Диплом инженера или как доставить на Землю кусочек Марса

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-либо 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 подъема 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!


Источник: habrahabr.ru/post/210212/