ОЦЕНКА ЖЁСТКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, В ХОДЕ ПРИЁМНЫХ ИСПЫТАНИЙ. EVALUATION OF SPACECRAFT COMPOSITE STRUCTURE RIGIDITY DURING INSPECTION TEST

ОЦЕНКА ЖЁСТКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, В ХОДЕ ПРИЁМНЫХ ИСПЫТАНИЙ. EVALUATION OF SPACECRAFT COMPOSITE STRUCTURE RIGIDITY DURING INSPECTION TEST

© О.Г.Деменко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2019 г.

Аннотация: Рассматривается проблема контроля качества изготовления элементов конструкций космических аппаратов, выполненных из композиционных материалов, при приёмных испытаниях. Показано, что традиционные методы определения жёсткостных характеристик неприменимы в рассматриваемом случае. В качестве показателя для оценки жёсткости композитной конструкции предложено использовать частоты нижних тонов собственных колебаний конструкции. Обосновывается достаточность такого подхода для целей входного контроля и техническая возможность его реализации.

Ключевые слова: композиционные материалы, испытания космической техники, жесткость, прочность конструкции, собственные частоты и формы колебаний.

Abstract: The problem of spacecraft composite structure quality control during inspection test is considered in this paper. It is shown, that traditional methods of construction rigidity determination are non-applicable in this case. Usage of lower tones natural frequencies is proposed as indicator of composite structure rigidity. Sufficiency of this approach for inspection test purpose and technical feasibility of its achievement are established here.

Keywords: composite material, spacecraft structure inspection test, rigidity, structural strength, natural frequency and natural mode.

Одним из перспективных направлений развития конструкций космических аппаратов (КА) является применение композиционных материалов. Они обладают анизотропной структурой, целенаправленно создаваемой под требуемые особенности конструкции, что обеспечивает им высокую удельную прочность [1]. Вместе с тем, существующая технология их производства приводит к большому разбросу характеристик конечной продукции, что создаёт необходимость проведения приёмных испытаний композитных конструкций при их поступлении в сборочные организации.

Назначение конструкции – обеспечение прочности изделия, поэтому при входном контроле композитных элементов основной конструкции КА главное внимание должно уделяться их прочностным, или, что более удобно, жёсткостным характеристикам. Традиционный способ определения жёсткости предусматривает измерение деформаций конструкции при её нагружении. Невозможность такого подхода для композитов состоит в том, что каждый элемент может быть адекватно нагружен только в составе собранной конструкции КА. Отдельный элемент, как правило, не имеет узлов крепления, через которые его можно было бы закрепить на стенде и нагрузить нужным образом.

В качестве альтернативного способа оценки изготовления композитной конструкции предлагается сравнение частот низших тонов собственных колебаний, полученных: 1) с помощью расчётной модели и 2) экспериментально – при приёмных испытаниях готовой конструкции.

Собственные частоты и формы колебания являются интегральными характеристиками конструкции, учитывающими её геометрию, массовые и жёсткостные показатели конструкционных материалов, их расположение в пространстве и способы соединения [2]. Совпадение нескольких форм/частот у разных конструкций не может быть случайным и является результатом их идентичности.

Измерение собственных частот не требует приложения значительных усилий. Существуют апробированные методы модальных испытаний, например, ударные молотковые испытания. При этих испытаниях в заданных точках конструкции с помощью ударного молотка с резиновым наконечником прикладываются незначительные усилия и измеряются ускорения отклика. Обработка измерений позволяет определить формы и частоты возбуждаемых ударом колебаний (очевидно, речь идет о первых тонах).

Использование расчётной модели позволяет определить места расположения ударных воздействий, измерительных датчиков и способы крепления конструкции. Такой подход оптимален для отдельных конструкций, однако плохо подходит для сборных конструкций. В докладе приводятся примеры из практики разработки КА, иллюстрирующие сказанное.

Литература

1. Гардымов Г.П., Мешков Е.В., Пчелинцев А.В., Лашманов Г.П. и др. Композитные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении / Под редакцией Гардымова Г.П., Мешкова Е.В. – СПб.: СпецЛит, 1999. – 271 с.

2. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. – М.: Машиностроение, 1985. – 472 с.