АДАПТАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ТЕРМОВЛКУУМИЫХ УСЛОВИЯХ
|
Введение 6
1 Конструкция космических аппаратов. Прецизионные размеростабильные
конструкции космических аппаратов 9
1.1 Назначение и состав космических аппаратов 9
1.2 Прецизионные конструкции космического аппарата на примере
телескопа «Миллиметрон» 12
1.2.1 Назначение космической обсерватории «Миллиметрон» 12
1.2.2 Состав космического аппарата «Спектр-М» 13
1.2.3 Прецизионные конструкции телескопа «Миллиметрон» 17
2 Измерение геометрических параметров прецизионных конструкций
космических аппаратов в нормальных и термовакуумных условиях.
Анализ измерительных систем 23
2.1 Анализ серийных промышленных прецизионных измерительных
систем 23
2.1.1 Теодолитные (тахеометрические) измерительные системы 23
2.1.2 Фотограмметрические измерительные системы 25
2.1.3 Лазерные интерферометрические измерительные системы 28
2.1.4 Системы лазерные координатно-измерительные на базе
лазерного радара 30
2.1.5 Системы на базе лазерного трекера 31
2.2 Несерийные прецизионные измерительные системы для работы
в нормальных и экстремальных условиях 32
2.2.1 Комплект оборудования для высокоточных измерений
отражающей поверхности рефлекторов в термовакуумных условиях 33
2.2.2 Комплект оборудования для измерения точности
позиционирования элементов исполнительной автоматики БКНА-Миллиметрон 37
3 Термовакуумные испытания прецизионных размеростабильных конструкций. Адаптация измерительного оборудования 42
3.1 Методическая адаптация оборудования КО-ВИОП на примере
испытаний на термодеформации сектора центрального зеркала телескопа «Миллиметрон» 43
3.1.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 43
3.1.2 Выбор уголковых отражателей 43
3.1.3 Проведение испытаний с использованием методики учёта
смещений центров отражателей 45
3.1.4 Эксперимент по измерению интенсивности возвратного сигнала
от двух типов меток 52
3.2 Методическая и конструкционная адаптация оборудования КО-ВИОП
на примере испытаний на термодеформации каркаса силового лепестка главного зеркала телескопа «Миллиметрон» 54
3.2.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 54
3.2.2 Проведение испытаний на кручение спицы силового каркаса с использованием методик непрямого измерения положения отражателей, по инваровым жезлам и совмещённого измерения
на кручение и удлинение 55
3.2.3 Проведение испытаний по определению смещения 24 контрольных
узлов силового каркаса лепестка главного зеркала относительно базовых узлов 62
3.3 Конструкционная адаптация цилиндрических отражателей в
испытаниях на термодеформации рефлектора КА «Лабиринт» 65
3.3.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 65
3.3.2 Проведение испытаний в целях определения возможностей
крепления цилиндрических отражателей 66
Заключение 70
Список сокращений 73
Список использованных источников 74
Приложение
1 Конструкция космических аппаратов. Прецизионные размеростабильные
конструкции космических аппаратов 9
1.1 Назначение и состав космических аппаратов 9
1.2 Прецизионные конструкции космического аппарата на примере
телескопа «Миллиметрон» 12
1.2.1 Назначение космической обсерватории «Миллиметрон» 12
1.2.2 Состав космического аппарата «Спектр-М» 13
1.2.3 Прецизионные конструкции телескопа «Миллиметрон» 17
2 Измерение геометрических параметров прецизионных конструкций
космических аппаратов в нормальных и термовакуумных условиях.
Анализ измерительных систем 23
2.1 Анализ серийных промышленных прецизионных измерительных
систем 23
2.1.1 Теодолитные (тахеометрические) измерительные системы 23
2.1.2 Фотограмметрические измерительные системы 25
2.1.3 Лазерные интерферометрические измерительные системы 28
2.1.4 Системы лазерные координатно-измерительные на базе
лазерного радара 30
2.1.5 Системы на базе лазерного трекера 31
2.2 Несерийные прецизионные измерительные системы для работы
в нормальных и экстремальных условиях 32
2.2.1 Комплект оборудования для высокоточных измерений
отражающей поверхности рефлекторов в термовакуумных условиях 33
2.2.2 Комплект оборудования для измерения точности
позиционирования элементов исполнительной автоматики БКНА-Миллиметрон 37
3 Термовакуумные испытания прецизионных размеростабильных конструкций. Адаптация измерительного оборудования 42
3.1 Методическая адаптация оборудования КО-ВИОП на примере
испытаний на термодеформации сектора центрального зеркала телескопа «Миллиметрон» 43
3.1.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 43
3.1.2 Выбор уголковых отражателей 43
3.1.3 Проведение испытаний с использованием методики учёта
смещений центров отражателей 45
3.1.4 Эксперимент по измерению интенсивности возвратного сигнала
от двух типов меток 52
3.2 Методическая и конструкционная адаптация оборудования КО-ВИОП
на примере испытаний на термодеформации каркаса силового лепестка главного зеркала телескопа «Миллиметрон» 54
3.2.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 54
3.2.2 Проведение испытаний на кручение спицы силового каркаса с использованием методик непрямого измерения положения отражателей, по инваровым жезлам и совмещённого измерения
на кручение и удлинение 55
3.2.3 Проведение испытаний по определению смещения 24 контрольных
узлов силового каркаса лепестка главного зеркала относительно базовых узлов 62
3.3 Конструкционная адаптация цилиндрических отражателей в
испытаниях на термодеформации рефлектора КА «Лабиринт» 65
3.3.1 Сведения об объекте испытаний, условиях и месте проведения
испытаний 65
3.3.2 Проведение испытаний в целях определения возможностей
крепления цилиндрических отражателей 66
Заключение 70
Список сокращений 73
Список использованных источников 74
Приложение
Согласно программе обеспечения надёжности (ПОН) и комплексной программе экспериментальной отработки (КПЭО) космический аппарат (КА) и его составные части проходят наземную экспериментальную отработку (НЭО). В ходе НЭО подтверждается их соответствие установленным требованиям - общим и специальным. Общие требования определены нормативными документами, специальные - техническим заданием (ТЗ) на КА. Соответствие требованиям определяет качество КА - надёжность, срок эксплуатации на орбите, функционирование по назначению, устойчивость функционирования и т.п.
НЭО многопланова и проходит в несколько этапов. На этапах конструкторско-доводочных испытаний (КДИ) и предварительных испытаний (ПрИ) составные части КА проходят, помимо прочих, испытания в термовакуумных условиях.
Термовакуумные испытания (ТВИ) проводят с целью получения информации о работоспособности механических устройств КА и точности их позиционирования в условиях вакуума и экстремальных температур (например, механических устройств прецизионных конструкций), а также для определения степени термодеформаций прецизионных конструкций (например, рефлекторов антенн).
Задача испытаний конструкций в термовакуумных условиях довольна сложна. Для проведения таких испытаний требуется оборудование, способное работать в условиях термобарокамер, или корректно и без потери точности проводить измерения через иллюминатор вакуумной установки.
Современные промышленные серийные измерительные системы не предназначены (за редким исключением - пункт 2.1.2) для проведения измерений в условиях вакуума и экстремальных температур. Чтобы использовать измерительные системы (ИС) в ТВИ, необходима их конструкционная и методическая адаптация. Проведением работ по адаптации такого уровня (т.е. адаптации целой ИС) занимаются специализированные научно-производственные предприятия, научно-исследовательские институты. По ТЗ заказчика подбирается оборудование, комплектующие и оснастка для сборки схемы испытаний, разрабатывается и изготавливается оснастка для защиты измерительного средства от влияния вакуума и экстремальных температур, разрабатывается методика измерений под конкретные ТВИ объектов измерения, проводится апробация ИС. Такие ИС имеют узкоспециализированное целевое назначение, успешно решающие уникальные измеренческие задачи.
Однако специализация измерительной системы накладывает ограничение на её применение в испытаниях, например, с объектами измерений, не включённых в методику измерений; или в случае усложнения задачи, решаемой этой системой. Проблема широты применения специализированных ИС решается универсализацией и новацией.
Универсализация, в первую очередь, выгодна с экономической точки зрения. Состав специализированных для ТВИ измерительных систем уникален, а значит и дорогостоящ. Расширение номенклатуры объектов испытаний (ОИ) позволит снизить стоимостную нагрузку на НЭО.
С точки зрения всё возрастающих требований к точностям конструкций и минимизации погрешностей измерений, новация измерительных систем в методической части позволит повысить скорость и качество проведения ТВИ.
Расширение измерительных систем для ТВИ производится путём конструкционной и методической адаптации оборудования и оснастки. Представленный в работе объём адаптации позволяет увидеть, насколько высоки потенциал и возможности расширения измерительной системы КО- ВИОП, а проведённая адаптация не означает достижения границ этих возможностей.
Данная работа состоит из трёх глав. В первой главе представлено описание прецизионных конструкций КА на примере космической обсерватории «Миллиметрон». Во второй рассмотрены и проанализированы серийные промышленные измерительные системы и специализированные системы. В третьей главе описывается конструкционная и методическая адаптация оборудования КО-ВИОП.
НЭО многопланова и проходит в несколько этапов. На этапах конструкторско-доводочных испытаний (КДИ) и предварительных испытаний (ПрИ) составные части КА проходят, помимо прочих, испытания в термовакуумных условиях.
Термовакуумные испытания (ТВИ) проводят с целью получения информации о работоспособности механических устройств КА и точности их позиционирования в условиях вакуума и экстремальных температур (например, механических устройств прецизионных конструкций), а также для определения степени термодеформаций прецизионных конструкций (например, рефлекторов антенн).
Задача испытаний конструкций в термовакуумных условиях довольна сложна. Для проведения таких испытаний требуется оборудование, способное работать в условиях термобарокамер, или корректно и без потери точности проводить измерения через иллюминатор вакуумной установки.
Современные промышленные серийные измерительные системы не предназначены (за редким исключением - пункт 2.1.2) для проведения измерений в условиях вакуума и экстремальных температур. Чтобы использовать измерительные системы (ИС) в ТВИ, необходима их конструкционная и методическая адаптация. Проведением работ по адаптации такого уровня (т.е. адаптации целой ИС) занимаются специализированные научно-производственные предприятия, научно-исследовательские институты. По ТЗ заказчика подбирается оборудование, комплектующие и оснастка для сборки схемы испытаний, разрабатывается и изготавливается оснастка для защиты измерительного средства от влияния вакуума и экстремальных температур, разрабатывается методика измерений под конкретные ТВИ объектов измерения, проводится апробация ИС. Такие ИС имеют узкоспециализированное целевое назначение, успешно решающие уникальные измеренческие задачи.
Однако специализация измерительной системы накладывает ограничение на её применение в испытаниях, например, с объектами измерений, не включённых в методику измерений; или в случае усложнения задачи, решаемой этой системой. Проблема широты применения специализированных ИС решается универсализацией и новацией.
Универсализация, в первую очередь, выгодна с экономической точки зрения. Состав специализированных для ТВИ измерительных систем уникален, а значит и дорогостоящ. Расширение номенклатуры объектов испытаний (ОИ) позволит снизить стоимостную нагрузку на НЭО.
С точки зрения всё возрастающих требований к точностям конструкций и минимизации погрешностей измерений, новация измерительных систем в методической части позволит повысить скорость и качество проведения ТВИ.
Расширение измерительных систем для ТВИ производится путём конструкционной и методической адаптации оборудования и оснастки. Представленный в работе объём адаптации позволяет увидеть, насколько высоки потенциал и возможности расширения измерительной системы КО- ВИОП, а проведённая адаптация не означает достижения границ этих возможностей.
Данная работа состоит из трёх глав. В первой главе представлено описание прецизионных конструкций КА на примере космической обсерватории «Миллиметрон». Во второй рассмотрены и проанализированы серийные промышленные измерительные системы и специализированные системы. В третьей главе описывается конструкционная и методическая адаптация оборудования КО-ВИОП.
Полученные результаты проведённой адаптации оборудования,
описываемой в данной работе, позволяют сделать выводы:
- о повышении уровня точности измерений в испытаниях конструкций КА в термовакуумных условиях (в первую очередь, за счёт учёта факторов, влияющих на адекватность полученных результатов, например, углового смещения отражателей);
- о перспективе универсализации за счёт расширения номенклатуры ОИ;
- об экономической целесообразности проведённой адаптации.
Требуемая адаптация оборудования для испытаний конструкций космического аппарата в термовакуумных условиях выполнена.
Разработана методика измерений прецизионных конструкций с высокой точностью определения термодеформаций отражающей поверхности рефлектора (отработка методики на секторе ЦЗ телескопа «Миллиметрон»). В схему измерений введены цилиндрические отражатели, перспективные для дальнейшего применения (небольшой вес, что снижает нагрузку на конструкцию ОИ; высокая интенсивность возвратного сигнала, что повышает надёжность измерения положения отражателя; низкая стоимость). Проведённый эксперимент по измерению интенсивности возвратного сигнала от меток двух типов (сферической и цилиндрической) обосновал правильность выбора цилиндрической метки в качестве основного отражателя. А также разработана методика проведения испытаний с цилиндрическими отражателями по коррекции расчётов с учётом изменения углового положения меток.
Применена и усовершенствована методика непрямых измерений термодеформаций по положению кубических зеркал на ОИ в части контроля положения непрямой метки. Данная методика учитывает термодеформации оснастки, таким образом, повышая точность получаемых результатов измерений. Широкое применение методики непрямого измерения ОИ даст большую свободу размещения оборудования в термобарокамерах, что выразится в простоте разработки измерительных схем.
Применена методика определения скручивания ОИ по инваровым жезлам с установкой модифицированных цилиндрических отражателей - сравнение полученных результатов измерения с результатами определения кручения по зеркальным кубам показало, что метод пригоден для использования и корректен.
Подтверждена корректность и работоспособность схемы совмещённого измерения двух контролируемых у ОИ параметров - кручение вокруг продольной оси и удлинение. Использование комбинированных схем будет способствовать повышению скорости проведения испытаний и снижению стоимости одного испытания.
Проведена необходимая конструкционная адаптация цилиндрических отражателей. Изменённая конструкция метки с вмонтированным стальным шаром расширяет возможности её применения. Для крепления на различные поверхности для таких меток разработана простая оснастка. С точки зрения конструкционной адаптации необходима дальнейшая стандартизация крепления. С точки зрения методической адаптации требуется дальнейшая разработка или усовершенствование методик по работе с модифицированными метками, их отработка и накопление статистических данных, подтверждающих стабильность поведения конструкций оснастки. С экономической точки зрения применение таких приспособлений для отражателей крайне выгодно - стоимость применяемой оснасти для крепления цилиндрических меток несопоставима по стоимости с оснасткой для цилиндрических меток - оригинальная оснастка в несколько десятков раз дороже разработанных приспособлений [4].
Помимо практической выгоды конструкционная и методическая адаптация несёт в себе ещё и теоретическую ценность, тесно связанную с практической. Дальнейшее усовершенствование методик измерений, на основе разработанных, расширит методическую базу КО-ВИОП, что будет способствовать универсализации измерительной системы без потери эффективности её применения.
В ходе отработки методики по непрямому измерению ОИ и подтверждения работоспособности оснастки для цилиндрических отражателей автор работы принимала непосредственное участие.
описываемой в данной работе, позволяют сделать выводы:
- о повышении уровня точности измерений в испытаниях конструкций КА в термовакуумных условиях (в первую очередь, за счёт учёта факторов, влияющих на адекватность полученных результатов, например, углового смещения отражателей);
- о перспективе универсализации за счёт расширения номенклатуры ОИ;
- об экономической целесообразности проведённой адаптации.
Требуемая адаптация оборудования для испытаний конструкций космического аппарата в термовакуумных условиях выполнена.
Разработана методика измерений прецизионных конструкций с высокой точностью определения термодеформаций отражающей поверхности рефлектора (отработка методики на секторе ЦЗ телескопа «Миллиметрон»). В схему измерений введены цилиндрические отражатели, перспективные для дальнейшего применения (небольшой вес, что снижает нагрузку на конструкцию ОИ; высокая интенсивность возвратного сигнала, что повышает надёжность измерения положения отражателя; низкая стоимость). Проведённый эксперимент по измерению интенсивности возвратного сигнала от меток двух типов (сферической и цилиндрической) обосновал правильность выбора цилиндрической метки в качестве основного отражателя. А также разработана методика проведения испытаний с цилиндрическими отражателями по коррекции расчётов с учётом изменения углового положения меток.
Применена и усовершенствована методика непрямых измерений термодеформаций по положению кубических зеркал на ОИ в части контроля положения непрямой метки. Данная методика учитывает термодеформации оснастки, таким образом, повышая точность получаемых результатов измерений. Широкое применение методики непрямого измерения ОИ даст большую свободу размещения оборудования в термобарокамерах, что выразится в простоте разработки измерительных схем.
Применена методика определения скручивания ОИ по инваровым жезлам с установкой модифицированных цилиндрических отражателей - сравнение полученных результатов измерения с результатами определения кручения по зеркальным кубам показало, что метод пригоден для использования и корректен.
Подтверждена корректность и работоспособность схемы совмещённого измерения двух контролируемых у ОИ параметров - кручение вокруг продольной оси и удлинение. Использование комбинированных схем будет способствовать повышению скорости проведения испытаний и снижению стоимости одного испытания.
Проведена необходимая конструкционная адаптация цилиндрических отражателей. Изменённая конструкция метки с вмонтированным стальным шаром расширяет возможности её применения. Для крепления на различные поверхности для таких меток разработана простая оснастка. С точки зрения конструкционной адаптации необходима дальнейшая стандартизация крепления. С точки зрения методической адаптации требуется дальнейшая разработка или усовершенствование методик по работе с модифицированными метками, их отработка и накопление статистических данных, подтверждающих стабильность поведения конструкций оснастки. С экономической точки зрения применение таких приспособлений для отражателей крайне выгодно - стоимость применяемой оснасти для крепления цилиндрических меток несопоставима по стоимости с оснасткой для цилиндрических меток - оригинальная оснастка в несколько десятков раз дороже разработанных приспособлений [4].
Помимо практической выгоды конструкционная и методическая адаптация несёт в себе ещё и теоретическую ценность, тесно связанную с практической. Дальнейшее усовершенствование методик измерений, на основе разработанных, расширит методическую базу КО-ВИОП, что будет способствовать универсализации измерительной системы без потери эффективности её применения.
В ходе отработки методики по непрямому измерению ОИ и подтверждения работоспособности оснастки для цилиндрических отражателей автор работы принимала непосредственное участие.