Розробка систем віброзахисту космічних апаратів – стан та перспективи
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2023.05.003Ключові слова:
Cупутник, Акустика, Алгоритми керування, Безпека, вібрація, Віброзахист, Випадкова вібрація, Глибиномір, космічний апарат, Політ, Ракети, Роздільна здатність (Оптика), Розумні конструкції, Середовище запуску, Транспортні засоби, Удари (Механіка)Анотація
Вібраційні навантаження на ракету-носій і космічний апарат (КА) можуть досягати високого рівня і призводити до нештатних і аварійних ситуацій. Конструкція космічного апарата повинна не тільки підтримувати корисне навантаження і підсистеми КА, але і мати достатню міцність і жорсткість, щоб виключити будь-які аварійні ситуації (пошкодження, руйнування, небажані деформації конструкції, вихід з ладу і вихід з ладу приладів і обладнання), які можуть перешкодити успіх місії. Основною метою статті є аналіз стану досліджень динаміки систем віброзахисту космічних апаратів, що виводяться на робочі орбіти сучасними ракетами-носіями. Результати цього аналізу сприятимуть розробці принципових схем систем віброзахисту та методів ефективного демпфування просторових коливань космічних апаратів. Показано, що розвиток перспективних систем віброізоляції відбуватиметься у напрямку: збільшення частотного діапазону та показників демпфування КА; переходу від демпфування вібрацій КА (в цілому) до настроювання системи на демпфування окремих (найбільш відповідальних та чутливих до вібрації) КА; використання системи активного демпфування вібрацій КА у поєднанні з пасивною системою віброзахисту; використання принципових схем віброзахисних систем КА із введенням гідравлічних, електромагнітних та механічних функціональних елементів з метою підвищення ефективності віброізолювальних систем; активного пригнічення випадкових вібрацій у відкритому космосі під час роботи різних систем космічного корабля (при збуреннях від двигунів систем корекції орбіти тощо); використання конструкції адаптера для виконання функцій пасивної віброзахисної системи КА.Посилання
Afanasiev V., Barsukov V., Gofin M., Zakharov V., Strelchenko N., Shalunov N. (1994). Experimental development of spacecraft. MAI Publ. House, 412 p. [in Russian]
Arenas J. P., Margasahayam R. N. (2006). Noise and vibration of spacecraft structures. Ingeniare Rev. Chil. Ing., 14, No 3, 251-264,
https://doi.org/10.4067/S0718-33052006000200009
Bezmozgiy I. M., Sofinsky A. N., Chernyagin A. G. (2014). Modeling in problems of vibration strength of structures of rocket and space technology. Space Equip. Technol., 3, № 6, 71-80 [in Russian]
Calvi A. (2011). Spacecraft Loads Analysis. An Overview. ESA / ESTEC, Noordwijk, the Netherlands. Presentation for the University of Liege Satellite Engineering Class. 14 p.
URL: https://docplayer.net/5135449-Spacecraft-structural-dynamics-loads-an-ov. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Caruntu D. I., Shove C. (2005). Overview of Payload Vibration Isolation Systems. Design Engineering. Parts A and B, 1149-1156.
https://doi.org/10.1115/IMECE2005-82138
Chen Y., Fang B., Yang T., Huang W. (2009). Study of Whole-spacecraft Vibration Isolators Based on Reliability Method. Chin. J. Aeronaut., 22, № 2, 153-159.
https://doi.org/10.1016/S1000-9361(08)60081-3
Cobb R. G., et al. (1999). Vibration isolation and suppression system for precision payloads in space. Smart Mater. Struct., 8, № 6, 798-812.
https://doi.org/10.1088/0964-1726/8/6/309
Dotson K. W., Sako B. H. (2007). Interaction Between Solid Rocket Motor Internal Flow and Structure During Flight. J. Propuls. Power, 23, № 1, 344-355.
https://doi.org/10.2514/1.20477
Fedor J. V. (1990). Active damping of spacecraft structural appendage vibrations. US4892273A.
https://doi.org/10.1121/1.400156
URL: https://patents.google.com/patent/US4892273A/en?oq=U.S.+Pat.+No.+4%2c892. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Fei H., Song E., Ma X., Jiang D. (2011). Research on Whole-spacecraft Vibration Isolation based on Predictive Control. Procedia Eng., 16, 467-476.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.1112
Gibbs W., Francis J., Spicer R., Schaeffer K., O'Connell M. (2009). Vibration Testing of the OCO Spacecraft on a Passive Vibration Isolation System. 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conf. (Palm Springs, California).
https://doi.org/10.2514/6.2009-2635
Gladkiy V. (1969). Dynamics of the aircraft design, 496 p. [in Russian]
Gordon S., Kern D. L. (2015). Benefits of Spacecraft Level Vibration Testing. Presented at the Aerospace Testing Seminar (Los Angeles, CA), 134.
URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150020490/downloads/ 20150020490.pdf (Last accessed: Mar. 23, 2023).
Grishin D. (2013). Modern methods of vibration protection of structures: educational and methodological complex. RUDN, 111 [in Russian]
Haghshenas J. (2017). Vibration effects on remote sensing satellite images. Adv. Aircr. Spacecr. Sci., 4, № 5, 543-553.
doi: 10.12989/AAS.2017.4.5.543.
Hyde T. T., Davis L. P. (1998). Optimization of multiaxis passive isolation systems. Presented at the 5th Annual Int. Symp. On Smart Structures and Materials (San Diego, CA), 399-410.
https://doi.org/10.1117/12.310702
Igdalov I., Kuchma L., Poliakov N., Sheptun Y. D. (2004). Rocket as a controlled object. Dnepropetr.: ART-Press , 544 p.
Jafari B. (2018). Whole spacecraft vibration isolation system: A comparison of passive vs. semiactive vibration isolation designs, department of mechanical and industrial engineering (Concordia University, Montreal, Quebec, Canada).
URL: https://spectrum.library.concordia.ca/id/eprint/984635/1/Jafari_MASc_S20. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
James G., Schultz K. (2014). Loads and Structural Dynamics Requirements for Spaceflight Hardware.
URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20110015359 (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Kabe A., Kim M., Spiekermann C. (2003). Loads analysis for national security space missions. Crosslink, 20-25.
Kattakuri V., Panchal J. H. (2019). Spacecraft failure analysis from the perspective of design decision-making. Int. Design Engineering Tech. Conf. and Computers and Inform. in Engineering Conf., 59179, V001T02A068.
https://doi.org/10.1115/DETC2019-98420
Kern D. L., Gerace C. A. (2008). Implementation of a whole spacecraft isolation system for the OSTM/Jason 2 mission. 2008 IEEE Aerospace Conf., Big Sky, MT, USA, 1-8.
https://doi.org/10.1109/AERO.2008.4526538
Liu C., Jing X., Daley S., Li F. (2015). Recent advances in micro-vibration isolation. Mech. Syst. Signal Process, 56-57, 55-80.
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2014.10.007
Load Analyses of Spacecraft and Payloads. NASA Technical Standard. NASA-STD-5002A (Sep. 2019).
URL: https://standards.nasa.gov/sites/default/files/standards/NASA/A/0/nasa-s. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Maly J. R. (1996). FORTE spacecraft vibration mitigation. Final report (Los Alamos National Lab., Los Alamos, New Mexico).
https://doi.org/10.2172/484535
URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/28/075/28075. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Mars K. (2021). Johnson Space Center. Vibration testing.
URL: http://www.nasa.gov/johnson/exploration/technology (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Newman J. S. (2001). Failure-Space - A systems engineering look at 50 space system failures. Acta Astronaut., 48, 517-527.
https://doi.org/10.1016/S0094-5765(01)00071-6
Nikolayev D. (2023). Exploring software solutions for active vibration control, protection, and isolation. EndurantDevs.
URL: https://www.endurantdev.com/article/exploring-software-solutions-for-act. (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Park Y.-H., Kwon S.-C., Koo K.-R., Oh H.-U. (2021). High damping passive launch vibration isolation system using superelastic SMA with multilayered viscous lamina. Aerospace, 8, № 8, 201.
https://doi.org/10.3390/aerospace8080201
Pilipenko V. V., Nikolayev O. D., Dovgotko N. I., Pilipenko O. V., Dolgopolov S. I., Khoryak N. V. (2001). Theoretical assessment of the effectiveness of the passive system of vibration protection of spacecraft during longitudinal vibrations of the launch vehicle. Tech. Mech., 1, № 1, 5-12 [in Russian]
Pilipenko V. V., Pilipenko O. V. (2001). The vibration protection system for decreasing of the level of the dynamic loads (longitudinal vibration accelerations) of space vehicles under its putting into planned orbit. Рresented at the IAF 01-I.2.09, 52nd Int. Astronautical Congress (Toulouse, France, Oct. 2001).
PSLV - Rockets. URL: https://spaceflight101.com/spacerockets/pslv/ (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Pylypenko O. V., Degtyarev M. A., Nikolayev O. D., Klimenko D. V., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Bashliy I. D., Silkin L. A. (2020). Providing of POGO stability of the Cyclone-4M launch vehicle. Space Science and Technology, 26, № 4, 3-20.
https://doi.org/10.15407/knit2020.04.003
Pylypenko O. V., Prokopchuk O. O., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Khoriak N. V., Pysarenko V. Yu., Bashliy I. D., Polskykh S. V. (2021). Mathematical modelling of start-up transients at clustered propulsion system with POGO-suppressors for Cyclon-4M launch vehicle. Space Science and Technology, 27, № 6, 3-15.
https://doi.org/10.15407/knit2021.06.003
Pylypenko O. V., Nikolayev O. D., Bashliy I. D., Khoriak N. V., Dolgopolov S. I. (2020). State of the art in the theoretical study of the high-frequency stability of working processes in liquid-propellant rocket combustion chambers. Tech. Mech., 2, No 2, 5-21.
https://doi.org/10.15407/itm2020.02.005
Rabinovich B. I. (2000). New Ideas of the attitude Control Based on the Magnetohydrodynamic Phenomena. The Application to the Rotating Spacecraft. Presented at the Astro2000, 11CASI Conf. on Astronautics (Ottawa, Canada), 240.
Rittweger A., Beig H., Konstanzer P., Dacal R. B. (2005). Active payload adaptor for Ariane 5. Presented at the 56th Int. Astronautical Congress of the International Astronautical Federation (Fukuoka, Japan), 3654-3665.
https://doi.org/10.2514/6.IAC-05-C2.4.02
Robertson B., Stoneking E. (2003). Satellite GN and C Anomaly Trends.
URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20030025663 (Last accessed: May 25, 2023).
Serdyuk V. (2009). Designing Space Launch Vehicles: Textbook for higher educational institutions. Moscow: Mashinostroyenie, 504 p. [in Russian].
Sirlin S. W. (1987). Vibration isolation for spacecraft using the piezoelectric polymer PVF2. J. Acoust. Soc. Amer., 82, № S1, 13.
https://doi.org/10.1121/1.2024666
Souleille A., et al. (2018). A concept of active mount for space applications. CEAS Space J., 10, № 2, 157-165.
https://doi.org/10.1007/s12567-017-0180-6
Stavrinidis C., Klein M., Brunner O., Newerla A. (1996). Technical and programmatic constraints in dynamic verification of satellite mechanical systems. Acta Astronaut., 38, № 1, 25-31.
https://doi.org/10.1016/0094-5765(95)00122-0
Tang J., Cao D., Qin Z., Li H., Chen D. (2018). A VCM-based novel whole-spacecraft vibration isolation device: simulation and experiment. J. Vibroengineering, 20, № 2, 1035-1049.
https://doi.org/10.21595/jve.2017.18494
Tang J., Cao D., Ren F., Li H. (2018). Design and Experimental Study of a VCM-Based Whole-Spacecraft Vibration Isolation System. J. Aerosp. Eng., 31, № 5, 04018045.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000871
Tosney W. F., Cheng P. G. (2015). Space safety is no accident how the aerospace corporation promotes space safety. Space Safety is No Accident. Eds. T. Sgobba, I. Rongier. Cham: Springer Int. Publ., 101-108.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-15982-9_11
Whitmore M., Boyer J., Holubec K. (2012). NASA-STD-3001. Space Flight Human-System Standard and the Human Integration Design Handbook. Presented at the Industrial and Systems Engineering Research Conference (Orlando, FL), 68.
URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20130000738 (Last accessed: Mar. 23, 2023).
Wilke P., Conor J., Patrick G., Sciulli D. (2000). Whole-Spacecraft Vibration Isolation for Broadband Attenuation. Presented at the IEEE Aerospace Conf. (BigSky, Montana).
https://doi.org/10.1109/AERO.2000.878442
URL: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA451903.pdf (Last accessed: Mar. 24, 2023).
Wilke P. S., Johnson C. D., Fosness E. R. (1997). Payload isolation system for launch vehicles. Presented at the Smart Structures and Materials 1997: Passive Damping and Isolation, 3045, 20-30.
Xu K., Zhang Y., Zhu Y., Zang J., Chen L. (2020). Dynamics Analysis of Active Variable Stiffness Vibration Isolator for Whole-Spacecraft Systems Based on Nonlinear Output Frequency Response Functions. Acta Mech. Solida Sin., 33, № 6, 731-743.
https://doi.org/10.1007/s10338-020-00198-5
Zhang Y., Fang B., Chen Y. (2012). Vibration isolation performance evaluation of the discrete whole-spacecraft vibration isolation platform for flexible spacecrafts. Meccanica, 47, № 5, 1185-1195.
