Проектирование бортовой кабельной сети космических аппаратов с использованием средств 3D моделирования

А.К. Сергеев,

инж.-констр. 1-й кат.,

филиал ФГУП НПО им. С.А.Лавочкина, г. Калуга

Введение

Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.

Существует огромное количество областей, где применяется трёхмерное моделирование.Несомненно и современная космическая промышленность, так же не отстает от современных технологий и использует трехмерное проектирование.

В настоящее время проектирование беспилотных космических аппаратов немыслимо без бортовой кабельной сети (БКС). Подобно кровеносной системе человека, бортовая кабельная сеть несет на себе столь сложную функцию в космическом аппарате.

Современный беспилотный космический аппарат (спутник) сложное высокотехническое устройство, состоящее из множества приборов, устройств и измерительной аппаратуры, связанных между собой высокочастотными и низкочастотными проводами. К сожалению, беспроводные технологии неприменимы в современной космонавтике, поэтому немало внимания уделено БКС.

Практическое научное применение

В настоящее время монтаж бортовой кабельной сети  имеет много требований.

Монтаж кабельной сети должен отрабатываться на макетном изделии или каком-либо изделии наземных испытаний.

При обработке монтажа кабельной сети уточнятся:

·      правильность выбранных трасс, обеспечивающих надежную работу кабельной сети и получение минимальных длин жгутов и кабелей;

·      конфигурация и длина жгутов и кабелей, места расположения и количество точек крепления кабельной сети на изделии;

·      правильность выбранных проводов и разъемов по условиям их эксплуатации;

·      наличие необходимых эксплуатационных подходов;

·      технологическая последовательность укладки жгутов и кабелей;

·      правильность заказанных нормалей;

·      места установки разъемов и распаянных колодок;

·      места расположения и количество точек металлизации;

·      длины концов жгутов и кабелей выходящих из приборов, изделия, отсеков;

·      места на жгутах и кабелях, подлежащие особой защите от повреждения.

Таким образом, весь предварительный монтаж производится непосредственно на макете изделия. Для монтажа бортовой кабельной сети необходимо иметь макеты кабелей. Макет кабеля внешне похож на настоящий, летный кабель, но выполнен из более дешевых проводов и соединителей, а так же не имеет электрических свойств. Несмотря на это следует заметить, что моделирование бортовой кабельной сети весьма сложный процесс. В среднем спутник несет на себе кабельную сеть состоящую из трехсот-четырехсот кабелей.

Трехмерное моделирование бортовой кабельной сети

В первом приближении для создания трехмерных моделей кабелей бортовой сети используются принципиальные схемы космического аппарата (рис. 2), которые набираются в программном продукте Е3series(рис. 1).

рис. 1.

рис. 2

Программный продукт позволяет вести разработку электрических, пневматических, гидравлических, технологических схем, а также схем автоматизации выполняется в единой среде проектирования и по единым правилам. Данный программный продукт имеет возможность экспорта данных в программный продукт SolidWorks, что делает этот продукт незаменимым.       Далее необходимо иметь трехмерную модель космического аппарата. (рис. 3).

рис. 3

На трехмерной модели космического аппарата и будет моделироваться бортовая кабельная сеть.

Далее необходимо иметь трехмерные модели кабелей. Поэтому, для создания модели бортовой кабельной сети была создана база данных соединителей и проводов, применяемых в современной космонавтике.

База данных имеет все возможные модификации соединителей и корпусов применяемых к этим соединителям. Так же база данных имеет все используемые провода, следует заметить, что база данных соблюдает не только графическое исполнение провода, но и имеет немаловажные электрические и физические свойства, используемые при моделировании бортовой кабельной сети (рис. 4,5,6).

 

рис. 4

рис. 5

рис. 6

Хочется отметить, что база данных имеет более двухсот разных типов соединителей отечественного и импортного производства, применяемых на предприятии. База данных со временем обновляется и дополнятся.

Непосредственное трехмерное моделирование бортовой кабельной сети ведется в программном продукте SolidWorks. Продукт SolidWorks имеет возможность подключения баз данных из программного продукта Е3series, что делает этот «тандем» универсальным для трехмерного проектирования бортовой кабельной сети.

 Моделирование бортовой кабельной сети, ведется по предварительно проработанным трасам. (рис. 7).

рис. 7

 Еще раз говоря о электрических и физических свойствах кабеля, следует отметить, что при макетировании автоматически учитывается важные параметры кабеля, такие как его длина, диаметр, минимальный радиус сгиба, эти параметры следует учитывать говоря о стоимости кабеля.

Благодаря такому методу проектирования беспроводной кабельной сети, мы  избегаем стадии макетирования, что не только экономит время самого макетирования и его организации, а так же экономит на изготовлении макетов кабеля, что тоже весьма трудоёмко.

Экономический эффект

Говоря об экономическом эффекте, хочется выделить два пункта:

·      Экономический эффект современного трехмерного моделирования, а в данном случае моделирования кабельных сетей, в сравнении с макетным моделированием весьма сложный вопрос. Никто, увы, не сравнивал скорость и качество макетного и трехмерного моделирования. Говоря о самой кабельной сети следует отметить, что для трехмерного моделирования совершенно не требуется макетный кабель, который имеет некую стоимость. Не стоит забывать о большом количестве кабелей.

·      Экономический эффект в результате трехмерного моделирования. В ходе трехмерного моделирования кабельной сети, имеется большая возможность отработки трасс и длин кабелей. Все кабели имеют высокую точность важных параметров, таких как длина и диаметр. Таким методом можно получить кабель с необходимой и достаточной длиной. Длина, а соответственно масса становится более точной и уменьшается в среднем на 10%.

Сегодня (2012г.), коммерческая стоимость выведения в космос 1 кг полезной нагрузки составляет 500 тыс. руб. В среднем спутник несет на себе сеть, состоящую из 350 кабелей с общей массой 15 кг. По уточненным данным общая масса уменьшается в среднем на 10%, что составляет 1.5 кг.

Таким образом экономический эффект составил 750 тыс. руб.

Немаловажно, что снижение веса бортовых сетей позволяет устанавливать на борту дополнительную аппаратуру или увеличить дальность полета космических летательных аппаратов.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что в настоящее время все работы по макетированию бортовой кабельной сети делаются по данному методу. Уже наверно невозможно себе представить будущее без трехмерного проектирования, все чаще и чаще конструкторский макет заменяется трехмерным моделированием.

На данный момент таким методом были смоделирована бортовая кабельная сеть для таких космических аппаратов как:

 «Электро-Л», успешно запущенный в 20.012011г. Метеоспутник«Электро-Л» был успешно запущен с космодрома«Байконур». Аппарат должен проработать минимум до 2021 года и повысить качество прогнозов погоды.

В первую очередь этот космический аппарат должен поставлять данные для анализа и прогноза погоды — о гидрометеорологической и гелиогеофизической обстановке в околоземном космическом пространстве. Побочной задачей спутника является ретрансляция сигналов от аварийных радиобуев системы КОСПАС(Космическая система поиска аварийных судов), которая разработана для оповещения о бедствии и местоположении координат персональных радиобуев и радиобуев, установленных на судах и самолётах в случае аварийных ситуаций.

 

        

 

«Спектр-Р» успешно запущенный в 18.07.2011г. Главная научная цель миссии — исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. Разрешение, достигнутое с помощью проекта «Радиоастрон», позволит изучать такие явления как:

·       исследование непосредственной окрестности сверхмассивных черных дыр и активных галактик;

·       строение и динамика областей звездообразования в нашей Галактике по мазерному и мегамазерному излучению;

·       структура и распределение межзвёздной и межпланетной плазмы по флуктуациям функции видности пульсаров;

·       построение высокоточной астрономической координатной системы;

·       построение высокоточной модели гравитационного поля Земли.

·        

               

 

«Фобос-Грунт» успешно запущенный 9.11.2011г.Это первая межпланетная миссия России за последние почти 15 лет. В случае успеха станция через три года доставит на Землю около 200 г грунта Фобос – спутника Марса.

 

Литература

            1.    SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике (+ DVD-ROM): — Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2008 г.- 1040 с.

            2.    SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике (+ CD-ROM): А. А. Алямовский, Е. В. Одинцов, Н. Б. Пономарев, А. А. Собачкин — Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2005 г.- 800 с.

            3.    Электронное руководство по использованию программного продукта e3 series.