BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên : Phạm Văn Dũng Lớp : KTHK Khóa : 50 Viện : Cơ khí Động lực 1. Đề tài: Kiểm bền kết cấu vệ tinh Viễn Thám loại nhỏ 2. Nội dung phần thuyết minh: Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chương 3 : TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH Chương 4 : TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN NHIỆT CHO VỆ TINH Chương 5 : KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 3. Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Phú Khánh 4. Ngày giao nhiệmvụ : 5. Ngày hoàn thành nhiệmvụ : CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) Sinh viên đã hoàn thành (và nộp toàn bộ bản thiết kế cho khoa) Ngày tháng năm 2010 (Ký, ghi rõ họ tên) Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, Ngày……tháng……năm 2010 2 Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO PHẢN BIỆN Hà Nội, Ngày……tháng……năm 2010 3 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC 4 LỜI NÓI ĐẦU 7 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 9 1.1. TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH 9 1.1.2.1 Các loại vệ tinh 10 1.1.2.2 Các loại quỹ đạo 12 1.1.2.3 Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam 13 1.2 . DỰ ÁN VỆ TINH F-1 VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỒ ÁN 13 1.2.1.1 . Giới thiệu 14 1.2.1.2. Yêu cầu của F-1 14 1.2.1.3. Yêu cầu tối thiểu 14 1.2.1.4. Yêu cầu thách thức 15 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 17 2.1. VẤN ĐỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 17 2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 18 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH F-1 22 3.1. CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ KẾT CẤU VỆ TINH 22 3.2. PHÂN TÍCH LỰC TÁC DỤNG 26 3.3. MÔ PHỎNG KIỂM BỀN KẾT CẤU 27 4 Đồ án tốt nghiệp Với việc tính toán kết cấu bằng phương pháp số, việc tìm đúng điều kiện biên của bài toán để mô phỏng là hết sức quan trọng . Trong quá trình thực hiện bài toán này , em đã phân tích và sử dụng nhiều điều kiện biên khác nhau để tìm ra điều kiện biên tốt nhất. Tuy nhiên ở đây em chỉ đưa ra hai điều kiện biên cho bài toán là điều kiện biên ban đầu và điều kiện biên cuối cùng mà em cho là đúng nhất để người đọc có thể hiểu sâu hơn về quá trình thực hiện bài toán cũng như đánh giá tính đúng đắn của kết quả đưa ra 27 3.3.1.1. Phân tích điều kiện biên 27 3.3.1.2. Kết quả 28 3.3.2.1. Điều kiện biên 30 3.3.2.2. Kết quả 32 CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN KIỂM BỀN NHIỆT CHO VỆ TINH 35 4.1. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NHIỆT CHO VỆ TINH F-1 35 4.1.1. Môi trường nhiệt và khả năng chịu nhiệt của vệ tinh F-1 36 4.1.1.1. Môi trường không gian 36 Trong quá trình hoạt động , các bo mạch điện tử của vệ tinh sinh ra nhiệt , nhiệt này vừa bức xạ , vừa dẫn nhiệt ra các phần khác . Tuy nhiên, trong đồ án này , em bỏ qua tác dụng nhiệt từ bên trong của vệ tinh mà chỉ xét đến các tác nhân nhiệt bên ngoài ảnh hưởng tới vệ tinh 39 4.1.1.2. Tính chất nhiệt của các vật liệu 39 Với tính chất là đồ án tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ thuật hàng không , tính chất nhiệt của vật liệu coi như người đọc đã biết nên ở đây em chỉ đưa ra các thông số nhiệt cần thiết trong quá trình tính toán của vật liệu như sau: 39 4.1.1.3. Nội dung của bài toán kiểm bền nhiệt 39 - Với tính chất vật liệu như trên , nhiệm vụ của bài toán kiểm bền nhiệt là phải xây dựng được phân bố nhiệt trên từng chi tiết của vệ tinh để tìm nhiệt độ nóng nhất và lạnh nhất trên từng chi tiết đó và so sánh với giới hạn của vật liệu để kết luận khả năng làm việc của vệ tinh 39 - Với môi trường nhiệt như phân tích ở trên và tính chất hoạt động của vệ tinh là vừa quay quanh tâm trái đất , vừa tự quanh quanh nó trong khi trái 5 Đồ án tốt nghiệp đất xoay quanh mặt trời , nhiệt độ tác động lên mỗi mặt của vệ tinh luôn thay đổi theo thời gian . Tuy nhiên sự thay đổi này là rất phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều biến , việc xây dựng dữ liệu nhiệt tác dụng lên từng mặt của vệ tinh là rất khó nên trong giới hạn của đồ án này em chỉ kiểm nghiệm độ bền tĩnh của vệ tinh tại một số vị trí quan trọng để lấy làm cơ sở cho việc phân tích nhiệt tổng quát sau này đó là : 39 Trường hợp 1: Nhiệt độ cao nhất của vệ tinh là lớn nhất 40 Trường hợp 2: Vệ tinh nhận được nhiều nhiệt nhất từ mặt trời 40 Trường hợp 3: Vệ tinh nhận được ít nhiệt nhất từ mặt trời 40 Tại vùng tối : Trái với khi nằm ở vùng sáng , ở vùng này, vệ tinh không nhận được bức xạ từ mặt trời cũng như bức xạ phản xạ Albedo mà chỉ nhận được bức xạ hồng ngoại yếu ớt của trái đất . Khi nhiệt độ ngoài không gian chỉ là 3oK ( -270oC) thì nhiệt độ trên vệ tinh sẽ rất thấp , ta phải tìm vị trí vệ tinh có phân bố nhiệt cao nhất để có thể điều khiển vệ tinh luôn hướng theo vị trí này để ta có thể dễ dàng sưởi ấm vệ tinh hơn . Theo đó ta cũng xét 3 trường hợp đặc biệt của vệ tinh ở vùng này . Chúng ta sẽ hình dung rõ hơn ở phần sau khi ta đi phân tích và mô phỏng từng trường hợp 40 4.2.TÍNH TOÁN NHIỆT CHO VỆ TINH 41 4.2.1.1. Phân tích 41 4.2.1.2. Tính toán lượng nhiệt lớn nhất tới vệ tinh 42 4.2.1.3. Kết luận 46 4.2.2.1.Phân tích 46 4.2.2.2. Tính toán 46 4.2.2.3. Kết luận 52 4.3. MÔ PHỎNG NHIỆT 52 4.3.3.1.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 1 (THT 1) 54 4.3.3.2.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 2 (THT 2) : 55 Vị trí như hình vẽ. Trong đó Mặt 3 của vệ tinh trùng với cạnh của góc nhìn trái đất của vệ tinh 55 4.3.3.3.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 3 (THT 3) 57 Hình 4.15. Phân bố nhiệt THT 3 58 4.3.3.4.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 1 (THS 1 ) 58 4.3.3.5.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 2 (THS 2 ) 60 4.3.3.6.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 3 (THS 3 ) 61 6 Đồ án tốt nghiệp Bảng nhiệt 62 Nhận xét : Nhìn vào bảng phân bố nhiệt ta thấy, nhiệt độ trên từng bộ phận của vệ tinh đều nằm trong miền giới hạn chịu nhiệt của vật liệu . Như vậy trong trường hợp này , vệ tinh đủ bền về nhiệt 62 4.4.KẾT LUẬN CHO MÔ PHỎNG NHIỆT 63 CHƯƠNG 5 :KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 65 5.1. NHỮNG THÀNH QUẢ ĐỒ ÁN ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 65 5.2 NHỮNG VẪN ĐỀ CÒN HẠN CHẾ 65 5.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LỜI NÓI ĐẦU Từ khi ra đời đến nay , các vệ tinh nhân tạo ngày càng thể hiện được vai trò quan trọng của nó trong đời sống của con người. Mỗi khi bạn ra khỏi nhà , vệ tinh giúp bạn tránh được những trận mưa rào , những cơn giông bão… bằng việc dự báo thời tiết , vệ tinh giúp bạn liên lạc với tất cả mọi người ở khắp mọi nơi trên thế giới , vệ tinh giúp bạn tìm đường đi , chuyển đến các bạn thông tin cập nhật thường ngày , vệ tinh giúp bạn khám phá thế giới , khám phá vũ trụ , giúp các cơ quan nhà nước điều tiết giao thông và giúp bạn bảo vệ đất nước…. Với vai trò to lớn đó của vệ tinh , là một sinh viên ngành hàng không và vũ trụ , nắm bắt thời điểm nhóm Fspace tiến hành thiết kế vệ tinh viễn thám cỡ nhỏ và hợp tác với trung tâm Dasi trong việc tính toán và kiểm bền kết cấu cho vệ tinh đó , em đã chọn đề tài “ Kiểm bền kết cấu cho vệ tinh viễn thám loại nhỏ “ với hai nhiệm vụ chính : -Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh , từ đó đưa ra được hệ số an toàn cho kết cấu làm cơ sở để tối ưu hóa cấu tạo của vệ tinh 7 Đồ án tốt nghiệp -Kiểm bền nhiệt tĩnh cho vệ tinh , từ đó đưa ra được phân bố nhiệt trên vệ tinh , lấy đó làm cơ sở để chọn vật liệu cũng như thiết kế bộ phận ổn định nhiệt và tìm ra vị trí thuận lợi nhất cho vệ tinh làm việc trên quỹ đạo của nó . Theo đó , đồ án của em được chia thành 5 chương chính với những nội dung sau : -Chương 1 : Giới thiệu chung – Giới thiệu chung về vệ tinh , nhiệm vụ và vai trò của đồ án -Chương 2 : Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn – Phân tích nguyên nhân chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán và giới thiệu tổng quan về phương pháp này -Chương 3 : Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh – Tìm điều kiện biên ,Tính toán và đưa ra phân bố ứng suất trên vệ tinh từ đó kết luận độ bền kết cấu tĩnh của vệ tinh -Chương 4 : Kiểm bền nhiệt tĩnh cho vệ tinh – Phân tích các tác nhân nhiệt , tính toán lượng nhiệt vệ tinh nhận được sau đó mô phỏng , đưa ra phân bố nhiệt độ trên các bộ phận của vệ tinh và kết luận độ bền nhiệt của vệ tinh -Chương 5 : Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo – Đánh giá những thành quả đã đạt được cũng như những vấn đề còn chưa thể giải quyết trong đồ ann. Và đưa ra phương hướng nghiên cứu tiếp theo Sau một kỳ học làm việc , với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS.Nguyễn Phú Khánh cùng các bạn ở trung tâm Dasi , các anh trong nhóm Fspace em đã hoàn thành đồ án với đáp ứng đầy đủ những yêu cầu đã đặt ra. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS.Nguyễn Phú Khánh , các bạn ở trung tâm Dasi và các anh trong nhóm Fspace đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án . Với những hiểu biết còn hạn chế , chắc chắn đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót , kính mong các thầy cô giáo cùng các bạn góp ý để đồ án của em hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tin cậy cho các bạn quan tâm đến vệ tinh sau này . Em xin chân thành cảm ơn! 8 Đồ án tốt nghiệp Hà Nội ngày 07 tháng 06 năm 2010 Tác giả Phạm văn Dũng CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH 1.1.1 Thế nào là vệ tinh, vệ tinh nhân tạo? Các dữ liệu trong phần này em trích từ http://wikimedia.com Một vệ tinh là bất kỳ một vật thể nào quay quanh một vật thể khác (được coi là vật thể chính của nó). Mọi vật thể thuộc Hệ Mặt Trời, gồm cả Trái Đất, đều là vệ tinh của Mặt Trời, hay là vệ tinh của các vật thể đó, như trong trường hợp của Mặt Trăng. Việc định nghĩa vật thể nào là vệ tinh không phải luôn đơn giản khi xét đến một cặp hai vật thể. Bởi vì mọi vật thể đều có sức hút của trọng lực, chuyển động của vật thể chính cũng bị ảnh hưởng bởi vệ tinh của nó. Nếu hai vật thể có khối lượng tương đương, thì chúng thường được coi là một hệ đôi và không một vật thể nào bị coi là vệ tinh; một ví dụ là tiểu hành tinh kép 90 Antiope. Tiêu chuẩn chung để một vật thể được coi là vệ tinh là trung tâm khối lượng của hệ nằm bên trong vật thể chính. 9 Đồ án tốt nghiệp Trong cách nói thông thường, thuật ngữ "vệ tinh" thường để chỉ một vệ tinh nhân tạo, nó là một vật thể do con người chế tạo và bay quanh Trái Đất (hay một thiên thể khác). Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng có thể sử dụng thuật ngữ đó để chỉ các vệ tinh thiên nhiên, hay các mặt trăng. Nói chung, trong cách dùng thông thường, "vệ tinh thiên nhiên" là thuật ngữ để chỉ các mặt trăng. 1.1.2 Các vệ tinh nhân tạo 1.1.2.1 Các loại vệ tinh Theo chức năng và nhiệm vụ , người ta chia thành các loại vệ tinh sau : • Vệ tinh vũ trụ là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, các thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác. • Vệ tinh thông tin là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các mục đích viễn thông (telecommunication) sử dụng sóng radio ở tần số vi ba. Đa số các vệ tinh truyền thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ thống gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp. • Vệ tinh quan sát Trái Đất là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan sát Trái Đất từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sát nhưng được dùng cho các mục đích phi quân sự như kiểm tra môi trường, thời tiết, lập bản đồ, vân vân. (Xem thêm Hệ thống quan sát Trái Đất.) • Vệ tinh hoa tiêu (navigation satellite) là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu radio được truyền đi theo đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên mặt đất xác định chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng (không có vật cản) của đường truyền và thu tín hiệu giữa vệ tinh (nguồn phát) và máy thu trên mặt đất tích hợp với những cải tiến mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính xác khoảng một vài mét. 10 [...]... thậm chí là năm • Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời tiết và/hay khí hậu của Trái Đất • Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn thông thường Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh (500– 200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ tinh cỡ pico (dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ femto (dưới... ASATS (Vệ tinh chống vệ tinh) gồm USSR Tests ASAT weapon và ASAT Test • Vệ tinh trinh sát( vệ tinh viễn thám ) là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ tinh truyền thông được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo Chúng ta hiện không biết nhiều về năng lực thực sự của các vệ tinh này vì các chính phủ điều hành chúng thường giữ tuyệt đối bí mật về thông tin cho các vệ tinh loại này • Vệ tinh. .. việc tính toán và kiểm nghiệm khả năng làm việc của vệ tinh Đồ án “ Kiểm bền cho vệ tinh 13 Đồ án tốt nghiệp viễn thám loại nhỏ “ ra đời nằm trong chương trình hợp tác đó 1.2.1 Dự án vệ tinh F-1 1.2.1.1 Giới thiệu Dữ liệu được lấy từ trang web chình thức của nhóm Fspace ttp://fspace.fsoft.com.vn/ Hì nh 1.1 Mô hình vệ tinh F-1 do nhóm Fspace thiết kế Vệ tinh nano F-1 là vệ tinh siêu nhỏ thuộc lớp nanosatellite,... chính là : Kiểm nghiệm độ bền kết cấu và tính toán nhiệt cho vệ tinh -Kiểm nghiệm độ bền kết cấu : Tính phân bố ứng suất và biến dạng của vệ tinh dưới tác dụng của ngoại lực tác dụng , so sánh với giới hạn bền tìm ra hệ số an toàn cho kết cấu Đây là hệ số rất quan trọng , nó không chỉ giúp ta đánh giá được độ bền của vệ tinh mà còn là cơ sở để ta có thể tiết kiệm tối đa trọng lượng của kết cấu để tăng... trường nhiệt của vệ tinh Việc vệ tinh sẽ chịu những nguồn nhiệt nào tùy thuộc vào vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo Khi vệ tinh ở trong vùng tối (Mặt trời – trái đất - vệ tinh) , vệ tinh sẽ chỉ nhận nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại từ trái đất Khi vệ tinh ở vùng sáng (Mặt trời- vệ tinh- trái đất ), vệ tinh sẽ nhận đủ cả 3 nguồn nhiệt trên Trong quá trình trao đổi nhiệt với môi trường, vệ tinh sẽ chỉ bức xạ... chỉ giới thiệu qua về tổng quan của nó nhằm tập trung vào giải quyết bài toán Kiểm bền tĩnh và kiểm bền nhiệt cho vệ tinh 21 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH F-1 3.1 CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ KẾT CẤU VỆ TINH các tài liệu tham khảo trong phần này do Fspace cung cấp 3.1.1.Quá trình hoạt động của vệ tinh và những nhận định cơ bản - Nanosatellite sau khi chế tạo được đặt trong... nghiệp • Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh là các vệ tinh được thiết kế để tiêu diệt các vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác Một số vệ tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng và/hay các vũ khí hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh, ICBMs, MIRVs Cả Hoa Kỳ và Liên bang Xô viết đều có các vệ tinh này Các đường dẫn bàn luận về các "Vệ tinh tiêu... 3.5 Phân bố ứng suất tổng trên vệ tinh - Vệ tinh chịu biến dạng kéo với giá trị tăng theo chiều từ trên đỉnh của vệ tinh xuống và đạt cực đại tại mặt đáy của vệ tinh với độ lớn ε max = 0.018 mm 29 Đồ án tốt nghiệp Hình 3.6 Phân bố biến dạng tổng của vệ tinh -Rõ ràng kết quả trên là không phù hợp với thực tế bởi vì khi vệ tinh đặt trong payload , trong quá trình phóng , vệ tinh chỉ có thể bị nén chứ không... cầu là 1.5 , rõ ràng vệ tinh thừa bền rất nhiều , ta nên thiết kế lại để tối ưu hóa kết cấu vừa để tiết kiệm vật liệu, chi phí phóng vệ tinh , vừa để không gian và khối lượng cho các thiết bị phụ kiện khác CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN KIỂM BỀN NHIỆT CHO VỆ TINH 4.1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NHIỆT CHO VỆ TINH F-1 35 Đồ án tốt nghiệp 4.1.1 Môi trường nhiệt và khả năng chịu nhiệt của vệ tinh F-1 4.1.1.1 Môi... 1.1c , 1.1d) - Deploy vệ tinh vào không gian (hình 1.1e , 1.1f) a) Payload f)quỹ đạo vệ tinh b) PLSV e)phóng vệ tinh khỏi payload c) Phóng tên lửa d)quỹ đạobay của tên lửa Hình 3.1 Quá trình hoạt động của vệ tinh 22 Đồ án tốt nghiệp Như vậy vệ tinh sẽ phải trải qua 2 giai đoạn cơ bản có ảnh hưởng lớn đến độ bềntuổi thọ hay sự tồn tại của chính vệ tinh: - Giai đoạn phóng tên lửa : vệ tinh sẽ phải chịu rung . việc tính toán và kiểm bền kết cấu cho vệ tinh đó , em đã chọn đề tài “ Kiểm bền kết cấu cho vệ tinh viễn thám loại nhỏ “ với hai nhiệm vụ chính : -Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh , từ đó đưa. : Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh – Tìm điều kiện biên ,Tính toán và đưa ra phân bố ứng suất trên vệ tinh từ đó kết luận độ bền kết cấu tĩnh của vệ tinh -Chương 4 : Kiểm bền nhiệt tĩnh cho vệ. vệ tinh đó: tiểu vệ tinh (500– 200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ tinh cỡ pico (dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ femto (dưới 100 g). 11 Đồ án tốt nghiệp • Vệ tinh