Design of the structural arrangement for a space reflector via parametric and topology optimization

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Development of the optimal structural arrangement for a reflector with the aim to improve its mass and design is of importance due to the necessity to increase areal density and decrease rigidity of the modern space antennas vehicles. Currently, CAE-systems allow to design reflectors using both traditional methods, for example, parametric optimization, and methods which are innovative in this field, such as topology optimization. The paper compares two methods of the structural arrangement design for a thin dimensionally stable reflector operating as part of a geostationary spacecraft: parametric and topology optimization. The algorithms of the structural arrangement development which include the statement of the optimization problem, geometry design and a number of check analyses are presented. A number of structural of a space reflector design under the action of loads at the stage of launch, temperature gradients at the exploitation conditions and modal analysis is performed. The designed reflectors are compared. The studies performed allowed us to develop the optimal structural arrangement for a space reflector using the parametric and topology optimization. The optimal structural arrangement for a space reflector using the optimization could be produced surface figure error (estimated in RMS) with respect to the theoretical paraboloid.

About the authors

Elena K. Filina

Bauman Moscow State Technical University; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: konst_mi@mail.ru

post-graduate student of the Rocket-Space Composite Structures Department (SM13) at BMSTU, engineer at Astro Space Center of LPI RAS.

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation; 84/32 Profsoyuznaya St., Moscow, 117997, Russian Federation

Evgenii S. Golubev

Bauman Moscow State Technical University; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: konst_mi@mail.ru

post-graduate student of the Technologies of Space-Rocket Mechanical Engineering Department (SM12) at BMSTU, lead engineer at Astro Space Center of LPI RAS.

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation; 84/32 Profsoyuznaya St., Moscow, 117997, Russian Federation

Konstantin V. Mikhailovskiy

Bauman Moscow State Technical University

Email: konst_mi@mail.ru

Associate Professor of the Rocket-Space Composite Structures Department (SM13) at BMSTU, PhD in Engineering Sciences

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Mikhail Yu. Arkhipov

Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: konst_mi@mail.ru

senior researcher at Astro Space Center of LPI RAS, PhD in Engineering Sciences

84/32 Profsoyuznaya St., Moscow, 117997, Russian Federation

References

  1. Reznik S. Thermal regimes of space composite structures. Part I. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2018;194:01048. Available from: https://doi.org/ 10.1051/matecconf/201819401048
  2. Pilipenko S, Smirnov A, Kardashev N. Current status of the space mission Millimetron. Frontier Research in Astrophysics. SISSA Medialab. 2016;237:037. Available from: https://doi.org/10.22323/1.237.0037.
  3. Clampin M. Status of the James WEBB space telescope (JWST). Space Telescopes and Instrumentation 2008: Optical, Infrared, and Millimeter. International Society for Optics and Photonics. 2008;7010:70100L. Available from: https://doi.org/10.1117/12.790388.
  4. Babkina LA., Sorokin DV. Parametric Analysis of the Spacecraft Parabolic Antenna with a Multivariate Reinforcement Scheme. Engineering Journal: Science and Innovation. 2017;64(4):1–9. doi: 10.18698/2308-6033-2017-4-1611. (In Russ.)
  5. Yoder PJr, Vukobratovich D. Opto-Mechanical Systems Design. Design and Analysis of Opto-Mechanical Assemblies. 4th ed. Boca Raton: CRC Press; 2015. vol. 2. p. 97–101.
  6. Reznik SV, Prosuntsov PV, Novikov AD. Comparison of space antennas mirror reflectors parameters made of composite materials. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2017;110:01072. Available from: https:// doi.org/10.1051/matecconf/201711001072
  7. Qu Y, Wang W, Liu B, Li X. Topology Optimization Design of Space Rectangular Mirror. Proceedings of SPIE 10154, Advanced Optical Design and Manufacturing Technology and Astronomical Telescopes and Instrumentation, 1015421, 2016, Oct. 19, Beijing, China. doi: 10.1117/12.2247396.
  8. Liu J, Jiang B. Topology Optimization Design of a Space Mirror. Proceedings SPIE 9795, Selected Papers of the Photoelectronic Technology Committee Conferences, 97952Y, 2015, June – July, Hefei, Suzhou and Harbin, China. doi: 10.1117/12.2209031.
  9. Budinoff JG, Michels GJ. Design and Optimization of the Spherical Primary Optical Telescope (SPOT) Primary Mirror Segment. Proceedings SPIE 5877, Optomechanics 2005, 587711, 2005 Sept. 9, San Diego, US. doi: 10.1117/12.626566.
  10. Park K-S, Lee JH, Youn S-K. Lightweight mirror design method using topology optimization. Optical engineering. 2005;44(5):053002. doi: 10.1117/1.1901685.
  11. Liu G, Guo L, Wang X, Wu Q. Topology and parametric optimization based lightweight design of a space reflective mirror. Optical engineering. 2018;57(7):075101. doi: 10.1117/1.OE.57.7.075101.
  12. Liu S, Hu R, Li Q, Zhou P, Dong Z, Kang R. Topology optimization-based lightweight primary mirror design of a large-aperture space telescope. Applied optics. 2014;53(35):8318–8325. Available from: https://doi.org/ 10.1364/AO.53.008318.
  13. Leea Dong-Chan, Lee Jeong-Ick. Structural optimization design for large mirror. Optics and Lasers in Engineering. 2004;42:109–117. doi: 10.1016/S0143-8166(03) 00079-4.
  14. Eschenauer HA, Olhoff N. Topology optimization of continuum structures: a review. Applied Mechanics Reviews. 2001;54(4):331–390. doi: 10.1115/1.1388075.
  15. Denisova LV, Kalinin DYu, Reznik SV. Theoretical and Experimental Studies of Heat-Transfer Modes of Space Antenna Mesh Reflectors. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2011;1:92–105. (In Russ.)
  16. Reznik SV, Denisov OV, Chudnov IV. Main Approaches to Formation of a Thermal Vacuum Test Program of Precision Mirror Reflectors of Space Antennas. Science and Education: Scientific Edition of Bauman MSTU. 2013;8:167–184. doi: 10.7463/0813.0612062.
  17. Arkhipov MYu. Development of models for studies of the deformation state a large space telescope reflectors petal type (PhD in Engineering Sciences dissertation). Moscow; 2002.
  18. ANSYS User's Manual. ANSYS Inc.; 2016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».