В работе выполнено математическое моделирование и анализ поведения корпуса системы охлаждения фотоприёмного устройства под действием характерных внешних воздействий. Выявлены опасные уровни воздействий и внесены предложения по обеспечению прочности и надежности конструкции.

Фотоприемное устройство

На сегодняшний день наиболее эффективным и распространенным способом получения данных о поверхности Земли и атмосфере является дистанционное зондирование (фото- и видеосъёмка) с помощью сканирующих съёмочных систем (в частности, фотоприёмных устройств), передающих регистрируемую информацию с борта носителя на Землю по беспроводным каналам связи.

Рисунок 1 – Возвращаемый отсек спутника фоторазведки «Янтарь-2К»

Такие системы пришли на смену громоздким аппаратам, снимавшим на широкоформатную фотопленку и возвращавшим отснятый материал с орбиты обратно на Землю в капсулах.

Одним из побочных результатов длительной фото- и видеосъёмки является нагрев используемых в сканирующих системах светочувствительных матриц, что может выводить из строя элементы конструкции. Поддержание рабочих температур таких систем в авиационной и космической технике производится с помощью криогенных систем охлаждения (КСО).

В рассмотренной КСО рабочий газ (гелий) нагнетается закреплёнными на задней части конструкции компрессорами в зону охлаждения.

Рисунок 2 – Корпус криогенной системы охлаждения фотоприёмного устройства

Во время запуска, транспортировки и эксплуатации носителя корпус КСО подвергнется ряду характерных механических воздействий (например, случайные вибрации). Для обеспечения работоспособности конструкции государственная компания-заказчик предпочла усовершенствовать длительную и дорогостоящую наземную экспериментальную отработку опытных образцов устройства путём предварительного математического моделирования и расчёта динамики и прочности КСО. Под обеспечением работоспособности в условиях эксплуатации понимается в первую очередь обеспечение прочности конструкции и качества данных, фиксируемых фотоприёмным устройством (стабилизация изображения). Такая задача решена в Центре инженерно-физических расчетов и анализа методом конечных элементов в программной системе ANSYS.

Расчет динамики и прочности

Для сокращения количества экспериментов и неудачных опытных образцов в работе потребовалось решить ряд разнообразных задач механики, адаптировав полученный от заказчика список технических требований на физический эксперимент под математическую модель поведения объекта. На первом этапе работы проведена подготовка 3D CAD модели – удалены мелкие элементы, препятствовавшие генерации эффективной и экономичной сетки конечных элементов, а затем проведено непосредственно сеточное разбиение конструкции.

Рисунок 3 – Конечно-элементная модель

В списке характерных механических воздействий присутствуют возмущения различного характера:

• Резонансные колебания на конкретном значении частоты;
• Случайные вибрации (шум реактивной струи, турбулентность в потоке газа);
• Избыточное внутреннее давление, вызванное периодической закачкой газа внутрь конструкции при подготовке к эксплуатации;
• Избыточное внешнее (атмосферное) давление, вызванное откачкой воздуха из конструкции, которое может привести к потере устойчивости;
• Вибрации прикреплённых на задней части конструкции компрессоров на их рабочей частоте.

Рисунок 4 – Нормально распределённое случайное воздействие

Эти возмущения сведены к конкретным постановкам задач, решённым затем методами численного моделирования:

• определение собственных частот конструкции;
• оценка влияния случайного воздействия;
• оценка влияния статической нагрузки от избыточного давления;
• определение запаса устойчивости под действием статической нагрузки;
• оценка влияния вибрации двух компрессоров в разных фазах.

Рисунок 5 – Опасные напряжения по Мизесу, вызванные случайным воздействием

Результаты исследования

Результаты численного моделирования позволили сделать вывод, что в конструкции не возникает резонансных колебаний на рабочей частоте. Найденные собственные формы и частоты использованы для оценки влияния случайного воздействия. Выявлены детали конструкции с опасным уровнем напряжений по Мизесу, превышающим предел текучести. Для таких деталей внесены предложения по замене марки стали. Установлено, что напряжения, возникающие в результате внутренней статической нагрузки, не являются опасными, их значения много меньше пределов текучести используемых материалов. Определён достаточный запас по устойчивости внешней статической нагрузке и первая форма потери устойчивости.

Рисунок 6 – Потеря устойчивости оболочки вакуумной камеры

Установлено, что напряжения, возникающие в конструкции в результате вибраций компрессоров на их рабочей частоте, не являются опасными. Также в конструкции обеспечены запас по циклической прочности (усталости) и стабильность фиксируемого изображения – амплитуда вибраций фотоприёмного устройства не превышает требуемой.

Рисунок 7 – Вибрация компрессоров на рабочей частоте

В результате выполненной работы численное моделирование поведения конструкции позволило выявить опасные воздействия и детали конструкции. Полученные результаты способствуют сокращению числа неудачных опытных образцов длительных и материально затратных экспериментов. Несомненным плюсом проведенного моделирования стала выработка методики проведения подобных расчётов. Моделирование поведения нового конструкционного варианта КСО может быть проведено с использованием уже созданной схематики проекта в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS Workbench.

Статья подготовлена на основе материалов дипломной работы на соискание академической степери бакалавра прикладной механики А.В. Калюжнюка (ИПММ СПбПУ, 2016)