 |
 |
 |
Низкоорбитальные микро-спутники выполняют научные, наблюдательные и разведывательные миссии. Эти системы намного более компактные, чем большие телекоммуникационные спутники, поэтому пространство внутри спутника сильно ограничено, и тепло намного сложнее отводить от близко расположенных электронных компонентов. Традиционно корпус электроники спутника изготавливается из алюминия. Этот материал имеет малую массу, достаточные возможности по отводу тепла и обеспечивает хорошую защиту от внешнего излучения.
В недавнем исследовании Европейское космическое агентство (European Space Agency, ESA) изучало возможность изготовления этих корпусов из композитных материалов, чтобы установить, способен ли этот материал обеспечить такой же отвод тепла, как алюминий, но при этом иметь меньшую массу.
Корпус, созданный из углепластикового композита в лаборатории легких конструкций в Технологическом университете города Хельсинки, был покрыт вольфрамовой фольгой по внутренней стороне слоистой структуры для защиты от излучений. Отвод тепла обеспечивался слоями пластмассы, армированной углеродными волокнами высокой проводимости К1100. Анализ композитного корпуса проводился компанией Componeering Inc., которая специализируется на моделировании и разработке дизайна высококачественных композитных структур. Большая часть работ корпорации проводится с использованием программного обеспечения ESAComp, которое они разработали для изучения композитных слоистых материалов, сэндвич-конструкций и конструкционных элементов, сделанных из слоистых материалов.
У микро-спутника Proba 2 есть инструменты, чтобы наблюдать за Солнцем и измерения погоды в космосе. Корпус электроники этого спутника использовался в исследованиях ESA в качестве образца
Создание дизайна композитной структуры со слоистыми элементами требует много сил из-за анизотропного поведения материала. Более того, дизайн зависит от многих причин, таких как выбор материала, число слоев, ориентация слоев и их последовательность. В исследованном композитном корпусе волокна К1100 разрушаются при малых деформациях. Также, несоответствие коэффициентов температурного расширения композитного корпуса и алюминиевого клинового зажима и опорных элементов, привели к деформации конструкции при изменении температуры. По всем этим причинам определение конструктивной целостности и теплового баланса с использованием традиционных методов анализа может быть исключительно сложной задачей.
Слоистый дизайн корпуса был разработан с использованием ESAComp, затем данные о последовательности слоев и свойствах материала были экспортированы в ANSYS Mechanical для моделирования структуры с использованием балочных и оболочечных элементов.
Результаты из ANSYS были экспортированы в ESAComp для детального пост-процессинга. Эта возможность,
например, была использована при изучении высоких межслойных напряжений сдвига вблизи креплений панелей. Создание модели было облегчено благодаря использованию языка параметрического моделирования ANSYS (APDL), который было можно связать с ESAComp для оптимизации дизайна.
ANSYS также был использован для выполнения частотного анализа для вычисления собственных частот, ниже 800 Гц. С использованием контактных элементов ANSYS были обнаружены касающиеся поверхности композитного корпуса и алюминиевого клинового зажима и опорных элементов.
Для прочностного и температурного анализа была использована одна и та же модель ANSYS для определения таких характеристик, как температурный баланс слоистой конструкции и формы колебаний системы
В этом проекте ANSYS использовался совместно с ESAComp. Было сэкономлено время на создании моделей благодаря импортированию необходимых данных напрямую из ESAComp в ANSYS, а также использованию контактных элементов ANSYS и возможностям языка APDL для параметризации. Значительное время было сэкономлено благодаря возможности использовать одну и ту же модель ANSYS как для прочностного, так и для температурного анализа. Детали композитной конструкции были изучены при моделировании, прежде чем создавать дорогостоящий физический прототип. Благодаря этому измененная конструкция могла быть передана для оценки практически сразу проектной группе.
«Возможность совместной работы в ANSYS и ESAComp для создания надежной параметрической модели, учитывающей все различные компоненты, и для проведения достоверного прочностного и температурного анализа было ключом к ускорению и повышению точности для успешного завершения исследования ESA. С помощью передовых возможностей анализа поведение конструкции могло быть правильно понято, дизайн композитного корпуса был оптимизирован для сокращения массы на 29% по сравнению с алюминиевым корпусом, и проект был завершен за 18 месяцев, прошедших с момента встречи, на которой было принято решение о начале проекта до финальной презентации о результатах» – сказал Харри Катаиисто (Harri Katajisto), инженер по исследованиям и разработкам Componeering.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам компании Componeering.