816 Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh VCM2012 Nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite The Isogrid Structure Study and Application for Designing the Microsatellite Structure Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh Trung tâm Vệ tinh Quốc gia e-Mail: bnduong@vnsc.org.vn Tóm tắt Bài báo này mô tả việc nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong việc thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. Mục đích của việc thiết kế cấu trúc là tạo ra một khối kết cấu chắc chắn, chứa được các tải trọng, các thiết bị khác nhau và chịu được các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ trụ. Việc thiết kế cấu trúc vệ tinh thường sử dụng các công nghệ phổ biến đáng tin cậy hơn là sử dụng các công nghệ hoàn toàn mới. Với công nghệ phổ biến, cấu trúc Microsatellite được thiết kế có lợi thế về chi phí, kết cấu an toàn, khối lượng và dễ dàng lắp ráp, tích hợp thử nghiệm. Để đạt được chi phí thấp, dễ dàng lắp ráp, tích hợp, thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu trúc isogrid trong việc thiết kế cấu trúc. Để giảm trọng lượng và để giữ an toàn cấu trúc, hình dạng cấu trúc được tối ưu hóa. Bài báo cho thấy các kết quả nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. Abstract This paper describes the study and application of isogrid structure for structure design of Microsatellite. The purpose of structural design is to create a solid structure that enable accommodating various payloads, withstand the impact from the launch rocket, space environment. The satellite structure design often uses reliable common technology rather than brand-new technology. With common technology, Microsatellite structure is designed with advantages of cost, safety structure, weight and easiness of assembly, integration and test activities. To achieve low-cost, easy assembly, integration, testing, the team studied and applied isogrid structure for structure design of Microsatellite. To minimize the weight with and to keep the structural safety, structure shape is optimized. This paper shows the results of study and application of isogrid structure for structure design of Microsatellite. Ký hiệu Ký hi ệu Đơn v ị Ý ngh ĩa Izz, Ixx, Iyy Kg.m 2 Mô men quán tính c ủa trục x, y, z Ixy, Iyz, Izx Kg.m 2 Mô men quán tính c ủa hệ trục vuông góc x, y, z. Hay còn gọi là tích quán tính của hệ trục zx, xy, yz a’ mm Kho ảng cách hai mắt tam giác theo phương ngang H mm Kho ảng cách hai mắt tam giác theo phương dọc , Ứng suất theo trục x, y E Môđun đàn h ồi Young H ệ số Poisson x , y Bi ến dạng theo trục x, y Chữ viết tắt CG Trọng tâm MOI Mô men quán tính POI Tích quán tính 1. Giới thiệu chung Vệ tinh Microsatellite là loại vệ tinh viễn thám, có khối lượng nhỏ hơn 50Kg và có kích thước thông thường là 500x500x500mm. Vệ tinh Microsatellite có lợi thế về chi phí phát triển, ứng dụng nghiên cứu và phục vụ đào tạo nguồn nhân lực cho ngành hàng không vũ trụ. Vệ tinh Microsatellite được rất nhiều trường, các tổ chức trên thế giới nghiên cứu, phát triển, ứng dụng. Khối cấu trúc là nơi lắp đặt các thành phần, thiết bị của vệ tinh, và phải chịu được các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ trụ. Do đó khi thiết kế khối cấu trúc phải đảm bảo được độ cứng vững, dễ dàng thao tác lắp ghép, gá đặt các thành phần, thiết bị bên trong, chịu được Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 817 Mã bài: 174 các tác động từ tên lửa phóng, môi trường vũ trụ. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. H.1 Mô hình vệ tinh Microsatellite 2. Nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite 2.1 Yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc Các yêu cầu khối cấu trúc chủ yếu xuất phát từ yêu cầu của tên lửa phóng và nhiệm vụ của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có nhiệm vụ khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu, ứng dụng khác nhau. Mỗi tên lửa phóng cũng có những yêu cầu khác nhau. Ví dụ: Với tên lửa phóng H-IIA của Nhật, kích thước và khối lượng vệ tinh phải nhỏ hơn 500mm x 500mm x 450mm và 50kg tương ứng. Các tần số dao động tự nhiên của vệ tinh phải lớn hơn 50Hz theo phương ngang, và 100Hz theo phương dọc để hạn chế các dao động cộng hưởng từ tên lửa phóng. Giao diện ghép nối liên kết giữa vệ tinh và tên lửa phóng: sử dụng giao diện ghép nối LV PAF-239M, theo yêu cầu của tên lửa phóng H-IIA. Khối lượng khối cấu trúc phải nhỏ hơn 15kg, khoảng 30% tổng khối lượng của vệ tinh. Bảng 1 là một ví dụ mô tả yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc vệ tinh Microsatellite. Bảng 1. Yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc vệ tinh Micro-STAR Yêu c ầu Thông s ố Kích thước < 500mm(W)x500mm(L)x450mm( H) Kh ối lượng < 15kg ( 30% t ổng khối l ư ợng v ệ tinh) CG Phương ngang (XY)< ± 25mm Phương dọc (Z) < 250mm tính từ bề mặt phân tách MOI Izz/Ixx, Izz/Iyy > 1.05 POI Ixy, Iyz, Izx < 10 % c ủa MOI Đ ộ cứng Phương ngang >50Hz, Phương dọc >100Hz Đ ộ bền Gi ới hạn an to àn > 0.0 (Tải trọng tĩnh: Phương ngang 5G, Phương dọc 6G) Ghép n ối PAF - 239M ( Theo tên l ửa phóng H-IIA) Ngoài ra còn có các yêu cầu khác dành cho khối cấu trúc: khối cấu trúc phải thuận tiện, dễ dàng thao tác lắp ghép các thành phần, thiết bị; dễ mang vác, vận chuyển, dễ gia công chế tạo… 2.2 Cấu trúc isogrid Cấu trúc isogrid là cấu trúc dạng lưới được tạo bởi các ô tam giác. Vật liệu để chế tạo các tấm cấu trúc isogrid thường là nhôm. Để chế tạo tấm isogrid người ta thường gia công phay tạo ra cấu trúc các ô tam giác. Các tấm cấu trúc isogrid có khối lượng nhẹ, độ cứng, bền rất cao và chịu được các lực tác động bên ngoài. Các tấm cấu trúc isogrid được ứng dụng để chế tạo thân vỏ tên lửa, máy bay, vệ tinh,… Hình 2 mô tả tấm cấu trúc dạng isogrid. H.2 Mô hình tấm cấu trúc isogrid H.3 Mô hình cấu trúc isogrid Với một cấu trúc isogrid có khoảng cách hai mắt tam giác theo phương ngang, phương dọc là a’ và h (H.3 Mô hình cấu trúc isogrid), đã được chứng minh là vật liệu đẳng hướng và tuân theo định luật Hooke. Sau khi phân tích các mắt tam giác, người ta thường thêm một lớp bề dày để làm tăng độ cứng của khối cấu trúc. H.4 Mặt cắt ngang cấu trúc isogrid 818 Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh VCM2012 2.3 Ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite Giả định ban đầu được nhóm nghiên cứu đặt ra là: Tên lửa phóng H-IIA, yêu cầu kĩ thuật khối cấu trúc: - Khối lượng khối cấu trúc: 15kg - Giới hạn an toàn độ bền: lớn hơn 0.0 - Tần số dao động tự nhiên: lớn hơn 50Hz (phương ngang x, y), 100Hz (phương dọc z) - CG < 250mm (phương z), 25mm (xy) - MOI >1.05 - Kích thước < H450mm x W500mm x D500mm Việc ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite phải đạt được các yêu cầu kĩ thuật như trên. Lựa chọn vật liệu cấu trúc isogrid: thông thường thường sử dụng mác nhôm 6061 và 7075. Mác nhôm 7071 có độ bền, độ cứng cao hơn mác nhôm 6061, nhưng lại có khối lượng nặng hơn so với mác nhôm 6061. Ở nghiên cứu này nhóm nghiên cứu lựa chọn mác nhôm 6061 cho việc thiết kế, phân tích khối cấu trúc vệ tinh sử dụng các tấm isogrid. Như đã giới thiệu ở trên vệ tinh Microsatellite bao gồm sáu mặt: tấm mặt trên, bốn tấm mặt xung quanh, tấm mặt dưới và tấm liên kết ghép nối PAF-239M. H.5 Tấm isogrid Thông số kĩ thuật tấm isogrid: - Bề dày tấm isogrid: 10mm - Khoảng cách các mắt tam giác (a’) : 80mm - Các tam giác là tam giác đều có chiều dày thành: 5mm - Chiều dày lớp bề dày ( ): 1mm Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình trên phần mềm Solidwork, các kết quả phân tích trên phần mềm Cosmoswork. H.6 Mô hình vệ tinh Microsatellite H.7 Mô hình phần tử hữu hạn H.8 Dao động theo phương ngang trục x (116Hz) H.9 Dao động theo phương ngang trục y (119Hz) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 819 Mã bài: 174 H.10 Dao động theo phương dọc trục z (219Hz) H.11 Ứng suất tấm cấu trúc isogrid Thông số kĩ thuật của vệ tinh sau khi thiết kế: - Khối lượng khối cấu trúc: 15kg - Tần số dao động tự nhiên: lớn hơn 50Hz (phương ngang x, y), 100Hz (phương dọc z) - CG: 225mm (phương z), 19mm (xy) - MOI: 1.1 - Kích thước: H450mm x W500mm x D500mm So sánh với các thông số kĩ thuật ban đầu đặt ra thì các thông số đều đáp ứng. 3. Kết luận Các tác giả đã trình bày các kết quả nghiên cứu của việc ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Các kết quả đã chứng minh việc có thể ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. Mô hình này có thể được sử dụng trong việc đào tạo nguồn nhân lực cho ngành hàng không vũ trụ còn non trẻ ở nước ta hiện nay. Tài liệu tham khảo [1] Isogrid Plate Modelling, Dr. Wiliam Case, June 1997. [2] Isogrid Design Handbook - NASA CR- 124075, Rev. A, Feb. 1973. [3] Delta launch vehicle isogrid structure NASTRAN analysis, Knighton, D. J, NASA, Sep 1, 1972 [4] H-IIA-User-Manual-v2c-2001-12, NASDA [5] Conceptual Phase Structural Design Tool for Microsatellites, Ryan McLinko, May 19, 2011 . Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ tinh Microsatellite. H.1 Mô hình vệ tinh Microsatellite 2. Nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc isogrid trong. hợp, thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, ứng dụng cấu trúc isogrid trong việc thiết kế cấu trúc. Để giảm trọng lượng và để giữ an toàn cấu trúc, hình dạng cấu trúc được tối ưu hóa. Bài. tăng độ cứng của khối cấu trúc. H.4 Mặt cắt ngang cấu trúc isogrid 818 Bùi Nam Dương, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tuấn Vinh VCM2 012 2.3 Ứng dụng cấu trúc isogrid trong thiết kế cấu trúc vệ