Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных динамических гасителей колебаний гироскопического измерителя угловой скорости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Топильская Светлана Владимировна

• Топильская Светлана Владимировна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Топильская Светлана Владимировна

Введение

Глава 1. Гироскопические приборы систем ориентации космических аппаратов. Особенности конструкции

1.1. Типы гироскопических измерителей угловой скорости

1.2. Чувствительный элемент гироскопического прибора

1.3. Определение вибродинамических характеристик динамически настраиваемого гироскопа

1.4. Анализ преимуществ и недостатков традиционных способов виброзащиты измерительных приборов

1.5. Особенности предложенной системы амортизации блока чувствительных элементов прибора ГИУС

1.6. Выводы по первой главе

Глава 2. Теоретическое исследование системы амортизации с нелинейным ДГК

2.1. Особенности конструкции блока чувствительных элементов как объекта виброзащиты в составе прибора ГИУС

2.2. Уравнения движения системы амортизации с нелинейным ДГК

2.3. Анализ амплитудно-частотных характеристик системы амортизации с нелинейным ДГК

2.4. Определение допустимых диапазонов величин коэффициентов системы амортизации с ДГК

2.5. Сравнительный анализ методов гармонической линеаризации упругих и демпфирующих характеристик ДГК

2.6. Конструкция нелинейного ДГК системы амортизации блока чувствительных элементов ГИУС

2.7. Конструкция упругого элемента системы амортизации блока чувствительных элементов прибора ГИУС

2.8. Метод выбора параметров системы амортизации с

нелинейным ДГК

2.9. Выводы по второй главе

Глава 3. Численное моделирование уравнений движения системы амортизации блока чувствительных элементов

3.1. Конструкция модернизированного прибора ГИУС

3.2. Определение допустимого отклонения центра масс БЧЭ от

центра жесткости системы амортизации

3.3. Численное решение уравнений системы амортизации в расчетной среде Matlab (Simulink)

3.4. Результаты численного моделирования с использованием линеаризованной Simulink-модели

3.5. Результаты численного моделирования с использованием Simulink-модели с нелинейными характеристиками ДГК

3.6. Численное моделирование конструкции в среде конечно-элементного анализа ANSYS (Workbench)

3.7. Сопоставление амплитудно-частотных характеристик, определенных в результате численного моделирования

3.8. Выводы по третьей главе

Глава 4. Экспериментальное исследование макета системы

амортизации с нелинейным ДГК

4.1. Методика проведения экспериментального исследования

4.2. Рабочее место проведения вибродинамических испытаний

4.3. Результаты экспериментальных исследований макета системы амортизации с нелинейным ДГК

4.4. Амплитудно-частотные характеристики амортизируемого блока чувствительных элементов при эксплуатационном вибрационном воздействии

4.5. Выводы по четвертой главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

КА - космический аппарат;

ГИУС - гироскопический измеритель угловой скорости;

ДГК - динамический гаситель колебаний;

ИК - измерительный канал;

БЧЭ - блок чувствительных элементов;

ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп;

ГДО - газодинамическая опора;

ПГБ - поплавковый гироблок;

ММВГ - микромеханический вибрационный гироскоп;

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп;

ФЧХ - фазо-частотная характеристика;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ХYZ - неподвижная система координат прибора ГИУС;

А - амплитуды ускорений элементов конструкции;

Адоп - допустимые амплитуды ускорений;

g - ускорение свободного падения 9,81 м/с2;

ф - угловые колебания БЧЭ относительно неподвижной системы координат ХYZ;

/ ) - вибрации, действующие на корпус прибора ГИУС; х0, х1, х2 - перемещения корпуса, основания БЧЭ, грузов ДГК относительно неподвижной системы координат;

|^днг( / )| - передаточная функция амплитуд колебаний ДНГ; \Ж\( / )| - передаточная функция амплитуд колебаний БЧЭ; | / )| - передаточная функция амплитуд колебаний ДГК; т - масса маховика ДНГ, установленного на упругом подвесе; Ы\ - масса объекта амортизации; тг - масса грузов ДГК; К - коэффициент упругости подвеса ДНГ;

К1, - коэффициенты упругости и демпфирования высокоупругих элементов;

К2, 02 - линеаризованные коэффициенты упругости и демпфирования ДГК; к, d - коэффициент упругости и демпфирования резиновой шайбы ДГК; /Днг - собственная частота ДНГ;

/ - собственная частота БЧЭ, установленного на высокоупругих элементах

(амортизаторах);

/2 - собственная частота ДГК;

/2, /\ - собственные частоты системы амортизации с ДГК; Ю1 - круговая собственная частота БЧЭ; юг - круговая собственная частота ДГК;

, р=ю - коэффициенты динамической настройки ДГК; М1 ю!

- коэффициент относительного демпфирования упругого элемента; £2 - линеаризованный коэффициент относительного демпфирования ДГК; £,р - коэффициент относительного демпфирования резиновой шайбы ДГК; Q - добротность системы амортизации; И - зазор в ДГК;

оо,2 - предел текучести материала; ав - предел прочности материала; р - плотность материала; Е - модуль упругости материала;

Н, I, а, с - геометрические параметры высокоупругого элемента (диаметр, высота, число витков, шаг, размер квадратного поперечного сечения витка пружины), индекс пружины;

Ь, В2 - геометрические параметры резиновой шайбы ДГК;

А - допустимое отклонение центра масс БЧЭ от центра упругости системы

амортизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных динамических гасителей колебаний гироскопического измерителя угловой скорости»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Чувствительные элементы гироскопических приборов являются основой построения систем ориентации и навигации в изделиях авиакосмической отрасли. [1, 2, 3]. Точность измерения угловой ориентации космического аппарата (КА) порядка сотых градусов, ее поддержание с высокой стабильностью в течение длительного орбитального участка полета достигается применением поплавковых, динамически настраиваемых, волоконно-оптических гироскопов в качестве чувствительных элементов гироскопических измерителей угловой скорости (ГИУС) [4].

Среди указанных типов чувствительных элементов выделяется динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) благодаря сочетанию ряда преимуществ: малые габариты и масса, длительный ресурс работы, обеспечиваемый применением газодинамической опоры (ГДО) ротора двигателя, наличие двух осей чувствительности, позволяющих реализовать резервирование измерительных каналов гироскопического прибора [5]. Благодаря перечисленным преимуществам на базе ДНГ созданы малогабаритные приборы типа ГИУС, нашедшие свое применение в системах ориентации известных КА (Ямал, Telkom, Amos и многих других [6]). Однако из-за конструктивных особенностей чувствительного элемента при разработке приборов типа ГИУС решение задачи по защите от вибраций требует особого внимания.

Развитие теории и практики систем виброзащиты способствует расширению области применения прецизионных гироскопических датчиков в сложных условиях эксплуатации [7]. В настоящее время накоплен опыт решения задач по виброзащите благодаря применению известных амортизирующих и демпфирующих устройств. Но повышение требований, предъявляемых к инерциальным приборам, расширение спектра их применения требует новых способов решения задач по виброзащите чувствительных элементов инерциальных приборов. В диссертационной работе решается задача по защите динамически

настраиваемых гироскопов в составе инерциального измерительного прибора от вибраций, действующих при выведении КА.

В основе решений инженерных задач механики в области виброзащиты лежат отечественные и зарубежные труды многих заслуженных ученых: С. П. Тимошенко, Я. Г. Пановко, С. Д. Пономарева, В. Л. Бидермана, В. И. Феодосьева, Я. Ден-Гартога, С. Крэнделла [8, 9, 10, 13, 14]. В основном теоретические исследования вопросов защиты от вибраций проводилось в строительной, судостроительной, машиностроительной, станкостроительной областях промышленности при разработке значительно более габаритных конструкций по сравнению с инерциальными приборами авиакосмической техники. Также в проводимых исследованиях не уделялось особого внимания к точности и стабильности параметров системы виброзащиты при длительной эксплуатации.

В отечественной ракетно-космической отрасли практическим решением задач по защите от вибраций прецизионных датчиков в составе гироскопических приборов (гиростабилизированных платформ, бесплатформенных инерциальных навигационных систем) занимались коллективы известных предприятий, работающих по гироскопической тематике [15].

Проведенный анализ существующих технических решений задач по защите от вибраций показал, что для снижения уровня вибраций механических систем используются амортизаторы различного типа: резиновые, резинометаллические, металлические со структурным демпфированием, а также демпфирующие устройства: гидродинамические, газодинамические, фрикционные и другие [16, 17, 18].

В условиях эксплуатации прецизионных приборов ГИУС амортизирующие устройства с использованием резиновых материалов [19] не всегда применимы из-за деградации упругих и демпфирующих свойств резины во времени, их зависимости от температуры окружающей среды, а также внесения нестабильности углового положения гироскопа. В то же время применение специальных сплавов с высокоупругими характеристиками [20, 21] позволяет обеспечить стабильность

параметров системы амортизации при любых условиях эксплуатации, высокую угловую стабильность положения чувствительных элементов системы ориентации. Однако использование указанных материалов требует введения дополнительных демпфирующих элементов для подавления амплитуд колебаний на резонансе [22, 23, 24].

Благодаря относительной простоте конструкции на практике широко используются динамические гасители колебаний (ДГК) [15, 26], способные обеспечить высокую степень подавления колебаний на резонансной частоте системы амортизации. Недостатками ДГК является наличие демпфирующих элементов, снижающих уровень подавления колебаний в частотном диапазоне системы амортизации, где расположена область собственных частот гироскопа, а также достаточно узкая полоса частот эффективного подавления колебаний, с чем связана высокая чувствительность к малейшим изменениям параметров упругого элемента и ДГК.

Оптимальным вариантом виброзащиты чувствительных элементов ГИУС могло бы быть сочетание преимуществ высокодобротных упругих элементов, позволяющих обеспечить высокий уровень подавления колебаний в частотном диапазоне собственной частоты гироскопа, и специализированного ДГК, оказывающего положительное влияние демпфирующих свойств только при наличии критичных амплитуд колебаний.

В диссертационной работе предлагается вариант системы амортизации чувствительных элементов гироскопического прибора, состоящий из высокоупругих элементов и ДГК с нелинейными упругими и демпфирующими характеристиками, позволяющий сочетать преимущества известных амортизирующих устройств и при этом исключить влияние их недостатков на амплитуды колебаний объекта виброзащиты.

При создании прецизионных приборов гироскопических приборов космического назначения, для которых вибрационные динамические воздействия являются критичными, актуальной является задача создания системы

амортизации, обеспечивающей защиту чувствительных элементов от вибрационного воздействия на этапе выведения КА и угловую стабильность положения измерительных осей гироскопического прибора во время длительного орбитального полета.

Целью диссертационной работы является разработка системы амортизации гироскопических приборов космического назначения использующей высокоупругие элементы и нелинейные динамические гасители колебаний.

Для этого были решены следующие научно-технические задачи:

- проведен анализ известных способов виброзащиты в различных областях техники с целью выбора оптимального варианта для гироскопических систем с длительным временем эксплуатации в составе КА;

- определен допустимый уровень вибрационного воздействия для чувствительного элемента гироскопического прибора - динамически настраиваемого гироскопа;

- сформулированы требования к системе виброзащите чувствительных элементов, обеспечивающей функционирование гироскопического прибора в условиях эксплуатации КА;

- предложена система амортизации чувствительных элементов, состоящая из высокоупругих элементов и ДГК с нелинейными упругими и демпфирующими характеристиками;

- получены передаточные функции предложенной системы амортизации, позволяющие проводить исследование влияния нелинейных упругих и демпфирующих коэффициентов на амплитуду колебаний блока чувствительных элементов ГИУС;

- по результатам проведенного исследования предложено конструктивное решение системы амортизации блока чувствительных элементов перспективного прибора ГИУС;

- экспериментально исследованы вибродинамические параметры нелинейного динамического гасителя колебаний с помощью разработанного и изготовленного макета системы амортизации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основании проведенного исследования подтверждена возможность построения системы амортизации чувствительных элементов прецизионного гироскопического прибора, позволяющей сочетать защиту от вибраций, действующих на этапе выведения КА, и угловую стабильность положения измерительных осей гироскопов во время длительного орбитального полета КА;

- разработано конструктивное решение системы виброзащиты, состоящее из высокоупругих элементов и ДГК с нелинейными упругими и демпфирующими характеристиками;

- разработана методика определения параметров системы предложенной виброзащиты с нелинейным ДГК.

Практическая значимость работы заключается в:

- в выработке основных принципов построения систем виброзащиты чувствительных элементов ГИУС для конкретных условий эксплуатации;

- в разработке математической модели предложенной системы амортизации, позволяющей проводить моделирование работы ДГК с нелинейными упругими и демпфирующими характеристиками при решении практических инженерных задач.

Внедрение результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы реализованы в филиале АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В. И. Кузнецова», что подтверждено соответствующим актом внедрения от 27 января 2020 г.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использованы методы и математический аппарат теоретической механики, теории колебаний, сопротивления материалов, методы численного моделирования, экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик.

Основные положения, выносимые на защиту:

- система виброзащиты ГИУС, состоящая из высокоупругих элементов и нелинейных динамических гасителей колебаний, позволяет на этапе выведения КА на порядок снизить действующее ускорение до допустимой величины 25 g, а также обеспечить угловую стабильность системы ориентации с точностью не хуже 10 угл.сек. в течение длительного орбитального полета КА;

- метод определения параметров системы амортизации с нелинейным ДГК, основанный на совместном использовании аппаратов аналитического и численного анализа.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается согласованностью результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XXII Конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2015); XXI Научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов ПАО «РКК «Энергия» (г. Королев, Россия, 2017); VIII Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов ФГУП «НПЦАП» (г. Москва, Россия, 2018); XLШ Академические чтения по космонавтике (г. Москва, Россия, 2019); конференция «Системы управления, стабилизации, навигации и их базовые элементы» проводимая в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия, 2019); VI Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Орбита молодежи» и перспективы российской космонавтики (г. Пермь, Россия 2020).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 научных статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку математической модели и методики

проведения экспериментального исследования. Во всех случаях заимствования материалов других авторов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Структура и объем диссертации. Работа в структурном плане состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 133 страницах, содержит 89 рисунок, 8 таблиц, список литературы, состоящий из 82 библиографических описаний.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, к.т.н., доценту Подчезерцеву В. П. за высокий профессионализм и большую помощь в приобретении научно-практических навыков при проведении диссертационного исследования. Автор благодарен научному консультанту, к.т.н. Соловьёву А.В. за оказанную научно-техническую поддержку при подготовке диссертации.

ГЛАВА 1. ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

1.1. Типы гироскопических измерителей угловой скорости

Современная космическая отрасль с течением времени развивает свою область применения, в связи с чем усложняются задачи, решаемые космическими аппаратами, которые используются для создания систем спутниковой навигации, дистанционного зондирования Земли и исследования космического пространства [27]. Для поддержания угловой ориентации КА в инерциальном пространстве с высокой точностью и стабильностью в состав системы управления КА входят измерительные гироскопические приборы [28].

Первые в России приборы типа ГИУС разрабатывались в начале 80-х годов. Всего за прошедший период было изготовлено более сотни образцов приборов ГИУС на базе чувствительных элементов разного типа: поплавковых, динамически настраиваемых, волоконно-оптических, микромеханических вибрационных гироскопов. Приборы работали и продолжают работать на орбите в составе многих КА, разработанных предприятиями космической отрасли [29].

Основным параметром классификации ГИУС является тип его чувствительного элемента, выбор которого во многом определяет точность прибора в заданных условиях эксплуатации.

Приборы на поплавковых гироскопах

Чувствительным элементом целого ряда высокоточных ГИУС является двухстепенный поплавковый гироблок (ПГБ), работающий в режиме датчика угловой скорости. Подвижная часть ПГБ представляет собой быстровращающийся ротор в кожухе, закреплённом в герметичной поплавковой камере. Камера располагается в герметичном корпусе, заполненном специальной жидкостью, обладающей высокой плотностью [30, 31].

Основными преимуществами современных ГИУС на ПГБ являются:

- высокая точность - случайная составляющая скорости дрейфа порядка тысячных градусов за час;

- длительный ресурс работы (при использовании ПГБ с газодинамической опорой ротора);

- малая дискретность выходной информации;

- вибропрочность и виброустойчивость.

Однако приборы ГИУС на базе ПГБ имеют и заметные недостатки:

- малый диапазон измерения;

- большие габаритно-массовые характеристики;

- большое энергопотребление;

- сильная зависимость точностных параметров от температуры;

- большое время точностной готовности;

- высокая себестоимость изготовления чувствительного элемента.

Указанные недостатки гироскопических приборов на базе ПГБ серьезно

ограничивают их применение в составе систем управления перспективных КА.

Приборы на волоконно-оптических гироскопах

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) представляет собой волновод в виде катушки оптического волокна и источника излучения. Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка, который состоит в том, что разность фаз двух световых волн, распространяющихся по замкнутому контуру в противоположных направлениях при вращении контура вокруг оси, нормальной к его плоскости, пропорциональна угловой скорости вращения контура, который обходят встречные волны. При этом чем больше длина оптического волокна, тем больше чувствительность ВОГ к входной угловой скорости [31, 33].

Гироскопические приборы, построенные на базе ВОГ, обладают точностью от тысячных до десятых градусов с широким диапазоном измерения и имеют следующие достоинства:

- малое энергопотребление;

- высокая линейность на всем диапазоне измерения;

- большой ресурс работы ввиду отсутствия подвижных механических частей;

- возможность создавать ряд приборов различной точности (соответственно с различной массой и габаритами) за счет изменения длины волокна ВОГ.

Наряду с достоинствами для приборов на базе ВОГ свойственны недостатки:

- влияние механических и акустических воздействий, магнитных и электрических полей на точность измерения;

- зависимость точностных характеристик от температурных градиентов в объеме катушки ВОГ;

- зашумленность выходных сигналов.

Приборы, построенные на базе ВОГ для систем управления КА, на сегодняшний день считаются перспективными, так как имеют ряд задач, требующих немедленного решения. К таким задачам следует отнести вопросы, связанные с технологией изготовления чувствительного элемента и обработкой оптического сигнала в условиях эксплуатации гироскопических приборов.

Приборы на микромеханических вибрационных гироскопах

Микромеханические вибрационные гироскопы (ММВГ) изготавливаются на базе кремниевого кристалла с помощью технологии травления и представляют собой чувствительный элемент (инерционную массу) в упругом подвесе, имеющий степени свободы по двум осям и совершающий по этим осям поступательные или угловые механические колебания. Система возбуждения со специальным приводом создаёт колебания чувствительного элемента гироскопа, которые называются первичными или колебаниями по оси возбуждения. Вращение основания ММВГ с абсолютной угловой скоростью приводит к возникновению кориолисовых сил инерции по вторичной оси подвеса. В результате возникают выходные (вторичные) колебания чувствительного элемента или колебания по оси съема информации. Выходной сигнал гироскопа определяется по параметрам выходных колебаний чувствительного элемента и имеет гармонический вид [34, 35].

Основные достоинства приборов на базе ММВГ:

- малый вес и размеры;

- малая потребляемая мощность;

- высокая механическая прочность;

- широкий температурный диапазон работы;

- широкий диапазон измерения;

- низкая стоимость.

Приборы на базе ММВГ обладают следующими недостатками:

- невысокая точность;

- зашумленность выходной информации.

В настоящее время приборы, построенные на базе ММВГ, используются в инерциальных системах управления в качестве дополнительных источников информации.

Приборы на динамически настраиваемых гироскопах

Широкое применение в системах управления КА находят ГИУС, построенные на базе малогабаритных динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) с высокими точностными характеристиками и малым временем готовности, по истечении которого характеристики гиросистемы отвечают заданным требованиям [36, 37, 38].

ДНГ представляет собой трехстепенный гироскоп с вращающимся внутренним упругим кардановым подвесом. В отличие от трехстепенного гироскопа с наружным кардановым подвесом статор двигателя ДНГ расположен на корпусе гироскопа. Упругий подвес ДНГ обеспечивает связь маховика с валом по оси собственного вращения и две степени свободы углового движения относительно вала двигателя и, соответственно, две оси чувствительности ДНГ. Вал может вращаться вокруг своей оси как в шарикоподшипниковой опоре, так и в газодинамической опоре.

Применение в ДНГ упругого карданного подвеса исключает сухое трение в опорах подвеса, что повышает его точность. При вращении маховика с подвесом,

моменты упругих сил подвеса компенсируются центробежными инерционными моментами кольца подвеса, что приближает ДНГ к свободному гироскопу. Эта компенсация обеспечивается при определенной скорости собственного вращения гироскопа, поэтому он называется динамически настраиваемым.

Гироскопические измерители угловой скорости, построенные на ДНГ, имеют точность порядка сотых градусов в течение всего срока эксплуатации КА и обладают следующими достоинствами:

- приемлемая себестоимость приборов при сложной технологии изготовления;

- наличие резервирования измерительных каналов благодаря двум осям чувствительности;

- малые габариты и масса.

Однако для приборов на базе ДНГ свойственны следующие недостатки:

- зависимость точностных параметров от температуры и температурных градиентов;

- недостаточная вибропрочность при высоких эксплуатационных воздействиях характерных для этапа выведения КА.

1.2. Чувствительный элемент гироскопического прибора

Недостатки рассмотренных выше приборов типа ГИУС на базе поплавковых, волоконно-оптических, микромеханических вибрационных гироскопов определяют востребованность гироскопических приборов на базе ДНГ с газодинамической опорой ротора в составе различных систем ориентаций КА. Как отмечалось выше, ДНГ позволяют создать малогабаритные гироскопические приборы, обладающие достаточно высокой точностью измерения в длительном ресурсе работы. В диссертационной работе рассматривается задача, связанная с повышением эксплуатационных характеристик гироскопического прибора, построенного на базе ДНГ, в частности: задача по снижению действующих на этапе выведения КА амплитуд вибрационного воздействия на чувствительных элемент

до допустимых значений с помощью введения в состав прибора специализированной системы амортизации.

Конструктивно прибор ГИУС представляет собой герметизированный объем, образованный кожухом и корпусом, на котором установлены входящие детали и узлы [39]. Установочная и направляющая плоскость прибора, образованные опорными поверхностями корпуса, обеспечивают высокую точность привязки к установочной плоскости изделия. На корпусе установлены основные узлы конструкции (Рисунок 1.1):

- блок чувствительных элементов;

- блок сервисных электронных устройств, обеспечивающих функционирование гироскопов и передачу информации в систему управления КА;

- система термостатирования ДНГ; система виброзащиты чувствительных элементов; элементы электрического интерфейса.

Рисунок 1.1. Конструктивная схема прибора ГИУС.

При построении системы ориентации особое внимание следует уделять точности взаимного расположения чувствительных элементов (гироскопов) друг относительно друга. Установка миниатюрных ДНГ на общее основание позволяет реализовать высокую точность взаимного расположения измерительных осей чувствительности гироскопов (порядка 10 угл.сек), в качестве объекта

виброзащиты выступает блок чувствительных элементов (БЧЭ), представляющий собой основание с установленными гироскопами [39].

Конструктивно каждый гироскоп с помощью трех винтов крепления и двух упоров, расположенных на фланце гироскопа, жестко и с высокой точностью закреплен в посадочном месте основания БЧЭ [40, 41]. Таким образом в диссертационной работе принято: допустимые амплитуды вибраций для чувствительного элемента (ДНГ) определяют допустимое воздействие объекта амортизации прибора типа ГИУС - блока чувствительных элементов.

1.3. Определение вибродинамических характеристик динамически настраиваемого гироскопа

В силу конструктивных особенностей ДНГ требования к системе амортизации гироскопического прибора существенным образом определяются допустимыми механическими воздействиями на гироскоп.

Для проведения механического анализа чувствительного элемента с целью определения допустимой вибрационной нагрузки в диссертационной работе рассматривается конструкция ДНГ, представленная в известной научной литературе [42, 43, 44] и методических материалах высших учебных заведений. В состав конструкции ДНГ (Рисунок 1.2) входят вал (6), статор двигателя (4), ротор двигателя (5), газодинамическая опора (ГДО) (7), маховик (ротор датчика момента) (9), установленный на валу с помощью упругого карданного подвеса (8), статор датчика момента (10), статор датчика угла (11), ротор датчика угла (12), кожух (3), корпус (1), крышка (2). Маховик является главным элементом ДНГ. Он закреплён на валу через внутренний двухкольцевой упругий карданов подвес (Рисунок 1.3). Масса маховика, установленного на миниатюрном подвесе, составляет около шестнадцати грамм. Подвес представляет собой два параллельно работающих карданных подвеса, развернутых один относительно другого на девяносто градусов вокруг оси вращения вала. Масса подвеса составляет около двух грамм.

Рисунок 1.2. Конструктивная схема ДНГ с газодинамической опорой: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - кожух; 4 - статор двигателя; 5 - ротор двигателя; 6 - вал; 7 - газодинамическая опора (ГДО); 8 -упругий подвес; 9 - маховик (ротор датчика момента); 10 -статор датчика момента; 11 - статор датчика угла; 12 - ротор датчика угла.

Подвес выполнен из одной заготовки высоколегированной стали методом электроэрозионной обработки. Маховик имеет две степени свободы относительно вала благодаря деформации изгиба тонких упругих перемычек подвеса [44].

Проведенный анализ прочностных характеристик элементов конструкции ДНГ показал, что жесткость корпуса, вала и других элементов существенно выше жесткости подвеса из-за наличия в конструкции тонких перемычек, осуществляющих упругих связь между двух колец. Геометрические характеристики упругих элементов подвеса, толщина которых составляет от тридцати до сорока микрометров, в сочетании с упругими свойствами материала, определяют уровень допустимой нагрузки на ДНГ.

У

Маховик

Рисунок 1.3. Маховик ДНГ, установленный на подвесе.

Поэтому в проводимом исследовании принято, что вибродинамические характеристики ДНГ определяются упругими и демпфирующими характеристиками системы: «маховик - упругий подвес».

Следует отметить, что миниатюрный подвес осуществляет упругую связь маховика с валом гироскопа (Рисунок 1.2, поз. 6) и реализует малые углы прокачки маховика в пределах тридцати угл.мин. Упругий подвес выполнен из стали 21НКМТ-ВИ [20, 45], принадлежащей к классу высокопрочных (а0,2=1200 МПа) мартенситно-стареющих сталей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Топильская Светлана Владимировна, 2022 год

Список литературы

1. Половов, Р. М. Бортовые цифровые вычислительные устройства и машины : Учеб. пособие / Р. М. Половов, А. Г. Рощин ; Р.М. Половов, А.Г. Рощин; М-во трансп. РФ. Федер. гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Моск. гос. техн. ун-т гражд. авиации". Каф. вычисл. машин, комплексов, систем и сетей. - Москва : МГТУ ГА, 2003. 20 с.

2. Ушаков, В. В. Основы устройства и конструирования космических летательных аппаратов : Учеб. пособие / В. В. Ушаков ; В.В. Ушаков; М-во образования Рос. Федерации. Моск. авиац. ин-т (гос. техн. ун-т). - Москва : Изд-во МАИ, 2003. 69 с. (Учебное пособие).

3. Колосов, Ю. А. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем / Колосов Ю. А., Ляховецкий Ю. Г., Рахтеенко Е. Р. / Под редакцией Д. С. Пельпора М. // Высшая школа, 1977. 233 с.

4. Иванов, Н. М. Баллистика и навигация космических аппаратов (3-е издание) / Иванов Н. М., Лысенко Л. Н. // Королев: РКК «Энергия», 2016. -316 с.

5. Продукция: Гироскопические приборы // «Завод «Звезда». URL: http://www.zavod-zvezda.ru/produkciya.html (дата обращения: 07.05.2020 г.).

6. Основные положения Федеральной космической программы 2016-2025 // Роскосмос. URL: http://www.roscosmos.ru/22347/ (дата обращения : 07.05.2020 г.).

7. Лопота, В. А. Перспективы развития автоматических космических систем и космических аппаратов / Лопота В. А., Ермаков П. Н., Фролов И. В. // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение, 2011. № 1(82). С. 5-16.

8. Тимошенко, С. П. Колебания в инженерном деле / Тимошенко С. П.; перераб. Д. Х. Янгомпер ; пер. с англ. Я. Г. Пановко с 3-го американского изд.. -Изд. 2-е, стер. Москва : URSS, 2006. 439 с.

9. Пановко, Я. Г. Присоединенные динамические системы как гасители колебаний / Пановко Я. Г. // Прочность, устойчивость, колебания, Справочник. М.: Машиностроение, 1968. С. 331-346.

10. Расчеты на прочность в машиностроении, Том I / С.Д. Пономорев, В. Л. Бидерман, К.К. Лихарев [и др.]. Москва : МАШГИЗ, 1956. 885 с.

11. Расчеты на прочность в машиностроении, Том II / С.Д. Пономорев, В. Л. Бидерман, К.К. Лихарев [и др.]. Москва : МАШГИЗ, 1958. 975 с.

12. Расчеты на прочность в машиностроении, Том III / С.Д. Пономорев, В. Л. Бидерман, К.К. Лихарев [и др.]. Москва : МАШГИЗ, 1959. 1119 с.

13. Ден-Гартог Якоб Механические колебания / Ден-Гартог Якоб // М.: «Физматгиз», 1960. 574 с.

14. Крендалл С. Случайные колебания / Крендалл С. // М.: «Мир», 1967. 356 с.

15. Сапожников, И. Н. Приоритет - точность / Сапожников И. Н., Неизвестных Ю. И. [и др.] // М.: РЕСТАРТ, 2006. 190 с.

16. Вибрации в технике: Справочник. Т.6. Защита от вибрации и ударов / Под редакцией К. В. Фролова // М.: Машиностроение, 1981. 456 с.

17. Ильинский, В. С. Защита аппаратов от динамических воздействий / Ильинский В. С. // М.: «Энергия», 1970. 320 с.

18. Ананьев, И. В. Динамика конструкций летательных аппаратов / Ананьев И. В., Колбин Н. М., Серебрянский Н. П. // М.: Машиностроение, 1972. 416 с.

19. Ляпунов, В. Т. Резиновые виброизоляторы / Ляпунов В. Т., Лавендел Э. Э. [и др.] // Л.: Судостроение 1988. 216 с.

20. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Арзамасов Б. Н., Макарова В. И. [и др.] // М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 648 с.

21. Семушкин, О. Г. Механические испытания металлов. Учебное пособие для проф.-техн. училищ / Семушкин О. Г. // М.: «Высшая школа», 1972. - 304 с.

22. Нашиф, А. Демпфирование колебаний / Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. ; Пер. с англ. // М.: «Мир», 1988. 448 с.

23. Никитин, Е. А. Гироскопические системы. Часть III. Элементы гироскопических приборов. Учеб. пособие для вузов по специальности

«Гироскопические приборы и устройства»/ Никитин Е. А. [и др.] ; Под. ред. Д. С. Пельпора // М.: «Высшая школа», 1972. 472 с.

24. Имыхелова, М. Б. Оценка предельных возможностей систем виброзащиты машин, приборов и оборудования : специальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Имыхелова Марина Бадмаевна. -Улан-Удэ, 2011. 158 с.

25. Елисеев, С. В. Динамические гасители колебаний / Елисеев С. В., Нерубенко Г. П. // Новосибирск: Наука, 1982. 144 с.

26. Коренев, Б. Г. Динамические гасители колебаний / Коренев Б. Г., Резников Л. М. // М.: Наука, 1988. 304 с.

27. Севастьянов, Н. Н. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли / Н. Н. Севастьянов [и др.] // Труды МИФИ, 2009. Т.1. №3. С. 14-22.

28. Хартов, В. В. Новый этап создания автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований / Хартов В. В. // Вестник «НПО им. С. А. Лавочкина». 2011. №3 С. 3-10.

29. Белов, Ю. В. Интегрированная система управления космического аппарата дистанционного зондирования земли на основе многофункционального использования бортовой аппаратуры / Ю. В. Белов, С. В. Шиханов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 4(35). С. 38-43.

30. Доронин, В. П. Гироскопические чувствительные элементы для систем управления ориентацией и стабилизации орбитальных космических аппаратов / В. П. Доронин, Л.З. Новиков [и др.] // VIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, 28-30 мая 2001 года. - Санкт-Петербург: Государственный научный центр Российской Федерации - ЦНИИ «Электроприбор», 2001. С. 17-29.

31. Лобанов, В. С. Направления развития систем ориентации и стабилизации космических аппаратов различного назначения / В. С. Лобанов, Н. В. Тарасенко, В. Н. Зборошенко // Гироскопия и навигация. 2015. № 2(89). С. 18-29.

32. Волоконно-оптические датчики / Удд Э. // М.: ТЕХНОСФЕРА, 2008. 520 с.

33. Патент № 2080558 С1 Российская Федерация, МПК G01C 19/64. Волоконно-оптический гирокомпас : № 94042297/28 : заявл. 25.11.1994 : опубл. 27.05.1997 / В. Н. Логозинский, В. А. Соломатин.

34. Распопов, В. Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие / В. Я. Распопов. Москва : Машиностроение, 2007. 400 с.

35. Вавилов, В. Д. Микросистемные датчики физических величин: монография в двух частях / Вавилов В. Д., Тимошенков С. П., Тимошеноков А. С. // М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 515с.

36. Новиков, Л. З. Механика динамически настраиваемых гироскопов / Новиков Л. З., Шаталов М. Ю. // М.: Наука, 1985. 246 ^

37. Матвеев, В. А. Гироскопические стабилизаторы на динамически настраиваемых гироскопах / Матвеев В. А., Подчезерцев В. П., Фатеев В. В. // М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 103 с.

38. Пельпор, Д. С.Динамически настраиваемые гироскопы. Теория и конструкция / Пельпор Д. С., Матвеев В. А., Арсеньев В. Д. // М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

39. Топильская, С. В. Блок чувствительных элементов модернизированного малогабаритного гироскопического измерителя / С. В. Топильская // Новые материалы и технологии для ракетно-космической и авиационной техники : сборник материалов молодежной конференции, Звездный городок, 27-29 июня 2018 года. - Звездный городок: Информационно-правовой центр «ЮрИнфоЗдрав», 2018. С. 154-163.

40. Топильская, С. В. Некоторые вопросы защиты от внешних механических воздействий приборов типа малогабаритный гироскопический

измеритель вектора угловой скорости / С. В. Топильская, Д. С. Бородулин, А. В. Корнюхин // Труды ФГУП "НПЦАП". Системы и приборы управления. 2018. № 4. С. 23-24.

41. Отчет КИНД.Э061.10169 по исследованию влияния массы грузов ударных гасителей колебаний на механические воздействия эквивалента БЧЭ / Топильская С.В. // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика

B.И. Кузнецова», 2014. 44 с.

42. Патент № 2248524 С1 Российская Федерация, МПК G01C 19/02. Динамически настраиваемый гироскоп : № 2004113269/28 : заявл. 29.04.2004 : опубл. 20.03.2005 / А. Д. Богатов, А. А. Игнатьев, В. П. Кирюхин [и др.] ; заявитель ФГУП НИИ Прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова.

43. Матвеев, В. А. Гироскоп-это просто / В. А. Матвеев - 2-е изд., испр. и доп.. Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 191 с.

44. Комплект основной конструкторской документации. Прибор КИНД09-091 // филиал АО «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», 1995 г.

45. Жегина, И. П. Зависимость характера разрушения высокопрочных конструкционных мартенситно-стареющих сталей типа Н18К9М5Т от технологических факторов / И. П. Жегина, Л. В. Морозова, В. Б. Григоренко, З. Н. Зимина // Вопросы материаловедения. 2013. № 3(75). С. 5-14.

46. Топильская, С. В. Экспериментальная оценка допустимых механических воздействий на динамически настраиваемый гироскоп / Топильская

C. В., Бородулин Д. С., Корнюхин А. В. // Вестник московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2018. № 4(121). С 69-79.

47. Абдулхаков, К. А. Расчет на прочность элементов конструкций : Учебное пособие / К. А. Абдулхаков, В. М. Котляр, С. Г. Сидорин. - Казань : Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2012. 119 с.

48. ГОСТ РВ 20.57.305-98 Аппаратура, приборы и устройства военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов // Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Москва: Стандартинформ.

49. Отчет КИНД.Э001.4775 по проверке функционирования ДНГ при вибродинамических воздействиях // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», 2017. 11 с.

50. Отчет КИНД.Э001.4879 по результатам испытаний ДНГ в составе гироскопического прибора // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика

B.И. Кузнецова», 2017. 8 с.

51. Топильская, С. В. Повышение стойкости к механическим воздействиям модернизированного малогабаритного гироскопического измерителя угловых скоростей / Топильская С. В., Бородулин Д. С., Корнюхин А. В. // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19. № 2. С. 332-342.

52. Топильская, С. В. Обеспечение стойкости к механическим воздействиям малогабаритного гироскопического измерителя вектора угловой скорости / С. В. Топильская, Д. С. Бородулин, А. В. Корнюхин // Космическая техника и технологии. 2018. № 3(22). С. 61-68.

53. Магнус, К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем / Магнус К. ; Пер. с нем. // М.: «Мир», 1982. 304 с.

54. Алексеев, А. М. Судовые виброгасители / Алексеев А. М., Сборовский А. К. // Л.: Судпромгиз, 1962. 196 с.

55. Ковалев, А. В. Моделирование динамического поведения космического аппарата с учётом конструкционных нелинейностей его нежёстких элементов / А. В. Ковалев, А. С. Митькин, П. П. Телепнев, А. Е. Цыплаков // Вестник НПО им.

C.А. Лавочкина. 2017. № 1(35). С. 7-12.

56. Дадаев, С. Г. Разработка теоретических основ и методов расчета динамических характеристик профилированных спиральными канавками газодинамических опор : специальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры», 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Дадаев Сергей Григорьевич. Челябинск, 2002. 359 с.

57. Дукарт, А. В. Развитие теории ударных гасителей колебаний и устройств, содержащих ударные звенья, и их приложение для виброзащиты строительных конструкций и сооружений : специальность 05.23.17 "Строительная механика" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / А. В. Дукарт. Москва, 1993. 332 с.

58. Патент на полезную модель № 121364 Ш Российская Федерация, МПК G01C 21/00. Амортизированный блок датчиков первичной информации бесплатформенных инерциальных навигационных систем : № 2011151326/28 : заявл. 16.12.2011 : опубл. 20.10.2012 / Б. Н. Гаврилин, В. В. Галавкин, К. А. Голубев [и др.] ; заявитель Открытое акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения».

59. Патент на полезную модель № 131150 Ш Российская Федерация, МПК G01C 21/00. Устройство крепления амортизированного блока датчиков к корпусу основного объекта : № 2013104286/28 : заявл. 04.02.2013 : опубл. 10.08.2013 / Б. Н. Гаврилин, В. В. Галавкин, К. А. Голубев [и др.] ; заявитель Открытое акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения».

60. Акаемов, Д. Г. Виброзащита ячеек электронно-вычислительной аппаратуры и систем управления высокодемпфированным динамическим гасителем колебаний : специальность 05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Акаемов Денис Геннадьевич. - Владимир, 2002. 179 с.

61. Рандин, Д. Г. Электротехническая активная система виброзащиты с магнитореологическим демпфером : специальность 05.09.03 "Электротехнические

комплексы и системы" : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Рандин Дмитрий Геннадьевич. Самара, 2016. 22 с.

62. Ермошенко, Ю. В. Управление вибрационным состоянием в задачах виброзащиты и виброизоляции : специальность 01.02.06 "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ермошенко Юлия Владимировна. Иркутск, 2002. 204 с.

63. Афанасьев, И. Б. Анатомия спутника / Афанасьев И. Б. // Вокруг света, 2008. №10. 50 с.

64. Лукьянов, Д. П. Прикладная теория гироскопов / Д. П. Лукьянов, В. Я. Распопов, Ю. В. Филатов. - Санкт-Петербург : Концерн "Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор», 2015. 316 с.

65. Комплект основной конструкторской документации модернизированного гироскопического прибора КИНД.402132.075 // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», 2017.

66. Комплект основной конструкторской документации прибора -прототипа КИНД.402132.065 // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика

B.И. Кузнецова», 2017.

67. Отчет КИНД.Э001.4817 по результатам проведения ударных испытаний гироскопического прибора // филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», 2017. 20 ^

68. Кузнецов, А. П. Нелинейные колебания : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по физическим специальностям / А. П. Кузнецов, С. П. Кузнецов, Н. М. Рыскин ; А. П. Кузнецов,

C. П. Кузнецов, Н. М. Рыскин. [2-е изд.]. Москва : Физматлит, 2005. 292 с.

69. Зельдович, Я. Б. Элементы прикладной математики / Я. Б. Зельдович, А. Д. Мышкис. Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2008. 566 с.

70. Белокобыльский, С. В. Прикладные задачи структурной теории виброзащитных систем / С. В. Белокобыльский, С. В. Елисеев, В. Б. Кашуба. -Санкт-Петербург : Издательство «Политехника», 2013. 363 с.

71. Попов, Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления : Учебное пособие для вузов / Е. П. Попов. - 2-е издание, переработанное и дополненное. Москва : Наука, 1989. 304 с.

72. Ким, Д. П. Сборник задач по теории автоматического управления. Линейные системы / Д. П. Ким, Н. Д. Дмитриева. Москва, 2007. 168 с.

73. Ильин, М. М. Теория колебаний: Учеб. для вузов / Ильин М. М., Колесников К. С., Саратов Ю. С. ; Под общ. Ред. Колесникова. - 2-е изд., стереотип // М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. 272 с.

74. Безмозгий, И. М. Нагружение и прочность конструкций транспортного космического корабля при воздействии отсечки тяги двигателя третьей ступени ракеты-носителя / И. М. Безмозгий, С. С. Бобылев, А. Н. Софинский, А. Г. Чернягин // Космическая техника и технологии. 2017. № 2(17). С. 63-79.

75. Петров, Б. С. Теория гироскопических систем ориентации / Б. С. Петров ; Б.С. Петров. Москва : Наука, 2004. 95 с.

76. Пытьев, Ю. П. Теория вероятностей, математическая статистика и элементы теории возможностей для физиков : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 010701 - Физика / Ю. П. Пытьев, И. А. Шишмарев ; Ю. П. Пытьев, И. А. Шишмарёв. - Москва : Физический фак. МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010. 406 с.

77. Симонова, А. А. Основные положения теории инженерного эксперимента / А. А. Симонова, М. А. Безгин, К. С. Улямаев, А. В. Левин // Молодой ученый. 2019. № 47(285). С. 470-472.

78. Рожнов, В. Ф. Основы теории инженерного эксперимента : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 160800 «Ракетостроение и космонавтика» / В. Ф. Рожнов ; В. Ф. Рожнов ; Федеральное агентство по

образованию, Московский авиационный ин-т (гос. технический ун-т). Москва : Изд-во МАИ, 2007. 354 с.

79. ГОСТ Р ИСО 2041-2012 Вибрация, удар и контроль технического состояния. Термины и определения // Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Москва: Стандартинформ.

80. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения // Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Москва: Стандартинформ.

81. ГОСТ 30630.1.1-99 Методы испытаний на стойкость механическим воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий // Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Москва: Стандартинформ.

82. Продукция ООО Научно-исследовательского института эластомерных материалов и изделий» URL: https://niiemi.ru/company (дата обращения: 26.01.2022 г.).