Оптимизация термоактуатора, используемого в микроспутниках

17/07/2017

Утром 22 марта 2006 года, НАСА запустило свою новую программу Space Technology 5. На протяжении трёх месяцев миниатурные спутники исследовали магнитное поле Земли, проводя высокоточные измерения. Помимо сбора данных эта миссия стала переломным моментом в освоении космоса. Вместо традиционных спутников для космических исследований использовались их миниатюрные модификации. Для таких систем очень важную роль играют МЭМС-технологии, служащие в частности для активного контроля тепловых режимов. С помощью мультифизического моделирования инженеры могут рассчитывать и улучшать подобные устройства.

Эволюция технологий исследования космоса

В современном мире тенденцию к миниатюризации можно наблюдать в различных устройствах, включая, мобильные телефоны и компьютеры. То же самое можно сказать о конструкциях спутников, используемых в космических миссиях. Одним из таких примеров являются спутники НАСА для проекта Space Technology 5 (ST5).

Изображение микроспутников, которые НАСА использовало в проекте Space Technology 5.
Микроспутники, расположенные в грузовом отсеке миссии ST5. Изображение предоставлено НАСА. Иллюстрация из открытого источника, взята из Wikimedia Commons.

Из-за ограничения грузоподъёмности микроспутников и стремления расширить их радиус действия вне орбиты Земли, системы активного терморегулирования очень важны. Для подобных систем требуется большая мощность, и, следовательно, увеличивается масса спутника. Перед инженерами стоит задача разработать активную систему терморегулирования, которая бы соответствовала требованиям по мощности и массогабаритным показателям и в то же время контролировала отвод избыточного тепла.

Учитывая вышесказанное, в миссии ST5 НАСА использовало для управления электростатические гребенчатые актуаторы (comb drives), которые использовались в двух разных конфигурациях радиаторов — по типу решётки и по типу затвора. Данная миссия помогла инженерам провести валидацию использования МЭМС-технологий в термических подсистемах.

Схематичное изображение радиатора с конфигурацией типа затвора для системы терморегулирования микроспутника.
Изображение конструкции радиатора, сделанное с помощью оптического микроскопа.

Слева: Концепт конфигурации радиатора в виде затвора. Справа: Изображение данного радиатора, сделанное с помощью оптического микроскопа. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено L. Pasqualetto Cassinis.

Для дальнейшего совершенствования конструкции, исследователь из Делфтского технического университета предложил использовать в качестве альтернативы электростатическим гребенчатым актуаторам термоактуаторы. Эти устройства обеспечивают относительно большое смещение при низком приложенном напряжении и менее чувствительны к излучению, чем их электростатические аналоги. Чтобы проверить возможность их потенциального применения в этой области и оптимизировать конструкцию, исследователь использовал численное моделирование в COMSOL Multiphysics®.

Верификация возможности использования термоактуаторов в микроспутниках

В пакете COMSOL Multiphysics были созданы две расчетные модели. В первой проводился расчет на прочность массива затворов для определения жесткости конструкции, в которой предполагалось использование термоактуаторов.

Трёхмерная модель массива затворов для микроспутников, в котором предполагается использование термических приводов.
Трёхмерная модель массива затворов. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено автором – L. Pasqualetto Cassinis.

Во второй 3D-модели исследовалась работа двух-элементного (two-arm) термического привода из поликристаллического кремния. Модель была создана по аналогии с демонстрационным примером "Моделирование Джоулева нагрева микроактуатора". Приложенное напряжение приводит к генерации электрического тока, который протекает по двум "горячим" балкам, повышая температуру привода. Увеличение температуры приводит к тепловому расширению материала и актуатор начинает изгибаться. В дополнение к двум горячим, есть холодная балка, которая отделена от них зазором. Обратите внимание, что сопротивление горячих балок выше, чем холодных, следовательно, больше Джоулев нагрев.

Геометрическая модель термического привода.
Геометрия модели термического привода. Изображение взято из учебной модели "Джоулев нагрев микроактуатора".

Для валидации модели термического привода исследователь сравнил результаты моделирования с аналитическими результатами и проверил смещение на конце балки, которое по требованиям должно было равняться порядка 3 мкм. По результатам моделирования смещение составило 2.54 мкм, по аналитическим расчётам — 2.11 мкм. Обратите внимание, что в теоретической модели только одна горячая балка, что объясняет определенные расхождения в результатах. Кроме того, результаты теплового расчёта показывают хорошую сходимость с максимальной температурой в центре привода.

Для учёта реальной жёсткости массива затворов была задана сила, аналогичная усилию пружины. При изменении величины нагрузки, приложенной к устройству, затвор проявляет упругие свойства. Расчётная жесткость, полученная на основе первой модели, включена в модель термического привода. Расчёт величины смещения в зависимости от приложенного напряжения также показал, что требуется достаточно высокий его уровень для корректной работы устройства. К тому же, как и ожидалось, максимальное смещение происходит в центре актуатора, а не на его конце.

Оптимизация термоактуатора

После верификации модели термического привода, исследователь поставил задачу оптимизировать его конструкцию. Оптимизация проводилась по параметрам длины привода и величины зазора между горячими и холодной балками. Согласно аналитическим результатам, обе переменные оказывают сильное влияние на перемещение конца актуатора.

В первоначальном оптимизационном анализе приложенное напряжение в 2.7 В создавало жёсткость 109 Н/м3 и смещение 2.98 мкм. Кроме того, максимальная температура устройства была значительно ниже температуры плавления кремния.

График распределения механических деформаций термического привода, построенный в COMSOL Multiphysics®.
График распределения температуры в термическом приводе при приложенном напряжении 2.7 В.

Смещение (слева) и распределение температуры (справа) в термоактуаторе при приложенном напряжении в 2.7 В. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено автором — L. Pasqualetto Cassinis.

Следующей целью оптимизационного анализа стало уменьшение прикладываемого напряжения. Всего несколько вольт могут оказать критическое влияние на конструкцию, к примеру, в сверхмалых спутниках Кубсат (CubeSats) для исследования космоса, в которых потребление мощности очень ограничено. В данном исследовании в качестве контрольного параметра оптимизации был выбран зазор между рычагами. Оптимизационный анализ позволил достигнуть значения перемещения в 3 мкм при прикладываемом напряжении в 2.5 В.

Мультифизическое моделирование для достижения новых высот в разработке микроспутников

Улучшение конструкции микроспутников является ключевым моментом в расширении их использования при освоении космоса. В этой заметке, на примере термического привода, мы показали, насколько полезным инструментом для расчёта активной системы терморегулирования, повышения безопасности и доступности подобных устройств может стать моделирование. Мы будем с нетерпением следить за развитием подобных технологий и потенциальной роли моделирования в их проектировании.

Узнайте больше о развитии космических технологий за счет моделирования


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ