Результаты вибрационного воздействия на кубсат «КузГТУ-1»

Малый космический аппарат «КузГТУ-1» – второй спутник Кузбасского государственного технического университета им. Т. Ф. Горбачёва, предназначен для исследования вибротермического отклика корпуса в условиях космического полёта. 

На кубсате установлена полезная нагрузка (ПН), содержащая три вибропреобразователя AP2037-500 в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях и два вибратора, установленных в направлениях вдоль главной оси спутника и перпендикулярно ей в направлении боковой стенки. Также ПН содержит упругий элемент, напряжения в котором регулируются степенью поворота эксцентрика (от 0° до 90°). Упругий элемент с эксцентриком и сервоприводом эксцентрика формируют механизм создания преднапряжённого состояния конструкции МКА. Это предварительно напряжённое состояние создаётся в полезной нагрузке и незначительно распространяется на другие элементы спутника.

Вибропреобразователи выдают аналоговый сигнал 4-20 мА, соответствующий мгновенному значению ускорения преобразователя в направлении его главной оси. Данный сигнал обрабатывается платой управления ПН, оцифровывается и передаётся уже в цифровом виде на землю через штатную систему радиосвязи МКА. Время работы виброприводов, выбор анализируемых каналов, угол поворота эксцентрика и частота оцифровки сигналов вибропреобразователей задаются при выдаче команд на запуск серии измерений. Процесс измерения виброотклика кубсата занимает порядка 2-х секунд. За это время производится запись нескольких кБ данных, которые затем по УКВ-радиоканалу передаются на Землю. 

Для анализа поступающих от вибродатчиков данных был разработан программный комплекс, позволяющий декодировать поступающие с полезной нагрузки данные, фильтровать выбросы данных, которые возникают из-за помех или потери пакетов при передаче, и проводить вейвлет-анализ сигналов, поступающих с разных каналов вибропреобразователей. 

Специалистами КузГТУ им. Т. Ф. Горбачёва была проведена серия экспериментов по оценке виброотклика МКА на вибрационное воздействие при различных положениях эксцентрика механизма создания преднапряжённого состояния конструкции. Положение эксцентрика механизма преднапряжения последовательно устанавливалось в 15°, 45°, 60° и 85°, а частота оцифровки сигналов была установлена на 10 кГц. Последовательно включалась вибрация по X-каналу и Y-каналу. 

Особенность работы с МКА КузГТУ1 заключается в том, что время пролёта спутника над приёмно-передающей станцией составляет около 10 минут, при этом необходимые сервисные операции (включение каналов электропитания оборудования, запуск управляющего ПК МКА, подготовка эксперимента) требуют порядка трёх минут времени. Таким образом, на проведение эксперимента и приём данных имеется порядка 5-7 минут за один пролёт. После пролёта спутник уходит в тень. Необходимо обесточивать полезную нагрузку и управляющий компьютер МКА для избежания глубокого разряда батарей (как следствие, данные эксперимента не сохраняются и могут быть приняты только во время следующего пролёта).

Для каждого из выбранных углов положения эксцентрика и канала вибрации было проведено несколько экспериментов, из которых были выбраны результаты с наименьшим количеством сбоев и потерь пакетов при передаче. 

Процесс затухания колебаний носит существенно негармонический характер, и для анализа таких временных последовательностей классический фурье-анализ не даёт наглядной картины. Для таких сигналов более наглядным является вейвлет-анализ, который позволяет выделять не только частотные составляющие сигнала, но и оценивать изменение амплитуд колебаний во времени. 

Для анализа были выбраны три типа вейвлетов: дискретный вейвлет Хаара, непрерывный вейвелет Хаара и вейвлет Добеши D4. 

Далее приведены изображения вейвлет-образов сигналов для различных условий нагружения:

Вейвлет Добеши даёт большие значения и содержит больше деталей, чем вейвлет Хаара.

Увеличение угла эксцентрика (и увеличение напряжения в упругом элементе полезной нагрузки) приводит к росту интенсивности вейвлет-образов сигнала на средних частотах (50-200 Гц). Интенсивность низких (<50 Гц) и высоких (>500 Гц) частот меняется незначительно. 

Увеличение угла эксцентрика с 60° до 85° не приводит к существенному изменению амплитуд вейвлет-преобразования, хотя разница в вейвлет-образах, вызванная потерей части пакетов, вполне заметна. Также довольно чётко выделяются колебания в диапазоне частот 187-375 Гц.

Увеличение угла эксцентрика (и увеличение напряжения в упругом элементе полезной нагрузки) приводит к росту интенсивности вейвлет-образов сигнала на средних частотах (50-200 Гц). Интенсивность низких (<50 Гц) и высоких (>500 Гц) частот меняется незначительно. 

При увеличении угла эксцентрика с 60° до 85° роста интенсивности колебаний не наблюдается. Данный факт может объясняться следующим: элемент создания преднапряжённого состояния представляет собой подпружиненную массивную деталь, входящую в зацепление с эксцентриком, который прижимает пружину. При малых углах поворота эксцентрика массивный элемент остаётся подвижным, и при вибрации эффективно гасит колебания за счёт трения о направляющие. При больших углах поворота эксцентрика колебания массивного прижимного устройства происходят без проскальзывания и трения, диссипация энергии колебаний резко сокращается и амплитуда колебаний, как следствие, растёт. Таким образом, одно из предположений, выдвигавшихся при постановке эксперимента, а именно предположение о возможности практического обнаружения изменения состояния конструкции МКА по результатам измерения его виброотклика, получило своё экспериментальное подтверждение.

Как видно на рисунке выше, при вибрации по оси Y интенсивности отклика по каналам Y и Z выше, чем интенсивность отклика по каналу X. Данное сравнение более надёжное, чем другие, в связи с тем, что все три отклика были получены за один сеанс связи и имеют совершенно одинаковые искажения, внесённые утерянными пакетами. 

На данный момент экспериментально подтверждена возможность оценки состояния конструкций МКА по результатам исследования его виброотклика.

В свою очередь, попытка сравнения экспериментальных данных с расчётными ещё не закончена, так как модель спутника содержит большое количество мелких элементов, что требует длительной и тонкой настройки сеточной модели спутника. Общее поведение конструкции под нагрузкой (как статической, так и динамической) моделируется достаточно надёжно.

Расчёт колебательных процессов в конструкции спутника с необходимой точностью осуществить пока не удаётся. В настоящее время ведутся работы по настройке численной модели и обеспечению надёжного расчёта колебаний конструкции спутника с сохранением его основных параметров.