Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование и моделирование термомеханических процессов для совершенствования прибора определения координат звезд Разживалов Павел Николаевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Страница автора: Разживалов Павел Николаевич


Разживалов Павел Николаевич. Исследование и моделирование термомеханических процессов для совершенствования прибора определения координат звезд: диссертация кандидата Технических наук: 05.27.06 / Разживалов Павел Николаевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»], 2018. - 192 с.

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время продолжается наращивание российской орбитальной группировки спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Совершенствуются технические характеристики съемочной аппаратуры, И рамках Федеральной космической программы (ФКП) на 2016-2025гг предусмотрено создание космического аппарата (КЛ) ДЗЗ сверхвысокого пространственною разрешения «Ресурс-ПМ». Данный КА будет оснащен бортовой целевой аппаратурой, обеспечивающей пространственное разрешение менее 40-50 см с высоты орбиты 700 км при точности привяжи (координатой или просі рапсі венной) в 2-3 м.

Основными причинами неточной привяжи данных ДЗЗ являются погрешности измерений положения на орбите и погрешность ориентации космического аппарата. За первую погрешность отвечают системы Глонасс/GPS, а за вторую - приборы определения координат звезд (ПОКЗ). Данные приборы также известны под другими наименованиями, например: звездный датчик, датчик или прибор астроориентации, датчик ориентации КА. датчик ориентации но звёздам и т.д. Результаты измерений лих систем и приборов учитываются при геометрической коррекции изображений. Тем самым обеспечивается начальная привязка изображений с точностью. определяемой точностью измерений координат КА и углов ориентации. Таким образом, точность измерений ПОКЗ влияет на точность привязки изображений.

На сегодняшний день в научной литературе достаточно широко освещен вопрос о способах повышения точности и других эксплуатационных характеристик ПОКЗ. Первый способ связан с модернизацией схемных решений и программно-математического обеспечения ПОКЗ. использованием новых электронных компонентов и использованием блочно-модульной архитектуры конструкции. Другие способы связаны с использованием зеркальных узконаправленных объективов и новых композитных материалов. Также известны способы, связанные с разработкой специального программного обеспечения для отработки ПОКЗ в составе лабораторного стендового оборудования.

Однако на пути создания высокоточных ПОКЗ для перспективных систем ДЗЗ существуют нерешенные задачи, связанные с этапами разработки. производства и проведения контрольных испытаний эксплуатационных характеристик данных приборов. К основным из них можно отнести следующие:

неоднозначные, упрошенные подходы к оценке точностных характеристик ПОКЗ:

отсутствие оценки величины влияния на точность ПОКЗ температурных деформаций и других термомеханических процессов. вызванных внутренними и внешними факторами, которые приводят к

деетабн лизании положения приемного фоточувствигелыюго ктемента относительно оптической системы ПОКЗ;

отсутствие локументации и описания специального оборудование, которое используется в процессе производства ПОКЗ;

отсутствие алгоритмов и методик для проведения контрольных испытаний МОК? с целью полтиержлсния ею эксплуатационных характеристик;

отсутствие алгоритмов проектирования ПОКЗ

И связи с вышеуказанным, важным является уточнение имеющихся подходов, путем выбора однозначного критерия лля определения точностных характеристик ПОКЗ. поиск конегруктивпо-технологических решений при исследовании и моделировании термомеханических процессов в материалах и конструкции прибора с целью улучшения его эксплуатационных характеристик, а также разработка и модернизация специального оборудования, которое применяется в процессе производства ПОКЗ. Решение вышеперечисленных научно-технических задач позволит оснастить КЛ ПОКЗ, которые, работая в комплексе со съемочной аппаратурой, смогут обеспечить требуемые характеристики, укатанные в ФКП на 2016-2025 гг, (пространственное разрешение менее 40-50 см. точность пространственной привязки 2-3м).

Решению данных проблем посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.

Петь н задачи диссертационной работы

Целью является исследование термомеханических процессов и поиск конструктивно-технологических решений лля улучшения эксплуатационных характеристик ПОКЗ.

Для достижения поставленной пели необходимо решить следующие задачи:

Выполнить анализ существующих и перспективных КЛ ДЗЗ с целью определения основных параметров ПОКЗ;

Определить составляющие предельной погрешности ПОКЗ;

- Провести оценку влияния космического пространства (тепловое
излучение солнца, отраженное планетное излучение и др.) на ПОКЗ. с учетом
его расположения на КЛ:

- Провести исследование и моделирование типовой конструкции ПОКЗ
лля формулирования конструктивно-технологических предложения и части
модернизации ПОКЗ с целью улучшения его эксплуатационных характеристик;

- Провести исследования и моделирование термомеханических
процессов в материалах и конструкции ПОКЗ пол воздействием внешних
(тепловой поток от солнца, вибрация, линейные ускорения) и внутренних
(лисгорсия объектива, температурная деформация) факторов с целью
определения степени их влияния на точность прибора;

- Разработать комплекс специальною оборудования лля использования
в процессе производства ПОКЗ:

і

Разработать алгоритм проведения контрольных испытаний ПОЮ с целью подтверждения его эксплуатационных характеристик:

Разработать математическую модель предельной погрешности ПОКЗ:

- Разработать алгоритм проектирования ПОКЗ.
Научная повита работы

(.Предложено при разработке и исследовании физико-технологических принципов совершенствования ПОКЗ и качестве основною критерия точности прибора использовать предельную погрешность, что позволило, в отличии от существующих методик определения точности, получить более достоверные и полные результаты о величине погрешности ПОКЗ после завершения его производства.

2. Усовершенствована методика контроля углового положения ПОКЗ в составе комплекса специального оборудования на основе комбинации автоколлимационной и оптико-электронной методик контроля, что позволило уменьшить предельную погрешность прибора на этане контрольных испытаний н процессе производства.

.4. На основе проведенных исследований физико-технологических принципов совершенствования ПОКЗ. разработана математическая модель прелеп.ноіі погрешности прибора, описывающая особенности метода прямых измерений точечного светового объекта с учетом влияния температурной деформации, дисторсии оптической системы, дополнительной погрешности ОІ элементов оборудования и погрешности от внешних факторов (солнечное излучение, вибрация, линейное ускорение). С помощью модели установлено. что основной вклад в предельную погрешность вносит неисключенная систематическая погрешность.

Практическая значимость работы

  1. Разработаны комплекты конструкторской и технолої ической документации для промышленной технологии производства ПОКЗ

  2. Разработана конструкция комплекса специального оборудования, а также комплекты конструкторской и технологической документации.

  3. Изготовлен комплекс специального оборудования, который применяется в процессе производства ПОКЗ. с целью подтверждения величины предельной погрешности прибора.

  4. Проведена модернизация комплекса специального оборудования, для уменьшения величины предельной погрешности прибора.

  5. Разработаны и внедрены алгоритмы испытания и проектирования ПОКЗ. которые позволяют сократить трудоемкость разработки аналогичных приборов и обеспечивают улучшение их эксплуатационных характеристик.

  6. Изготовлен ІІОКЗ, погрешность которого подтверждена по результатам контрольных испытаний в ходе производства и составляет 0.1 мл.с. (случайная составляющая), а предельное значение погрешности - 3 утл.с.

Реа.ттапии результатов работы

Полученные результаты теоретических и экспериментальных

исследований использованы:

- н производственной деятельности филиала АО «РКЦ «Прогресс» -
ПИП «ОПТЭКС» при выполнении СЧ ОКР «Прибор - О'Ж ЗД» по договору
X" ОП-473 or 10.07.20Юг. что подтверждено актом внедрения;

- в учебном процессе подготовки бакалавров, обучающихся
по направлению подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология
электронных средств» в государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования «Московский государственный
институт электронной техники (технический университет)», по следующим
дисциплинам: «Физико-химические основы технологии ЭВС»;
«Технологические и защитные среды для производства изделий микро-
н наноэлектроники». Использование результатов диссертации в учебном
процессе подтверждено актом внедрения

Методы исследовании

И диссертационной работе применяется пакет Creo Simulate. позволяющий шачите.тыю сократить трудоемкость вычислений температурного поля ПОКЗ и других проводимых расчетов. Основной принцип решения - метод конечных (лементов.

Основные положения, выносимые на тащнту

  1. Предложено использовать предельную погрешность в качестве основного критерия, который характеризует точность ПОКЗ, а также учитывает влияние внешних и внутренних факторов, конструктивно-технологические особенности конструкции и теплофизические свойства используемых в конструкции материалов.

  2. Разработана комбинированная методика расчета и моделирования процессов теплообмена и напряженно-деформированных состояний ПОКЗ, основанная на использовании расчетной величины термическою сопротивления контакта при процессе моделирования конструкции прибора. Данная методика позволила улучшить сходимость результатов, полученных классическим путем с помощью построения математической модели распределения температуры по конструкции узла ПОКЗ и полученных с помощью САПР.

  3. В ходе проведения исследования влияния внешних факторов на погрешность ПОКЗ. было установлено, что одно из самых сильных возмущающих явлений является солнечное тепловое излучение, которое воздействует на открытый участок бленды. Выявлен рекомендуемый интервал расхода теплоносителя и необходимая геометрия канала системы охлаждения для компенсации воздействия данною внешнего фактора.

  1. Исследовано влияние внутренних термомеханических процессов на погрешность ІІОКЗ. Установлена расчетная зависимость угловой погрешности ПОКЗ от режима охлаждения ФПЗС. Показано, что с понижением гемпературы на кристалле ФПЗС возрастает угловая погрешность ПОКЗ. что связано с конструктивно-технологическими особенностями реализованной в ПОКЗ системы охлаждения.

  2. Разработан и изготовлен ПОКЗ с улучшенными эксплуатационными характеристиками: случайная составляющая погрешносли имеет величину 0,1 угл.с. и менее, а предельная погрешность не превышает 3 угл.с. При этом установлено, что выход случайной погрешности за допустимые пределы в 0,1 угл.с. связаны с попаданием светового потока от гочечного источника света на дефектные области ФПЗС матрицы.

Досі оперное и. інчу.п.іипі» рабоїьі под і верж. іае і с я: -комплексом исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования (САПР С'гео Parametric 2.0):

- результатами, полученными в ходе испытания ПОКЗ:
-экспертизой Федеральной службы по интеллектуальной

собственности РФ:

-актом внедрения результатов диссертационной работы на предприятии;

- обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями
в периодических рецензируемых научных изданиях.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:

I Conference of Russian Young Researchers in electrical and

Electronic Engineering (EIConRus20l8), 2018r.

  1. 13-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». Сочи. 2016г.

  2. Международная научно-техническая конференция «Электроника-2015», МИТІ", 2015г.

  3. Photonic liber and Crystal Devices: Advances in Materials and Innovations in Device Application VIII. Proc. ofSPIE, 2014г.

  4. 4-ая всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов», Гаруса, 2014г.

  5. Ежегодная всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». (2012г., 2013г. 2014г.)

  6. Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Звездный городок, ФІ БУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина». Москва. 2012г.

"

X. Ежегодная Всероссийская межвузовская научно-техническая

конференция студентов и аспирантов "Мэ и Инф". МИЭТ. (2010г.. 2011г.. 2012г.)

  1. VIII всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», 20II г.

  2. II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», 2011г.

Публикации но работе

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 5 публикаций, входящих в перечень ВАК. 2 публикации в иностранном издании, 7 публикаций гезисов и докладов.

Личный вклад

Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результат» и выводов по работе, содержит 131 страницу, включая 54 рисунка. 23 таблицы и список литературы из 112 наименований. Объем приложения I составляет 58 страниц, включая 28 рисунков и 19 таблиц. Объем приложения 2 сосгавляет 2 страницы.