ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО ОБЛИКА РЕФЛЕКТОРА ЗЕРКАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В данной статье описаны поисковые исследования оптимальных конструкторско-технологических решений сверхлегкого рефлектора зеркальной космической антенны из углепластика. Исследования включали в себя конечно-элементное моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния рефлектора на геостационарной орбите. В результате сравнения результатов моделирования для ряда вариантов рефлектора выбрана конструкция, с минимальными значениями температурных перемещений и погонной плотности.

Полный текст

Рефлекторы зеркальных космических антенн (РЗКА) диаметром до 3 м представляют собой параболические оболочки открытого профиля, основным конструкционным материалом которых служит углепластик. Современные тенденции в области развития систем космической связи указывают на необходимость снижения погонной плотности конструкции РЗКА до значений, не превышающих 2 кг/м 2 , и увеличения рабочей частоты антенн, что, в свою очередь, повышает требования к размеростабильности. Так, для бортовой антенны межспутниковой связи, работающей на частоте 60 ГГц, соответствующие предельные отклонения профиля не должны превышать 0,1 мм. Различные варианты РЗКА можно отнести к следующим конструктивно-компоновочным схемам: трехслойная с сотовым заполнителем, с кольцевым ободом, с реберным подкреплением, комбинированная. Отличительная особенность трехслойных схем - наличие сотового заполнителя из алюминия или композиционных материалов (КМ) между оболочками из КМ, чаще всего из углепластика (рис. 1). Данная схема обеспечивает высокую жесткость конструкции, но отличается сравнительно высокой погонной плотность (2,29 кг/м 2 для РЗКА диаметром 1,2 м) [1]. В схеме с кольцевым ободом постоянной или переменной ширины одна из накрывающих обод сплошных или сетчатых поверхностей используется для отражения радиоволн (рис. 2). Созданные по этой схеме в HPS GmbH опытные модели РЗКА имеют диаметр 1,2 м. Антенна работает в Ku-/Kaдиапазонах. Масса конструкции составляет 4,3 кг, таким образом, погонная плотность превышает 3,5 кг/м 2 [2], что больше значения конструкций с сотовым заполнителем. Для повышения размеростабильности и снижения погонной плотности перспективным может быть использование конструкций с реберным подкреплением. Пример такого подхода - рефлектор, созданный в ЗАО «Пластик» (рис. 3) [3]. В МГТУ им. Н.Э. Баумана проводились работы по проектированию, изготовлению и испытанию рефлекторов с реберным подкреплением [4], результатом которых стал РЗКА с погонной плотностью 2,5 кг/м 2 (рис. 4) [5-14]. Для снижения погонной плотности конструкции с реберным подкреплением необходимо оптимизировать геометрию расположения ребер, а также толщину элементов. Как было показано в работах [15; 16], схемы с подкреплением «пятиконечная звезда» и «шестиконечная звезда» (рис. 5) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конструкции РЗКА. Однако не были определены оптимальные значения геометрических характеристик: высоты ребер, толщины ребер, толщины оболочки. Геометрические характеристики (табл. 1), использовались для проведения конечно-элементного моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния конструкции рефлектора при функционировании на геостационарной орбите. Моделирование проводилось в программном пакете Siemens NX PLM Software с помощью решателей NX Nastran и Space System Analysis. Вариантам были присвоены условные обозначения (табл. 1). Рис. 1. РЗКА трехслойной схемы с сотовым заполнителем из углепластика, HPS GmbH (Германия) Рис. 2. Рефлектор с кольцевым ободом HPS GmbH (Германия) Рис. 3. Экспериментальный РЗКА с радиальными и кольцевыми ребрами, ЗАО «Пластик» (Россия) Рис. 4. Экспериментальный РЗКА с изогридной системой ребер, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Россия) Рис. 5. Рефлекторы с реберным подкреплением по схеме: а - «пятиконечная звезда»; б - «шестиконечная звезда» Таблица 1 Вариации геометрических характеристик РЗКА Условное обозначение Схема Высота ребер, мм Толщина ребер, мм Толщина оболочки, мм МР-6 Шестиконечная звезда 25 1,2 0,6 СР-6 Шестиконечная звезда 60 0,6 0,6 БР-6 Шестиконечная звезда 90 0,6 0,4 БР-5 Пятиконечная звезда 90 0,6 0,4 СР-5 Пятиконечная звезда 53 0,6 0,6 Геометрические характеристики выбирались из расчета подобной погонной массы для всех вариантов, не превосходящей 1,7 кг/м 2 . По итогам моделирования температурного состояния РЗКА при сравнительном анализе рассматривался момент, соответствующий повороту космического аппарата на 150° относительно оси Земля-Солнце, который характеризуется наибольшим перепадом температур при работе на геостационарной орбите. На рисунке 6 представлены распределения температур для трех вариантов геометрических характеристик схемы «шестиконечная звезда». Рис. 6. Распределение температур по поверхности рефлектора с подкреплением по схеме «шестиконечная звезда» для вариантов: а - МР-6; б - СР-6; в - БР-6 На рисунке 7 представлены распределения температур для двух вариантов геометрических характеристик схемы «пятиконечная звезда». Рис. 7. Распределение температур по поверхности рефлектора с подкреплением по схеме «шестиконечная звезда» для вариантов: а - СР-5; б - БР-5 В таблице 2 представлены результаты моделирования теплового состояния всех вариантов конструкций. Таблица 2 Распределение температур в схемах с оребрением «пятиконечная звезда» и «шестиконечная звезда» Условное обозначение варианта Схема Максимальная температура, °С Минимальная температура, °С МР-6 Шестиконечная звезда 20,48 -140,88 СР-6 Шестиконечная звезда 50,82 -137,64 БР-6 Шестиконечная звезда 61,23 -136,03 БР-5 Пятиконечная звезда 44,42 -140,12 СР-5 Пятиконечная звезда 61,44 -141,97 Данные теплового моделирования использовались как начальные условия для определения перемещений конструкций, вызванных нагревом поверхности. Для проведения моделирования напряженно-деформированного состояния необходимо определить метод закрепления РЗКА на борту космического аппарата. Установлено, что добиться наименьших перемещений конструкции возможно при закреплении рефлектора за внешний обод (круговое закрепление) и за внутренний многоугольник (центр). Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния рефлектора для схем «пятиконечная звезда» и «шестиконечная звезда» представлены на рисунках 8-12. Рис. 8. Температурные перемещения варианта МР-6 с круговым закреплением (а) и закреплением в центре (б) Рис. 9. Температурные перемещения варианта СР-6 с круговым закреплением (а) и закреплением в центре (б) Рис. 10. Температурные перемещения варианта БР-6 с круговым закреплением (а) и закреплением в центре (б) Рис. 11. Температурные перемещения варианта СР-5 с круговым закреплением (а) и закреплением в центре (б) Рис. 12. Температурные перемещения варианта БР-5 с круговым закреплением (а) и закреплением в центре (б) В таблице 3 представлены данные по температурным перемещениям всех вариантов схем «пятиконечная звезда» и «шестиконечная звезда». Таблица 3 Температурные перемещения различных схем и вариантов Условное обозначение варианта Закрепление Перемещения, мм БР-6 Круговое закрепление 0,063 Центр 0,041 СР-6 Круговое закрепление 0,082 Центр 0,044 МР-6 Круговое закрепление 0,097 Центр 0,058 БР-5 Круговое закрепление 0,079 Центр 0,049 СР-5 Круговое закрепление 0,098 Центр 0,043 Как видно из таблицы 3, наименьшие значения деформаций показывает схема оребрения «шестиконечная звезда» с высотой ребер 90 мм.

×

Об авторах

А Д Новиков

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: novikov.andrey.sm13@gmail.com

Новиков Андрей Дмитриевич, аспирант, ассистент кафедры CМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции». Сфера научных интересов: проектирование, производство и испытание космических конструкций из композиционных материалов.

2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005

П В Просунцов

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: pavel.prosuntsov@mail.ru

Просунцов Павел Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры CМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сфера научных интересов: моделирование и идентификация тепловых процессов в конструкциях ракет и космических аппаратов.

2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005

С В Резник

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: sreznik@bmstu.ru

Резник Сергей Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой CМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сфера научных интересов: проектирование, производство и испытание конструкций ракетнокосмической техники из композиционных материалов.

2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005

Список литературы

  1. Reflector Antennas [Электронный ресурс] // HPS GmbH. [сайт]. URL: http://www.hps-gmbh. com/en/portfolio/subsystems/reflector-antennas/
  2. Baunge M., Ekstrom H., Ingvarson P., Petersson M. A new concept for dual gridded reflector // Proceed. 4-th European Conf. on Antenna and Microwave Propagation (EuCAP) (12-16 April 2010, Barcelona, Spain). 5 p.
  3. Биткина Е.В., Денисов А.В., Биткин В.Е. Конструктивно-технологические методы создания размеростабильных космических композитных конструкций интегрального типа // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4-2. С. 555-560.
  4. Вечтомов В.А., Зимин В.Н., Кузенков А.Н., Дронов Д.В., Козлов А.А. Бортовая многолучевая антенна Kа-диапазона для зонированного обслуживания территории РФ спутниковой связью с высокоскоростным доступом // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение», Спец. выпуск № 7 «Радиооптические технологии в приборостроении». 2012. № 7. С. 70-81.
  5. Резник С.В. Актуальные проблемы проектирования, производства и испытания ракетнокосмических композитных конструкций // Инженерный журнал: Наука и инновации. 2013. (Труды МГТУ. № 606. С. 295-311).
  6. Резник С.В., Денисов О.В., Чуднов И.В. Основные подходы к формированию программы термовакуумных испытаний прецизионных рефлекторов зеркальных космических антенн // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2013. № 8. С. 167-184.
  7. Михайловский К.В., Резник С.В. Разработка математико-алгоритмического обеспечения для расчета внутренних напряжений в тонкостенных рефлекторах из углепластика во время технологического процесса их изготовления // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2013. № 8. С. 151-166.
  8. Reznik S.V. Advanced directions of research in the field of composite structures for space antennas // Proc. 3-rd Int. Conf. on Advanced Composite Materials and Technologies for Aerospace Applications (May 13-16, 2013, Wrexham, Nord Wales, UK). P. 7-11.
  9. Резник С.В., Просунцов П.В., Азаров А.В. Проектные исследования рефлекторов зеркальных космических антенн с высокой стабильностью формы и малой погонной плотностью // Матер. 6-го Белорусского космического конгресса (28-30 октября 2014 г., Минск). Минск: ОИПИ НАН Беларуси, 2014. Т. 1. С. 223-226.
  10. Резник С.В., Просунцов П.В., Азаров А.В. Обоснование конструктивно-компоновочной схемы рефлектора зеркальной космической антенны с высокой стабильностью формы и малой погонной плотностью // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 3. С. 674-680.
  11. Резник С.В., Просунцов П.В., Азаров А.В. Моделирование температурного и напряженнодеформированного состояний рефлектора зеркальной космической антенны // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 4. С. 945-950.
  12. Reznik S., Prosuntsov P., Timoshenko V., Denisov O., Minakov D., Mikhailovsky K. Thermal vacuum tests of the lightweight reflector for a space antenna // Proc. 36-rd ESA Antenna Workshop on Antennas and RF Systems for Space Science (5-9 October 2015, Noordwijk, The Netherlands). 6 p.
  13. Reznik S., Prosuntsov P., Azarov A. Design study of a lightweight reflector for the space antenna // Proc. 36-rd ESA Antenna Workshop on Antennas and RF Systems for Space Science (5-9 October 2015, Noordwijk, The Netherlands). 1 p.
  14. Резник С.В., Просунцов П.В., Азаров А.В. Обоснование конструктивно-компоновочной схемы рефлектора зеркальной космической антенны с высокой стабильностью формы и малой погонной плотностью // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 3. С. 674-680.
  15. Reznik S.V., Novikov A.D. Comparative analysis of the honeycomb and thin-shell space antenna reflectors // MATEC Web of Conferences 01012 (2017) Thermophysical Basis of Energy Technologies, 2016. 5 p.
  16. Prosuntsov P.V., Reznik S.V., Mikhailovsky K.V., Novikov A.D. Study variants of hard CFRP reflector for intersatellite communication // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 153. No. 1. 7 p.

© Новиков А.Д., Просунцов П.В., Резник С.В., 2017

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах