Nanopalydovams skirtų nanometrinės skyros pjezoelektrinių sistemų, veikiančių skirtingomis aplinkos temperatūros sąlygomis, kūrimas ir tyrimas

Abstract

Disertacijoje nagrinėjamas pjezoelektrinių pavarų taikymas nanopalydovuose. Tyrimo objektas – pjezoelektrinės pavarų sistemos, veikiančios nanometrinio tikslumo režimu, esant temperatūros svyravimams, vibracijoms ir kitoms nanopalydovuose vyraujančiomis sąlygomis. Pagrindinis disertacijos tikslas – sukurti, skaitiškai ir eksperimentiškai ištirti nanometrinės skyros pjezoelektrinę inercinę sukamojo judesio pavarą, kurios taikymo sritis – nanopalydovų posistemės. Tyrime siekiama įvertinti temperatūros įtaką tiriamos pavaros elektromechaninėms charakteristikoms bei jos atsaką į dinamines apkrovas. Siekiant įgyvendinti darbo tikslą, sprendžiami nuoseklūs uždaviniai: atliekama literatūros analizė, identifikuojanti pjezoelektrinių sistemų veikimo principus ir jų taikymą kosminėse misijose; sukuriamas žemosios Žemės orbitos temperatūrinės aplinkos skaitinis modelis, leidžiantis įvertinti elektromechaninių charakteristikų priklausomybę nuo nanopalydovų temperatūrinių profilių; remiantis rezultatais, kuriamas nanometrinės skyros pjezoelektrinės sukamosios pavaros skaitinis modelis ir nustatomos jos charakteristikos; galiausiai eksperimentais įvertinamos sukurto maketo elektromechaninės charakteristikos nanopalydovams būdingomis temperatūrinėmis sąlygomis. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai, bendrosios išvados, nagrinėtos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai. Įvadiniame skyriuje aptariama tyrimo problematika, darbo aktualumas, tyrimų objektas, formuluojami darbo tikslas bei uždaviniai, aprašomos tyrimų metodikos, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė vertė bei ginamieji teiginiai. Įvado pabaigoje pristatomos disertacijos tema autoriaus paskelbtos mokslinės publikacijos, pranešimai mokslinėse konferencijose bei disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje atliekama literatūros analizė, susijusi su nanometrinės skyros pjezoelektrinių sistemų ir jų taikymo kosmoso misijose. Skyriaus pabaigoje formuluojamos išvados ir tikslinami disertacijos uždaviniai. Antrajame skyriuje pristatomas nanopalydovams skirtos nanometrinės skyros pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros konstrukcijos sudarymas, aprašomos jos sudedamosios dalys bei jų tarpusavio ryšiai. Trečiajame ir ketvirtajame skyriuose pateikiami pjezoelektrinių keitiklių skaitinių ir eksperimentinių tyrimų rezultatai, jų analizė ir apibendrinimas. Disertacijos tema paskelbti 3 straipsniai: du – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science sąrašą, vienas – konferencijų leidinyje, referuojamame Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazėje. Disertacijos tema įregistruotas patentas Lietuvos patentų biure. Disertacijos tema perskaityti 6 pranešimai Lietuvos ir kitų šalių konferencijose.

The dissertation investigates the application of piezoelectric actuators in nanosatellites. The research object is piezoelectric actuation systems operating at nanometre-level precision under temperature variations, vibrations, and other conditions typical of nanosatellites. The main objective of the dissertation is to develop a nanometre-resolution piezoelectric inertial rotary actuator intended for nanosatellite subsystems and to study it numerically and experimentally. The study aims to evaluate the influence of temperature on the actuator’s electromechanical characteristics and its response to dynamic loads. To achieve the study’s aim, a set of consecutive tasks is carried out: a literature review is performed to identify the operating principles of piezoelectric systems and their applicability in space missions; a numerical model of the Low Earth Orbit thermal environment is developed to assess how electromechanical characteristics depend on nanosatellite temperature profiles; based on these results, a numerical model of a nanometre-resolution piezoelectric rotary actuator is created and its characteristics are determined; and finally, experimental investigations are conducted to evaluate the electromechanical characteristics of the developed prototype under temperature conditions typical for nanosatellites. The dissertation consists of an introduction, four chapters, general conclusions, and lists of the referenced literature and the author’s publications on the dissertation topic. The Introduction discusses the research problem, the relevance of the work, and the research object. It formulates the aim and tasks, describes the research methodology, presents the scientific novelty and practical value of the results, and states the defended propositions. The First Chapter provides a literature analysis related to nanometre-resolution piezoelectric systems and their applications in space missions. The chapter concludes with a summary and refinement of the dissertation objectives. The Second Chapter describes the design of the nanometre-resolution piezoelectric rotary actuator intended for nanosatellites, including its structural composition and the interrelationships among its components. The Third and Fourth Chapters present the numerical and experimental results of piezoelectric transducer investigations, followed by their analysis and generalisation. Three scientific articles have been published on the dissertation topic: two in journals indexed in the Clarivate Analytics Web of Science database and one in conference proceedings, also indexed in the database. A patent related to the dissertation topic has been registered at the Lithuanian Patent Office. Six conference presentations related to the dissertation were delivered in Lithuania and abroad.