Предисловие
«Государственной экзаменационной комиссией принято решение поставить оценку „отлично“ и присвоить звание инженер». Вот так 21 января я стал иженером по специальности «Космические аппараты и разгонные блоки».
В этой статье хочу рассказать о своем дипломном проекте «Аппарат для подъема грунта с поверхности планеты». Планета была выбрана Марс, и космический аппарат создавался именно для этой планеты.
Для начала проясню, что из себя представляет дипломный проект, что делает студент-дипломант и как в итоге все это выглядит.
В начале
Начинается работа с получения задания. Мне ничего интересного в голову не пришло, и задание пришлось просить у научного руководителя. Так была выбрана тема на диплом. Итак, задание: прилететь на Марс; спуститься на поверхность, прихватив с собой марсоход; использовать надувное тормозное устройство; использовать руку-манипулятор; с капсулой с образцами грунта взлететь на орбиту; вернуться на Землю.
Одному человеку все осилить за несколько месяцев нереально, поэтому берется какая-нибудь часть, например, у меня — спуск на поверхность и взлет. Более того, все расчеты, за исключением специальной части, берутся в первом приближении (т.е., примерно).
Состав диплома:
1. Общая часть. В этой части описывается космический аппарат, его системы, центровки, обоснование, массовая сводка.
2. Специальная часть. Подробный расчет или подробное рассмотрение какой-л��бо части или детали космического аппарата.
3. Конструкторская часть. Расчет конструкции или отдельных частей. Обязательная консультация с преподавателем, требуется его подпись.
4. Баллистика. Ее обычно не выделяют в отдельную часть, входит в Общую. Можно консультироваться с преподавателем.
5. Технологическая часть.
6. Экономическая часть.
7. Охрана труда.
Последние три также предполагают обязательное консультирование и подпись.
Венчает все подписи подпись рецензента, после чего дается допуск на защиту.
Вот вкратце общий вид.
Диплом
Когда задачи ясны, начинается проектирование.
Первое, с чего я начал — это компоновка. Первый шаг был с определения ограничений.
Надувное тормозное устройство — разработка НПО им. С.А.Лавочкина. По аналогии с прототипами (Демонстратор) посчитал массу и размер экрана. Остановился на массе 1500 кг. Впоследствии масса увеличилась до 2000 кг: масса всего космического аппарата, включая марсоход и возвращаемый аппарат. Диаметр экрана получился примерно 8,5 м. Центральная его часть, которая воспринимает критические тепловые нагрузки — металлическая.
Чтобы определиться с размерами, формами и массой возвращаемого аппарата пришлось считать баллистику. На кафедре дали программу, которая считает взлет. Орбита на которой находится перелетный модуль 400 км — орбита искусственного спутника Марса. Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку массой 150 кг (то, что пристыкуется к перелетному модулю и отправится к Земле) необходимо 1000 кг топлива. На этом этапе и пришлось увеличить общую массу космического аппарата до 2000 кг, а также ограничить массу марсохода до 500 кг (изначально планировалось брать массу, как у Curiosity).
Вот и определились первые рамки.
Топливо брал двухкомпонентное высококипящее. Горючее: несимметричный диметилгидразин. Окислитель: азотный тетраоксид. Кислород, а тем более водород не рассматривал из-за их свойства быстро испаряться. А полет предполагается до Марса долгий.
Выбрал двигательные установки из существующих. Один маршевый двигатель и четыре двигателя для ориентации. Из-за недостатка тяги двигатели ориентации пришлось использовать и для подъема.
В зависимости от соотношения топливо/окислитель посчитал объемы баков топлива. Схему возвращаемого аппарата выбрал как у «Фрегата»: 4 бака с топливом, 2 отсека с аппаратурой. Также на возвращаемом аппарате добавил стыковочный агрегат, манипулятор, 2 малонаправленные (ненаправленные) антенны. 3 бака наддува с азотом.
Поясню: В условиях невесомости топливо, как и любая жидкость собирается в шары и шарики. Запустить двигатель на топливе в таком состоянии невозможно. Поэтому придумали в баки ставить эластичную мембрану. С одной стороны мембраны закачивается топливо, которое заполняет весь бак. С другой стороны давит газ из бака наддува, тем самым держа топливо под постоянным давлением, и не давая ему собираться в шарики. Газ в баках наддува под большим давлением во много атмосфер.
Возвращаемый аппарат крепится через шпангоут к переходному отсеку, в котором должен располагаться марсоход. Сам отсек крепится к надувному посадочному устройству. В развернутом состоянии надувное посадочное устройство имеет вид тора (форма тора — это бублик). И, наконец, посадочное устройство крепится к тормозному устройству.
Описание космического аппарата. Чертеж по части технологии.
Вот схемы:
1. Космический аппарат во время спуска, надувное тормозное устройство раскрыто.
2. На поверхности.
3. Возвращаемый аппарат.
Специальная часть совмещена с конструкторской. Этим разделом занялся только в конце. Необходимо было посчитать тот самый цилиндрический отсек для марсохода из композитного материала. Но я никак не мог найти более-менее понятную методику расчета, пока не наткнулся на электронную версию лекций, где был даже пример. Материал был взят углепластик. Связующее — эпоксидная смола. Оболочка получается методом намотки на оправку. Были взяты некоторые величины нагрузок, свойства материала и посчитана толщина цилиндра с учетом коэффициента безопасности.
Коэффициент безопасности для автоматических аппаратов равен 1,1 — 1,3. Для пилотируемых миссий 1,5. Именно во столько раз увеличивается толщина материалов различных узлов, которые были посчитаны из условий максимальных нагрузок.
Далее я занялся баллистикой. Внеатмосферный участок спуска считал вручную из учебника. Остальную часть несколькими программами. На основе данных были построены графики перегрузок, тепловых нагрузок, дальности и другие на участках спуска и подъема.
Во время спуска за несколько сот метров до поверхности сбрасывается тормозной экран. Одновременно с этим надувается посадочное устройство. Чтобы не «приземлиться» на сброшенный экран, космический аппарат делает небольшой маневр, отлетая в сторону.
Надувное тормозное устройство имеет свой приборный отсек. Возвращаемый аппарат свой и более сложный.
На поверхности аппарат работает только от бортовых аккумуляторов, которые заряжаются непосредственно перед отстыковкой от перелетного модуля.
Грунт собирает марсоход. После получения капсулы происходит взлет. Во время п��дъема через некоторое время сбрасывается маршевый двигатель, так как тяга нужна уже меньшая. Без двигателя можно вывести на орбиту еще несколько совсем не лишних килограмм. После выхода на орбиту с помощью манипулятора осуществляется мягкая стыковка с перелетным модулем. А дальше долгий путь обратно.
На защите был вопрос о спуске капсулы на Землю. Ответ. Капсула отстреливается с орбиты Земли в направлении нашей страны. Капсула обладает своим теплозащитным экраном и парашютной системой. После приземления начинает работать маячок, по которому мы ее и найдем.
Кстати, грунта мы можем привезти до 3 кг.
Технологическая часть у всех похожа. В ней рассматривается технологичность конструкции, описывается схема членения (см. выше), проводится выбор материалов, описываются типы стыков, схема сборки. Еще у каждого описывается свой технологический процесс. В моем случае сборка (сварка) сферического бака. Также я нашел уже существующее приспособление для сварки. Проще говоря, стационарный сварочный аппарат. Так что отдельно разрабатывать приспособление не пришлось. Чертежи по нему нашел полуготовые.
По технологии, как и по конструкции, преподаватель пишет отзыв. Эти отзывы тоже играют роль при оценке диплома комиссией.
По охране труда описываются вредные факоры, влияющие на человека. В моем случае, опять же, при сварке. И описываются меры предотвращения и уменьшения этих вредных воздействий. У кого-то нашел небольшой расчет вентиляции. Вставил в этот раздел. Лишним не оказался.
В экономической части проводится оценка затрат на НИР (научно-исследовательские работы), составляется сетевой график со всеми проектировочными работами. Естественно затраты не соответствуют действительности. На это внимания не обращают. Обращают внимание на сетевой график и все расчеты связанные с ним.
Кратко скажу, что сетевой график — это графическое изображение работ, время, затраченное на эти работы, какие работы можно проводить параллельно и на каких этапах.
Вот и все. Общие виды и размеры можно оценить из чертежа. Предполагается, что выводить космический аппарат будет ракета-носитель Протон. В качестве перелетного модуля условно изображен разгонный блок Бриз.
Напоследок
Конечно, что-то брал из других дипломов, чем-то с одногрупниками обменивался. Но работа была проделана. Тема работы тоже интересная. Хотелось действительное что-то интересное создать, использовать все свои знания. И я считаю, мне это удалось.
Теперь я инженер!