Определение конструктивного облика рефлектора зеркальной космической антенны из композиционного материала
Анализ лучших конструкторско-технологических решений сверхлегкого рефлектора зеркальной космической антенны из углепластика. Конечно-элементное моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния рефлектора на геостационарной орбите.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.04.2021 |
| Размер файла | 5,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
Определение конструктивного облика рефлектора зеркальной космической антенны из композиционного материала
А.Д. Новиков, П.В. Просунцов, С.В. Резник
Москва, Россия
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.
Ключевые слова: рефлектор зеркальной космической антенны, конечно-элементное моделирование, конструктивно-компоновочная схема, композиционный материал
Annotation
MIRROR SPACE ANTENNA REFLECTOR MADE OF COMPOSITE MATERIALS CONSTRUCTIVE APPEARANCE DETERMINATION
D. Novikov, P.V. Prosuntsov, S.V. Reznik
Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
Moscow, Russia
This article describes search studies of optimal design and technological solutions for the ultralight mirror space antenna reflectors made of CFRP. The studies included finite element modeling of the reflector temperature and stress-strain state in the geostationary orbit. As a result of comparing the results of a number reflector variants modeling, a design was chosen, with minimal values of temperature displacements and linear density.
Key words: mirror space antenna reflector, finite element simulation, constructive layout, composite material
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/м2, 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).
Рис. 1. РЗКА трехслойной схемы с сотовым заполнителем из углепластика, HPS GmbH (Германия)
Данная схема обеспечивает высокую жесткость конструкции, но отличается сравнительно высокой погонной плотность (2,29 кг/м2 для РЗКА диаметром 1,2 м).
В схеме с кольцевым ободом постоянной или переменной ширины одна из накрывающих обод сплошных или сетчатых поверхностей используется для отражения радиоволн (рис. 2).
Рис. 2. Рефлектор с кольцевым ободом HPS GmbH (Германия)
Созданные по этой схеме в HPS GmbH опытные модели РЗКА имеют диаметр 1,2 м. Антенна работает в Ku-/Ka- диапазонах. Масса конструкции составляет 4,3 кг, таким образом, погонная плотность превышает 3,5 кг/м2 [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].
Рис. 3. Экспериментальный РЗКА с радиальными и кольцевыми ребрами, ЗАО «Пластик» (Россия)
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/м2 (рис. 4) [5--14].
Рис. 4. Экспериментальный РЗКА с изогридной системой ребер, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Россия)
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.
Рис. 5. Рефлекторы с реберным подкреплением по схеме: а -- «пятиконечная звезда»; б -- «шестиконечная звезда»
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). рефлектор космический антенна температурный
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/м2.
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.
Список литературы
1. Reflector Antennas [Электронный ресурс] // HPS GmbH. [сайт].
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., ДроновД.В., Козлов А.А. Бортовая многолучевая антенна Ка-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». № 7. С. 70--81.
5. Резник С.В. Актуальные проблемы проектирования, производства и испытания ракетнокосмических композитных конструкций // Инженерный журнал: Наука и инновации. (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 напряженно- деформированного 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.
References
1. Reflector Antennas [Internet] // HPS GmbH.
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) (2010 Apr 12--16; Barcelona, Spain). 5 p.
3. Bitkina E.V., Denisov A.V., Bitkin V.E. Structural and Technological Methods for Creating Dimensional Space Composite Structures of Integral Typ. Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2012. Vol. 14. No. 4-2. P 555--560. (In Russ).
4. Vxhtomov VA., Zimin VN., Kuzenkov A.N., Dronov D.V, Kozlov A.A. The onboard multibeam antenna of the K-band for zoned service of the territory of the Russian Federation by satellite communication with high-speed access. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. No. 7. P 70--81. (In Russ).
5. Reznik S.V. Actual problems of design, production and testing of rocket-space composite structures. Engineering Journal: Science and Innovations. 2013. No. 606. P 295--311.
6. Reznik S.V., Denisov O.V, Chudnov I.V Basic approaches to the formation of the program of thermovacuum tests of precision reflectors of mirror cosmic antennas. Science and education: electronic scientific and technical publication. 2013. No. 8. P 167--184. (In Russ).
7. Mikhailovsky K.V, Reznik S.V. Development of mathematical and algorithmic support for the calculation of internal stresses in thin-walled reflectors from carbon plastic during the technological process of their manufacture. Science and education: electronic scientific and technical publication. No. 8. P 151--166. (In Russ).
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 (2013 May 13--16; Wrexham, Nord Wales, UK). P 7--11.
9. Reznik S.V, Prosuntsov PV, Azarov A.V. Design studies of reflectors of mirror cosmic antennas with high stability of shape and small line density. Proc. 6th Belarusian Space Congress (2014 October 28--30; Minsk, Belarus). 2014. Vol. 1. P 223--226. (In Russ).
10. Reznik S.V., Prosuntsov PV, Azarov A.V Substantiation of the constructive-layout scheme of the reflector of a mirror cosmic antenna with high shape stability and low linear density. Journal of Engineering and Physics. 2015. Vol. 88. No. 3. P 674--680. (In Russ).
11. Reznik S.V, Prosuntsov PV, Azarov A.V Modeling of the temperature and stress-strain states of the reflector of a mirror cosmic antenna. Journal of Engineering and Physics. 2015. Vol. 88. No. 4. P 945--950. (In Russ).
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 (2015 October 5--9; 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 (2015 October 5--9; Noordwijk, The Netherlands). 1 p.
14. Reznik S.V., Prosuntsov PV, Azarov A.V Substantiation of the constructive-layout scheme of the reflector of a mirror cosmic antenna with high shape stability and low linear density. Journal of Engineering and Physics. 2015. Vol. 88. No. 3. P. 674--680. (In Russ).
15. Reznik S.V, Novikov A.D. Comparative analysis ofthe 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.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчет геометрических размеров полотна и рефлектора секторной антенны, реактивного шлейфа. Определение количества вибраторов в этаже и конструкции рефлектора, количества этажей антенны. Диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости.
контрольная работа [246,3 K], добавлен 20.12.2012Общая характеристика зеркальной антенны, ее назначение и применение. Расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Определение коэффициента усиления с учетом неточности изготовления зеркала.
курсовая работа [579,3 K], добавлен 18.01.2014Разработка зеркальной антенны - параболоида вращения, работающей в дециметровом диапазоне: расчет основных параметров, диаграммы направленности и сравнение с реальной ДН. Выполнение эскиза антенны, включающего все коммутационные узлы и возможный крепеж.
реферат [59,7 K], добавлен 03.12.2010Описание принципа действия и особенности конструкции директорной антенны. Электрический и конструктивный расчет директорной антенны. Определение сопротивления рефлектора и диаграммы направленности. Разработка конструкции деталей антенны и узлов.
курсовая работа [721,7 K], добавлен 04.06.2012Характеристика основных составляющих элементов антенны: активного полуволнового вибратора, рефлектора и директора. Процесс проектирования многоэлементной антенны типа "Волновой канал". Применение и принцип работы петлевого вибратора Пистолькорса.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 09.02.2012Требования, предъявляемые к спутниковым антеннам. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны. Расчет пирамидального облучателя и диаграммы направленности. Определение коэффициента направленного действия. Геометрические размеры зеркала.
курсовая работа [102,3 K], добавлен 15.05.2014Определение шумовой температуры фидерного тракта. Угол раскрыва и фокусное расстояние зеркальной антенны. Диаграммы направленности облучателя, распределение поля в апертуре зеркала. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков.
курсовая работа [572,6 K], добавлен 13.02.2011Методика расчета уголковой антенны, петлевого вибратора, коллинеарной антенной решетки. Выбор размеров уголковой антенны, расчет параметров элемента решетки с учетом уголкового рефлектора, ширины диаграммы направленности. Схема распределения мощности.
курсовая работа [968,3 K], добавлен 21.03.2011Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала, расчет рупорного облучателя, реального распределения поля и фридерного трака с целью конструирования зеркальной антенны, предназначенной для обнаружения радиолокационных сигналов.
задача [367,9 K], добавлен 23.09.2011Описание принципов работы зеркальной антенны. Составление электрической схемы, проектирование излучателя. Расчет параметров зеркала и вращающегося сочленения. Вычисление коэффициента полезного действия. Диапазонные свойства электрической прочности.
курсовая работа [275,5 K], добавлен 19.01.2016Зеркальные антенны - распространенный тип остронаправленных СВЧ антенн в радиолокации, космической радиосвязи и радиоастрономии. Разработка конструкции антенны со смещенным рефлектором. Определение размеров зеркала, распределения поля в раскрыве антенны.
курсовая работа [149,3 K], добавлен 27.10.2011Антенны в современной радиоэлектронике. Электрические параметры антенн. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны. Геометрические характеристики параболоидного зеркала. Методика моделирования ближнего поля. Конструирование зеркальных систем.
реферат [706,1 K], добавлен 28.01.2009Описание характеристик антенны, предназначенной для радиолокационного обнаружения. Выбор формы и расчет амплитудного распределения поля раскрыва зеркала. Определение параметров облучателя и фидерного тракта. Конструкция антенны и согласующего устройства.
курсовая работа [514,1 K], добавлен 23.12.2012Основные геометрические свойства параболоида вращения. Эффективность параболической антенны. Расчет диаграмм направленности с учетом тени, создаваемой облучателем. Расчет себестоимости зеркальной антенны. Электромагнитное и ионизирующее излучения.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 09.10.2014Конструкция параболических и плоских антенн. Математическая модель микрополосковой дифракционной решетки. Решение задачи возбуждения электромагнитным вибратором полупространства с идеально проводящей границей. Проектирование плоского рефлектора.
дипломная работа [354,7 K], добавлен 25.10.2011Расчёт размеров зеркала, фокусного расстояний, угловых размеров. Конструктивный расчет однозеркальной антенны с линейной поляризацией. Расчет рупорного облучателя, геометрических размеров параболоида вращения и диаграммы направленности антенны.
курсовая работа [461,6 K], добавлен 26.11.2014Технические требования по модернизации оптических и радиотехнических средств радиополигона "Орбита". Шумы и предел чувствительности приемника. Радиометры для мониторинга солнечной активности: облучатель антенны ТНА-57; модуляционные РМ-10 и РМ-30.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 19.07.2012Применение и устройство зеркальных параболических антенн, их преимущества и недостатки. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя и зеркала. Построение диаграммы направленности антенны. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.02.2013Расчет диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны, геометрических размеров и характеристик параболического отражателя; диаграммы направленности зеркальной антенны; элементов фидерного тракта; относительной погрешности ширины конструкции.
контрольная работа [486,4 K], добавлен 16.06.2013Расчет КПД фидера. Выбор типа и схемы питания приемной антенны, определение ее геометрических размеров и коэффициента усиления. Расчет диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициента ее направленного действия.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 27.10.2011
