Раскрывающиеся пневматические и механические каркасы солнечного отражателя для наноспутника «Маяк» класса Cubesat

Материаловедение

А.Ю. Шаенко, М.С. Белокосков, М.П. Лавров, Д.И. Ефремов, А.М. Александров

Московский политехнический университет (МАМИ) (Россия, Москва)

 Аннотация. В работе приводятся результаты изготовления и испытаний двух вариантов исполнения каркаса солнечного отражателя кубсата «Маяк» на основе пневматической конструкции и на основе упругих деформируемых металлических профилей. В ходе сравнительных испытаний двух представленных вариантов к реализации на космическом аппарате «Маяк» рекомендован вариант на основе упругих деформируемых металлических профилей.

Ключевые слова: крупногабаритная раскрывающаяся космическая конструкция, солнечный отражатель, проект «Маяк», Cubesat, кубсат.

Deployable pneumatic and mechanical frames of solar reflector for nano-satellite Mayak cubesat

Abstract. This paper presents results of ground tests Mayak cubesat solar reflector design - with pneumatic and thin-walled furlable support structures. Only furlable support structure had successfully passed through comparison tests and has been recommended for practical realization.

Key words: deployable space structures, solar reflector, Mayak project, Cubesat.

Цель проекта «Маяк» - создание яркого звездоподобного объекта в ночном небе Земли 

 Космические аппараты нано-класса, выполненные в формате «кубсат» (CubeSat) [1] все шире применяются и для коммерческих приложений, и для обучения студентов и школьников, а также для научных исследований [2].

Формат кубсата вместе с облегчением возможности интеграции космического аппарата (КА) на ракету-носитель (РН) накладывает ряд ограничений на геометрические размеры, массу и состав бортового оборудования, что не позволяет использовать на борту токсичные и взрывоопасные вещества и сосуды высокого давления.

Кубсат «Маяк» [3], разрабатываемый в Московском политехническом университете и допущенный к запуску на РН «Союз-2.1а» попутной полезной нагрузкой совместно КА «Канопус-В-ИК», выполнен в соответствии описанными требованиям. Цель его создания – популяризация космической деятельности среди молодежи России и мира путем привлечения к практическому созданию спутников, а также выполнение ряда научных и технологических экспериментов. Подробно цели проекта «Маяк» освещены в Видео к статье. Полезной нагрузкой «Маяка» является раскрываемый солнечный отражатель, представляющий собой в рабочем положении правильный тетраэдр с ребром 3 метра, состоящий из каркаса и светоотражающей пленки.

Основной задачей солнечного отражателя является формирование для земного наблюдателя яркого звездоподобного объекта в ночном небе Земли со звездной величиной не более -9m.

Солнечный отражатель состоит из:

- раскрывающегося каркаса солнечного отражателя, формирующего упругие ребра;

- механизма его раскрытия;

- светоотражающих поверхностей из серийно выпускаемой полиэтилентерефталатной пленки ПЭТ.

В ходе работ по проекту «Маяк» было предложено два варианта исполнения раскрывающегося каркаса – пневматический и механический.

В случае пневматического каркаса ребра формируются из замкнутых полостей, заполняемых газообразными продуктами термического разложения карбоната аммония, смесью углекислого газа, аммиака и воды. Данный реагент нетоксичен, что позволяет использовать его на борту кубсата (Рисунок 1).

Рисунок 1.

Результаты испытаний позволили выявить следующие недостатки пневматической конструкции каркаса:

• газообразные продукты разложения карбоната аммония после попадания в замкнутую полость пневматического каркаса охлаждаются и испытывают обратное химическое превращение в твердое вещество, не создавая давления;
• материал, используемый для создания пневматического каркаса, серийно выпускаемая полиэтилентерефталатная пленка ПЭТ, К, ОА 5×600, обладает существенной микропористостью. В большинстве случаев данный материал используется для создания матов экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), где наличие пор в материале является скорее преимуществом, однако это свойство не позволило использовать указанный материал для создания пневмокаркаса КА «Маяк».

Указанные недостатки не позволили применить на космическом аппарате пневматический вариант каркаса. Поэтому каркас «Маяка» был построен на основе упругих деформируемых профилей.

В случае механического каркаса ребра формируются из упругих деформируемых профилей с незамкнутым сечением, способных уплощаться при приложении сжимающей нагрузки поперек продольной оси профиля. Подобный принцип построения раскрывающихся космических конструкций широко применяется на практике, например, он использовался для создания каркаса солнечного паруса на космическом аппарате LightSail-1 [4].

Конструкция механического каркаса представлена на Рисунках 2, 3. Каркас выполнен в виде трех упругих профилей в транспортном положении намотанных на общий барабан параллельно друг другу со смещением. Барабан закреплен в подшипниковой опоре внутри корпуса каркаса, представляющего собой прямоугольный параллелепипед с размерами 100 мм х 100 мм х 75 мм. Концы профилей выпущены за пределы корпуса через три профилированных отверстия таким образом, чтобы профили при полном сходе с барабана образовали три ребра правильного тетраэдра со стороной 3 м.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Перевод каркаса из транспортного положения осуществляется за время не более 3 минут, при этом потребляемая мощность составляет не более 5 Ватт.

По итогам сравнительных испытаний двух вариантов раскрывающегося каркаса отражателя, несмотря на более высокий коэффициент укладки пневматической конструкции, к практической реализации на космическом аппарате «Маяк» был принят механический каркас на основе упругих деформируемых профилей с незамкнутым сечением.

В условиях создания раскрывающихся крупногабаритных конструкций на борту космических аппаратов класса CubeSat, когда применение пиросредств, токсичных веществ и сосудов высокого давления ограничено при жестко заданных габаритах космических аппаратов, наиболее перспективным средством развертывания, на взгляд авторов работы, являются механические конструкции.

Библиографические ссылки

1. "CubeSat Design Specification Rev. 13". California State Polytechnic University. Источник проверен 04.09.2015. http://cubesat./images/developers/cds_rev13_finalpdf
2. Cohen, Barbara A.; Sellar, R. G.; Staehle, R. et al., eds. (2013). Lunar Flashlight: Mapping lunar surface volatiles using a CubeSat (PDF). Annual Meeting of the Lunar Exploration Analysis Group (2013). NASA - SSERVI.
3. Шаенко А.Ю., Белокосков М.С., Недогарок А.А., Шпотя Д.А. Раскрывающийся солнечный отражатель для наноспутника «Маяк» класса Cubesat. Решетневские чтения. 2015. Т. 1. № 19. С. 143-144.
4. The Planetary Society. Projects: LightSail-Solar Sailing. Источник проверен 04.09.2015. http://www.planetary./programs/projects/solar_sailing/lightsailhtml

Сведения об авторах:

А.Ю. Шаенко - руководитель проекта "Маяк", к.т.н., инженер c 10-летним опытом в космической отрасли. Разрабатывал ракеты-носители «Ангара-А5» и KSLV, обсерваторию "Миллиметрон", частный спутник DX1, «Селеноход». Руководитель образовательной программы «Современная космонавтика» в Московском Политехе.

М.С. Белокосков - ответственный в проекте "Маяк" за систему раскрытия и закрутки. Технолог ракетно-космического машиностроения, программист, изобретатель, писатель. Основная область интересов - дальний космос, моделирование роботов и 3D-печать. Руководит перспективными проектами в Миле СНГ.

 М.П. Лавров - ответственный в проекте "Маяк" за силовую конструкцию. Инженер с 7-летним опытом в области ракетно-космических, авиационных и мобильных объектов. Разрабатывал устройства для МКС, Всемирной космической обсерватории, космических аппаратов "Ямал" и ГЛОНАСС. Работает на одном из предприятий ВПК.

 Д.И. Ефремов - ответственный в проекте "Маяк" за стратосферные испытания. Руководитель аэрокосмической лаборатории Московского технологического института, спасатель МЧС. Разрабатывает беспилотные летательные аппараты, осуществляет запуски стратосферных зондов. Победитель конкурса Axe Apollo на суборбитальный полёт в космос.

 А.М. Александров - ответственный в проекте "Маяк" за систему энергопитания. Предприниматель с образованием инженера-программиста. Основатель и ведущий инженер лаборатории «Суперфонарик» и российского производителя 3D-принтеров «ЧипТриД». Большой опыт разработки автоматизированных систем управления.

Authors:

А.Yu. Shaenko¹, M.S. Belokoskov¹, M.P. Lavrov¹, D.I. Efremov¹, A.M. Alexandrov¹

          ¹ Moscow Polytechnic University (Moscow, Russia)

• < Назад
• Вперед >