Устройство для имитации нагрузки приводов раскрытия трансформируемых конструкций космических аппаратов Российский патент 2023 года по МПК G01M13/02 B64G7/00 

Изобретение относится к различным областям промышленности, прежде всего, к ракетно-космической. В частности, изобретение относится к испытательной технике, к наземным испытаниям механизмов раскрытия пространственных трансформируемых конструкций космических аппаратов (КА), например, складных антенн, солнечные панелей и подобных конструкций.

Перечисленные конструктивные элементы КА в сложенном состоянии должны занимать минимальное место под обтекателем КА. Поэтому они доставляются на орбиту в сложенном транспортном состоянии. Приведение в рабочее положение осуществляется посредством приводов раскрытия.

Физические процессы, протекающие в моменты раскрытия трансформируемых конструкций КА – это установка элементов системы в промежуточные положения, перемещение спиц в шарнирах, установка элементов на упоры или фиксаторы, растяжение и натяжение сетеполотна рефлектора антенны и тому подобное. То есть в процессе трансформации нагрузка от механизмов таких конструкций носит переменный характер, со значительными изменениями нагрузки на привод. Трансформируемые конструкции КА имеют зачастую значительные габариты, кроме этого, включают элементы неспособные функционировать в условиях гравитации. Большие габариты трансформируемых конструкций делают невозможным полномасштабную наземную отработку приводов в сборе.

Электропривода трансформируемых конструкций при наземных испытаниях необходимо проверять на функционирование, проводить ресурсные испытания, настраивать срабатывание муфт, фиксаторов и тому подобное. Также при освоении новых изделий требуется проведение комплекса экспериментально-исследовательских работ с образцами, конструкторско-технологическими макетами и физическими моделями указанных конструкций.

Актуальным вопросом является создание устройства, позволяющего имитировать нагрузки от механизмов трансформируемых конструкций, изменяющиеся по программе, с полным моделированием нагрузок всего процесса трансформации. Обязательным условием представляется наличие интуитивно понятного человеко-машинного интерфейса, с записью результатов испытаний для последующего сравнения и анализа.

Из существующего уровня техники известны устройства, относящиеся к испытательной технике и предназначенные для имитации рабочих нагрузок:

- Авторское свидетельство SU №1609283 A1 «Устройство для имитации аэродинамических нагрузок на элементы конструкции», содержащее установленные на основании гидроцилиндр привода, связанный с испытываемым элементом и программным устройством, силовозбудитель и соединенный с ним через тросовую систему и барабан параллелограммный механизм, связанный через рычажную систему с испытываемым элементом, снабженное дополнительным гидроцилиндром и упором, размещенным на основании, и тягой, жестко установленной на барабане с возможностью взаимодействия с упором, причем дополнительный гидроцилиндр связан с программным устройством и выполнен с двумя штоками с образованием независимых полостей, один из штоков шарнирно соединен с выходным звеном параллелограммного механизма, а второй - с тягой.

- Патент RU №1762621 С «Устройство для испытаний двухсекционных рулевых поверхностей самолета», содержащее соединенные через тяги с основной и дополнительной секциями рулевой поверхности нагрузочные цилиндры, кинематически связанные между собой, и привод перемещения штатной проводки управления, снабжённое четырьмя параллелограммными механизмами, три из них выполнены с общим звеном, с двумя шатунами, каждый из которых образован жестко связанными между собой четырьмя звеньями, установленными шарнирно в месте их соединения на основании, и с тремя объединяющими звеньями, связанными с соответствующими свободными концами звеньев шатунов, при этом объединяющее звено первого параллелограммного механизма связано через тягу с основной секцией рулевой поверхности, а в общем звене установлен нагрузочный цилиндр основной секции, причем четвертый параллелограммный механизм выполнен с двумя шатунами, каждый из которых образован жестко связанными между собой двумя звеньями, связанными шарнирно в месте их соединения со свободными концами объединяющих звеньев второго и третьего параллелограммных механизмов, и с двумя объединяющими звеньями, связанными с соответствующими свободными концами звеньев шатунов, одно из которых связано свободным концом через тягу с дополнительной секцией рулевой поверхности, а в другом установлен нагрузочный цилиндр дополнительной секции.

- Патент RU №1658718 C «Стенд для испытаний опора шасси самолета», содержащий силовой каркас для крепления испытываемой опоры с расположенными на оси, связанный со штоком цилиндра амортизатора, имитаторами колес, и рычажных систем продольной, поперечной и вертикальной нагрузок с силовозбудителями и динамометрами, выполненных в виде рычагов, шарнирно соединенных тягами с имитаторами колес, и устройство управления нагружением, у которого силовозбудители продольной нагрузки закреплены на силовом каркасе и своими штоками связаны через динамометры с центрами рычагов, концы которых через тяги связаны с имитаторами колес, рычажная система поперечной нагрузки выполнена в виде закрепленных на силовом каркасе силовозбудителей, связанных своими штоками через динамометры с центрами внешних рычагов, концы которых через тяги связаны с центрами дополнительных рычагов, соединенных одними концами между собой и через тяги с соответствующими имитаторами колес и связанных другими концами через тяги с соответствующими концами внутренних рычагов, центры которых соединены через тяги с противоположными имитаторами колес, при этом рычажная система вертикальной нагрузки выполнена в виде рычага, закрепленного своим центром на силовом каркасе и связанного концами через тяги и динамометр с имитаторами колес.

Общим недостатком всех вышеперечисленных устройств является низкая функциональность и технологичность, связанная с узким профилем применения, большое количество шарниров, и использование в качестве источника нагрузки гидроцилиндров и резиновых амортизаторов. Механическое нагружение в этих устройствах имеет определенную неизменяемую зависимость усилия от перемещения, не позволяя проводить точную имитацию рабочих параметров управляемого механизма в случае необходимости изменения в широких пределах величины нагрузки в процессе испытаний.

За прототип устройства выбран наиболее близкий к заявленному техническому решению патент RU №2649216 C1 «Нагружающий механизм стенда для испытаний тросового привода», состоящий из монтажной плиты с асинхронным электродвигателем, управляемым частотным преобразователем, задающим момент сопротивления вращению, и редуктора на основе шарико-винтовой пары, преобразующий момент сопротивления вала двигателя в линейное усилие сопротивления перемещению троса, отличающийся тем, что в него введена следящая система по усилию и перемещению подсоединяемого наконечника троса посредством датчиков усилия и перемещения, а также контрольной платы с программируемыми выходными параметрами и интегрированными функциями преобразования сигналов датчиков и согласования выходного сигнала и сигнала управления.

Недостатками прототипа являются:

– использование асинхронных двигателей с частотным преобразователем в качестве источника нагрузки, у которых меньший диапазон регулирования и нагрузочная способность по сравнению с сервоприводами постоянного тока, и они склонны к перегреву на низких скоростях;

– наличие в схеме отдельно стоящего энкодера в качестве датчика перемещения объекта испытания (наконечника троса), что приводит к усложнению кинематической схемы механизма;

– низкая функциональность и технологичность, связанная с отсутствием системы человеко-машинного интерфейса, системы визуализации процесса испытания; однонаправленность процесса – нагружение испытываемого объекта возможно только в одном направлении – на растяжение.

Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: устройство для имитации нагрузки, содержащее электромонтажную плиту с электроприводом в качестве источника нагрузки, датчиком усилия, и следящей системой управления с согласованием выходного сигнала и сигнала управления.

Техническими проблемами, на решение которых направлено заявленное техническое решение:

– создание удобного и простого в использовании устройства для имитации нагрузки приводов трансформируемых конструкций КА, отвечающего современным требованиям по функциональности, технологичности, производительности, долговечности и качеству приближения условий испытаний к эксплуатационным;

– реализация комплексного подхода по проведению испытаний приводов трансформируемых конструкций КА, за счет создания программируемого устройства с человеко-машинным интерфейсом для осуществления полного цикла проведения испытаний в автоматизированном режиме в целях увеличение информативности процесса, и, как следствие повышения надёжности, технологичности и снижения трудоёмкости изготовления КА.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: устройство для имитации нагрузки приводов раскрытия трансформируемых конструкций космических аппаратов, состоящее из электромонтажной плиты с электродвигателем в качестве источника нагрузки, датчика усилия, и следящей системы управления с согласованием выходного сигнала и сигнала управления.

Указанные проблемы решаются за счет того, что в устройстве для имитации нагрузки приводов раскрытия трансформируемых конструкций в качестве электродвигателя введен сервомотор с функцией позиционера, на выходном валу которого установлена шарико-винтовая пара (ШВП), выполненная с возможностью преобразователя вращательного движения в поступательное линейное, причем тензометрический датчик усилия, расположенный соосно со штоком ШВП по линии приложения нагрузки, выполнен с возможностью измерения сил сжатия и растяжения и закреплен с одной стороны на электромонтажной плите, с другой стороны - на ШВП, при этом на конце штока ШВП установлен переходник для присоединения к объекту испытания, жестко закрепленного на электромонтажную плиту, электрооборудование объекта испытания электрически соединено с системой управления - панелью оператора.

Техническая сущность и принцип действия предложенного изобретения поясняются чертежами, на которых:

Фиг.1 – Общий вид электромонтажной плиты;

Фиг.2 – Общий вид системы управления;

Фиг.3 – Вид интерфейса выбора режима управления на стартовом экране панели оператора;

Фиг.4 – Вид интерфейса на экране панели оператора для управления в ручном режиме и режиме настройки;

Фиг.5 – Вид интерфейса на экране панели оператора 12 в режиме проведения испытания типа «Сжатие»;

Фиг.6 – Вид интерфейса на экране панели оператора 12 в режиме «Процесс проверки муфты»;

Фиг.7 – Вид интерфейса на экране панели оператора 12 в режиме «Графики».

Устройство для имитации нагрузки приводов раскрытия трансформируемых конструкций космического аппарата состоит из:

– электромонтажной плиты 1, а основание которой, с одной стороны, располагается электродвигатель 2, с другой стороны объект испытания 10 (например, электропривода антенны КА). Электродвигателем 2 является сервомотор с функцией позиционера (с интегрированным энкодером), на выходном валу которого установлена шарико-винтовая пара 3, являющаяся преобразователем вращательного движения в поступательное линейное. Соосно со штоком ШВП 4 по линии приложения нагрузки расположен тензометрический датчик усилия 5, работающий на измерение сил сжатия и растяжения, и закрепленный одной стороной на неподвижном кронштейне крепления тензометрического датчика 6, другой стороной – на ШВП 3. При этом на конце штока ШВП 4 устанавливается переходник 7 для присоединения к объекту испытания 10 через шток объекта испытания 11. Объект испытания 10, в свою очередь, закреплен на другой стороне основания на неподвижном кронштейне крепления объекта испытания 8;

– системы управления (СУ), исполненной в виде настольного шкафа 12, с расположенными в нем, панелью оператора 13 с интуитивно понятным человеко-машинным интерфейсом, с возможностью записи результатов испытаний, центральным процессором 14, электроприводом сервомотора (частотным преобразователем) 15, соединенной кабелями 9 с электрооборудованием, установленным на электромонтажной плите сервомотором 2, тензометрическим датчиком усилия 5, и с системой управления электроприводом объекта испытания 10.

Устройство работает следующим образом.

На основание электромонтажной плиты 1, напротив ШВП 3 устанавливается объект испытаний 10, например, электропривод раскрытия антенны (см. Фиг.1). Шток ШВП 4 устройства соосно соединяется посредством переходника 7 со штоком электропривода антенны 11. В зависимости от типа испытания (на закрытие или раскрытие антенны), шток ШВП 4 может быть соответственно в задвинутом или выдвинутом состоянии. На стартовом экране панели оператора 13 выбирается режим испытания, например, «Сжатие», «Растяжение», «Проверка муфт», «Настройка-ручной режим» (см. Фиг.3).

По нажатию соответствующей виртуальной кнопки на экране панели оператора 13 осуществляется переход в выбранный режим. Так, в режиме «Настройка-ручной режим» (см. Фиг.4), в открывшемся на экране окне устанавливаются параметры текущего испытания, настраиваются динамические характеристики испытания: задается количество участков движения штока 11, на которых будет происходить изменение нагрузки, задаются необходимые длины и соответствующие им усилия при движении электропривода 10 по этим участкам, настраиваются динамические характеристики испытания - величины ускорения и замедления электропривода 10, ограничения по скорости, максимальному усилию и т.п.

После установки параметров текущего испытания можно перейти в требуемый режим в зависимости от требуемого направления приложения нагрузки. Так, если необходимо провести испытание под нагрузкой на выдвижения штока 11 электропривода раскрытия антенны, необходимо выбрать режим «Сжатие» (см. Фиг.5). На экране панели оператора 13 отображаются текущая позиция и текущее усилие, задаются участки (расстояния) с требуемыми усилиями, дата и время проведения испытания. Для начала испытания кнопкой «Пуск» производится одновременное включение электропривода раскрытия антенны 10 и электродвигателя 2 устройства для имитации нагрузки. Электропривод антенны 10 начинает выдвижение своего штока 11, устройство для имитации по заданным ранее параметрам создает требуемые усилия нагрузки на заданных участках (расстояниях).

Аналогично проводится испытание под нагрузкой на задвижение штока 11 электропривода раскрытия антенны, в режиме «Растяжение» (см. Фиг.5). Для испытания срабатывания различных устройств КА, например, защитных муфт электроприводов раскрытия трансформируемых систем предусмотрен режим и соответствующий экран панели оператора «Процесс проверки муфты». (см. Фиг.6). Испытание муфт можно проводить растяжением или сжатием, с заданием пройденного приводом расстояния, усилия отсечки срабатывания муфты, максимального допустимого усилия.

Результаты всех испытаний записываются в память СУ и могут быть представлены – в форме графиков (см. Фиг.7) для последующего сравнения и анализа.

Техническими результатами предлагаемого изобретения являются:

– удобное и простое в использовании устройство с возможностью полного и точного приближения условий испытаний к эксплуатационным для приводов раскрытия трансформируемых систем КА по всем стадиям испытания с требуемыми параметрами и динамическими характеристиками;

– повышенные функциональность и технологичность устройства и процесса испытания в целом, за счет программируемого задания усилий нагрузки, привязанной к позиции штока устройства и наличия возможности настройки ускорения, скорости и ограничений по этим параметрам, что позволяет использовать предлагаемое устройство для всего комплекса наземных испытаний и экспериментально-исследовательских работ с приводами раскрытия трансформируемых систем КА.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к наземным испытаниям механизмов раскрытия пространственных трансформируемых конструкций космических аппаратов, например, складных антенн, солнечных панелей. Устройство для имитации нагрузки состоит из электромонтажной плиты с электродвигателем в качестве источника нагрузки, датчика усилия и следящей системой управления с согласованием выходного сигнала и сигнала управления. В качестве электродвигателя используется сервомотор с функцией позиционера. На выходном валу сервомотора установлена шарико-винтовая пара (ШВП) с возможностью преобразования вращательного движения в поступательное линейное. Тензометрический датчик усилия закреплен с одной стороны на электромонтажной плите, с другой стороны - на ШВП. На конце штока ШВП устанавливается переходник для присоединения к объекту испытания. Панель оператора имеет возможность записи результатов испытаний. Достигается возможность полных и точных испытаний приводов раскрытия трансформируемых систем КА, повышение функциональности и технологичности устройства и процесса испытания в целом, возможность настройки параметров испытаний. 7 ил.

Устройство для имитации нагрузки приводов раскрытия трансформируемых конструкций космических аппаратов, состоящее из электромонтажной плиты с электродвигателем в качестве источника нагрузки, датчика усилия, и следящей системы управления с согласованием выходного сигнала и сигнала управления, отличающееся тем, что в качестве электродвигателя введен сервомотор с функцией позиционера, на выходном валу которого установлена шарико-винтовая пара (ШВП), выполненная с возможностью преобразователя вращательного движения в поступательное линейное, причем тензометрический датчик усилия, расположенный соосно со штоком ШВП по линии приложения нагрузки, выполнен с возможностью измерения сил сжатия и растяжения и закреплен с одной стороны на электромонтажной плите, с другой стороны - на ШВП, при этом на конце штока ШВП установлен переходник для присоединения к объекту испытания, который жестко крепится на электромонтажную плиту, все электрооборудование которой электрически соединено с системой управления, с расположенными в ней панелью оператора, с возможностью записи результатов испытаний.