Моделирование работы привода из материала с эффектом памяти формы для раскрытия крупногабаритных космических конструкций

Аннотация

Рассмотрена концепция привода на основе материала с термомеханическим эффектом памяти формы для раскрытия крупногабаритных космических конструкций. Подобные приводы являются перспективными для использования в крупногабаритных космических конструкциях. Однако характеристики работы этих приводов имеют достаточно сложный и нелинейный характер. Для материалов с эффектом памяти формы управляющее воздействие --- изменение температуры. В связи с этим целью работы является создание математической модели, с использованием которой можно точно описать изменения тепловой энергии и длины активного элемента привода. Проведены серии экспериментов по определению деформационно-силовых и температурных характеристик проволочных активных элементов различных диаметров. Разработана математическая модель для расчета изменения температуры активного элемента при нагреве пропусканием через него постоянного тока и изменения длины в соответствии с динамикой нагрева. Предложенная модель основана на уравнении энергетического баланса, фазовые превращения учитываются с помощью параметра состояния. Полученные результаты расчетов по математической модели хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанная математическая модель может стать основой для дальнейших исследований в этой области, а также быть использована для проектирования более совершенных крупногабаритных космических конструкций

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (проект № 0705-2023-0012)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Зимин В.Н., Шахвердов А.О. Моделирование работы привода из материала с эффектом памяти формы для раскрытия крупногабаритных космических конструкций. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 3 (120), с. 48--61. EDN: MRKEYY

Литература

[1] Лопатин А.В., Рутковская М.А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (Часть 1). Вестник СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, 2007, № 2, c. 51--57. EDN: INMASX

[2] Лопатин А.В., Рутковская М.А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (Часть 2). Вестник СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, 2007, № 3, c. 78--81. EDN: IPIYZJ

[3] Баничук Н.В., Карпов И.И., Климов Д.М. и др. Механика больших космических конструкций. М., Факториал, 1997.

[4] Im E., Thomson M., Fang H., et al. Prospects of large deployable reflector antennas for a new generation of geostationary Doppler weather radar satellites. AIAA SPACE, 2007, art. 9917. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2007-9917

[5] Zheng F. Affordable system conceptual structure design of new deployable spaceborne antenna. 33rd AIAA Int. Communications Satellite Systems Conf. and Exhibition, 2015, art. 4343. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2015-4343

[6] Hasanzade V., Sedighy S.H., Shahravi M. Compact deployable umbrella antenna design with optimum communication properties. J. Spacecr. Rockets, 2017, vol. 54, no. 3, pp. 782--788. DOI: https://doi.org/10.2514/1.A33710

[7] Footdale J.N., Banik J. System design study of a deployable reflector antenna with flexible shell segments. 3rd AIAA Spacecraft Structures Conf., 2016, art. 0698. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2016-0698

[8] Барвинок В.А., Богданович В.И., Грошев А.А. и др. Методика проектирования силовых приводов из материала с эффектом памяти формы для ракетно-космической техники. Известия Самарского научного центра РАН, 2013, т. 15, № 6, c. 272--277. EDN: RSFDRJ

[9] Likhachev V.A., Razov A.I., Cherniavsky A.G., et al. Truss mounting in space by shape memory alloys. Proc. SMST-94, 1994, pp. 245--248.

[10] Мишустин И.В. Трехуровневая модель сплава с памятью формы и ее применение к описанию эффекта реверсивной памяти формы. Механика композиционных материалов и конструкций, 2012, т. 18, № 4, с. 463--474. EDN: PTUYBZ

[11] Schiedeck F., Hemsel T., Wallaschek J. The use of shape memory alloy wires in actuators. Solid state Phenom., 2006, vol. 113, pp. 195--198. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.113.195

[12] De Laurentis K.J., Fisch A., Nikitczuk J., et al. Optimal design of shape memory alloy wire bundle actuators. Proc. 2002 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2002, vol. 3, pp. 2363--2368. DOI: https://doi.org/10.1109/ROBOT.2002.1013585

[13] Kalra S., Bhattacharya B., Munjal B.S. Design of shape memory alloy actuated intelligent parabolic antenna for space applications. Smart Mater. Struct., 2017, vol. 26, no. 9, art. 095015. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa7468

[14] Зимин В.Н., Крылов А.В., Кувыркин Г.Н. и др. Привод из материала с эффектом памяти формы для раскрытия трансформируемой космической конструкции. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2021, № 4, с. 97--102. DOI: https://doi.org/10.33979/2073-7408-2021-348-4-97-102

[15] Zimin V.N., Krylov A.V., Kuvyrkin G.N., et al. Development of a mathematical model of a force actuator for the opening of a space structure with transformable configuration. J. Phys.: Conf. Ser., 2022, vol. 2231, art. 012029. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2231/1/012029

[16] Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. и др. Моделирование температурного режима привода из материала с эффектом памяти формы. Вестник Воронежского государственного технического университета, 2023, т. 19, № 4, c. 7--15. DOI: https://doi.org/10.36622/VSTU.2023.19.4.001

[17] Riad A., Ainamany A., Benzohra M. The shape memory alloy actuator controlled by the Sun’s radiation. Mater. Res. Express, 2017, vol. 4, no. 7, art. 075701. DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa75bb

[18] Liang C., Rogers C.A. Design of shape memory alloy actuators. J. Intell. Mater. Syst. Struct., 1997, vol. 8, no. 4, pp. 303--313. DOI: https://doi.org/10.1177/1045389x9700800403

[19] Зимин В.Н., Крылов А.В., Филиппов В.С. и др. Привод из материала с эффектом памяти формы для трансформируемых космических конструкций. Сибирский аэрокосмический журнал, 2022, т. 23, № 1, с. 73--80. EDN: OUCZJI. DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-1-73-80

[20] Zimin V.N., Krylov F.V., Shakhverdov A.O. Development of the mathematical model of the force actuator for deployment of large-sized space structures. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1902, art. 012115. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1902/1/012115

[21] Zimin V.N., Zikun Z., Krylov A.V., et al. Mathematical modelling of the deployment of a large transformable space structure. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2171, art. 030002. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5133168

[22] Varaksin A.Yu., Ryzhkov S.V. Mathematical modeling of gas-solid two-phase flows: problems, achievements and perspectives (a review). Mathematics, 2023, vol. 11, iss. 15, art. 3290. DOI: https://doi.org/10.3390/math11153290

[23] Кувыркин Г.Н., Родикова И.С. Оценка термомеханических свойств металлов и сплавов в зоне фазового превращения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2006, № 2 (21), с. 31--44. EDN: HUBVDH