Метод обеспечения высокой точности формы рефлекторов зеркальных антенн космических аппаратов

Конструкция современных космических аппаратов связи в большой степени зависит от конструкции их антенных систем [1–6]. В настоящее время наиболее распространенным видом космических антенн являются зеркальные антенны. Зеркальные антенн ы обладают простой и надеж-

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта RFMEFI60419X0233

ной конструкцией и способны хорошо усиливать и направлять радиосигналы в различных диапазонах частот. Для успешной работы зеркальной антенны в составе космического аппарата необходимо соблюдение следующих требований:

• 1.    Фронтальная поверхность рефлектора антенны должна быть выполнена из материала, способного не менее чем на 97 % отражать радиоволны в требуемой полосе частот.

• 2.    Антенна должна сохранять геометрическую точность в процессе эксплуатации на орбите. Так, смещение облучателя и/или вторичного зеркала антенны от номинального положения не должно превышать 0,2λ, где λ – длина радиоволны.

• 3.    Среднеквадратическое отклонение формы фронтальной поверхности рефлектора от теоретической не должно превышать 0,02λ в процессе эксплуатации антенны.

• 4.    Частота собственных колебаний конструкции антенны не должна быть ниже 45 Гц.

• 5.    Прочность конструкции антенны должна обеспечивать ее целостность в процессе выведения космического аппарата на орбиту.

• 6.    Материалы антенны должны обладать температурной стойкостью в диапазоне температур от –150 °С до +150 °С и радиационной стойкостью в потоке ионизирующего излучения Солнца.

• 7.    Масса антенны должна быть минимальной.

Современные системы комической связи имеют тенденцию к переходу на высокие радиочастотные диапазоны, такие как К_а , К , Q и V диапазоны. Преимущество этих диапазонов заключается в высокой пропускной способности радиоканалов. Однако с повышением рабочей частоты ужесточаются требования к форме отражающей поверхности рефлектора антенн. При этом антенны космического аппарата могут иметь совмещенный рабочий диапазон частот, например, С / К_а , К_а / Q и т. д. Это усложняет задачу разработки антенны, так как рефлектор должен иметь большие габариты для работы в нижнем диапазоне и при этом высокую точность отражающей поверхности, необходимую для работы в верхнем диапазоне.

Конструкция рефлектора, наиболее часто используемая в современных антеннах, выполнена в виде трехслойной оболочки с несущими обшивками из углепластика и алюминиевым сотовым заполнителем. На рис. 1 представлена типовая конструкция осесимметричной зеркальной антенны с трехслойным сотовым рефлектором.

формование в автоклаве при температуре полимеризации смолы препрега. Эта технология относительно проста и позволяет получить практически готовое изделие после формования. Жесткость такого рефлектора определяется высотой заполнителя и модулем упругости материала несущих слоев. Однако в процессе формования из-за анизотропии свойств композиционного материала несущих слоев, усадки смолы и значительной разности в коэффициентах термического расширения материалов несущих слоев и сотового заполнителя в конструкции возникают напряжения [15]. Эти напряжения приводят к деформации рефлектора по- ²⁰¹ сле снятия его с оправки. Пример диаграммы отклонений формы рефлектора приведен на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма отклонений поверхности рефлектора после формования

Рис. 1. Типовая конструкция осесимметричной антенны

Рефлектор антенны изготавливается за единый цикл формования [7]. Такая технология предполагает укладку препрега углеродного волокна, пленочного клея, алюминиевого сотового заполнителя на оправку из материала с низким коэффициентом термического расширения и совместное

Рис. 3. Искаженная форма рефлектора после формования

Распределение напряжений в конструкции рефлектора после формования искажает его форму (рис. 3). Попытки технологической «борьбы» с этим искажением формы незначительно уменьшают отклонения. Величина отклонений превышает требования для диапазона частот К_а и выше. Поэтому обеспечение работоспособности рефлектора в высоких диапазонах частот потребовало поиска конструктивных решений, позволяющих обеспечить точность формы рефлектора.

Том 3

В статье предложен оригинальный метод управления формой рефлектора зеркальной антенны, применение которого позволит создавать конструкции с высокой точностью поверхности. Этот метод предполагает, что требуемая точность формы рефлектора может быть достигнута за счет упругого деформирования его оболочки. Разработана конструкция регулировочных устройств, с помощью которых происходит исправление формы рефлектора. Представлен алгоритм выбора мест расположения регулировочных устройств. Разработаны конструкции антенн, по- ²⁰² верхность рефлектора которых формируется посредством принудительного деформирования.

• 1.    Методы обеспечения точности формы рефлектора

• 2.    Метод управления формой рефлектора

Процесс формования трехслойной оболочки не отличается стабильностью результата. Поэтому на предприятиях космической отрасли постоянно происходит поиск методов обеспечения требуемой точности формы рефлектора. Рассмотрим некоторые из этих методов.

В работе [8] представлена антенна с двумя тонкими оболочками. Фронтальная и поддерживающая оболочки образуют замкнутую конструкцию, которая за счет такого соединения обладает значительной жесткостью. Тыльная оболочка поддерживает кромку отражающей оболочки и связывает ее с основанием рефлектора. Отмечается, что рефлектор такой конструкции имеет малые среднеквадратические отклонения формы. Это обеспечивается тем, что искажение формы каждой оболочки компенсируется при сборке в жесткую конструкцию.

Еще одним вариантом обеспечения точной формы рефлектора является установка жесткого рамного элемента на его тыльную поверхность [9]. Такая установка осуществляется когда рефлектор прижат к формообразующей оправке. При этом рама фиксируется на небольшом удалении от рефлектора с помощью приклеиваемых соединительных элементов в виде пластин и уголков (рис. 4).

Рис. 4. Трехслойный рефлектор с жесткой рамой

Такой метод обеспечивает некоторое улучшение формы рефлектора, но имеет ряд недостатков, связанных с точностью позиционирования склеиваемых частей, возникновением в них напряжений при термоциклировании и ограниченной жесткостью собранной конструкции [10; 11].

Наиболее эффективным методом устранения технологических погрешностей рефлектора является метод непосредственной регулировки формы поверхности в процессе изготовления. Для реализации этого метода конструкция рефлектора должна содержать три основных компонента: оболочку рефлектора, опорную конструкцию и узлы регулировки [12]. При этом опорная конструкция должна быть значительно жестче оболочки рефлектора.

Суть метода заключается в упругом деформировании оболочки рефлектора в отдельных точках при помощи регулировочных узлов, закрепленных на опоре. Опора должна обладать малой деформативностью по сравнению с деформатив-ностью оболочки и обеспечивать необходимую жесткость всей конструкции антенны. Оболочка в таком методе может быть очень тонкой. Малая толщина будет обеспечивать ее большую податливость. Такая оболочка обладает меньшей массой по сравнению с трехслойным рефлектором.

Регулировка рефлектора является итерационным процессом, включающим сканирование и коррекцию формы. После формования и сборки конструкции производится ее регулировка. Измеряются координаты точек на поверхности оболочки рефлектора с помощью координатно-измерительной машины [13]. Затем осуществляется сравнение результатов измерений с идеальной моделью. При неудовлетворительном среднеквадратическом отклонении производят коррекцию формы при помощи регулировочных узлов и повторяют измерения формы. Такие итерации необходимо повторять пока форма не будет соответствовать требованиям по точности.

Рис. 5. Регулировочный узел, установленный перпендикулярно к поверхности оболочки рефлектора

Рассмотрим конструктивные особенности разработанных двух узлов регулировки оболочки рефлектора, отличающихся направлением действия (рис. 5 и 6).

Рис. 6. Регулировочный узел, установленный перпендикулярно плоскости апертуры рефлектора

Оболочка рефлектора (1) выполнена из углепластика и имеет малую толщину. Накладка (2) приклеивается к оболочке и служит для соединения с остальными частями узла. Шпилька с резьбой (4) зафиксирована в опоре (6) двумя гайками (5). Вращая эти гайки можно перемещать шпильку относительно опоры. Сферический наконечник шпильки входит в коническое углубление в накладке и фиксируется накидной гайкой (3) так, что образуется сферический шарнир. Назначение этого шарнира состоит в том, что он исключает изгибающий оболочку момент, который может возникать при регулировке.

Различие двух представленных схем заключается в расположении регулировочного узла относительно оболочки. В первом случае ось шпильки перпендикулярна поверхности параболоида рефлектора. Во втором эта ось перпендикулярна плоскости апертуры рефлектора. В первом варианте накладка имеет правильную коническую форму. Для реализации такого случая закрепления опора должна быть эквидистантной к оболочке рефлектора. Этот случай подходит для осесимметричных оболочек с большой кривизной, при которой угол А (рис. 5) больше 20°. Во втором варианте опора может быть плоской, но при этом накладки имеют форму усеченного конуса и менее компактны. Такой вариант больше подходит для оболочек с меньшей кривизной, у которых угол А меньше 20°, например, в офсетных рефлекторах (рис. 6).

Большое значение имеет выбор местоположения регулировочных узлов и их количества. При типичном искажении формы рефлектора имеются два полюса с положительными и два полюса с отрицательными отклонениями. Полюса расположены на двух взаимно перпендикулярных осях.

Теоретически достаточно четырех регулировочных узлов для исправления формы оболочки рефлектора. Однако на практике обнаружено, что такое количество узлов не обеспечивает стабильную форму оболочки. При попытке воздействия на эти полюса искажения перемещаются в свободные от узлов зоны. Практически установлено, что минимальное количество регулировочных узлов должно быть не менее шести.

Если оболочка рефлектора тонкостенная, то возникает необходимость обеспечения ее жесткости введением дополнительных узлов регулировки. Однако чрезмерно большое количество узлов ²⁰³ увеличивает массу всей конструкции. Таким образом, возникает задача определения оптимального количества узлов.

Для решения поставленной задачи был проведен параметрический анализ, выполненный с привлечением метода конечных элементов [14]. На рис. 7 показаны места крепления шарнирных опор на тонкой оболочке рефлектора. Варьируемыми параметрами в проводимом анализе по выбору мест расположения узлов являются диаметры, на которых они расположены, и их количество. В расчетах оценивалась основная частота колебаний рефлектора как критерий жесткости конструкции. Результаты вычислений основной частоты колебаний как функции числа узлов и диаметра их расположения представлены в табл. 1. Типовые формы первых тонов колебаний показаны на рис. 8.

Рис. 7. Схема расположения мест крепления узлов регулировки

Анализ показал, что наиболее эффективным местом положения узлов регулировки является окружность, диаметр которой равен 0,9 диаметра апертуры антенны. С увеличением количества узлов происходит очевидный рост частоты собственных колебаний.

Основываясь на результатах проведенных исследований, были спроектированы осесимметричный и офсетный рефлекторы с системой регулировки формы. На рис. 9 представлена антенна с осесимметричным рефлектором.

В качестве опорной конструкции использована трехслойная оболочка. Эта опора изготавливается на той же оправке что и оболочка рефлектора. После формования трехслойную оболочку механически обрабатывают и в ней устанавливают необходимые закладные детали для регулировочных узлов. Затем формуют оболочку рефлектора толщиной 0,42 мм и, не снимая ее с оправки, крепят к ней опорную оболочку с установленными регулировочными узлами.

Том 3

Таблица 1

Зависимость основной частоты колебаний оболочки (Гц) рефлектора от положения узлов регулировки

Количество узлов регулировки	Положение узла регулировки
	0,5 D	0,6 D	0,7 D	0,8 D	0,9 D
6	20	27	28	31	36
7	24,5	31	37	40	47
8	25,5	37	47	51	59
9	26	40	53	62	71
10	26	41	59	76	85
11	27,5	41	62	88	101
12	28	41	64	99	116

Рис. 8. Типовые основные формы колебаний оболочки рефлектора

Рис. 9. Осесимметричная антенна

На рис. 10 показано сечение спроектированного регулировочного узла. Для крепления узла в трехслойной оболочке используется цилиндрическая втулка с резьбой. Шпилька со сферическим наконечником вкручивается в отверстие во втулке. Накладка фиксируется на сферическом наконечнике при помощи стопорного кольца. Масса такого узла составляет 20 гр. Масса всех узлов равна 320 гр. Масса рефлектора в сборе составила 2,5 кг. Удельная масса рефлектора равна 1,4 кг/м2.

Рис. 10. Регулировочный узел

Трехслойная опора рефлектора служит так же для крепления стоек, поддерживающих кон- тррефлектор, для установки облучателя и для крепления антенны на КА.

Офсетный рефлектор, как правило, имеет большое фокусное расстояние и, как следствие, меньшую кривизну. В силу этого система регулировки для него может быть выполнена по схеме, показанной на рис. 6. Модель спроектированного офсетного рефлектора представлена на рис. 11.

Рис. 11. Офсетный рефлектор с системой регулировки формы

В качестве опорной конструкции рефлектора применена плоская трехслойная сотовая панель с обшивками из углепластика. Такое решение является простым и технологичным в изготовлении и обеспечивает требуемую жесткость конструкции. Для монтажа узлов регулировки, как и в предыдущем варианте, в панель установлены цилиндрические вставки. Для крепления рефлектора на поворотном устройстве на панели имеется треугольный выступ с установленным кронштейном.

Как показал выполненный анализ, для рефлектора с большой апертурой (2 м и более) необходимое количества узлов регулировки превышает 20. Это приводит к увеличению массы конструкции и создает трудности при регулировке. Уменьшить количество узлов можно за счет введения шпангоута вдоль линии крепления оболочки (рис. 12).

Рис. 12. Оболочка со шпангоутом и регулировочным узлом

Такой шпангоут, установленный вблизи апертуры, обеспечивает жесткость тонкой оболочки и дает возможность свести количество узлов регулировки к минимуму. Для подтверждения этого конструктивного решения был проведен конечно-элементный анализ и создана лабораторная модель рефлектора. Анализ проводился для двух оболочек: тонкостенной оболочки и оболочки со шпангоутом. На каждой оболочке размещалось 6 узлов регулирования. Результаты модального анализа обеих конструкций показали, что при наличии тонкостенного шпангоута основная частота колебаний как критерий жесткости оболочки возрастает в 9 раз. Масса такой оболочки увеличивается в 1,15 раза. Основные формы колебания обеих оболочек приведены на рис. 13.

Изготовленная лабораторная модель рефлектора (рис. 14) имеет оболочку с апертурой 2300 мм. Вблизи апертуры был приклеен шпангоут полукруглого сечения. Для монтажа узлов регулировки модель устанавливается на технологической подставке. В местах крепления имеются узлы регулировки по схеме рис. 11. Поверхность рефлектора после настройки (рис. 15) имела среднеквадратическое отклонение 0,06 мм. Отметим, что для рефлекторов таких габаритов среднеквадратическое отклонение, как правило, превышает 0,3 мм.

Рис. 13. Формы колебаний оболочки (вверху – без шпангоута, внизу – со шпангоутом)

Используя результаты конечно-элементного анализа и лабораторного макетирования, был спроектирован рефлектор со шпангоутом диаметром 1 м, представленный на рис. 16. Он имеет 6 консольных композитных спиц полого сечения. Спицы крепятся к основанию рефлектора и имеют фитинги для установки регулировочных узлов. Каждый из узлов имеет сферический шарнир и резьбовую шпильку. Он частично погружен в полость шпангоута для большей компактности рефлектора.

-

Том 3

Рис. 14. Лабораторная модель рефлектора со

Был проведен модальный анализ рефлектора. На рис. 17 показана форма первого тона колебаний. Частота первого тона составила 96 Гц. Масса рефлектора равна 2,1 кг. Масса аналога в виде трехслойной оболочки составляет 5 кг.

Рис. 17. Первая форма колебаний рефлектора

шпангоутом

Рис. 15. Диаграмма отклонений оболочки рефлектора со шпангоутом после настройки

Рис. 16. Рефлектор со шпангоутом и консольными спицами

Заключение

Как показали выполненные в статье исследования, рефлекторы в виде тонких оболочек с возможностью регулировки формы обладают рядом преимуществ по сравнению с трехслойными рефлекторами. Удельная масса тонких оболочек меньше удельной массы трехслойных рефлекторов даже с учетом опорной конструкции. Экономия в весе зависит от выбранного типа конструкции и может достигать 50 %. Наибольшая экономия массы наблюдается в рефлекторах со шпангоутом, расположенном около апертуры. В таком исполнении оболочка может быть сколько угодно тонкой и количество поддерживающих элементов может быть минимальным. Сам же шпангоут вносит незначительный весовой вклад. Точность рефлекторов на основе тонких оболочек с системой регулировки значительно выше их трехслойных аналогов. Вероятность неисправимого брака, связанного с погрешностью формы при изготовлении, сводится к нулю, так как на любом этапе изготовления может быть произведена коррекция формы рефлектора.

В среднем точность формы оболочек с системой коррекции в 3–5 раза выше точности формы трехслойных конструкций. Стабильность геометрии тонких оболочек в условиях эксплуатации будет выше, чем у трехслойных рефлекторов. Это связано с меньшим градиентом температур в конструкции рефлектора. В трехслойных конструкциях при воздействии теплового потока градиент температур приводит к деформации рефлектора. В тонких оболочках градиент по толщине практически отсутствует. Поэтому деформации оболочки будут значительно меньше. Предложенный в статье метод обеспечения высокой точности рефлектора может найти применение при изготовлении конструкций новых космических антенн, работающих в высочастотных диапазонах.