Термомеханические актюаторы для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства

На правах рукописиУДК 621.486Козлов Дмитрий ВладимировичТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫДЛЯ СИСТЕМ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙВ УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техникии систем управленияАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20121Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э. Баумана и ОАО «Российские космические системы»Научный руководительчл.- корр.

РАН, д-р техн. наук, профессорШахнов Вадим АнатольевичОфициальные оппоненты:д-р техн. наук, профессорКостиков Владимир Григорьевич(нач. отдела НТЦ НИЭМИ ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей», г. Москва)канд. техн. наукВолохов Игорь Валерианович(главный технолог, начальник НИТК ОАО «НИИФИ», г. Пенза)Ведущая организацияМосковский институт электронной техники(НИУ «МИЭТ», г. Москва, Зеленоград)Защита диссертации состоится « 2 » октября 2012 г. в 14:30 часовна заседании диссертационного совета Д212.141.02 в Московскомгосударственном техническом университете им. Н.Э.

Баумана по адресу:105005, г. Москва, Госпитальный пер., д.10, ауд. 613м.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекегосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана.МосковскогоОтзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью,просьба выслать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретарядиссертационного совета.Автореферат разослан «___» июля 2012 г.Телефон для справок: 8(499) 267-89-63.Ученый секретарь диссертационного советаканд. техн. наук, доцент2Муратов И.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность.

В настоящее время растёт интерес к микроминиатюрнымэлектромеханическим преобразователям – устройствам микросистемнойтехники, что обусловлено значительными возможностями, позволяющимирезко расширить те сферы применения, где необходимы небольшие масса игабариты при значительных функциональных возможностях – научноеприборостроение, микроробототехника, телекоммуникационные системы,биомедицинские технологии, изделия космического применения и пр. Методыпроизводства микроэлектромеханических систем, основанные на технологиимикрообработки кремния, предлагают возможность изготовления дешёвых иминиатюрных устройств, сравнимых по функциональности с более крупнымианалогами. Однако данная технология имеет большой недостаток в виденеприспособленности к изготовлению трёхмерных структур. Это препятствиепытаются преодолеть самыми различными способами.

Один из них – методиспользования дополнительного полиимидного слоя. Данное решениесодержится в конструкции разрабатываемого термомеханического актюатора.Термомеханические актюаторы способны выдерживать миллионы цикловсрабатывания, жёсткие условия открытого космического пространства, несодержат механических, склонных к быстрому износу деталей и обладаютхорошим соотношением цена/качество благодаря возможности их групповогоизготовления.

Разработка термомеханических актюаторов предложенного типауникальна для РФ и требует подробного обзора существующих прототипов,моделирования и экспериментального исследования их выходныххарактеристик, в том числе при воздействии внешних дестабилизирующихфакторов.Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи –разработке конструкции и исследованию функциональных возможностейтермомеханических актюаторов для систем микроперемещений в условияхоткрытого космического пространства с целью их применения ввысокотехнологичных изделиях микророботехники и систем управления.Состояние проблемы. Большой вклад в разработку и исследованиетермомеханических актюаторов внесли шведские учёные Э.

Кальвестен(E. Kälvesten) и Т. Эбефорс (T. Ebefors) своей работой «Polyimide V-groovejoints for three-dimensional silicon transducers» (Стокгольм, Швеция: RoyalInstitute of Technology, 2000). Кроме того, известны работы таких учёных, какМ. Гад-Эль-Хака (M.

Gad-el-Hak), В. Ритмюллера (W. Riethmüller), Н. Тиена (N.Tien), М. Атака (M. Ataka) и др.Однако, материалы, представленные в данных работах, не обладаютполнотой в части теоретического и экспериментального исследованияхарактеристик актюаторов, а также не отражают поведение актюатора привоздействиидестабилизирующихфакторовоткрытогокосмическогопространства и при временном «старении».3Цель работы. Целью диссертационной работы является разработкапринципа функционирования, математической модели, конструкции ипроведение экспериментальных исследований, направленных на изучениевлияния конструкционных параметров и внешних возмущающих воздействийна его работу.Решаемые задачи:1. Обзор имеющихся конструкций актюаторов и выбор наиболееэффективного принципа действия.2. Моделирование поведения термомеханического актюатора при различныхвозмущающих воздействиях, а также влияния конструкционных факторов наего характеристики, оценка точности моделирования.3.

Определениеосновныхпараметров,влияющихнаработутермомеханических актюаторов, степени их влияния и возможных методов ихисследования.4. Анализ и разработка методик, создание стендов по исследованиюхарактеристик термомеханических актюаторов, в том числе в условиях,близких к условиям открытого космического пространства.5.

Разработкаметодикииспытанийнациклическуюнагрузкутермомеханического актюатора в целях установления примерного времени доотказа изделия.6. Проведение испытаний актюаторов по разработанным методикам,направленных на установление влияния конструкционных параметров, а такжевнешних возмущающих воздействий на эксплуатационные характеристикитермомеханических актюаторов.Методы исследования. Для анализа и исследования выходныххарактеристик термомеханических актюаторов применено моделирование сиспользованием САПР, основанной на методе конечно-элементного анализа.

Входеэкспериментальныхисследованийпримененыоптическийигониометрический методы измерения деформации, пирометрический методизмерения температуры и акусто-резонансный метод измерения силовыххарактеристик.Научная новизна работы:1. Разработан оригинальный конструктивный вариант термомеханическогоактюатора с V-образными канавками, отличающийся высоким ресурсом работыпри эксплуатации в условиях открытого космического пространства.2.

Разработана модель перемещения термомеханического актюатора спериодической структурой, подвергаемой активному или пассивному тепловомувоздействию, отличающаяся широкими возможностями задания внешнихвлияющих факторов.3. Разработана серия новых методов исследования выходных характеристиктермомеханическогоактюатора,отличающихсявысокойточностью,универсальностью и широким кругом измеряемых параметров, частичноимитирующая ряд дестабилизирующих факторов открытого космическогопространства.44. Проведенокомплексноеисследованиевыходныххарактеристиктермомеханических актюаторов, позволившее определить степени влиянияконструктивных факторов, а также внешних возмущающих воздействий.Достоверность полученных научных результатов, выводов ирекомендаций диссертационной работы подтверждена положительнымирезультатами проведенных экспериментальных исследований, а такжеиспользованием разработанных моделей и методик в НИР и ОКР, позволившихуспешно изготавливать работоспособные образцы термомеханическихактюаторов и устройства на их основе.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Конструкциятермомеханическогоактюатора,обеспечивающаяуправляемое перемещение подвижного элемента и усилия до 5 мН в условиях,близких к условиям открытого космического пространства на протяжении 32 иболее миллионов циклов.2. Методы исследования характеристик актюатора, обеспечивающиеизмерение величины деформации по углам отклонения до 180 градусов вдиапазоне температур от 123 до 583 К с погрешностью 0,24 градуса;определениетемпературногокоэффициенталинейногорасширенияполиимидного слоя в структуре актюатора с погрешностью 4,2 %; измерениенагрузочной способности актюаторов с погрешностью 2,3% в диапазоне от 0,1мН до 2,15 Н; оценку влияния конвективной составляющей на характеристикиактюатора, а также возможность судить о жизнеспособности актюаторов истабильности их характеристик в процессе эксплуатации.3.

Аналитическая тепловая и численная электро-термо-механическая моделитермомеханического актюатора, позволяющие установить конструктивныепараметры работоспособного актюаторас требуемыми выходнымихарактеристиками.4. Результаты исследования характеристик актюаторов, позволяющиеподтвердить положения об их высокой надёжности, функциональности ивозможности их применения в условиях открытого космического пространства.5.

Рекомендуемыережимыфункционированиятермомеханическихактюаторов, обеспечивающие улучшение его термодеформационныххарактеристик и увеличение частоты срабатывания.Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанныетермомеханические актюаторы, методы и результаты их исследованийиспользованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работахи разработках ОАО «Российские космические системы»: «Разработка базовыхтехнологий и конструкций, комплектов технологической и конструкторскойдокументации на изготовление микроприводов с напряжением управления»(гос. контракт №754 – Б028/08 от 23.07.2008 г.); «Исследование путей созданиямалогабаритных антенн с управляемыми характеристиками на основеметаматериалов» (гос.

контракт № 16.740.11.0080 от 01.09.2010 г.). Напредприятии создана опытная партия образцов термомеханических актюаторови разработаны КД, ТД и ТУ на них.5Разработанные методы, модели, а также режимы функционированиятермомеханических актюаторов внедрены в производственные процессы ОАО«Российские космические системы» и позволили изготавливать актюаторы сзаданными, необходимыми для конкретного применения характеристиками иподтверждать их достоверность проведёнными испытаниями.Результаты работы использованы в учебный процесс на кафедре«Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУимени Н.Э.