радиальными ребрами 2, ориентированными вертикально. На периферии ряда основных ребер 2 имеются присоединенные к ним дополнительные ребра 3. На радиальных ребрах основных 2 и дополнительных 3 установлены регулируемые по высоте узлы 4. Со стороны установки узлов 4 поверхность ребер 2 и 3 выполнена эквидистантой теоретической отражающей поверхности рефлектора.

Регулируемые по высоте узлы 4 снабжены бобышками 5, выполненными из мягкого дерева. Вертикальное положение каждой из бобышек 5 регулируется с помощью винтов 6. На периферии ребер 2 и 3 установлены блоки натяжения 7. Основание с противоположной стороны от регулируемых по высоте узлов 4 установлено на раме 8.

Бобышки 5 винтами 6 выставлялись в вертикальном направлении так, чтобы внешняя поверхность бобышек принадлежала теоретической отражающей поверхности изготавливаемого рефлектора. Юстировка положения бобышек, осуществлялась с помощью промышленной оптической координатно-измерительной системы «Leica AXYZ», с точностью 0,1 мм (рис5).

Рис.5. Распределение погрешностей на поверхности контр-эталона

Контр-эталон необходим:

для регулировки положения вершин стоек раскрывающего каркаса, которые образуют часть контролируемых точек поверхности антенны;
для натяжения сетеполотна и создания сетевой конструкции из нити, армирующей отражающую поверхность (рис.6) и образующей в узлах пересечения другую часть контролируемых точек;
для переноса армированной отражающей поверхности на стойки раскрывающего каркаса (рис.7).

Рис.6. Прокладка армирующих нитей со стремянки и формирование
сетевой конструкции на отражающей поверхности антенны

С целью оценки регулируемости отражающей поверхности космического рефлектора разработана методика установления связи между регулировочными смещениями, исходными и остаточными погрешностями. Показано, что:

существует связь между исходными погрешностями и регулировочными смещениями (рис. 8), которую удобно использовать для грубой регулировки отражающей поверхности космического рефлектора;
при тонкой регулировке параметров поверхности рефлектора следует учитывать существование связи (технологической наследственности) между исходными и остаточными погрешностями (рис. 9), осуществляя повторные регулировки.

Рис.7. Перенос с помощью контр-эталона армированной отражающей поверхности на раскрывающийся каркас антенны

Рис. 8. Связь исходных погрешностей и регулировочных смещений

кубики – случайные значения vi; линия – результат аппроксимации

Рис. 9. Связь исходных и остаточных погрешностей

Предложенная технология изготовления и монтажа отражающей поверхности космической антенны может быть использована при изготовлении космических антенн вантово-сетевой конструкции иных (в том числе и больших) размеров. Центральным блоком технологии является монтаж и регулирование формы отражающей поверхности антенны на каркасе конструкции, поскольку они в значительной степени определяют точность параметров и трудоёмкость процесса. Для их проведения на сборочном участке создано рабочее место, осуществляется обработка измеренных координат отражающей поверхности, определяются исходные погрешности и по разработанной методике выбирается регулировочное решение.

Общие выводы по диссертации

1. Анализ конструктивных особенностей вантово-сетевой конструкции космического рефлектора и экспериментально-теоретические исследования её поведения показали, что осуществление деформационного регулирования положения его точек будет осложняться появлением индуцированных смещений соседних точек.

В качестве основы для поиска регулировочного решения в работе:

Предложена линейная модель представления индуцированных смещений в виде суперпозиции влияния регулировочных смещений, а адекватность модели подтверждена численным анализом поведения конструкции на базе применения конечно-элементной модели в среде Nastran.
Показано, что в силу неравенства числа контролируемых и регулируемых точек система уравнений относительно искомых регулировочных смещений в линейной модели будет избыточной, а регулировочное решение не будет однозначным.
На базе физического и вычислительного эксперимента установлено существование всех компонент индуцированного смещения как у мягких, так и у жестких точек антенны. Уровень коэффициентов взаимосвязи регулировочных и индуцированных смещений внутри силового кольца составляет 0,15-0,2, а с внешней стороны кольца уровень взаимного влияния возрастает в 2-3 раза.
Аналитические оценки размеров локальной области регулировочного воздействия позволяют определить потребное количество технологической оснастки для проведения регулирования.

Теоретический анализ технологического метода повышения производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров антенны показал, что:

Применение метода наименьших квадратов при поиске рациональной комбинации регулировочных смещений обеспечивает безитерационность компенсации исходных сборочных погрешностей геометрических параметров антенны.
Превращение исходных погрешностей в остаточные носит наследственный характер, что указывает на возможность повышения точности геометрических параметров путём повторной регулировки.
Для грубой регулировки предлагается использовать установленную связь между исходными погрешностями и регулировочными смещениями.

Разработаны технологический процесс и технологическое оснащение для обеспечения точности изготовления отражающей поверхности космической антенны из сетеполотна, её монтажа и безитерационной регулировки на раскрывающем каркасе антенны. Патентом Российской Федерации защищена новизна конструкции контр-эталона, необходимого для регулировки положения стоек каркаса, для натяжения и армирования отражающей поверхности антенны из сетеполотна, для монтажа отражающей поверхности на каркасе.
Рекомендации, предложенные в работе и внедрённые при изготовлении антенны 12АКР на РКК «Энергия», обеспечили снижение трудоёмкости регулировки более чем в 3 раза, достижение точности фактического положения точек по отношению теоретическому контуру ±0,3 мм, и могут быть рекомендованы при изготовлении космических антенн вантово-сетевой конструкции иных (в том числе и больших) размеров.

Работы по теме диссертации:

Стрекалов А.Ф., Полухин Н.В. Проблемы и достижения ракетно-космического производства в современных условиях. // Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й МНК; В 4-х томах. – М., 2004. - Т.3.– С.61.
Полухин Н.В., Цебро Ю.А. Оценка возможности деформационной компенсации погрешностей сборочного интерфейса конструкций ракетно-космической техники. // Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й МНК; В 4-х томах. – М., 2004. - Т.3.– С.65.
Технологическое обеспечение точности отражающей поверхности параболического рефлектора из сетеполотна в маложестких, раскрывающихся конструкциях космических аппаратов: Технический отчет по теме №ОН-471-03 / МГТУ им.Н.Э.Баумана; рук. темы В.А.Тарасов; исп. В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, А.С.Филимонов и др.. - Инв. №208387. – М., 2004. – 108с.
Тарасов В.А., Полухин Н.В. Теоретические основы регулировки формы поверхности маложестких конструкций РКТ // ХХIХ академические чтения по космонавтике: Тезисы докладов МНК –М., 2005. - С.461-462.
Поведение поверхности раскрывающейся космической антенны в процессе регулирования её формы при сборке./ В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, А.С.Филимонов, Р.В.Боярская// Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2005. - №4. - С.36-41.
Оптимизация процесса регулирования формы поверхности раскрывающихся космических антенн /В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, Р.В.Боярская, Ю.А.Цебро. // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2005. - №6. - С.32-35.
Полухин Н.В., Тарасов В.А. Регулирование формы поверхности рефлектора раскрывающихся космических антенн. // Образование через науку: Тезисы докладов МНК –М., 2005. - С.528
Полухин Н.В., Тарасов В.А. Технологическое обеспечение процессов регулирования форм поверхности крупногабаритных развертываемых антенн космических аппаратов. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК – Красноярск, 2005.-С.125
Пат. 2276823 (Россия), МПК7 Н01Q 15/16: Способ изготовления крупногабаритных развертываемых рефлекторов и устройство для формирования криволинейной поверхности рефлектора / ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева; Н.В. Полухин, А.А. Шитиков, В.А. Романенков и др. // Б.И - 2006..- №17.
Механизмы формирования точности формы поверхности космической антенны при её регулировании / В.А. Тарасов, А.С. Филимонов, Н.В. Полухин и др.// ХХХI академические чтения по космонавтике: Тезисы докладов МНК. – М., 2007. – С.471-472.
Тарасов В.А., Цебро Ю.А., Полухин Н.В. Взаимосвязь регулировочных смещений, исходных и остаточных погрешностей в процессе настройки поверхности рефлектора вантово-сетевой конструкции // Ракетно- космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Тр. 3-й МНК. - М., 2008. - Т. 2. - С.100 - 104.

Автореферат диссертации по теме "Повышение производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров космических антенн"

На правах рукописи УДК 629.7.018.002.72(075)

ПОЛУХИН НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения;

05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Москва-2008

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тарасов Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чумадин Анатолий Семенович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Попов Евгений Дмитриевич

Ведущее предприятие: ФГУП ЦНИИ «Комета»

сентября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.,доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение точности выходных геометрических параметров и снижение трудоёмкости её достижения является важной технологической задачей машиностроительного производства, поскольку она определяет повышение технической и экономической эффективности эксплуатации технических систем. Задача часто решается путем регулирования геометрических параметров на базе различных методов компенсации погрешностей при сборке конструкции: удалением припуска в процессе сборки путём механической обработки по месту; заполнением зазоров между стыкуемыми поверхностями; относительным перемещением и деформированием элементов конструкции.

В ракетно-космическом машиностроении особой остротой отличается технологическая задача регулирования формы поверхности больших раскрывающихся космических антенн, где при габаритных размерах антенны 10 -20м необходимо ограничить отклонение точек поверхности рефлектора от теоретического контура уровнем ±0,3мм. В этом классе изделий ракетно-космической техники (РКТ) стремление снизить материалоёмкость конструкции и трудоёмкость её сборки определило предпочтение деформационному методу регулирования геометрических параметров объекта среди других методов компенсации погрешностей.

Цель работы - повышение точности геометрических параметров рефлектора крупногабаритных космических антенн и сокращение трудоёмкости их сборки.

Научная задача. Теоретическое обоснование технологического метода и способов снижения трудоёмкости и повышения точности деформационного

регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн их при сборке.

Научная новизна работы заключается:

1. В теоретическом обосновании технологического метода безитерационно-го деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн, который обеспечивает снижение трудоёмкости сборки при достижении требуемой точности параметров.

2. В доказательстве возможности применения линейной модели регулирования такой сложной конструкции как антенна.

Практической ценностью обладают следующие результаты работы:

1. Предложенное методическое обеспечение, сокращающее более чем в 3 раза трудоёмкость регулировки геометрических параметров антенны. В том числе установленная зависимость между исходной погрешностью и регулировочным смещением.

2. Способ применения контр-эталона при монтаже отражающей поверхности антенны, который защищён патентом РФ.

3. Технологический процесс монтажа отражающей поверхности антенны, который обеспечивает требования к точности формы и электрофизическим характеристикам.

Методы исследования. При выполнении исследований использовался аппарат теории упругости, механики сплошной среды, математического анализа и математической статистики, положения теории технологической наследственности и теории технических измерений.

Достоверность результатов исследования обеспечена корректным использованием математических и экспериментальных методов исследования и подтверждена сравнением расчетных зависимостей с экспериментальными данными, а также результатами лабораторных и натурных испытаний.

пользовано при изготовлении рефлектора крупногабаритной антенны 12АКР в ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П.Королева.

На защиту выносится.

1. Технологический метод безитерационного деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн, который обеспечивает снижение трудоёмкости сборки при достижении требуемой точности параметров.

3. Установленные функциональные связи между исходными погрешностями, регулировочными смещениями и остаточными погрешностями, которые позволяют прогнозировать достижимую точность регулирования формы поверхности антенны и осуществлять экспресс-оценку уровня регулировочных смещений.

Реализация результатов работы. Предложенные рекомендации по построению технологического процесса сборки и регулировки отражающей поверхности и применению защищенной патентом конструкции контр-эталона использованы при изготовлении на РКК «Энергия» космического рефлектора 12АКР.

Структура и объём работы. Диссертация включает 134 страницу машинописного текста, 60 рисунков, 5 таблиц и состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка использованных источников литературы.

Во введении изложена проблема повышения точности формы отражающей поверхности космического рефлектора за счёт применения деформационного регулирования положения его точек по отношению к теоретическому контуру.

В первой главе работы рассматриваются вопросы обеспечения точности маложёстких конструкций трансформирующихся космических антенн. Анализ показал, что разработка и производство космических антенн определяет эффективность большинства космических систем: телекоммуникационных спутников, спутников наблюдения и навигации. Значительный вклад в успехи развития космических систем внесли работы таких зарубежных и российских фирм, как Astro Aerospace Northrop Grumman, Harris Corp и JPL, Mitsubishi, DLR, ESA ESTEC, Alenia Spazio, НПО ПМ (г.Железногорск), ОКБ МЭИ, ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, PKIC «Энергия», «НПО ЭГС», СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева (г. Красноярск) и др. Среди авторов научно-методического обеспечения для разработки и производства космических ан-

тенн следует назвать: В.И.Халимановича, В.В.Двирного, В.Г.Бутова, С.В.Понамарёва, А.А.Лохова, А.Г.Чернявского, П.П.Белоножко, В.Н.Зимина, Ueba Masazumi, Tanaka Hiroshi, Harada Satoshi, Mark W. Thomson.

Вторая глава посвящена созданию методического обеспечения для выбора рациональной комбинации регулировочных смещений, обеспечивающих безитерационный процесс регулирования формы поверхности рефлектора. Показано, что в основу методического обеспечения можно положить линейную модель

(УФ) = (£№),

связывающую матрицы-столбцы регулировочных (Vy) (размер J) и индуцированных смещений (УФ) (размер Г) точек рефлектора в процессе регулирования формы его поверхности, где (¿¡) - матрица коэффициентов влияния регулировочных и индуцированных точек (размер / xJ).

полученных вычеркиванием из общей системы / -./уравнений, где С - число сочетаний из / по / - J.

В результате заполняются таблицы вариантов регулировочных смещений (Уу) и остаточных погрешностей (ЛФ) для этих вариантов (табл. 1,2), где к - индекс остаточных погрешностей, соответствующих удаленным уравнениям. Число строк матрицы - /-./. Для удобства сравнения в правой части строк приводятся допустимые значения этих погрешностей.

Матрица регулировочных смещений (Уу) Табл.1

Вариант № п/п Искомое регулировочное смещение

Уу, Уу2 Уу\ Уу,

Рациональное регулировочное решение выоирается после удаления из табл. 2 неприемлемых вариантов по величине регулировочных смещений и остаточных погрешностей.

Матрица остаточных погрешностей (ЛФ) Табл.2

Вариант Остаточная Допуски на

№ п/п погрешность Л Фк погрешности еФкг

к=1 к=2 к=Ы к=1 к=Ы

Равенство нулю частных производных-= 0 позволяет получить сис-

тему из 7 уравнений, которая даёт единственное решение

где (¡//У - обратная матрица; (£) - матрица коэффициентов влия-

ния регулировочных смещений на соседние точки; (с)т - транспонированная матрица коэффициентов влияния (£); (Ь) = ~(£)т(сФ) - матрица свободных членов.

В третьей главе проведено экспериментальное и теоретическое исследование поведения взаимосвязанных точек вантово-сетевой конструкции антенны при осуществлении регулировочных смещений. Методика исследования состояла в том, что в условиях физического или вычислительного эксперимента совершаются регулировочные смещения и определяются индуцированные смещения. Результатом исследования стало определение матрицы коэффициентов взаимных влияний, компоненты которой могут быть определены путем физического и вычислительного эксперимента.

Рис. 1. График значений коэффициентов влияния регулировочного смещения

на соседнюю мягкую точку антенны в направлении центра (Линии: сплошные- экспериментальное значение; пунктирная - теоретическое значение; штрих-пунктирные - границы доверительного интервала)

В качестве примера на рис. 1. представлен график значений коэффициентов влияния регулировочного смещения на соседнюю мягкую точку антен-

ны в направлении центра. Показано, что уровень коэффициентов влияния внутри силового кольца вдвое меньше, чем на периферии антенны.

В работе создана конечно-элементная модель вантово-сетевой конструкции антенны (рис.2) в среде Ыаь1гап. При этом принималось, что армирующие волокна имеют круглые сечения, а стойки - прямоугольные. Механические характеристики для волокна соответствовали арамидному волокну, а стойки углепластику._

Рис.2. Общий вид конечно-элементной модели отражающей поверхности рефлектора 12АКР в MSC/NASTRAN for Windows

Рис.3. Численный анализ деформирования отражающей поверхности антенны при регулировании

Аналитические оценки, проведённые в 3-й главе, были направлены на установление размеров локальной области регулировочного воздействия, что важно для определения потребного количества технологической оснастки при проведении регулирования. Было получено дифференциальное уравнение для прогибов нити и установлено, что размер зоны влияния зависит от допустимого уровня смещения на границе зоны влияния и безразмерного параметра Его образуют геометрические параметры схемы армирования, а также жесткости армирующего волокна и углепластиковых стоек.

Четвертая глава посвящена практическому использованию методических разработок и технологических рекомендаций, позволивших сократить трудозатраты на достижение требований к точности поверхности.

Рис. 4. Конструктивная схема контр-эталона для обеспечения точности отражающей поверхности рефлектора

Конструкция контр-эталона содержит основание, выполненное в виде центральной ступицы 1 с закрепленными на ней радиальными ребрами 2, ориентированными вертикально. На периферии ряда основных ребер 2 имеются присоединенные к ним дополнительные ребра 3. На радиальных ребрах основных 2 и дополнительных 3 установлены регулируемые по высоте узлы 4. Со стороны установки узлов 4 поверхность ребер 2 и 3 выполнена эквиди-стантой теоретической отражающей поверхности рефлектора.

Бобышки 5 винтами б выставлялись в вертикальном направлении так, чтобы внешняя поверхность бобышек принадлежала теоретической отражающей поверхности изготавливаемого рефлектора. Юстировка положения бобышек, осуществлялась с помощью промышленной оптической коорди-натно-измерительной системы «Leica AXYZ», с точностью 0,1 мм (рис5).

Рис.5. Распределение погрешностей на поверхности контр-эталона Контр-эталон необходим:

1. для регулировки положения вершин стоек раскрывающего каркаса, которые образуют часгь контролируемых точек поверхности антенны;

2. для натяжения сетеполотна и создания сетевой конструкции из нити, армирующей отражающую поверхность (рис.6) и образующей в узлах пересечения другую часть контролируемых точек;

3. для переноса армированной отражающей поверхности на стойки раскрывающего каркаса (рис.7).

Рис.6. Прокладка армирующих нитей со стремянки и формирование сетевой конструкции на отражающей поверхности антенны

® существует связь между исходными погрешностями и регулировочными смещениями (рис. 8), которую удобно использовать для грубой регулировки отражающей поверхности космического рефлектора; при тонкой регулировке параметров поверхности рефлекгора следует учитывать существование связи (технологической наследственности) между исходными и остаточными погрешностями (рис. 9), осуществляя повторные регулировки.

Рис.7. Перенос с помощью контр-эталона армированной отражающей поверхности на раскрывающийся каркас антенны

Исходная погрешность

Рис. 8. Связь исходных погрешностей вФ, и регулировочных смещений V, кубики - случайные значения V,; линия - результат аппроксимации

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

1 1 1 Коэффициент корреляции г = 0,7

Tl«_______ Ф |

1 | ■ .

Исходная погрешность

Рис. 9. Связь исходных и остаточных погрешностей

Общие выводы по диссертации

2. В качестве основы для поиска регулировочного решения в работе:

Предложена линейная модель представления индуцированных смещений в виде суперпозиции влияния регулировочных смещений, а адекватность модели подтверждена численным анализом поведения конструкции на базе применения конечно-элементной модели в среде Nastran.

Показано, что в силу неравенства числа контролируемых и регулируемых точек система уравнений относительно искомых регулировочных смещений в линейной модели будет избыточной, а регулировочное решение не будет однозначным.

На базе физического и вычислительного эксперимента установлено существование всех компонент индуцированного смещения как у мягких, так и у жестких точек антенны. Уровень коэффициентов взаимосвязи регулировочных и индуцированных смещений внутри силового кольца составляет 0,15-0,2, а с внешней стороны кольца уровень взаимного влияния возрастает в 2-3 раза.

Аналитические оценки размеров локальной области регулировочного воздействия позволяют определить потребное количество технологической оснастки для проведения регулирования.

3. Теоретический анализ технологического метода повышения производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров антенны показал, что:

Применение метода наименьших квадратов при поиске рациональной комбинации регулировочных смещений обеспечивает безитерацион-ность компенсации исходных сборочных погрешностей геометрических параметров антенны.

Превращение исходных погрешностей в остаточные носит наследственный характер, что указывает на возможность повышения точности геометрических параметров путём повторной регулировки.

Для грубой регулировки предлагается использовать установленную связь между исходными погрешностями и регулировочными смещениями.

4. Разработаны технологический процесс и технологическое оснащение для обеспечения точности изготовления отражающей поверхности космической антенны из сетеполотна, её монтажа и безитерационной регулировки на раскрывающем каркасе антенны. Патентом Российской Федерации защищена новизна конструкции контр-эталона, необходимого для регулировки положения стоек каркаса, для натяжения и армирования отражающей поверхности антенны из сетеполотна, для монтажа отражающей поверхности на каркасе.

5. Рекомендации, предложенные в работе и внедрённые при изготовлении антенны 12АКР на РКК «Энергия», обеспечили снижение трудоёмкости регулировки более чем в 3 раза, достижение точности фактического положения точек по отношению теоретическому контуру ±0,3 мм, и могут

Работы по теме диссертации:

1. Стрекалов А.Ф., Полухин Н.В. Проблемы и достижения ракетно-космического производства в современных условиях. // Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й МНК; В 4-х томах. - М., 2004. - Т.З.- С.61.

2. Полухин Н.В., Цебро Ю.А. Оценка возможности деформационной компенсации погрешностей сборочного интерфейса конструкций ракетно-космической техники. // Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й МНК; В 4-х томах. - М., 2004. - Т.З.-С.65.

3. Технологическое обеспечение точности отражающей поверхности параболического рефлектора из сетеполотна в маложестких, раскрывающихся конструкциях космических аппаратов: Технический отчет по теме№ОН-471-03 /МГТУ им.Н.Э.Баумана; рук. темы В.А.Тарасов; исп. В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, А.С.Филимонов и др. . - Инв. №208387. - М., 2004. - 108с.

4. Тарасов В.А., Полухин Н.В. Теоретические основы регулировки формы поверхности маложестких конструкций РКТ // XXIX академические чтения по космонавтике: Тезисы докладов МНК -М., 2005. - С.461-462.

5. Поведение поверхности раскрывающейся космической антенны в процессе регулирования её формы при сборке./ В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, А.С.Филимонов, Р.В.Боярская// Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2005. -№4. - С.36-41.

6. Оптимизация процесса регулирования формы поверхности раскрывающихся космических антенн /В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, Р.В.Боярская, Ю.А.Цебро. // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2005. - №6. -С.32-35.

7. Полухин Н.В., Тарасов В.А. Регулирование формы поверхности рефлектора раскрывающихся космических антенн. // Образование через науку: Тезисы докладов МНК -М„ 2005. - С.528

8. Полухин Н.В., Тарасов В.А. Технологическое обеспечение процессов регулирования форм поверхности крупногабаритных развертываемых антенн космических аппаратов. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК -Красноярск, 2005.-С.125

9. Пат. 2276823 (Россия), МПК7 H01Q 15/16: Способ изготовления крупногабаритных развертываемых рефлекторов и устройство для формирования криволинейной поверхности рефлектора / ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева; Н.В. Полухин, A.A. Шитиков, В.А. Романенков и др. // Б.И -2006. .-№17.

10. Механизмы формирования точности формы поверхности космической антенны при её регулировании / В.А. Тарасов, A.C. Филимонов, Н.В. По-

лухин и др.// XXXI академические чтения по космонавтике: Тезисы докладов МНК. - М, 2007. - С.471-472.

11. Тарасов В.А., Цебро Ю.А., Полухин Н.В. Взаимосвязь регулировочных смещений, исходных и остаточных погрешностей в процессе настройки поверхности рефлектора вантово-сетевой конструкции // Ракетно- космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Тр. 3-й МНК. -М.,2008.-Т. 2.-С.100- 104.

Введение.

1. Актуальные задачи? обеспечения точности крупногабаритных маложестких конструкций космических антенн!.

1.1. Требования к точности конструктивных параметров; крупногабаритных маложестких космических антенн.

1.2. Математический-аппарат при анализе поведения космических антенн в процессе регулирования формы их поверхности.

1.2. Г. Фундаментальные основы анализа процессов деформационного регулирования параметров маложестких конструкций.

1.2.2М1рименение метода конечных элементов (МКЭ) в задачах упругого деформирования маложестких конструкций:.

1.3. Прикладные исследования в области создания космических антенн.

1.4. Постановка задач исследования диссертационной работы.

2. Теоретическое обоснование технологического метода повышения производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров космических антенн.

2.11 Основные допущения при разработке методик рационального регулирования формы поверхности антенны*.

2.2. Принципы безитерационного деформационного регулирования формы поверхности космической антенны.38<

2.2.1. Альтернативный выбор решения задачи деформационного регулирования формы поверхности космической; антенны.

2.212. Безальтернативное решение задачи;деформационного регулирования формы поверхности космической антенны.

2.2.3. Тестовая задача для оценки рациональности применения основных принципов выбора регулировочных решений при обеспечении точности геометрических параметров космических антенн.

2.3. Методика рационального выбора регулировочных смещений формы поверхности антенны.

Выводы по главе 2.

3. Анализ поведения вантово-сетевой конструкции космической антенны в процессе регулирования.

3.1. Экспериментальное исследование поведения поверхности космической антенны в процессе регулирования.

3.1.1. Методика и результаты определения коэффициентов влияния регулировочных смещений.

3.1.2. Методика определения фактических отклонений точек поверхности антенны от теоретического контура по результатам измерений.

3.2. Применение метода конечных элементов при исследовании поведения поверхности космической антенны в процессе регулирования.

3.2.1. Цикл построения конечно-элементных моделей конструкций.

3.2.2. Построение модели в MSC/NASTRAN for Windows.

3.2.3. Результаты использования конечно-элементной модели при анализе поведения поверхности антенны в процессе регулировки.

3.3. Аналитические оценки размеров области индуцированных смещений при регулировании формы поверхности антенны вантово-сетевой конструкции.

Выводы по главе 3.

4. Научно-практические результаты исследований по обеспечению точности деформационного регулирования геометрических параметров космических антенн.

4.1. Технологическое оснащение для осуществления монтажа отражающей поверхности из сетеполотна на каркасе рефлектора.

4.1.1. Устройство контр-эталона для формирования отражающей поверхности рефлектора из сетеполотна.

4.1.2. Натяжитель вант.

4.2. Анализ взаимосвязи регулировочных смещений, исходных и остаточных погрешностей в процессе настройки поверхности рефлектора вантово-сетевой конструкции.

4.3. Технология изготовления и монтажа отражающей поверхности рефлектора.

Выводы по главе 4.

Введение 2008 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Полухин, Николай Валерьевич

Актуальность работы. Обеспечение точности выходных геометрических параметров и снижение трудоёмкости её достижения является важной технологической задачей производства ракетно-космической техники, поскольку она определяет повышение технической и экономической эффективности технических систем в ракетостроении, радиотехнике и на транспорте. Задача часто решается путем регулирования геометрических параметров на базе различных методов компенсации погрешностей при сборке конструкции: удалением припуска в процессе механической обработки по месту; заполнением зазоров между стыкуемыми поверхностями; относительным перемещением и деформированием элементов конструкции .

Особой остротой отличается технологическая задача регулирования формы поверхности больших раскрывающихся космических антенн, где при габаритных размерах антенны 10 - 20м необходимо ограничить отклонение точек поверхности рефлектора от теоретического контура уровнем ±0,Змм. В этом классе изделий РКТ стремление снизить материалоёмкость конструкции и трудоёмкость её сборки определило предпочтение деформационному методу регулирования геометрических параметров объекта среди других методов компенсации погрешностей.

В связи с этим данную работу, посвященную методическому обеспечению технологического регулирования формы поверхности антенны, следует считать актуальной, поскольку разрабатываемые положения могут быть использованы при изготовлении самых современных и перспективных антенн без ограничений^по размерам и форме крупногабаритных конструкций.

Цель работы - повышение точности геометрических параметров рефлектора крупногабаритных космических антенн и сокращение трудоемкости их сборки.

Научная задача. Теоретическое обоснование технологического метода и способов снижения, трудоёмкости и повышения точности деформационного регулирования геометрических параметров, космических раскрывающихся антенн их при сборке.

Научная новизна работы заключается: 1. В теоретическом обосновании технологического метода безитерационно-го деформационного регулирования геометрических параметров космических раскрывающихся антенн, который обеспечивает снижение трудоёмкости сборки при достижении требуемой точности параметров. Т. В доказательстве возможности применения линейной модели регулирования такой сложной конструкции как антенна.

3. В установлении безразмерного комплекса, характеризующего протяженность зоны влияния регулировочного смещения.

4. В научном обосновании наследственного характера формирования остаточных погрешностей положения точек поверхности антенны, что доказывает возможность повышения точности антенны путём повторения регулировки.

Практической ценностью обладают следующие результаты работы: 1. Предложенное методическое обеспечение, сокращающее более чем в 3 раза трудоёмкость регулировки геометрических параметров антенны. В том" числе установленная зависимость между исходной погрешностью и регулировочным смещением.

2. Способ применения контр-эталона при монтаже отражающей поверхности антенны, который защищен патентом РФ."

3. Технологический процесс монтажа отражающей поверхности антенны, который^ обеспечивает требования к точности- формы и электрофизическим характеристикам:

Методы исследования. При1 выполнении исследований использовался аппарат теории упругости, механики сплошной среды, математического анализа и математической статистики, положения теории технологической наследственности и теории технических измерений:

Достоверность результатов исследования обеспечена корректным^ использованием математических и экспериментальных методов исследования и подтверждена сравнением расчетных зависимостей с экспериментальными данными, а также результатами лабораторных и натурных испытаний.

Апробация и внедрение результатов работы.

Материалы диссертации доложены на 5 международных научно - технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 2 научные статьи и 1 доклад. Получен патент РФ на устройство регулирования положения жестких точек вантово-сетевой конструкции антенны. Методическое и технологическое обеспечение, разработанное в диссертационной" работе, использовано, при изготовлении рефлектора крупногабаритной антенны 12АКР в ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П.Королева.

На защиту выносится. 1. Методика безитерационного выбора совокупности регулировочных смещений, созданная для обеспечения максимальной точности контролируемых точек при регулировании формы поверхности^ антенны вантово-сетевой конструкции.

2. Методическое обеспечение определения коэффициентов взаимного влияния регулировочных и индуцированных смещений контролируемых точек вантово-сетевой конструкции космических антенн.

3. Программно-методическое обеспечение для компьютера, образующего с аппаратурой измерения координат точек рефлектора единую систему для автоматизированного управления процессом регулирования формы поверхности антенны в сборочном цехе.

4. Установленные функциональные связи между исходными погрешностями, регулировочными смещениями и остаточными погрешностями, которые позволяют прогнозировать достижимую точность регулирования формы поверхности антенны и осуществлять экспресс-оценку уровня регулировочных смещений.

Заключение диссертация на тему "Повышение производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров космических антенн"

Общие выводы"

1. Анализ конструктивных особенностей-вантово-сетевой конструкции? космического" рефлектора и экспериментально-теоретические исследования её поведения показали, что осуществление деформационного? регулирования положения его точек будет осложняться, появлениеминдуцированных смещений соседних точек.

1. В качестве основы дляшоиска регулировочного ^решения,в работе:

Предложена линейная модель представления индуцированных смещений «в виде суперпозиции влияния регулировочных смещений, а адекватность модели*подтверждена„численным!анализом.поведения конструкции на базе применения конечно-элементной! модели.в среде1 Иа

Показано,что * в силу неравенства числа"контролируемых и регулируемых! точек система-уравнений-относительно искомых регулировочных смещений в линейной * модели будет избыточной, а регулировочное решение не будет однозначным*.

На базе физического и вычислительного эксперимента установлено существование всех компонент индуцированного смещения как у мягких, так игу жесткихчточек антенные Уровень коэффициентов взаимосвязи! регулировочных и индуцированных смещений-внутри ¡силового кольца составляет 0;15-0;2, а* с внешней стороны кольца уровень взаимного влияния возрастает в?2-3 раза: ■ Аналитические"оценки? размеров локальной-области регулировочного воздействия позволяют определить потребное количество технологической оснастки для проведения регулирования.

2. Теоретический анализ технологического метода повышения производительности и точности деформационного регулирования геометрических параметров антенны показал, что:

Библиография Полухин, Николай Валерьевич, диссертация по теме Технология машиностроения

1. Сборочные, монтажные и испытательные процессы в производстве летательных аппаратов / В.А. Барвинок, В.И. Богданович, П.А. Бордаков и др.; Под ред. В.А. Барвинка. М.: Машиностроение, 1996. - 576 с.

2. Основы технологии производства летательных аппаратов (в конспектах лекций): Учебное пособие /A.C. Чумадин, В.И. Ершов, В.А. Барвинок и др.- М.: Наука и технологии, 2005. 912 с.

3. Современные технологические процессы сборки планера самолета /Колл. авторов; Под ред. Ю. JI. Иванова. М.: Машиностроение, 1999. - 304 с.

4. Технология сборки и испытаний космических аппаратов. / И.Г. Беляков, И.А.Зернов, Е.Г. Антонов и др.; Под общ. ред. И.Г.Белякова и И.А.Зернова.- М.: Машиностроение, 1990. 352с.

5. Григорьев В.П. Сборка клепаных агрегатов и вертолетов. М: Машиностроение, 1975. - 140 с.

6. Влияние технологической оснастки на формирование качества сварных оболочковых конструкций баков и сосудов давления / В.А. Тарасов, Р.В. Боярская, В.Д. Баскаков, С.И. Решоткин // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2000. - № 1.-С. 111-115.

7. Тарасов В.А. Вопросы математического анализа процессов технологического наследования свойств машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1994. - № 6. - С. 77-82.

8. Гаврилов А.Н. Точность производства в машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1973. - 567 с.

9. Шамсутдинов С, Лисов И. Российская орбитальная группировка //Новости космонавтики. 2006. - №3. - С.36-37.

10. Семёнов Ю.П. Космические технологии будущего//Новости космонавтики. 2004. - Т. 14, №5 (256). - С.54-59.

11. Смердов А.А. Разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической-техники: Автореферат дисс. . докт. техн. наук. Москва: МГТУ им: Н.Э. Баумана, 2007. -32с.

12. Степанов Н.В. Разработка, методики проектирования опорных узлов для трехслойных сотовых платформ/ космических аппаратов: Автореферат дисс. . канд.,техн. наук. Обнинск: Государственный научный центр РФ ФГУП "ОНПП "Технология", 2007. -16с:

13. Зимин В.Н. Особенности моделирования динамики раскрытия конструкций ферменного типа // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007. - С.25-26.

14. Зимин В.Н. Механика крупногабаритной трансформируемой ферменной космической- антенны // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК -Красноярск, 2005. С.29.

15. Martin R., Akins D. ESA"s 35-Meter Deep Space Antenna" at New Norcia. //Proceedings 25th Antenna Workshop- on Satellite Antenna Technology. Noordwijk, 2002. -P:l 18-125.

16. Kees van"t Klooser, L.Gurvits. Lange Space-Borne Antennas as a* Tool for Studying the Universe at an Ultimate Angular Resolution// Proceedings 25th Antenna Workshop on Satellite Antenna Technology. Noordwijk,2002. - P.180-188.

17. Khalimanovitch V.I., Kozlov A.A. Space and Earth Station Mesh Reflective Surface Antennas// Proceedings 25th Antenna Workshop on Satellite Antenna Technology. Noordwijk, 2002. - P.687-688.

18. Boom Deployment Mechanism for barge deployable Antennas / W.F. Unchen-bold, M.J. Eiden, L. Herbeck and another// Proceedings 25th Antenna Workshop on Satellite Antenna Technology. Noordwijk,.2002. -P.318-325.

19. Pat. 685080 (Switzerland), МКИбН 01 Q15/16: Antennenreflektor / R: Heller, Oerlikon-Contraves AG. 1995.

20. Chich P. Take a deep breathand blow // New Sci. 1996. - V.152", № 2058. -P.34-37.

21. Pat. 5990851 (USA), МПК6 H 01 Q15/20: Space deployable antenna structure tensioned by hinged, spreader-standoff elements distributed around inflatable hoop / P.J. Henderson, R.A. Deadwyler; Harris Corp. 1999.

22. Напряженно-деформированное состояние надувной конструкции космического рефлектора / А.В. Бельков, В.А. Солоненко, С.В. Пономарев, А.А. Ящук // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007. -С.23.

23. Photogrammetric Distortion Measurements of« Antenna in a Thermal-Vacuum Environment/ M.Wiktowy, MiO"Crady, G.Atkins, R.Singhal// Proceedings 25th Antenna Workshop on< Satellite Antenna Technology. Noordwijk, 2002. - P.361-368.

24. Gunnar T. Deploable Tensegrity Structures for Space Applications //TRITA-MEK Techinical Report 2002. 04. ISSN 0348-467X. ISRN KTH / МЕК/ TP -02/04--SE. 37p.

25. Lange Deployable Space Antenna / A. Cherniavsky, K. Chkhekvadze, V. Guthlyayev and another // Proceedings 25 Antenna Workshop on Satellite Antenna Technology. Noordwijk, 2002. -P.206-213.

26. Pat. 6214144 B1 (USA), МКИ7 Н 01 Q15/20: The mode of reflecting surfaces fabrication for greater unfolded reflector / Hughes Electronics Corporation, El Segundo, S.F. Basil, D. Uribe. -1999:

27. Deformation^ compensation technologis for large mesh antenna reflectors with high surface accuracy /Veba Masazumi, Tanaka Hiroshi, Harada Satoshi; Shi-mizut Masashi" // 15 th AIAA Int. Commun. Satell. Syst. Conf. San Diego (Calif.), 1994. - P.83-89.

28. Modular Antenna Concept Consisted, of Radial Ribs and Hoop Cables for

29. Space VLBI Mission/MiC.Natori, H.Hirabayashi, N.Okuisumi and anotherth

30. Proceedings 25 Antenna* Workshop on Satellite Antenna Technology.- Noordwijk, 2002. -P:286-291.

31. Поведение поверхностираскрывающейся космической антенны в процессе регулирования её формы, при сборке./ В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, А.С.Филимонов, Р.В.Боярская// Сборка в машиностроении; приборостроении. 2005. - №4. - С.36-41.

32. A.A.Konovalenko, C.G.M. van"t Klooser. The Possibilities of Using the RadioA

33. Telescope RT-70 in Evpatoria for Space Projects// Proceedings 25 Antenna Workshop on Satellite Antenna Technology. Noordwijk, 2002. -P. 126-135:

34. Безухов Н.И: Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1966. 512 с.

35. Галеркин Б.Г., Упругие тонкие плиты. М.:Госстрой, 1933. - 371 с.

36. Лейбензон Л.С., Курс теории упругости. М.: Гостехиздат, 1947. - 460 с.

37. Папкович П.Ф., Строительная^ механика корабля; В 2-х томах. Л.: ГИЗ судостроительной промышленности, 1941. - Т.1. - 959 е.; 1947. - Т.2.- 816с.

38. Применение метода наименьших квадратов при поиске рациональной комбинации регулировочных смещений обеспечивает безитерацион-ность компенсации исходных сборочных погрешностей геометрических параметров антенны.

39. Превращение исходных погрешностей в остаточные носит наследственный характер, что указывает на возможность повышения точности геометрических параметров.путём повторной регулировки.

40. Для грубой регулировки предлагается использовать установленную связь между исходными погрешностями w регулировочными смещениями.

41. Филоненко-Бородич М.М. Теория упругости. 4-е изд. М.: Физматиздат, 1959. - 364 с.

42. Власов В.З. Строительная механика тонкостенных пространственных систем. М.: Стройиздат, 1949. - 435 с.

43. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1974. - 559 с.

44. Вольмир A.C. Гибкие пластинки и оболочки. М.: Гостехиздат, 1956.- 420 с.

45. Расчеты на прочность в машиностроении / С. Д. Пономарев, В. Л. Бидер-ман, К. К. Лихарев и др. М: Машгиз., 1956. - Т.1.- 884с.; 1958. - Т.2. -975с.; 1959.- Т.З.-1118с.

46. Амензаде Ю.А. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1971. - 288с.

47. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987. - 246 с.

48. Балабух Л.И., Ал футов H.A., Усюкин В.И. Строительная механика ракет.- М.: Машиностроение, 1984.- 392 с.

49. Зарубин B.C., Селиванов В.В., Ионов В.И., Аналитические методы механики сплошной среды. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1994. - 383 с.

50. Алфутов H.A. Основы расчета на устойчивость упругих систем. М.: Машиностроение, 1978.- 311 с.

51. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.392 с.

52. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ. ред. В.И. Мяченкова М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

53. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.-318с.

54. Зарубин B.C., Селиванов В.В. Вариационные и численные методы механики сплошной среды: Учеб. пособие для вузов. М.: МГТУ, 1993. - 359 с.

55. Теория пластической деформации металлов /Е.П.Унксов, У.Джонсон, В.Л.Колмогоров и др.; Под общ. ред. Е.П.Унксова и А.Г.Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1983. 598с.

56. Исполнительные механизмы крупногабаритных трансформируемых конструкций/ А.Б. Гурылев, А.В. Михеев, А.А. Логанов и др. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005. - С.36-37.

57. Моделирование безлюфтовых соединений в конструкции механических устройств солнечных батарей космических аппаратов-связи/ С.Г. Родионов, Е.Н. Храмов, В.И. Халиманович и др. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005. - С.37-38.

58. Высоцкий C.B. Гибкий шарнирный узел для трансформируемых механических систем космического аппарата // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005. - С.42.

59. Иванов А.В., Ямашев Э.М: Устройства фиксации крупногабаритных трансформируемых конструкций космических аппаратов // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.-С.29-30.

60. Машуков А.В., Шатров А.К. Подходы к формированию требований-по надежности крупногабаритных рефлекторов при раскрытии на орбите //Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.-С.49-50.

61. Усманов Д.Б. Моделирование напряженно-деформированного состояния крупногабаритного трансформированного рефлектора: Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Томск, 2006. - 23с.

62. Усманов Д.Б. Формирование точной геометрии поверхности крупногабаритного рефлектора // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.-C.33-34.

63. Динамика трансформируемой конструкции рефлектора/В.Г.Бутов, А.П.Жуков, С.В.Пономарев и др. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.- С.35.

64. Влияние силы тяжести на форму отражающей поверхности зонтичного рефлектора при наземной настройке/ H.A. Тестоедов, A.B. Романенко, В.И. Халиманович др. // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007.-С.29.

65. Ящук A.A. Моделирование, алгоритмы и пакет программ прогнозирования термомеханического поведения крупногабаритного зонтичного рефлектора: Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Томск, 2005. - 15с.

66. Евдокимов A.C., Пономарев C.B., Усманов Д.Б. Сопряженное механическое и электродинамическое моделирование трансформируемых космических рефлекторов // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007.-С.24.

67. Напряженно-деформируемого состояния надувной конструкции космического рефлектора/ A.B. Бельков, В.А. Солоненко, C.B. Пономарев и др. //Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007.-С.23.

68. Бутов В.Г., Бухтяк М.С., Пономарев C.B. О проектировании схем раскроя сетеполотна для параболической антенны. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады 3 Всероссийской научной конференции Томск, 2002. - С. 134-135.

69. Pat. 5488383 (USA), МКИ7Н 01 Q15/14: Method for accurlzing mesh fabric reflector panels of a deployable reflector / Fridman A., Ribble W., Wade W.D.; Lockheed Missiles & Space Co., Inc. 1996.

70. Лопатин A.B., Рутковская М.А. Колебания незакрепленного обода большой космической антенны // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК -Красноярск, 2005.- С.32.

71. Лопатин A.B., Шумкова Л.В. Модель клеевого соединения сетеполотна с каркасом солнечной батареи // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК -Красноярск, 2005.- С.31.

72. Пат. 2117367 (Россия), МПКбН01 Q15/16: Рефлектор / А.Д. Лохов, В.В. Успенский,// Б.И. 1998. -№>22.

73. Пат. 2168820;(Россия), МПК7 Н 01 А 15/16: Способ изготовления многослойного антенного рефлектора /Федерал, гос. унитар: предприятие " Науч. исслед. центр спец. технол.": A.A. Лохов, А.Д. Санников; С.А. Чернопазов //Б.И.-2001.-№28.

74. Пат. 2192694 (Россия), МПК7 Н 01< Q 15/16: Рефлектор и устройство для его сборки / Федерал, гос. унитар. предприятие "Н-и. центр специальных технол.": A.A. Лохов, А.Д. Санников // Б.И: 2002. - №46.

75. Сливинский В.И. Сотовые заполнители для крупногабаритных трансформируемых конструкций // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК -Красноярск, 2007.-С.27.

76. Новая концепция оптимизации по массе сотовых конструкций каркасов панелей солнечных батарей и негерметичных панелей космических аппаратов/ В.И. Сливинский, Г.В. Ткаченко, М.В. Сливинский // Решетнёвские чтения: Материалы XI МНК Красноярск, 2007.-С.28.

77. Моделирование динамики обособленной меридиональной цепи рефлекторной антенны каркасно-опорного типа / П.А. Белоножко, П.П. Белоножко, A.A. Фоков и др. // Проблемы, управления и информатики: 2005. -№1. - С. 115-125.

78. Пат. 31207 (Украина), МПК6Н01 Q15/14: Cnociö складання рефлектора /Тернопш. держ. КБ "Промшь", В.В. Сиротюк, В.Г. Сиротюк, Ю.1. Маркович и др. 2000.

79. Пат. 31143 (Украина), МПК6 Н 01 Q 19/10: Cnoci6 виготовлення дзеркально"1 антени /Тернопш. держ. КБ "Промшь", B.BI Сиротюк, В.Г. Сиротюк, I.M. Маркович и др. 2000.

80. Зимин В.Н. Мешковский В.Е., Усюкин В.И. Частотные испытания ферменного рефлектора космической антенны // Динам, и технол. пробл. мех. конструкций и сплош. сред: Тез. докл. 3 Междунар. симп. М., 1997. - С. 58-59.

81. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. Динамические испытания раскрывающейся зеркальной космической антенны. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2000. - № 2. - С. 120-124.

82. Крылов A.B. Моделирование динамики- раскрытия трансформируемых динамических конструкций // Решетнёвские чтения: Материалы ХГМНК -Красноярск, 2007.-С.26-27.

83. Крахин О.И. Резников Д.А., Смирнов А.А. Метод компенсации температурных деформаций прецизионных объектов. // Динамика орбитальных тросовых систем: Сб.трудов Моск. техн. ун-т связи,и информат. М., 1998. -С. 93-104.

84. Thomson, M. W. AstroMesh déployable reflectors for Ku and» Ka band commercial satellites // 20th AIAA Int. Communications Satellite Systems Conférence and Exhibit. Montréal, 2002. - P.94-99.

85. Précisé alignment of spacecraft antenna using theodolite based hardware and soft ware interface. / H.N. Suresha Kumar, B.S. Nataraju, J.P. Gérard, B.V. Pra-sad // JETE Tech. Rev. 2003. - V.20, №5. - P: 37-40.

86. Сухарев E.H., Коловский Ю.В: Методика определения усилия натяжения сетеполотна антенн // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.-С.40.

87. Коловский Ю.В. Функциональная диагностика и управление бортовыми гибридными зеркальными антеннами // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК Красноярск, 2005.-С.41.

88. Пантелеев В.А., Фейзулла Н.М., Чалова Ю.А. Методика аттестации точности поверхности параболоидных рефлекторов в виде гладких непрерывных оболочек // Радиотехнические тетради. 2002. - №24. - С. 54-58.

89. Технология самолётостроения /А.Л.Абибов, Н.М.Бирюков, В.В.Бойцов и др.; Под ред. А.Л.Абибова. М.: Машиностроение, 1982. - 551с.

90. Стрекалов А.Ф., Полухин Н.В. Проблемы и достижения ракетно-космического производства в современных условиях // Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й международной конференции; В 4-х томах. М., 2004. - Т.З.- С.61.

91. B.А.Дубровский и др.; Под общ.ред. А.Ю:Ишлинского. М.: Советская энциклопедия, 1989. -656с.

92. Тарасов В.А. Методы анализа в технологии машиностроения.- М.: МТТУ им.Н.Э.Баумана, 1996.-188с.

93. F. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. - 720 с.

94. Оптимизация процесса регулирования формы поверхности раскрывающихся космических антенн /В.А.Тарасов, Н.В.Полухин, Р.В.Боярская, Ю.А.Цебро. // Сборка в,машиностроении, приборостроении. 2005. - №6.1. C.32-35.

95. Полухин Н.В., Тарасов В.А. Регулирование формы поверхности рефлектора раскрывающихся" космических антенн. // Образование через науку: Тезисы докладов МНК -М., 2005: С.528

96. Полухин Н.В., Тарасов В.А. Технологическое обеспечение процессов регулирования форм поверхности крупногабаритных развертываемых антенн космических аппаратов. // Решетнёвские чтения: Материалы IX МНК - Красноярск, 2005.-С. 125

97. Механизмы формирования" точности формы поверхности космической антенны при её регулировании / В.А. Тарасов, A.C. Филимонов, Н.В. Полухин и др.// XXXI академические чтения по космонавтике: Тезисы докладов.- М., 2007. С.471-472.

УДК 621.983.004

B. А. К о л м ы к о в, Л. А. Ковригин, И. С. Ефремов, Е. Ю. Поликарпов, Н. В. П о л у х и н, А. В. Ширяев,

А. Г. Овчинников, С. П. Яковлев,

C. С. Яковлев, В. Н. Ч у д и н

КОМПЛЕКСЫ ТЕХНОЛОГИЙ И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОСОБО ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

На основе прикладных исследований теории обработки металлов давлением создана научная база для проектирования, анализа и расчета технологических параметров процессов деформирования анизотропных материалов при изготовлении ответственных деталей машиностроения, позволяющая определять силовые параметры, учитывать условия деформирования и свойства обрабатываемого материала, оценивать предельные возможности формоизменения, определять показатели качества изготовляемого изделия, назначать параметры технологического процесса с учетом условий эксплуатации изделия. Приведены примеры внедрения полученных результатов исследований в промышленность.

В настоящее время проблемой машиностроения является повышение эффективности и конкурентоспособности технологических процессов производства с обеспечением высоких эксплуатационных характеристик изделий, что наиболее актуально для ракетно-космической техники. Решение этой проблемы связано с технологиями обработки материалов давлением. Высокий уровень сложности и уникальности технологических процессов изготовления таких изделий обусловливает необходимость серьезного научного обеспечения.

К типовым конструкциям ракетно-космической техники относятся: корпусные оболочки цилиндрической, сферической, сфероконической, эллиптической и оживальной форм, оболочки камер сгорания, сферические сосуды, работающие под высоким давлением, сферические и тороидальные оболочки емкостей горючего и окислителя, элементы трубопроводных систем и аппаратуры. Заготовки и детали, полученные обработкой давлением, являются важнейшими элементами корпусных конструкций, систем жизнеобеспечения, терморегулирования, пневмогидросистем, электропитания и всех двигательных систем ракетной техники (рис. 1 и 2, см. 3-ю и 4-ю полосы обложки).

Особенность конструкций указанных изделий - их технологическое подобие, обусловленное едиными геометрическими формами,

тонкостенностью и использованием в них легких высокопрочных сплавов. Это, в свою очередь, обеспечивает единство и уникальность научных подходов при разработке технологических процессов, модернизации изделий, освоении новых конструкционных материалов на всех этапах производства.

Прокат, используемый для изготовления изделий, обладает анизотропией механических характеристик, которая проявляется как при холодном пластическом деформировании, так и при деформировании в режиме кратковременной ползучести, и оказывает существенное влияние на силовые, деформационные параметры процессов обработки металлов давлением, на качество изготовляемых изделий. Игнорирование анизотропии заготовки при расчетах процессов пластического формоизменения приводит к недопустимым (более 50%) отклонениям расчетных значений критических деформаций от действительных .

Решение проблемы эффективности производства достигается за счет вскрытия внутренних резервов деформирования, связанных не только с анизотропией механических свойств, но и с неоднородностью, упрочнением и вязкостью обрабатываемого материала. Необходимо назначение научно обоснованных термомеханических режимов процессов, основанных на базе развития теории формоизменения.

Теория деформирования анизотропных материалов при различных температурно-скоростных режимах формоизменения разработана на базе теории пластичности и ползучести анизотропных материалов. Созданная теория деформирования анизотропных материалов позволила определять силовые и деформационные параметры, предельные возможности формоизменения изделий: полученных операциями обработки металлов давлением, вытяжка без утонения, с утонением стенки, комбинированная вытяжка цилиндрических и коробчатых оболочек, обжим, раздача, пневмоформовка, прямое и обратное выдавливание с активными и реактивными силами трения, штамповка оребре-ний, набор утолщений, термокалибровка, объемная изотермическая и многоплунжерная штамповка, осадка с кручением круглой листовой заготовки, сварка давлением и др. .

Для оценки предельных возможностей деформирования и качества заготовок и деталей разработаны феноменологические модели разрушения и критерии локальной потери устойчивости. В теоретической части работы применены различные методы решения технологических задач: верхних оценок, характеристик, приближенного решения уравнений равновесия с условием текучести, конечных элементов и др. Проведена оценка прогнозируемого расчетами качества и фактических данных механических испытаний на прочность и металлографических исследований.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов с локальным характером деформирования - ротационной вытяжки цилиндрических и конических деталей роликами на специализированных раскатных станках и на токарно-винторезных станках с помощью раскатных устройств. Установлено влияние технологических параметров (степени деформации, геометрических параметров инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки), характеристик начальной анизотропии механических свойств заготовки и анизотропного упрочнения на силовые режимы процессов, изменение анизотропии механических характеристик материала заготовки и предельные возможности формоизменения рассматриваемых технологических процессов. Получены соотношения для расчета силовых режимов, предельных возможностей формоизменения процессов ротационной обработки.

Проведенные научные работы являются оригинальными и отличаются от известных комплексной постановкой задач исследований: при холодном пластическом формоизменении - учетом анизотропного упрочнения начально ортотропного материала, критериев локальной потери устойчивости, процесса накопления микроповреждений, разработкой моделей поведения и разрушения и т.д.; при горячем деформировании - учетом характеристик анизотропии при ползучем и ползуче-пластическом течении материала, введением в расчеты функции микроповреждений, решением задач о предельных возможностях деформирования материала, как при локальной потере устойчивости, так и при накоплении повреждаемости материала и т.д.

Созданы основы расчета наукоемких технологических процессов, обеспечивающих снижение массы узлов, повышение их несущей способности и точности. Задачи решены на базе перспективных методов обработки давлением заготовок: изотермической штамповки, формообразования с локальным нагревом, совмещенных процессов деформирования и диффузионной сварки. Получены новые конструкторско-технологические решения, разработаны принципиально новые технологические процессы, технологическая оснастка и оборудование для производства узлов из высокопрочных алюминиевых, алюминиево-магниевых, литиевых, титановых сплавов, сталей.

Выполнены научные и экспериментальные исследования прогрессивных наукоемких процессов производства однослойных, многослойных и подкрепленных конструкций из композиционных материалов и металлических сплавов. Применение новых технологических процессов прессования оболочек из композитов обеспечило возможность изготовления изделия с заданными тактико-техническими характеристиками при снижении полетной массы изделия на 30%.

На полученных результатах базировались технологические работы по изготовлению точных высокопрочных деталей агрегатов и узлов

ракетно-космической техники: корпусов отсеков, топливных баков, обтекателей, огневых рубашек, мембран и диафрагм устройств сопл двигательных установок, топливных емкостей, деталей вытеснительных устройств, арматуры трубопроводов, вафельных оболочек, корпусных узлов из композитов т.д.

Разработанные технологические процессы обеспечивают изготовление типовых деталей узлов изделий высокого качества, в частности, требуемых геометрических форм с минимальными припусками под механическую обработку, с заданными характеристиками прочности, вибрационной и коррозионной стойкости, герметичности и др. Технологические и конструкторские решения, устройства и оборудование защищены авторскими свидетельствами и патентами РФ.

В результате внедрения новых разработок в промышленность обеспечено: сокращение в 1,5... 2 раза сроков подготовки производства и трудоемкости изготовления изделий; повышение на 20... 30% удельной прочности изделий; повышение в 3... 5 раз точности геометрии узлов; увеличение коэффициента использования материала (КИМ) от 0,2 до 0,8, снижение на 10 % массы изделия.

Результаты исследований и разработок внедрены на многих машиностроительных предприятиях РФ, где созданы специализированные производственные цеха и участки. Внедрение технологических процессов позволило освоить серийное производство ряда изделий ракетно-космической техники и изделий широкого назначения с высокими техническими характеристиками. Разработанные технологические процессы особенно эффективны в производстве изделий ракетно-космической техники, так как их применение обеспечило снижение массы деталей и узлов, входящих в конструкцию изделий. Это позволило увеличить массу выводимой полезной нагрузки (например, массу спутников, выводимых на геостационарную орбиту, увеличить полезный груз в космических кораблях "Союз" и "Прогресс" и др.). Данные технологические процессы широко применяются при производстве ракетных разгонных блоков типа "ДМ" для выведения космических аппаратов на геостационарные орбиты (программа "Морской старт", программы МО РФ, коммерческие программы), космических кораблей "Союз ТМА" и "Прогресс М", крылатых ракет типа "Яхонт"; они используются при изготовлении узлов и агрегатов международной космической станции (МКС) и т.д.

Новые конструкторско-технологические решения обеспечили для разгонных блоков типа "ДМ" увеличение полезной нагрузки в среднем на 900 кг, для крылатой ракеты "Яхонт" и ее аналогов - повышение в 1,3 раза тактико-технических характеристик, и позволили существенно превзойти по этим характеристикам зарубежные аналоги. При модернизации конструкций космических кораблей "Союз" и

"Прогресс" их масса была снижена на 10%, а сроки эксплуатации в космосе увеличены с 6 до 9 месяцев. Применение новых технологий позволяет разгонному блоку ДМ прочно удерживать лидирующие позиции России на рынке носителей для запусков космических аппаратов на высокие орбиты. Ежегодно 25... 30% космических аппаратов в мире выводятся разгонными блоками ДМ. С использованием этих разгонных блоков выведены на геостационарную орбиту космические аппараты Echostar 10 (США), JCSat-9 (Япония), Galaxy 16 (США), KasSat 1 (Казахстан), KoreaSat 5 (Корея). Усовершенствованные ракетные блоки обеспечивают возможность полетов на другие планеты Солнечной системы.

Особый интерес предложенные технологические процессы представляют при создании космических кораблей нового поколения таких, как "Клипер", "Паром", "Буксир", при развитии МКС и др. Технологические процессы имеют двойное назначение. В РКК "Энергия" имени С.П. Королева организовано производство широкой номенклатуры современных модулей узлов и деталей для протезов, а также экологических постов мониторинга окружающей среды из высокопрочных материалов, которые имеют устойчивый спрос на российском и мировых рынках и потребность в которых постоянно увеличивается.

Результаты работы имеют государственное значение и вносят значительный вклад в экономику страны и повышение ее обороноспособности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П.Яковлев, В.Н.Чудин, С.С.Яковлев, Я.А.Соболев. - М: Машиностроение-1. - Тула, 2004. - 427 с.

2. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением / В.А.Голенков, А.М.Дмитриев, С.П.Яковлев, С.С.Яковлев и др.; под ред. В.А. Голенкова, А.М. Дмитриева - М.: Машиностроение, 2004. - 464 с.

3.Шевелев В. В., Яковлев С. П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку. - М.: Машиностроение, 1972. - 136 с.

4. Я к о в л е в С. П., К у х а р ь В. Д. Штамповка анизотропных заготовок. -М.: Машиностроение, 1986. - 136 с.

5. Яковлев С. П., Яковлев С. С., Андрейченко В. А. Обработка давлением анизотропных материалов. - Кишинев: Квант, 1997. - 332 с.

6. Ж и в о в Л. И., О в ч и н н и к о в А. Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. - Киев: Высш. шк., 1981. - 376 с.

7. К о в к а и штамповка: Справочник: В 4 т. / Под общ. ред. Е.И. Семенова. - Т.4. Листовая штамповка / Под ред. А.Д.Матвеева. - М.: Машиностроение, 1987. - 544 с.

8. Малоотходная, ресурсосберегающая технология штамповки / Под ред. В.А.Андрейченко, Л.Г.Юдина, С.П.Яковлева. - Кишинев: Universitas, 1993. -238 с.

9. Механика процессов изотермического формоизменения элементов многослойных листовых конструкций / С.П.Яковлев, С.С.Яковлев, В.Н.Чудин, Я.А. Соболев. - Тула: ТулГУ, 2001. - 254 с.

10. Овчинников А. Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах.

М.: Машиностроение, 1983. - 200 с.

11.Теория и технология изотермической штамповки труднодеформиру-емых и малопластичных сплавов / С.П.Яковлев, В.Н.Чудин, С.С.Яковлев,

B.А. Андрейченко. - Тула: ТулГУ, 2000. - 220 с.

12. Теория ковки и штамповки / Е.П.Унксов, У.Джонсон, В.Л.Колмогоров и др.; под общ. ред. Е.П. Унксова и А.Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1992. -720 с.

13. Технология конструкционных материалов (Технологические процессы в машиностроении): В 4 ч. Ч.3. Производство заготовок / С.П.Яковлев,

C.С.Яковлев, Л.Г.Юдин и др. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - 582с.

14. Юдин Л. Г., Я к о в л е в С. П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. - М.: Машиностроение, 1984. - 128 с.

15. Яковлев С. П., Яковлев С. С., Нечепуренко Ю. Г. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного упрочняющегося материала.

Тула: ТулГУ, 2000. - 182 с.

16. Яковлев С. С., Пилипенко О. В. Изотермическая вытяжка анизотропных материалов. - М.: Машиностроение-1. - Тула, 2007. - 212 с.

Статья поступила в редакцию 1.06.2008

Коллективу авторов в составе В.А. Колмыкова, Л.А. Ковригина, И.С.Ефремова, Е.Ю.Поликарпова, Н.В.Полухина, А.В.Ширяева, А.Г. Овчинникова, С.П.Яковлева, С.С.Яковлева, В.Н. Чудина присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2006года за разработку комплекса технологий и научное обеспечение производственных процессов пластического формообразования особо ответственных деталей машиностроения из высокопрочных анизотропных материалов.

Владимир Афанасьевич Колмыков - генеральный директор ФГУП "Красноярский машиностроительный завод", кандидат технических наук.

V.A. Kolmykov - Ph. D. (Eng.), general director of Federal State Unitary Enterprise "Krasnojarskii mashinostroitel"nyi zavod".

Леонид Александрович Ковригин - заместитель главного конструктора ФГУП "Красноярский машиностроительный завод"

L.A. Kovrigin - deputy general designer of Federal State Unitary Enterprise "Krasnojarskii mashinostroitel"nyi zavod".

Игорь Сергеевич Ефремов - заместитель генерального конструктора ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (г. Королев Московской обл.), кандидат технических наук.

I.S. Yefremov - Ph. D. (Eng.), deputy general designer of public joint-stock company "Raketno-kocmicheskaya korporatsiya "Energiya" imeni S.P. Koroleva" (town Korolev, Moscow region).

Евгений Юрьевич Поликарпов - заместитель главного инженера ЗАО "Завод экспериментального машиностроения РКК "Энергия" имени С.П. Королева" (г. Королев Московской обл.)

Ye.Yu. Polikarpov - deputy chief engineer of private joint-stock company "Zavod Experimental"nogo mashinostroenya RKK "Energiya" imeni S.P. Koroleva" (town Korolev, Moscow region).

Николай Валерьевич Полухин - заместитель генерального директора, главный инженер ОАО "Корпорация "Тактическое ракетное вооружение" (г. Королев Московской обл.)

N.V. Polukhin - deputy general director, chief engineer of public joint-stock company "Korporatsiya "Takticheskoe raketnoe vooruzhenie" (town Reutov, Moscow region).

Александр Владимирович Ширяев - начальник научно-исследовательского отдела ФГУП "Научно-производственное объединение машиностроения" (г. Реутов Московской обл.)

A.V. Shiryaev - head of researgh department of Federal State Unitary Enterprise "Nauchno-proizvodstvennoe ob"edinenie mashinostroeniya" (town Reutov, Moscow region).

Анатолий Георгиевич Овчинников - профессор ГОУ "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана", доктор технических наук.

A.G. Ovchinnikov - D. Sc. (Eng.), professor of the Bauman Moscow State Technical University.

Сергей Петрович Яковлев - профессор ГОУ "Тульский государственный университет", доктор технических наук.

S.P. Yakovlev - D. Sc. (Eng.), professor of the Tula State University.

Сергей Сергеевич Яковлев - профессор, заведующий кафедрой ГОУ "Тульский государственный университет", доктор технических наук.

S.S. Yakovlev - D. Sc. (Eng.), professor, head of department of the Tula State University.

Владимир Николаевич Чудин - начальник сектора ФГУП "Научно-производственное объединение "Техномаш" (Москва), доктор технических наук.

V.N. Chudin - D. Sc. (Eng.), professor, head of sector of Federal State Unitary Enterprise "Nauchno-proizvodstvennoe ob"edinenie "Tekhnomash" (Moscow city).

В издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г. вышла в свет книга

Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов: В 3 т. T. 1 / Б.А.Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Г.И.Гладков и др.; под ред. А.А. Полунгяна. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 496 с.

Учебник состоит из трех томов, в которых последовательно описаны общие вопросы проектирования колесных машин, а также методы расчета их агрегатов и систем, основанные на математическом и физическом моделировании, причем не только для детерминированных, но и для случайных условий нагружения. Особое внимание уделено полноприводным колесным машинам, получившим широкое распространение в связи с удовлетворительными показателями их устойчивости и проходимости.

В первом томе изложены основы и принципы проектирования полноприводных колесных машин, рассмотрены их надежность и обитаемость, а также требования к проектированию плавающих колесных мащшин и автопоездов.

Для студентов вузов и технических университетов машиностроительного профиля, обучающихся по специальностям "Автомобиле- и тракторостроение", "Многоцелевые гусеничные и колесные машины". Может быть полезен аспирантам, пре-подвателям и работникам промышленных предприятий.