Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой

Повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи спускаемых космических аппаратов

Специальность 05.12.07-Антенны,

СВЧ устройства и их технологии

степени кандидата технических наук

Кордеро Либорио

Санкт-Петербург, 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Михайлов Виктор Федорович

Официальные оппоненты:

Красюк Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор

Французов Алексей Дмитриевич кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: ОАО “ВНИИРА” г. Санкт-Петербург.

Защита состоится”20“декабря 2011 г.в 14 часов на заседании диссертационного совета ДС212.020.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67, ауд 53-01

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Автореферат разослан 17 ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Петров П.Н.

бортовой радиотехнический связь антенна

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В настоящее время задача обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами стоит весьма остро. В обозримом будущем эта ситуация никак не ослабнет, а наоборот- станет ещё более ощутимой в связи с тем, что требования к эффективности работы бортовых радиосистем связи возрастают, а условия эксплуатации системы бортовая антенна- её теплозащита- плазма становятся все более жесткими. Вследствие этого суммарная мощность потерь электромагнитной энергии и радиошумовое излучение практически полностью определяющие уменьшение энергетического потенциала радиоканала связи в целом, существенно возрастают и предопределяют потерю радиосвязи на траектории спуска.

Поэтому актуальность темы работы и состоит в том, чтобы и радиотехническими способами и средствами решить задачу обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами и как результат этого- максимально повысить эффективность функционирования и применения бортовых радиотехнических систем связи. Именно этим и определяется актуальность темы диссертации и её фактическое содержание.

Цель работы. Повысить эффективность функционирования бортовых радиотехнических систем связи на основе разработки и реализации новых способов и радиотехнических средств, снижающих в условиях аэродинамического нагрева потери электромагнитной энергии в канале связи борт космического аппарата- Земля.

Для достижения указанной цели представляется необходимым решить следующие задачи:

1. Разработка оценки энергетического потенциала радиоканала связи борт возвращаемого космического аппарата- Земля на основании разработки математических моделей бортовых антенн с теплозащитой, программного обеспечения их расчета и результатов численных расчетов.

2. Анализ способов повышения эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

3. Исследование бортовых антенн с теплозащитой с улучшенными характеристиками в условия высокотемпературного аэродинамического нагрева.

Научная новизна работы:

1. Для технической электродинамики и теории СВЧ антенн- разработаны и исследованы новые математические модели, адекватно описывающие физические процессы и формирование собственных характеристик излучения слабонаправленных СВЧ излучателей- бортовых антенн с разогретой теплозащитой и расплавом материала на теплозащите.

2. Для теории и практики СВЧ антенн- разработаны новые методики и принципы исследования бортовых антенн с теплозащитой, оригинальные конструкции которых обладают пониженной чувствительностью своей радиопрозрачности к воздействию высокотемпературного аэродинамического нагрева.

3. Для теории радиосвязи- разработаны методики анализа энергетического потенциала каналов радиосвязи и эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

4. Для вычислительной техники- разработан комплекс программного обеспечения, позволяющий обрабатывать математические модели и оценивать поведение различных комбинаций материалов диэлектрика и излучающего волновода, частоты СВЧ- излучения и температурного режима.

Практическая значимость работы:

1. Исследованы бортовые антенны с теплозащитой, обладающие улучшенными характеристиками излучения в условиях высокотемпературного нагрева даже при расплаве теплозащиты.

2. Получены новые данные об электрофизических свойствах термостойких радиопрозрачных диэлектриков в области высоких температур.

3. Решена задача повышения эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи (уменьшение времени перерыва радиосвязи) в условиях высокотемпературного аэродинамического нагрева.

4. Программное обеспечение, разработанное в процессе выполнения диссертационной работы, используется в ГУАП в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности “Средства связи с подвижными объектами” и магистров по направлению “Телекоммуникации”

На защиту выносятся следующие положения.

1. Математические модели бортовых антенн с теплозащитой возвращаемых космических аппаратов, учитывающие высокотемпературный аэродинамический нагрев теплозащиты.

2. Анализ способов уменьшения влияния плазмы, окружающей бортовую антенну, на эффективность функционирования канала связи борт КА-земля.

3. Анализ способов радиопросветления антенного окна(АО) для условий аэродинамического нагрева, обеспечивающих уменьшение потерь в нагретом АО.

4. Результаты исследования различных бортовых антенн с теплозащитой в условиях высокотемпературного аэродинамического нагрева, показывающие, что разработанные на основе теоретических рекомендации и их реализация обеспечивают снижение потерь на 20 дБ и более и тем самым повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

Достоверность результатов. Все теоретические результаты, защищаемые научные положения и рекомендации диссертационной работы получены на основе фундаментальных наук: высшей математики, теории электромагнитного поля, теории антенн, метрологии, специальных разделов материаловедения и отдельных разделов радиофизики.

Все теоретические результаты подтверждены численными расчетами на ЭВМ и экспериментами, проведенными при корректном использовании современных методов измерения характеристик антенн и электрофизических характеристик теплозащитных материалов, высокой степенью воспроизводимости результатов, их соответствием фундаментальным представлениям.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи исследования и в решении поставленных задач с использованием разработанного математического аппарата и созданного программного обеспечения. Он также состоит в участии в экспериментальных исследованиях, в обработке, обобщении и анализе полученных результатов. Все приведенные в работе результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных семинарах:

1. Научная сессия ГУАП. 7-14 апреля 2008, Санкт-Петербург. 2 доклада.

2. Научная сессия ГУАП. Апрель 2009, Санкт-Петербург. 1 доклад.

3. Научные семинары кафедры “Телекоммуникаций” ГУАП. Октябрь 2008- октябрь 2010, Санкт-Петербург. 6 докладов.

Публикации. Опубликовано 5 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка основных сокращений и обозначений, введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 76 наименований и 4 приложений на 17 страницах. Работа выполнена на 121 странице текста, содержит 39 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении отмечается, что в настоящее время существует, а в обозримом будущем будет обостряться проблема обеспечения устойчивой радиосвязи с возвращаемыми космическими аппаратами на траектории спуска. Также отмечается, что большой вклад в решении этой проблемы внесли научные труды Брагина И.В. и Красюка В.Н.

Проблема обусловлена появлением значительных потерь электромагнитной энергии в разогретой радиопрозрачной теплозащите, закрывающей бортовую антенну, и в экранирующей плазме, возникающей при движении космического аппарата в плотных слоях атмосферы.В связи с этим эффективность функционирования различных типов бортовых систем радиосвязи резко снижается и как результат этого- тактические возможности космических аппаратов используются не полностью.

Завершается введение определением целей работы, её актуальности, методов исследования, научной новизны, практической ценности работы, основных научных результатов, даются сведения об апробации работы в публикациях, а также формулируются выдвигаемые на защиту основные новые научные положения и практические результаты.

В первой главе - ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ НА ТРАЕКТОРИИ СПУСКА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ- приведен обзор работ, отражающих современное представление об эффективности функционирования бортовых систем радиосвязи возвращаемых космических аппаратов. Рассмотрены и проанализированы условия эксплуатации бортовых антенн возвращаемых космических аппаратов. Отмечено, что все типы бортовых антенн должны вписываться в конфигурацию летательного аппарата и не иметь выступающих частей, должны быть защищены от воздействия аэродинамического нагрева радиопрозрачным нагревостойким материалом, приведены основные требования к радиотехническим характеристикам антенн. Детально рассмотрены физические причины интенсивного аэродинамического нагрева теплозащиты бортовой антенны, условия возникновения и электрофизические характеристики плазменной оболочки, окружающей спускаемый аппарат. Систематизированы нагревостойкие радиопрозрачные диэлектрические материалы, которые могут быть использованы для теплозащиты бортовых антенн, проанализированы температурные зависимости электрических параметров диэлектриков, подчеркнут тот факт, что тангенс угла диэлектрических потерь возрастает на несколько порядков в перегретом расплаве диэлектрика. Приведены ориентировочные оценки потерь электромагнитной энергии в плазменной оболочке и нагретой теплозащите бортовой антенны. Показано, что названные потери могут быть столь велики, что происходит частичное, а иногда и полное экранирование бортовой антенны, что в свою очередь предопределяет снижение эффективности функционирования бортовых радиосистем связи и ограничивает целевое их применение.

Введен критерий эффективности функционирования бортовых радиосистем связи космических аппаратов на траектории спуска в плотных слоях атмосферы, когда теплозащита разогревается до очень высоких температур и появляется воздушная плазма. Таким критерием должно стать время потери устойчивой радиосвязи на траектории спуска космического аппарата. В пределе необходимо получить временя потери радиосвязи равное нулю.

В завершении первой главы автором делаются выводы, обобщающие причины нарушения радиосвязи на траектории спуска космического аппарата, формулируется цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава - АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ - посвящена разработке математических моделей антенных окон, учитывающих условия спуска космического аппарата в плотных слоях атмосферы. В качестве электродинамической модели антенного окна рассматривается антенна в виде открытого конца круглого волновода, закрытого пластиной нагревостойкого диэлектрика с однородными электрофизическими параметрами по толщине. Решению этой актуальной задачи излучения антенного окна было посвящено и опубликовано спеициальное исследование. Оно выполнено с использованием концепции углового спектра плоских волн. При этом были получены соотношения для излучаемых и поверхностных волн. Структура излучаемых волн была определена методом перевала, а поверхностных - как сумма вычетов. Полученные математические модели определяют прошедшие и отраженные поля, а через них и энергетические характеристики АО, такие как коэффициент полезного действия, коэффициент отражения в раскрыве и проводимость апертуры.

Кроме излученных факторов существенным может быть влияние шумового излучения нагретой теплозащиты и плазмы. Однако эти факторы в диссертации не исследуются, т.к. они детально изучены в работах Немировского В.А.

Разработанные и обсужденные математические модели представляют в своей совокупности теоретическую базу аналитической оценки эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

В завершении второго раздела разработан алгоритм расчета полученных математических моделей на основании программы Maple 13 и приведены примеры расчета КПД и диаграммы направленности антенного окна с различными видами материала теплозащиты для условий аэродинамического нагрева. Для трехсантиметрового рабочего диапазона

Волн найдены потери в объеме системы бортовая антенна- разогретая теплозащита. Потери энергии, как показывают расчеты по разработанному алгоритму превышают 25 дБ. Если учесть потери в плазменной оболочке, которые соизмеримы с полученным результатом, то ясно, что при штатном энергетическом потенциале бортовой РТС в 45 дБ, радиосвязь со спускаемым космическим аппаратом будет прервана.

В кратких выводах по второму разделу отмечается, что

-разработаны математические модели антенных окон, обеспечивающие получение оценки изменения характеристик АО в условиях аэродинамического нагрева;

-разработан алгоритм расчета математических моделей АО, позволяющий проводить численный анализ математических моделей антенных окон;

-проведены расчеты диаграммы направленности, которые показали, что изменения электрических параметров материала теплозащиты вследствие воздействия аэродинамического нагрева практически не влияют на диаграмму направленности антенного окна;

-влияние изменения на КПД АО очень существенно и это совершенно необходимо учитывать при разработке способов повышения эффективности функционирования бортовых радиосистем связи.

Ценность и применимость разработанных математических моделей и алго-

ритма расчета будет возрастать при достижении более высокой точности и достоверности определения исходных данных, необходимых для расчета.

Основной результат второго раздела- это разработка математических моделей АО и алгоритма их расчета, проведение расчетов с целью определения влияния изменения электрических параметров теплозащиты на характеристики АО для получения последующей информации для разработки способов повышения эффективности функционирования бортовых систем радиосвязи.

В третьем разделе - СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ ВОЗВРАЩАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ- анализируются способы уменьшения влияния плазменной оболочки, окружающей космический аппарат на траектории спуска, на эффективность функционирования бортовых радиотехнических систем связи. При этом рассматриваются способы, основывающиеся на изменении рабочей частоты (увеличении или уменьшении), на выборе местоположения антенны на борту КА, на введении специальных присадок в прибортовую плазму, на использовании внешнего магнитного поля. На основании выполненного анализа возможностей выше перечисленных способов делается вывод о том, что даже совместное использование всех способов, уменьшающих влияние плазмы, не обеспечивает непрерывную радиосвязь на траектории спуска. Из этого вывода следует, что необходимо исследовать способы радиопросветления антенных окон.

Анализируются способы радиопросветления антенных окон, основанные на уменьшении влияния расплава теплозащиты АО и разработке и применении новых видов материалов теплозащиты с уменьшенными потерями в условиях аэродинамического нагрева.

При этом анализируются два активных принципа повышения КПД - первый, за счет наложения постоянного электрического поля на излучающую поверхность АО, при этом происходит перераспределение заряда в расплаве на поверхности теплозащиты, Что приводит к уменьшению в ней потерь, а значит к просветлению АО, второй, за счет подачи хладагента через пористую теплозащиту на ее поверхность, при этом достигается уменьшение температуры излучающей поверхности АО до температуры ниже температуры плавления. И пассивный принцип- это построение теплозащиты из комбинации материалов с различными температурами плавления, что приводит к перераспределению поля температур по поверхности теплозащиты и обеспечивает повышенную радиопрозрачность на части излучающей поверхности, которая имеет рабочую температуру ниже температуры плавления, но через которую излучается подавляющая доля всей подводимой мощности

Получены аналитические выражения, позволяющие определить соотношения размеров двухкомпонентной теплозащиты. Проведенный анализ показал, что наиболее перспективным методом является пассивный. Наряду с анализом принципов радиопросветления АО был разработан подход к выбору новых видов теплозащитных материалов с уменьшенными потерями в условиях интенсивного нагрева.

В кратких формулировках выводы по третьему разделу сводятся к следующему.

-На основании анализа способов уменьшения влияния плазменной оболочки на эффективность функционирования бортовых РТС показано, что не существует надежных способов обеспечения непрерывной радиосвязи на всей траектории спуска путем управления характеристиками плазмы.

-Показано, что повысить эффективность функционирования бортовых РТС можно за счет радиопросветления АО, что в свою очередь возможно за счет применения новых конструкций АО с характеристиками, мало чувствительными к воздействию аэродинамического нагрева.

-Исследованы конструкции АО с повышенным КПД за счет уменьшения влияния расплава теплозащитного материала (ТЗМ) путем наложения постоянного электрического поля в раскрыве АО, вдува хладагента через пористую структуру ТЗМ и использования составных антенных вставок.

-Разработан метод расчета новых АО для осесимметричной структуры и выполнен теоретический анализ характеристик этих АО.

-Проанализированы и предложены к применению новые виды теплозащитных материалов с улучшенными характеристиками, использование которых позволит повысить эффективность функционирования бортовых РТС.

Главный результат раздела состоит в разработке способов повышения эффективности функционирования бортовых РТС.

В четвертом разделе - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ ВОЗВРАЩАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ- дается общая характеристика АО, которые предлагается исследовать в условиях лаборатории, адекватных условиям входа КА в плотные слои атмосферы. Для создания условий входа в атмосферу предлагается использовать дуговой плазмотрон нормального давления и отмечается необходимость решения задачи обеспечения совместной работы аппаратуры моделирования условий входа в атмосферу и СВЧ аппаратуры для измерения радиотехнических характеристик АО, что и было реализовано в стенде ГУАП-ОКБ МЭИ.

Исследования КПД АО предлагается производить по измерению собственного шумового излучения плазмы, воспроизводящей аэродинамический нагрев. Приводится и анализируется функциональная схема установки, реализующей такой подход. Исследования КПД возможно проводить только в определенной последовательности и в три следующих этапа:

-определение коэффициента передачи антенны внешнего измерительного канала,

-определение шумовой (радиояркостной) температуры плазмы,

-определение шумовой температуры теплозащиты и по полученным экспериментальным данным расчет КПД АО.

Каждый из этих этапов описывается соответствующими аналитическими соотношениями, которые разработаны и приведены. Получена формула для расчета КПД по результатам измерений на промежуточных этапах испытаний АО с разогретой теплозащитой.

Далее в разделе систематизированы и проанализированы результаты экспериментальных исследований АО с различными типами теплозащиты в условиях нагрева, моделирующего все, даже самые экстремальные режимы работы бортовых антенн на траектории спуска.

Результаты испытаний представлены в виде графиков различных характеристик АО в зависимости от условий и режимов высокотемпературного нагрева. Установлены наиболее благоприятные сочетания материалов теплозащиты для комбинированной структуры АО. Такими сочетаниями материалов оказались сочетания ВИО-18 с нитридом бора и ВИО-18 с окисью алюминия. Выявлены наиболее удачные решения конструкции АО в целом. Полученные результаты показывают, что конструкции АО с комбинированной структурой теплозащиты при правильном подборе теплофизических свойств компонентов теплозащиты в сравнении со штатной конструкцией (со сплошной теплозащитой) дает уменьшение суммарных потерь более, чем на 20 дБ. Это убедительно доказывает, что предложенный способ радиопросветления и новые конструкции АО существенно повышают эффективность функционирования бортовых радиотехнических систем связи. В этой части четвертого раздела приведены фотографии исследованных конструкций АО.

Кроме того в разделе приводятся результаты испытаний, выполненных на стенде ГУАП-ОКБ МЭИ, нагревостойких радиопрозрачных материалов с термостабильными электрическими параметрами, предназначаемых для теплозащиты АО. Показано, что одним из наиболее перспективных материалов является нитрид бора. Испытания композиционных материалов теплозащиты показали так же их высокую эффективность. Так значительное уменьшение потерь зафиксировано в материале на основе окиси кремния с 15% добавкой нитрида бора.

В кратких выводах по разделу отмечается, что

-разработана теория и методика экспериментального определения основных характеристик АО при высокотемпературном нагреве,

-выполнены экспериментальные исследования характеристик АО и ТЗМ, результаты которых подтвердили правильность предложенных способов повышения эффективности функционирования бортовых РТС и сам факт повышения эффективности функционирования.

Главный результат раздела- доказано повышение эффективности функционирования бортовых РТС путем реализации способа радиопросветления АО на основе разработки и применения новых бортовых антенн с улучшенными характеристиками, а также путем применения новых видов ТЗМ.

Основные выводы и результаты работы

В настоящей диссертации решалась задача повышения эффективности функционирования бортовых РТС связи, антенны которых, закрытые радиопрозрачной теплозащитой, на траектории спуска космического аппарата в плотных слоях атмосферы испытывают высокотемпературный разогрев теплозащиты и воздействие плазмы.

Эти эксплуатационные условия на траектории спуска приводят в области бортовая антенна- ее разогретая теплозащита (часто и с расплавом материала на наружной поверхности)- экранирующая плазма к значительным потерям электромагнитной энергии рабочего диапазона радиоволн бортовых РТС.

Поэтому в диссертации решалась задача разработки и исследования способов, обеспечивающих для условий спуска КА определение энергетической ситуации (потери электромагнитной энергии) в области бортовая антенна - ее теплозащита- экранирующая плазма с тем, чтобы дать ответ на два очень важных вопроса:

-во-первых, по каким причинам и на сколько возрастают потери электромагнитной энергии в радиоканале борт-земля и как в результате этого падает эффективность функционирования бортовых РТС;

-во-вторых, по результатам анализа состояния энергетики канала радиосвязи определить какие технические решения, конструктивные и технологические меры способны существенно снизить суммарные потери в канале радиосвязи и тем самым при их реализации обеспечить требуемую эффективность функционирования бортовых РТС.

Поставленная задача в диссертации решалась в два этапа:

-в начале на основании разработанных математических моделей и программ расчета определялось энергетическое состояние и потери в объеме бортовая антенна- ее теплозащита- экранирующая плазма;

-затем на основании массива данных о результатах исследования бортовых антенн, теплозащиты и плазмы разрабатывались способы и конструктивные решения, которые гарантировали бы снижение суммарных потерь электромагнитной энергии на рабочих частотах бортовых РТС и тем самым максимально поднять эффективность их функционирования.

Можно утверждать, что поставленная задача решена и сформулированная в начале работы цель достигнута. При этом в работе получены принципиально новые научные и практические результаты. В кратких формулировках основные результаты работы сводятся к следующему.

*Предложен, разработан, исследован и реализован аналитический метод оценки эффективности функционирования бортовых РТС, в основе которого лежат математические модели, программы и чисто расчетные процедуры определения для конкретных условий спуска КА потерь в объеме бортовая антенна- ее теплозащита- экранирующая плазма.

*Исследованы способы уменьшения влияния плазмы, окружающей бортовую антенну, на эффективность функционирования канала связи борт КА-земля.

* Исследованы способы радиопросветления антенных окон для условий высокотемпературного аэродинамического нагрева.

В результате комплексного использования всех возможностей, разработанных в работе, а именно применения АО с повышенным значением КПД, использования теплозащитных материалов с улучшенными характеристиками стало возможным уменьшить потери электромагнитной энергии в канале связи борт- земля по крайней мере на 20 дБ и тем самым не выйти за пределы энергетического потенциала этого канала. Этот факт и доказывает повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи возвращаемых космических аппаратов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Кордеро, Л. К вопросу о диагностике электрофизических параметров бортовой плазмы / Л. Кордеро // Научая сессия ГУАП, часть II. Cанкт-Петербург. 2008 .С. 26-28.

2. Кордеро, Л. Способы увеличения коэффициента полезного действия антенных окон в условиях воздействия интенсивного нагрева / Л. Кордеро // Научая сессия ГУАП, часть II. Cанкт-Петербург. 2009.С. 56-58.

3. Кордеро, Л. Метод активной многомодовой диагностики плазмы / Л. Кордеро // Информационно-управляющие системы. 2008. № 6(37).С. 62-63.

4. Кордеро, Л. Характеристики излучения антенн с теплозащитой /Л. Кордеро//Известия вузов. Радиоэлектроника. 2011.Вып.4. С. 78-84.

5. Кордеро, Л. Способы уменьшения перерыва радиосвязи с возвращаемыми космическими аппаратами / Л. Кордеро // Сб. докл. научная сессия / ГУАП . 2008. 7-14 апрель.

Размещено на Allbest.ru