Ключевые слова: малые космические аппараты, оптимальное проектирование, аддитивные технологии, топологическая оптимизация.
Введение
В последние годы интерес к исследованию космоса значительно возрос, что способствовало стремительному развитию космических технологий и участию в этой сфере всё большего числа стран и компаний. Тем не менее, запуск полезной нагрузки в космос остается дорогостоящей задачей. Согласно данным, представленным в открытом отчете NASA и коммерческим предложениям SpaceX, стоимость вывода одного килограмма груза на низкую околоземную орбиту составляет от 10 000 до 20 000 долларов [2, 3]. Это обстоятельство делает уменьшение массы запускаемых объектов одной из приоритетных задач проектирования.
Малые космические аппараты (например, CubeSat), благодаря своей легкой конструкции, низкой стоимости и высокой гибкости выполнения задач, становятся новой тенденцией в космической индустрии [4]. Однако традиционные методы производства, обусловленные сложностью механической обработки и сборки, ограничивают гибкость проектирования, повышают сложность изготовления и увеличивают затраты. В сравнении с этим, использование методов оптимального проектирования в сочетании с аддитивными технологиями открывает новые перспективы для снижения массы конструкций рам малых космических аппаратов [5].
Цели исследования и инновационный подход
Целью данного исследования является использование методов оптимального проектирования и аддитивных технологий для максимального снижения массы рамной конструкции малых космических аппаратов, повышения коэффициента полезной нагрузки и снижения стоимости запуска. В рамках исследования предложен подход, объединяющий топологическую оптимизацию и селективное использование аддитивных технологий для облегчения конструкций. Основные инновации исследования включают:
- применение топологической оптимизации на этапе предварительного проектирования для рационального распределения материалов;
- использование аддитивной технологии печати с непрерывным волокном, позволяющей эффективно производить сложные формы.
Методы исследования
- Реализация оптимального проектирования
Оптимальное проектирование направлено на рациональное распределение материалов, обеспечивающее снижение массы при сохранении заданных эксплуатационных характеристик. В данном исследовании использовался модуль топологической оптимизации программного обеспечения Ansys (Topology Optimization) [6]. Основные этапы процесса следующие:
– Задание ограничений: Определение механических ограничений, таких как максимальное напряжение, минимальная жесткость и допустимые перемещения, на основе эксплуатационных нагрузок.
– Оптимизация распределения материалов: Удаление областей детали, не участвующих в несении нагрузки, с помощью топологической оптимизации, что позволяет сохранить только необходимые материалы.
– Итеративная оптимизация: Проведение многократных итераций для достижения оптимальной формы конструкции, удовлетворяющей требованиям по прочности и жесткости.
- Применение аддитивных технологий
Аддитивные технологии обладают высокой гибкостью, позволяя изготавливать детали сложных форм. В данном исследовании использовалась аддитивная технология печати с использованием непрерывного волокна [7]. Основные этапы процесса включают:
– Настройка параметров печати: Определение траекторий печати, зон укладки, количества слоев и подачи материала на основе оптимизированной формы конструкции.
– Мониторинг процесса печати: Контроль температуры, текучести материала и других параметров в реальном времени для обеспечения качества печати.
– Финальная сборка и тестирование: Высокоточная сборка конструкции после печати и проведение механических испытаний для проверки надежности.
В результате топологической оптимизации, проведенной с использованием программного обеспечения Ansys, общая масса рамной конструкции малого космического аппарата была уменьшена на 30 % по сравнению с исходным проектом. Оптимизированная конструкция обеспечивает равномерное распределение напряжений и удовлетворяет требованиям механической прочности. Проведенные испытания подтвердили стабильность конструкции при воздействии экстремальных температур и механических нагрузок.
Применение технологии печати с использованием непрерывного волокна позволило значительно снизить потери материалов, повысив коэффициент их использования до 90 %. По сравнению с традиционными методами механической обработки, время производства сократилось примерно на 40 %, а затраты на изготовление уменьшились на 25 %.
Заключение и перспективы
Сочетание топологической оптимизации и аддитивных технологий позволило значительно снизить массу рамной конструкции малого космического аппарата, повысить коэффициент полезной нагрузки и снизить затраты на запуск, обеспечив при этом надежность и прочность конструкции. Полученные результаты подтверждают высокий потенциал предложенного подхода для применения в инженерной практике.
В будущем исследования могут быть направлены на улучшение характеристик материалов, используемых в аддитивных технологиях, а также на разработку более сложных конструкций. Интеграция решений в области управления тепловыми режимами и разработки многофункциональных структур создаст дополнительные возможности для применения малых космических аппаратов, способствуя дальнейшему развитию космических технологий.
Литература:
- Канадский проект Cubesat — Canada.ca. — URL: https://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/cubesat/ (дата обращения: 31.12.2024).
- Отдел анализа затрат НАСА, 2020.
- Руководство пользователя SpaceX Falcon 9, 2023.
- Каширин, А. В. Анализ современного состояния рынка наноспутников как подрывной инновации и возможностей его развития в России / А. В. Каширин, И. И. Глебанова. — Текст: непосредственный //Молодой ученый. — 2016 — № 7 (111). — С. 855–867.
- Н. Го и М. К. Леу / Аддитивное производство: технология, применение ипотребности в исследованиях // фронт. Mex Eng., Vol. 8, 3, с. 215–243, 2013.
- Liu, X. и Wang, Y. / Оптимизация в аэрокосмической технике:// обзор. Aerospace Science and Technology, 128, 2022г.
- Gao, C. и Zhao, J./ Аддитивное производство для структур CubeSat. // Journal of Materials Processing Technology, 296, 2021г.
- ANSYS Inc./ Руководство пользователя по оптимизации топологии ANSYS.2023г.
