НИР Итоговый отчет. итоговый Отчет по_НИР_Метелица. Реферат Промежуточный научно технический отчет с., рис., табл., источников

• Название: Реферат Промежуточный научно технический отчет с., рис., табл., источников
• Анкор: НИР Итоговый отчет
• Дата: 15.02.2022
• Размер: 1.12 Mb.
• Имя файла: итоговый Отчет по_НИР_Метелица.docx
• Тип: Реферат; #362452

Оглавление

1. 
   Реферат
   

Промежуточный научно технический отчет __ с., __ рис., __ табл., __ источников.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, НАНОСПУТНИК, CUBESAT, ЭЛЕКТРОНАГРЕВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНОСПУТНИКОВ, СТРАТОСФЕРНЫЙ ЗОНД, ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Объектом исследования и разработки являлись стенд для испытаний двигателя малой тяги в стратосфере, стенд для испытаний в вакуумной камере, анализ компоновки топливных баков в космическом аппарате, и разработка двигательной установки для наноспутника.

Результатами работы является: предложения по конструкции системы сбора рабочего тела стенда измерения тяги; стенд исследования эксплуатационного износа на базе вакуумной камеры; доработка стратосферного стенда для проведения испытаний в условиях невесомости; конструкция топливного бака и системы подачи топлива для наноспутника.

2. 
   Введение
   

В данном отчете описаны работы и мероприятия, выполненые в рамках второго этапа грантовой программы УМНИК, «Разработка электронагревного двигателя малой тяги на безопасных компонентах топлива». В ходе работы было проведено исследование эксплуатационного износа электронагревного двигателя, проведено измерения тяги двигателя, разработана система управления двигателя, доработан испытательный стенд для испытаний и управления двигателем, изготовлен прототип двигателя, проведены комплексные испытания.

3. 
   Исследование процесса эксплуатационного износа испарительной камеры электронагревного двигателя
   

Описание конструкции трубки

Основным узлом двигателя является электронагревная трубка, где происходит подогрев рабочего тела перед ее непосредственным выбросом из сопла. конструкция была изготовлена максимально простой и доступной для производства в лаборатории университета. Материалы, использованные при производстве нагревателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Материалы, использованные при создании испарительной трубки

Материал	Технические свойства	Назначение
Медная трубка		не более 8 часов
Нихромовая проволока
Оксид алюминия порошковый
Клей эласил
Стекловолокно
Герметик силикатный ___

На поверхность медной трубки пламенным наносился порошковый оксид алюминия, для электроизоляции витков спирали от медной трубки. после чего наматывалась нихромовая спираль, и наносился финальный слой оксида алюминия для лучшего теплоотвода от спирали и недопущения перегрева. Проблема покрытия из оксида алюминия, высокая хрупкость, низкая трещиностойкость и осыпание покрытия в процессе работы с испарительной трубкой. Применялось 2 варианта покрытия, из термоклея Эласил (рис.1) ГОСТ- и силикатного герметика ___ и стеклянного волокна ГОСТ- (рис.2). для контроля температуры были использованы термопары К-типа и цифровые датчики температуры. Подробно конструкция измерительной части описана в разделе 5.

Рисунок – 1 и 2 нагревательные трубки с защитным покрытием из теплопроводного клея и силикатного герметика со стекловолокном

Испытательное оборудование первой серии испытаний

Для проведения испытаний испарительной трубки был сконструирован стенд на базе вакуумной камеры на базе стенда ВК-01 кафедры СМ2 «Аэрокосмические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана. В связи с коронавирусными ограничениями и реконструкцией МГТУ пришлось проводить испытания вакуумном стенде на кафедре Э8 (рис. 3 и 4).

Рисунок – 3 и 4 стенд кафедры Э8 и оборудование для испытаний двигателя смонтированное на нем.

Во время испытаний тяги нагревательная трубка была закреплена на коромысле тягоизмерительного устройства сконструированного на основе весов ____ с подключением по USB. Для подвода тока к двигателю были использованы провода с силиконовой изоляцией и высокотоковый вакуумный ввод на 700А. Для запитки слаботочных цепей, приема сигнала с тягоизмерительного устройства и управления двигателем использовались 2 вакуумных ввода формата D-SUB и провода к нему. Топливный бак был размещен снаружи вакуумной камеры и подключался к двигателю через паянный ввод из медной трубки и фланца KF16. На конце медной трубки с внутренней стороны был установлен клапан электромагнитный тарельчатый. Была написана специальная программа управления двигателем в ____ Lazarus, интерфейс представлен на рисунке 5.

Рисунок – 5 интерфейс программы управления стендом и двигателем

В данной программе можно выполнять следующие команды:

• 
  включить/выключить нагрев двигателя
  
• 
  открыть/закрыть клапан вручную
  
• 
  открыть/закрыть клапан на определённый интервал времени, который можно задать в самом приложении
  
• 
  запустить функцию автоматической выдачи импульса двигателем
  
• 
  активировать некоторые узлы управляющей платы (зависит от платы)
  
• 
  построение графиков, по данным с управляющей платы (температура, давление, напряжение)
  

Первая серия испытаний
Испытательное оборудование первой второй испытаний
Вторая серия испытаний
Результаты исследований

В результате проведенных экспериментов было установлено что:

1. 
   Из-за разных коэффициентов теплового линейного расширения напыленный плазменным методом теплопроводный слой из оксида алюминия разрушался при циклическом нагревании без покрытия;
   
2. 
   Защитное покрытие из клея «Эласил» выгорало с обильным образованием дыма и не выполняло своих защитных функций;
   
3. 
   Защитное покрытие из силикатного герметика и стекловолокна выдерживало прогрев до 450 градусов по цельсию и не разрушалось при циклическом нагреве, однако имеет большую теплоемкость и низкую температуропроводность что негативно сказывается на динамике работы двигателя;
   
4. 
   Прямоточная схема двигателя на базе тонкой медной трубки неэффективна из-за низкого гидравлического сопротивления и низкой теплоемкости;
   

4. 
   Разработка образца системы управления двигателем состоящей из системы защиты от несанкционированного включения, блока управления питанием
   

Техническое задание на разработку системы управления

Система управления (СУ) двигательной установки (ДУ) это узел обеспечивающий выполнение основных функций двигательной установки, получение управляющих команд, обеспечение 3 защиты от несанкционированного включения и получение телеметрической информации. Основные технические требования к СУ ДУ изложены в стандарте Cubesat Design Specification rev.14, описывающем основные требования к узлу КМА Cubesat, и __________ , где описан форм-фактор печатной платы и разьемам подключения. Были определены следующие технические требования:

1. 
   Обеспечение двукратной защиты от несанкционированного включения двигателя
   
2. 
   Наличие собственного накопителя электрической энергии из литиевых высокотоковых аккумуляторов, контроллера заряда-разряда для обеспечения потребителей двигательной установки независимо от бортовых источников питания в процессе работы ДУ.
   
3. 
   Выдача электропитания со следующими параметрами для потребителей ДУ: Испарительная трубка - 7.6-8.2В
   

Клапан - 12В, 0.266А

4. 
   Зарядка литиевых АКБ от источника питания с параметрами
   
5. 
   Питание микроконтроллера от внешнего источника питания
   
6. 
   Контроль температуры, давления и параметров электропитания основных элементов СУ;
   
7. 
   Прием/передача информации по UART/USB, SPI, I2C, CAN, OneWire.
   
8. 
   Управление ДУ в соответствии с программой полета
   

Для упрощения реализации системы управления и ускорения экспериментальной отработки системы создается несколько прототипов перед разработкой и изготовлением финальной версии. Было разработано 2 прототипа

Прототип 0

Прототип СУ ДУ версии 0 использовался для проверки работоспособности теоретической части электрической схемы СУ.

Подтвердилась работоспособность следующих модулей:

• 
  Модуль заряда/разряда АБ
  
• 
  Повышающие преобразователи напряжения
  
• 
  АЦП термопары
  
• 
  Транзисторная схема, управляющая силовой нагрузкой
  

В качестве управляющего модуля использовался микроконтроллер Atmega328p.

Список использованных модулей:

• 
  BMS 4s 40A
  
• 
  mt3608 (2 шт)
  
• 
  Arduino Nano (Atmega328p)
  
• 
  Транзисторы IRF3205
  
• 
  Обвязочные резисторы
  
• 
  MAX6675
  

Прототип 1

Спроектирована PCB плата на основе электрической схемы Прототипа 0. Все модули были полностью разведены и связаны между собой. Использовался облачный сервис EasyEDA. Плата разведена в четырёх слоях.

Компоненты, подтвердившие свою работоспособность:

• 
  Atmega2560
  
• 
  FTDI - программатор микроконтроллера
  
• 
  BMS 20A
  
• 
  

MT3608

Некоторые транзисторные блоки

Компоненты, не подтвердившие свою работоспособность:

• 
  MT3608
  
• 
  Некоторые транзисторные блоки
  

Выявленные ошибки и внесенные изменения в 2 прототип
Прототип 2

Во втором прототипе исправлены проблемы первого прототипа. Также были добавлены новые электрические элементы:

• 
  АЦП (2 модуля)
  
• 
  оптопары
  
• 
  датчики температуры
  
• 
  диоды-индикаторы
  
• 
  RGB-диод
  
• 
  измененные силовые транзисторы
  
• 
  watchdog
  
• 
  альтернативный вариант питания клапана
  
• 
  шлейф JTAG
  
• 
  Перемычки
  
• 
  Датчик тока
  

5. 
   Разработка образца электронагревного двигателя малой тяги на безопасных компонентах топлива с учетом результатов проведенных исследований
   

Техническое задание

Технические требования к двигательной установке определены стандартами [] и [], а так же специальными требованиями эксплуатации, логики работы СУ КМА, ограничениями конструкции и т.д. Был составлен следующий список:

1. 
   Максимальные габариты ДУ не более чем ___
   
2. 
   Минимизация смещения центра масс топлива в процессе работы двигателя;
   
3. 
   
   

- компоненты двигательной установки

Сопло

Бак

Нагреватель

Вытеснение

6. 
   Экспериментальные исследования работоспособности образца двигателя в нештатных ситуациях.
   

- основные нештатные ситуации

основные нештатные ситуации которые возможно отработать на прототипе двигательного блока это ситуации связанные с системой управления, нагревателем, зарядом разрядом буферных АКБ, выработка топлива из бака. основные нештатные ситуации были определены следующие

аварийное отключение питания микроконтроллера

аварийное отключение питания нагревателя

аварийное отключение питания испарительной трубки

перезаряд АКБ

Переразряд АКБ

Нештатное открытие транзисторов:

• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №1 клапана
  
• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №2 клапана
  
• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №1 испарительной трубки
  
• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №2 испарительной трубки
  
• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №1 нагревателя
  
• 
  Самопроизвольное открытие транзистора №2 нагревателя
  

Проблема решается последовательным соединением двух N-канальных транзисторов. В случае наводки на один из транзисторов, второй транзистор будет закрыт. Вероятность одновременной наводки на оба транзистора слишком мала.
В случае отказа повышающего преобразователя на 12В питание на клапан будет переведено на прямую запитку от АБ.

Для контроля напряжений в цепи управляющей платы были предусмотрены АЦП ADS1115, которые измеряют разность потенциалов на наиболее важных для работы КА участках электрической цепи.

Для температурного контроля платы были предусмотрены цифровые термометры, измеряющие температуру на силовых компонентах схемы, таких как транзисторы.

Исходя из поступающих данных программное обеспечение микроконтроллера будет отключать проблемные модули.

самопроизвольное включение нагревателя

самопроизвольное включение испарительной трубки

самопроизвольное открытие клапана

отработки нештатных ситуаций

7. 
   Исследование комплексного эксплуатационного износа образца электронагревного двигателя: испарительной камеры, топливной системы, системы управления
   

- совместный прогрев двигателя

- серия включений двигателя на воздухе

8. 
   Заключение
   

В работе были выполнены мероприятия согласно календарному плану грантовой программы «УМНИК».

9. 
   Список литературы
   

1. 
   IAC-13,E2,1,2,x17608 – RESISTOJET FOR MICRO AND NANO SATELLITES Arseniy Pavlov, Bauman Moscow State Technical University, Russia
   
2. 
   Методическое пособие для студентов ИТМО Иванов В. И., Соколова Е. В. «КРИОВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ», 2017
   
3. 
   CubeSat Design Specification Rev. 13 (CalPoly)