Разработка зеркальной антенны космического аппарата с ультралегким высокоточным размеростабильным рефлектором

Зеркальные антенны, применяемые на современных космических аппаратах, являются частью систем, с помощью которых создают высокоскоростные каналы радиосвязи. Широкому распространению зеркальных антенн способствовали такие их качества как надежность конструкции и способность излучать и принимать радиоволны в широком диапазоне частот [2–5; 8].

Существует несколько видов зеркальных антенн. Это офсетные и осесимметричные (прямофокусные) антенны. Прямофокусные антенны подразделяются на однозеркальные (рис. 1) и двухзеркальные (рис. 2), выполненные по схеме

Кассегрена. В фокусе рефлектора двухзеркальной антенны размещено вторичное зеркало (контррефлектор), имеющее форму гиперболоида вращения.

Рис. 1. Однозеркальная прямофокусная антенна

Двухзеркальные антенны используются для осуществления связи с наземными станциями и с низколетящими космическими аппаратами. Такие антенны должны иметь высокий коэффициент на-

АППАРАТЫ И ТЕХНОЛОГИИ^™® 1                  31-ч правленного действия. Величина коэффициента определяет способность антенны концентрировать электромагнитное излучение в узком луче. Для реализации этой способности конструкция зеркальной антенны должна обладать высокой стабильностью размеров. Такое свойство антенны означает сохранение формы рефлектора и положения облучателя и контррефлектора после воздействия нагрузок, возникающих в процессе выведения космического аппарата на орбиту, и при температурном воздействии, возникающем в процессе движения космического аппарата по орбите. Предельные 122   отклонения геометрических параметров конструк ции зависят от значений частот радиоволн, которые излучает антенна. Чем выше эти частоты, тем более строгими становятся требования к стабильности размеров.

Рис. 2. Двухзеркальная прямофокусная антенна

На концентрацию электромагнитного излучения антенны, помимо стабильности размеров ее конструкции, большое влияние оказывает качество (точность) отражающей поверхности рефлектора. У большинства зеркальных антенн, устанавливаемых сегодня на космические аппараты, оболочка рефлектора имеет трехслойную структуру [9; 12]. Эта структура состоит из тонких углепластиковых несущих слоев и сотового заполнителя. На рис. 3 представлены типовые осесимметричные зеркальные антенны с трехслойными рефлекторами, разработанные в АО «ИСС».

Технологический процесс изготовления трехслойного рефлектора предусматривает выкладку внутреннего несущего слоя, установку на него блоков сотового заполнителя и выкладку наружного несущего слоя. Формование несущих слоев и заполнителя, соединенных пленочным клеем, происходит на оправке, имеющей форму параболоида вращения. Реализация технологического процесса должна обеспечивать высокое качество и точность отражающей поверхности рефлектора. Вместе с тем при реальном изготовлении рефлектора достаточно часто возникают искажения его формы. Эти искажения появляются после снятия рефлектора с оправки и обусловлены возникновением внутренних напряжений в тонких несущих слоях, пленочном клее и в сотовом заполнителе. При последующем термоциклировании рефлектора происходит релаксация этих напряжений. Форма отражающей поверхности рефлектора в та-

Том 3

ком технологическом процессе трудно поддается прогнозу. Поэтому качество и точность отражающей поверхности современных осесимметричных рефлекторов позволяет создавать антенны, пригодные только для генерации электромагнитного излучения в K_a частотном диапазоне. Вместе с тем сегодня существует очевидная потребность в увеличении скорости передачи информации системами космической связи. Такое увеличение напрямую связано с использованием Q и V частотных диапазонов. Форма отражающей поверхности рефлектора высокочастотной антенны должна быть максимально близка к форме параболоида вращения. Так, для получения стабильной диаграммы направленности в Q частотном диапазоне необходимо, чтобы среднеквадратическое отклонение (СКО) формы отражающей поверхности рефлектора от параболоида не превышало 0,05 мм. Обеспечение такого отклонения для рефлектора с трехслойной стенкой является сложной задачей. Необходимость решения этой задачи инициирует поиск новых видов конструкций антенн, обеспечивающих высокоскоростные каналы радиосвязи.

Рис. 3. Осесимметричные зеркальные антенны с трехслойными рефлекторами

В статье предложена новая оригинальная конструкция космической высокочастотной осесимметричной зеркальной антенны сверхлегкого класса. Корпус антенны состоит из нескольких сопряженных углепластиковых оболочек. Разработана технология изготовления антенны, которая позволила создать оболочку рефлектора с минимальными отклонениями от параболоида вращения. С помощью метода конечных элементов выполнен модальный анализ антенны. На ос- нове этого анализа были определены геометрические параметры, обеспечивающие максимальную жесткость конструкции. Результаты расчетов были использованы при создании опытного образца зеркальной антенны. Показано, что созданная антенна обладает параметрами, необходимыми для генерации остронаправленного электромагнитного излучения в Q и V частотных диапазонах. Выполнена успешная наземная экспериментальная отработка конструкции антенны.

1. Описание конструкции

Разработанная антенна состоит из фронтальной (отражающей) оболочки рефлектора и поддерживающей ее тыльной оболочки. Общий вид ан- тенны показан на рис. 4.

Рис. 4. Модель антенны с основной и поддерживающей 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.

Конструкция антенны содержит следующие составные элементы (рис. 5): 1 – фронтальная (отражающая) оболочка; 2 – тыльная оболочка; 3 – соединительная оболочка; 4 – опора облучателя; 5 – облучатель; 6 – основание антенны; 7 – опора контррефлетора; 8 – контррефлетор.

Отражающая и тыльная оболочки выполнены из углепластика средней толщиной 0,23 мм и имеют плавное увеличение толщины до 0,45 мм к месту сопряжения с основанием антенны. Оболочки соединены по периметру клеем. Для обеспечения такого соединения тыльная оболочка по контуру имеет отбортовку, повторяющую форму фронтальной оболочки. Соединительная оболочка связывает между собой фронтальную и тыльную оболочки и основание антенны. Опора облучателя имеет коническую форму и два цилиндрических участка. Нижний цилиндр устанавливается в соединительную оболочку. В верхний цилиндрический участок устанавли- вается металлическая вставка с пазами, предназначенными для юстировки и крепления облучателя. Облучатель состоит из гофрированного рупора [13], поляризатора, селектора и волновода. Основание антенны (рис. 6) представляет собой полую треугольную призму с цилиндрическим отверстием в центре и дополнительными вырезами по углам. В оболочку интегрированы металлические вставки, предназначенные для крепления опоры контррефлектора и крепления антенны на космический аппарат.

Рис. 5. Конструкция антенны

Масса рефлектора разработанной конструкции составляет 0,757 кг. При этом площадь рефлектора – 0,94 м2. Таким образом, удельная масса рефлектора равна 0,8 кг/м2, что примерно в 2,5–3 раза меньше массы аналогичного рефлектора трехслойной сотовой конструкции. Поэтому данный рефлектор может быть отнесен к классу сверхлегких рефлекторов, то есть имеющих удельную массу менее 1 кг/м2.

Рис. 6. Основание антенны и опора контррефлектора

Опора контррефлектора состоит из трех стоек и кронштейна. Стойки представляют собой трубы прямоугольного сечения. Кронштейн имеет

0СМ1ЛЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И

ТЕХНОЛОГИИ щщ™

Том 3

форму треугольной призмы с отводами по углам для соединения с трубами. В кронштейн (рис. 6) интегрированы металлические вставки, предназначенные для юстировки и фиксации контррефлектора. Для соединения опоры с основанием в рефлекторе выполнены отверстия, через которые проходят стойки.

Рис. 7. Расположение прецизионного позиционера

Контррефлетор представляет собой оболочку в форме гиперболоида вращения с интегральной реберной структурой. Рабочая поверхность контррефлектора отформована с высокой точностью. Реберная структура обеспечивает оболочке жесткость. Ребра имеют выступы в виде пластин, предназначенные для соединения с кронштейном. Соединение выполняют после процедуры юстировки взаимного положения контррефлектора с рефлектором. Точную установку контррефлектора осуществляют при помощи прецизионного позиционера, который обеспечивает позиционирование по трем ортогональным направлениям. Позиционер монтируют на опору контррефлектора (рис. 7). Соединяют рефлектор путем заливки компаунда в полости во вставках, в которые помещены пластины контррефлектора.

Производят формовку композиционного материала любым из известных способов.

Рис. 8. Формообразующая оснастка для тыльной оболочки рефлектора

После формования деталей происходит сборка антенны. Для этого используют сборочное приспособление, которое обеспечивает соосность фронтальной и тыльной оболочек [11]. Основой данного приспособления является формообразующая оснастка для фронтальной оболочки с дополнительными центрирующими элементами, которые обеспечивают соосность двух оболочек. Приспособление имеет прижимы, которые обеспечивают равномерное прижатие отбортовки на тыльной оболочке к фронтальной оболочке для получения качественного клеевого соединения. Затем соединительная оболочка и основание скрепляются с помощью клея. Полученную сборку подвергают механической обработке. Далее устанавливают опору контррефлектора и выполняют измерение формы фронтальной оболочки. Диаграмма отклонений формы оболочки от теоретической приведена на рис. 9. Значение СКО равно 0,0385 мм. После устанавливают остальные части антенны и производят юстировку. Затем антенна проходит измерения радиотехнических характеристик (РТХ). При удовлетворительных значениях параметров РТХ производят фиксацию всех элементов антенны.

• 2.    Технология изготовления

• 3.    Параметрический анализ

  Таблица 2

  
  

Изготовление антенны включает следующие основные этапы: формование деталей из композиционного материала; сборка (склеивание) оболочек рефлектора; механическая обработка; установка облучателя и контррефлектора и их юстировка [7; 14].

Для изготовления фронтальной оболочки рефлектора используют формообразующую оснастку, изготовленную из материала с низким коэффициентом линейного теплового расширения – например, из инвара [10]. Материалом оснастки для тыльной оболочки может служить конструкционная сталь. Пример внешнего вида оснастки приведен на рис. 8.

Рис. 9. Диаграмма отклонений формы рефлектора

Для определения оптимальных геометрических параметров рефлектора был проведен параметрический анализ, в котором оценивались частоты колебаний конструкции [15]. Определение частот и форм колебаний осуществлялось с помощью конечно-элементного пакета MSC Nastran [1]. Cхема конструкции с геометрическими параметрами представлена на рис. 10.

F

Рис. 10. Схема конструкции с геометрическими параметрами

На рис. 10 показаны следующие геометрические параметры: D – диаметр апертуры рефлектора; D ₁ – диаметр сопряжения тыльной и отражающей оболочек; D ₂ – диаметр линии сопряжения тыльной оболочки и центральной вставки; a – высота внешнего цилиндрический пояса тыльной оболочки; b – высота центральной вставки – строительная высота рефлектора в центре; с – высота цилиндрического участка для установки опоры облучателя; k – величина прогиба образующей тыльной оболочки; R – радиус кривизны тыльной оболочки; f – фокусное расстояние – длина отрезка, соединяющего точку фокуса параболоида и его вершину.

Параметры D , D ₂, D ₃, с , k , f в анализе являются постоянными величинами; их значения приведены в табл. 1. Варьируемыми величинами при параметрическом анализе являются величины D ₁, a , b . Их значения приведены в табл. 2.

Таблица 1

Значения параметров D , D ₂, D ₃, с , k , f

Параметр	Значение, мм
D	800
D 2	120
D 3	240
c	20
k	10
f	230

Диапазоны изменений варьируемых параметров D ₁, a , b

D 1, мм	a , мм	b , мм
600	10	40
720	30	70
800	50	100

В параметрическом анализе были рассмотрены три варианта сочетаний варьируемых параметров. Каждый вариант предполагает варьирование одним из параметров, при этом два других становятся постоянными. Варианты сочетаний параметров приведены в табл. 3. На рис. 11 показаны сечения рефлектора для всех расчетных вариантов. Черный цвет линий соответствует варианту 1, красный – варианту 2, зеленый – варианту 3.

Таблица 3

Варианты сочетаний варьируемых параметров

Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
D 1, a – const b – var	D 1, b – const a – var	b , a – const D 1 – var

Расчетные значения массы и основной частоты колебаний представлены в табл. 4. Типичные формы колебаний конструкции для пяти первых тонов представлены на рис. 12.

Рис. 11. Сечения рефлектора для всех расчетных вариантов

Проведенный параметрический анализ показал, что изменения различных геометрических параметров вносит различный вклад в изменение основной частоты колебаний рефлектора. Наиболее существенный прирост частоты первого тона при незначительном увеличении массы дает увеличение высоты центральной части рефлектора (параметр b ). Изменение высоты рефлектора вблизи апертуры (параметр a ) малоэффективно. Уменьшение параметра D ₁ приво-

Том 3

дит к снижению значения собственной частоты колебаний. Этот параметр не должен быть меньше значения 0,9D.

Таблица 4

Расчетные значения массы и основной частоты колебаний конструкции антенны

Расчетный вариант	Варьируемый параметр, мм	Масса, кг	Частота колебаний, Гц
1	b = 40	0,59	197,1
	b = 70	0,606	238,8
	b = 100	0,62	266,3
2	a = 10	0,594	266,9
	a = 30	0,606	238,8
	a = 50	0,62	217,6
3	D 1 = 600	0,6	143,6
	D 1 = 720	0,606	238,8
	D 1 = 800	0,625	219,5

Рис. 12. Типичные формы колебаний конструкции для пяти первых тонов

На основании проведенного анализа, исходя из требований по частоте собственных колебаний в 200 Гц, были выбраны геометрические параметры для проектируемого рефлектора. Эти параметры имеют следующие значения: D ₁ = 720 мм, a = 30 мм, b = 70 мм. При таком наборе параметров требование по частоте собственных колебаний выполняется с некоторым запасом.

• 4.    Испытания антенны

Для подтверждения работоспособности антенны в условиях, близких к эксплуатационным в составе космического аппарата на орбите, был проведен комплекс испытаний, который включает в себя: измерения РТХ; испытания на воздействие механических нагрузок; испытания на воздействие экстремальных температур и вакуума (термоциклирование); измерения деформаций антенны под воздействием экстремальных температур [6].

Измерения РТХ антенны проводились на сканере ближнего поля. Сканер представляет собой двухкоординатную подвижную в вертикальной плоскости платформу с зондом. Сам сканер смонтирован в безэховой камере. Стены камеры покрыты радиопоглощающим материалом, который предотвращает отражение радиосигнала от стен камеры.

Антенна располагается в непосредственной близости от сканера на возвышении от пола не менее 1,5 м (рис. 13–14). На вход антенны подается слабый СВЧ-сигнал и антенна формирует направленное электромагнитное поле. Зонд сканера движется по программе и делает остановки в узлах прямоугольной сетки с шагом λ (длина волны) для измерения амплитуды и фазы поля. Создается матрица амплитудно-фазового распределения в плоскости апертуры антенны. Затем программа преобразует матрицу в пространственную диаграмму направленности и строит ее графический вид.

Рис. 13. Схема установки антенны при измерениях РТХ: 1 – испытуемая антенна; 2 – переходник;

3 – опорно-поворотное устройство «ORBIT»;

4 – измерительный прибор; 5 – приборный стол;

6 – щит из радиопоглощающего материала типа СМП-4; R п ≥1,5 м

Две кривые (красная и синяя) являются сечениями диаграммы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. По диаграмме направленности антенны можно судить о форме луча: его ширине, максимальной амплитуде (коэффициенте усиления), симметричности диаграммы по плоскостям сечения, уровнях боковых лепестков. В данном случае все требования к этим характеристикам обеспечены.

На конструкцию космического аппарата при его выведении на орбиту воздействуют динамические вибрационные и акустические нагрузки. Динамические нагрузки могут вызвать деформирование и разрушение антенны. Для создания нагрузок, соответствующих участку выведения космического аппарата, используют вибрационный стенд. Антенна устанавливается на массивную плиту, которая крепится к стенду (рис. 16). На антенну прикрепляют вибрационные датчи-

Рис. 14. Антенна на сканере ближнего поля

ки и акселерометры, необходимые для измерения амплитуды, частоты колебаний и ускорения. Измерительные устройства позволяют контролировать соответствие между динамическими нагрузками, создаваемыми вибростендом. Антенна подвергалась воздействию синусоидальной и случайной вибрации. Испытания на синусоидальную вибрацию проводились для трех диапазонов изменения частот колебаний: 5–10 Гц, 10–20 Гц и 20–100 Гц. Виброускорения в соответствующих диапазонах принимали значения 4 g , 12 g и 20 g . При испытаниях на случайную вибрацию антенна подвергалась смеси механических нагрузок, частота которых менялась от 20 Гц до 2000 Гц. В этих испытаниях PSD (Power Spectral Density) находилась в диапазоне от 0,8 g ²/Гц до 0,4 g ²/Гц.

Рис. 15. Диаграмма направленности антенны

ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 16. Антенна на вертикальном вибростенде

Том 3

другие элементы антенны прикрепляли 52 уголковых отражателя (рис. 19), которые обеспечивали отражение луча обратно в камеру. Таким образом получали данные о расстоянии до того или иного отражателя и его смещении.

Рис. 17. Антенна на вертикальном вибростенде

Испытания на воздействие температуры проводились в климатической вакуумной камере. Температура внутри камеры изменялась от -140 °С до +140 °С. Данные температуры соответствует расчетным значениям для данной антенны и расширены на 10 °С. Для проведения испытаний антенна крепилась к технологической раме, как показано на рис. 17. На раме устанавливались ламповые нагреватели. Контроль температуры осуществлялся с помощью датчиков, наклеенных на различные элементы антенны. Рама с прикрепленным излучателем помещалась в вакуумную камеру, из которой откачивали воздух до давления 10–5 Па. Ламповые нагреватели доводили температуру антенны до +140 °С. Затем в криоэкраны вакуумной камеры подавали жидкий азот и антенна охлаждалась до температуры -140 °С. В процессе испытаний выполнялось пять таких циклов изменения температуры. После каждого вида испытаний выполняли внешний осмотр антенны на наличие дефектов, а также проводили измерение ее РТХ. Выполненные работы подтвердили прочность композиционной конструкции антенны. Радиотехнические измерения не выявили сколько-нибудь значимого изменения РТХ антенны после проведенных испытаний.

Для подтверждения стабильности геометрических параметров антенны при воздействии экстремальных температур и вакуума были проведены испытания на температурные деформации. Для этого в термобарокамере установлена технологическая рама, в верхней части которой располагалось измерительное оборудование – камера с лазерным дальномером в герметичном корпусе. Антенна устанавливалась на нижнюю платформу рамы (рис. 18). На поверхность рефлектора и

Рис. 18. Антенна в термобарокамере

Для создания положительной температуры вокруг антенны снизу были установлены нагревательные лампы. Отрицательную температуру обеспечивали криоэкраны камеры, по которым проливали жидкий азот. Для контроля температуры на элементах антенны были закреплены температурные датчики. Температурные режимы, при которых проводились измерения, приведены в табл. 5.

Рис. 19. Расположение уголковых отражателей

Таблица 5

Температурные режимы испытаний

Обозначение режима	Температура, T , °С	Давление, P , мм рт. ст.	Время выдержки режима перед измерением, t , ч
1НУ	+23	745	1
1ВК (+22)	+22	10 –5
– 25	– 25
– 50	– 50
– 75	– 75
– 100	– 100
– 130	– 130
– 130 (15 ч)	– 130
2ВК (+28)	+28		15
+75	+75		1
+100	+100
+130	+130
3ВК (+29)	+29
2НУ (+23)	+23	745

Примечание: режимы 1НУ, 2НУ – нормальные условия: комнатная температура и атмосферное давление; режимы 1ВК, 2ВК, 3ВК – в камере комнатная температура и вакуум.

Измерения на каждом из температурных режимов проводились 6 раз, рассчитывались средние значения для каждого отражателя. Из массива данных исключались точки с отклонением от среднего значения больше чем на 0,08 мм.

В качестве отклонений определялись нормальные (по нормали к поверхности рефлектора) составляющие перемещений отражателей.

Величины отклонений по режимам и сводные данные (количество измеренных точек, СКО точек от поверхности, максимальные отрицательные и положительные отклонения) записывались в таблицу. Карты отклонений для наиболее характерных режимов представлены графически на рис. 20–22.

Рис. 20. Карта отклонений перемещений для режима 1ВК (+22 °С)

Рис. 21. Карта отклонений перемещений для режима –130

Анализ результатов, полученных в процессе испытаний, показал, что максимальные деформации под воздействием экстремальной температуры на рефлекторе и других элементах антенны не превышают 0,3 мм и имеют равномерное распределение. Такие деформации не приводят к критичным ухудшениям РТХ антенны в процессе ее эксплуатации.

-

Рис. 22. Карта отклонений перемещений для режима +130

Таким образом, антенна прошла все требуемые для наземной экспериментальной отработки виды испытаний и может быть допущена к летным испытаниям в составе космического аппарата.

Заключение

В статье рассмотрен вариант оригинальной конструкции космической высокочастотной осе-

Том 3

симметричной зеркальной антенны сверхлегкого класса. Корпус антенны состоит из нескольких сопряженных углепластиковых оболочек, которые обеспечивают жесткость конструкции. Удельная масса рефлектора новой конструкции составляет 0,8 кг/м². Разработана технология изготовления антенны, которая позволила создать оболочку рефлектора с минимальными отклонениями от параболоида вращения. С помощью метода конечных элементов выполнен модальный анализ антенны. На основе этого анализа были определены геометрические параметры, обеспечивающие максимальную жесткость конструкции, величина которой оценивалась по первой частоте колебаний. Результаты расчетов были использованы при создании опытного образца зеркальной антенны. Показано, что созданная антенна обладает параметрами, необходимыми для генерации остронаправленного электромагнитного излучения в Q и V частотных диапазонах. Был проведен комплекс испытаний, который включает в себя: измерения РТХ; испытания на воздействие механических нагрузок; испытания на воздействие экстремальных температур и вакуума; измерения деформаций антенны под воздействием экстремальных температур. Эти испытания позволили сделать вывод о том, что исследованная конструкция обладает высокими эксплуатационными характеристиками и может быть использована в системах современной космической связи.