Проектирование крупногабаритного высокоточного рефлектора антенны космического аппарата с контурной диаграммой направленности
Автор: Бердникова Н.А., Иванов А.В., Белов О.А., Чичурин В.Е.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 2 т.17, 2016 года.
Бесплатный доступ
*E-mail: berdnikova-nataly@mail.ru Освоение высоких диапазонов частот бортовых антенных систем и увеличение мощности бортовых ретрансляторов космических аппаратов позволяет принимать и передавать большие объемы информационных данных и организовывать высококачественные каналы фиксированной спутниковой связи. Основным элементом антенны является рефлектор. Точность наведения антенны зависит от точности и размеростабильности рефлектора, который подвержен в процессе функционирования по штатному назначению влиянию таких негативных факторов, как экстремальные положительные и отрицательные температуры (с учетом их градиента), вакуум, радиация. Также повышение пропускной способности космического аппарата и коэффициента усиления в заданной зоне обслуживания может быть обеспечено увеличением площади апертуры рефлектора со специально спрофилированной отражающей поверхностью, формирующей контурную диаграмму направленности антенны. Высокие требования к точности формы отражающей поверхности рефлектора и жесткие ограничения по массе антенны предполагают использование конструкционного материала, имеющего предельно низкий коэффициент теплового расширения, высокие удельные характеристики прочности и жесткости, малую плотность, сопротивляемость длительным статическим и динамическим нагрузкам, вибростойкость, возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур. Представлены результаты проектирования нового крупногабаритного офсетного рефлектора антенны космического аппарата, формирующей контурную диаграмму направленности, изготовленного из композитных материалов. Конструкция выполнена по схеме «сверхлегкого» рефлектора и состоит из двух основных элементов: отражателя и силового основания. Это позволило снизить массу рефлектора на 30 % по сравнению с типовыми конструкциями. Кроме того, предлагаемый рефлектор имеет температурную и механическую развязку составных элементов. Статья включает комплексный алгоритм проектирования крупногабаритного рефлектора антенны. Приведено обоснование выбора конструктивно-компоновочной схемы и применяемых материалов. Решена задача определения мест зачековки рефлектора на космическом аппарате по величине первой частоты колебаний. Выполнены механический анализ и оптимизация проектных параметров конструкции рефлектора. Результаты работы могут быть интересны широкому кругу специалистов: конструкторам, технологам и материаловедам.
Антенна космического аппарата, ku-диапазон, контурная диаграмма направленности, композиционный материал, метод конечных элементов, кu-band
Короткий адрес: https://sciup.org/148177572
IDR: 148177572 | УДК: 629.396.677
Design of the large-size high-precision reflector of the spacecraft antenna with the planimetric directional diagram
Exploration of high frequency range of onboard antenna system and growing of SC on-board repeater power allow receiving and transmitting lots of information data and organizing high quality channels of fixed satellite communication. A reflector is a key antenna element. Pointing accuracy depends on precision and dimension stability of reflector, subjected during operation to the influence of such negative factors as extreme positive and negative temperatures (taking into account their gradient), vacuum and radiation. Also, the increasing of spacecraft capacity and gain ratio in given coverage area can be provided by increasing of reflector aperture area with specially graded reflecting surface, forming contoured antenna pattern. Strict requirements to the shape precision of the reflecting surface of the reflector and strict antenna weight restrictions suggest the usage of structural material, having extremely low thermal expansion ratio, high specific strength and stiffness properties, low density, resistance to continuous static and dynamic loads, vibration resistance, operation feasibility under high and low temperature conditions. The results of a new large-size offset SC antenna reflector design, forming contoured antenna pattern, made of composite materials are presented in the paper. The structure is realized according to the “superlight” reflector scheme and consists of two main elements: reflector and primary structure. It allowed decreasing reflector mass by 30 % in comparison to standard construction. Moreover, the given reflector has temperature and mechanical decoupling of structural components. The paper includes complex algorithm of the large-sized antenna reflector design. The rationale is presented relating to the choice of design-layout scheme and used materials. The problem of determining reflector locking device positions on the SC according to vibration frequency value is solved. Mechanical analysis and optimization of design parameters of reflector construction are carried out. The results can be interesting to wide range of specialists: to design engineers, engineers and material engineers.
Список литературы Проектирование крупногабаритного высокоточного рефлектора антенны космического аппарата с контурной диаграммой направленности
- Бахрах Л. Д., Галимов Г. К. Зеркальные сканирующие антенны. Теория и методы расчета. М.: Наука. 1981. С. 15-30.
- William A. Imbriale, Steven Gao, Luigi Boccia. Space Antenna Handbook//John Wiley & Sons Ltd. United Kingdom, 2012. P. 741.
- Nicolas Elie, Alain Lacombe, Stéphane Baril. Ultra-light reflectors: a high-performance and industrial concept for commercial telecom antennas. Paris, EADS 28th ESA Workshop. P. 3-6.
- Michael Lang, Horst Baier, Thomas Ernst. High precision thin shell reflectors -design concept, structural optimization and shape adjustment techniques. Germany: Institute for Light Weigh Structures. P. 5.
- Гардымов Г. П., Мешков Е. В. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении. СПб.: СпецЛит, 1999. C. 10-18.
- Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года//Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. C. 7-17.
- Wessel J. K. Handbook of advanced materials: enabling new designs. A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004. P. 105-211.
- Молодцов Г. А., Биткин В. Е. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 2000. С. 90-120.
- Уордсп К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. М.: Техносфера, 2006. С. 50-80.
- Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. С. 96-115.
- Головкин Г. С., Дмитренко В. П. Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов. М.: РУСАКИ, 2005. С. 200-260.
- Братухин A. Г., Сиротка О. С., Сабодаш П. Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. М.: Машиностроение, 1995. С. 110-115.
- Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов/Г. С. Головкин . М.: Изд-во МАИ, 1993. С. 70-80.
- Образцов И. Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. С. 50-90.
- Рудаков К. Н. Femap 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. Киев: КПИ, 2011. С. 150-380.
