LARGE TRANSFORMABLE PRECISION ANTENNA BASED ON SOLID REFLECTING PANELS

Full Text

Введение. Текущий уровень развития космических информационных систем связи привел к необходимости освоения диапазонов дециметровых и сантиметровых волн. Освоение данных частот также обусловлено тем, что частотный ресурс низких диапазонов к настоящему времени практически исчерпан. Системы связи, работающие в высоких диапазонах частот, способны более качественно решать обширный круг задач, актуальных в современном мире. В основном это организация высокоскоростных каналов связи. Перспективными задачами современных космических аппаратов с полезной нагрузкой, которая работает в высоких диапазонах длин волн, являются: - абонентская связь и ретрансляция; - исследование дальнего космоса; - обеспечение связи с космическими аппаратами, отправленными с дальние экспедиции; - другие задачи специального назначения. В настоящее время все эти направления активно развиваются за рубежном, на что указывают различные публикации и патентные документы [1-3]. Однако работа в высоких диапазонах частот накладывает ограничения на точность антенных систем, и, в частности, антенных рефлекторов. Среднеквадратичное отклонение рефлектора определяется как λ/50, где λ - длина волны. Например, для Ка-диапазона это значение составляет 0,2 мм. Также решение поставленных задач неразрывно связано с обеспечением узкой и стабильной диаграммы направленности космической антенной системы. А это, в свою очередь, подразумевает использование рефлектора больших габаритов, так как пропускная способность канала радиосвязи зависит от коэффициента усиления антенной системы, который напрямую связан с диаметром аппретуры рефлектора. Пропускная способность и скорость доступа возрастает квадратично при увеличении диаметра апертуры. Например, при увеличении диаметра антенны с 2 до 4 м пропускная способность возрастет в 4 раза [4-8]. 5. С другой стороны, размещение антенн большой апертуры на космическом аппарате невозможно ввиду ограниченности объёма под головным обтекателем ракеты-носителя. Для решения данной проблемы широко используются трансформируемые антенны зонтичного типа (рис. 1). http://img.poleznayamodel.ru/img_data/115/1154387.jpg Рис. 1. Трансформируемая антенна зонтичного типа: 1 - ребра; 2 - сетчатый материал Основу конструкции таких антенн составляет набор ребер, которые бывают жесткие, складные или гибкие, а отражающая поверхность формируется специальным сетчатым материалом, закреплённым на ребрах. Антенны такого типа имеют ряд преимуществ: - простота конструкции; - небольшая масса; - невысокая стоимость; - высокий коэффициент отношения габаритов рабочего положения к габаритам транспортировочного положения. Но использование в качестве отражающей поверхности сетчатого материала делает невозможным эксплуатацию антенн зонтичного типа в высоких диапазонах частот. Сетчатые рефлекторы способны обеспечить среднеквадратичное отклонение более 1 мм. При этом сетеполотно не всегда применимо с точки зрения мощности и частоты передаваемого СВЧ-сигнала [9; 10]. Все описанные выше требования и ограничения приводят к необходимости разработки и создания антенных систем с использованием крупногабаритных трансформируемых рефлекторов, которые имеют высокую точность отражающей поверхности. Решить эту задачу призваны рефлекторы на основе твердотельных отражательных элементов. Но разработка таких рефлекторов сопряжена с массой трудностей, основными из которых являются создание оптимальной кинематики трансформации и разработка силовой структуры. В данной работе предложена конструкция крупногабаритной трансформируемой антенны на основе твердотельных отражательных панелей, трансформируемый рефлектор которой имеет минимум подвижных частей, что позволяет получить высокую точность постановки отдельных элементов в контур отражательной поверхности и повысить надежность антенной системы в целом. С позиции создания оптимального соотношения массы и жесткости конструкции при сохранении требуемой точности антенной системы проведён анализ силовой структуры. Обзор существующих антенных систем с рефлектором на основе твердотельных отражательных панелей. Концепция SunFlower была разработана компанией TRW Inc (рис. 2) [11]. Данная концепция основана на радиальном разделении поверхности рефлектора на лепестки по линиям с небольшой кривизной. Раскрытие такой антенны осуществляется за счет шарниров между панелями, но значительного уменьшения размера достигнуть не удается. Модель диаметром 4,9 м имеет диаметр и высоту в сложенном состоянии 2,15 и 1,8 м соответственно. Усовершенствованная модель Sunflower, диаметр которой 15 м, складывается в цилиндр диаметром 4,4 м и высотой 6,6 м. Концепция SSDA (Solid Surface Deployable Antenna) разработана в Кембриджском университете (рис. 3, 4) [12]. Рефлектор разделен на несколько сегментов - крыльев, близких по форме к радиальным секторам. Каждое крыло поделено на несколько панелей. Складывание осуществляется синхронным поворотом крыльев до перевода их в вертикальное положение, затем происходит «закручивание» крыльев вокруг центральной неподвижной части рефлектора. Такая конструкция может содержать любое количество крыльев и панелей и обеспечивать высокий коэффициент трансформации по диаметру, так как криволинейные панели вложены одна в другую. Концепция DAISY разработана компаний ESA и Dornier [13]. Это осесимметричный складной рефлектор (рис. 5). Панели рефлектора имеют идентичную конфигурацию - радиальные секторы. Панели совершают синхронный поворот относительно центральной стационарной части рефлектора, при этом корневая ось панели имеет пространственное положение, при котором панели занимают минимальный объем в транспортировочном положении, не пересекаются и не соударяются при раскрытии. Подобное решение было использовано при построении рефлектора космической обсерватории «Радиастрон» разработки НПО имени Лавочкина и хорошо зарекомендовало себя при эксплуатации на орбите [14]. Рассмотренные выше концепции трансформируемых антенн имеют большое количество подвижных элементов. В основном это отражательные панели, которые формируют контур отражательной поверхности. Следовательно, необходимо использовать большое количество шарниров и узлов зачековки, что снижает надежность, жесткость конструкции и точность отражающей поверхности. Предлагаемая конструкция. В данной статье предлагается совершенно новая концепция конструкции крупногабаритной трансформируемой антенны, рефлектор которой состоит из 3-х крыльев. Каждое крыло состоит из 3 лепестков, соединенных между собой шарнирами (рис. 6). Рис. 2. Антенна Sunflower Рис. 3. Схема раскрытия рефлектора концепции SSDA Рис. 4. Лабораторная модель рефлектора концепции SSDA Рис. 5. Осесимметричный складной рефлектор концепции DAISY Рис. 6. Схема деления рефлектора Рис. 7. Антенна в рабочем положении Конструкция антенны разработана с учетом необходимости размещения в сложенном состоянии под головным обтекателем. Исходя из этих требований, антенна имеет две основные составные части - неподвижную и трансформируемую. Неподвижная часть состоит из статического основания, стационарной части рефлектора, стоек контррефлектора и контррефлектора. Трансформируемая часть определяется требованиями к сложенному состоянию и состоит из лепестков и подкосных механизмов. Стационарная часть рефлектора и лепестки после раскрытия образуют параболоид вращения с заданными геометрическими параметрами (рис. 7). Одним из важных элементов конструкции, обеспечивающим требуемую точность, является статическое основание, на котором закрепляется стационарная часть рефлектора, корневые лепестки, стойки контррефлектора и подкосный механизм рефлектора. Кроме того, основание является основным силовым элементом конструкции, воспринимающим нагрузки различного оборудования, размещаемого на ней, и передающим их на силовую конструкцию космического аппарата. Стойки контррефлектора представляют собой трубки прямоугольного сечения. Стойки соединяются на кронштейне контррефлектра и имеют сравнительно малую ширину по точкам установки, что позволяет обеспечить наибольшую эффективность работы рефлектора. При такой геометрии размеростабильность стоек ухудшается, но при этом затенение рефлектора уменьшается. Облучатель антенны крепится к статическому основанию и имеет возможность перемещаться вдоль фокальной оси рефлектора, что позволяет более качественно настроить радиотехнические характеристики антенны. Благодаря использованию подкосов достигается высокая точность постановки крыльев рефлектора в контур рабочей поверхности за счет того, что узел фиксации крыла располагается на значительном расстоянии от оси поворота [15]. Лепестки подвержены существенным термодеформациям, поэтому крепление лепестков к силовому каркасу рефлектора осуществляется с помощью узлов, которые позволяют регулировать положение рабочей поверхности лепестков относительно каркаса и одновременно не препятствуют перемещению лепестков в плоскости, касательной к рабочей поверхности. Размеростабильная силовая конструкция рефлектора представлена трубчатыми элементами. Крепление антенны на космическом аппарате осуществляется через статическое основание. Такое крепление позволяет выдерживать нагрузки, возникающие на активном участке выведения аппарата на орбиту. Кинематика трансформации. Рассмотрим более детально все этапы трансформации (рис. 8). В транспортировочном положении необходимо обеспечить высокую жесткость конструкции, это связано с наличием значительных нагрузок на этапе вывода спутника на орбиту. Поэтому предлагается следующая концепция закрепления всех частей рефлектора в транспортировочном положении (рис. 9). Корневые лепестки рефлектора в транспортировочном положении соединяются между собой упорами, установленными в верхних точках лепестков. Таким образом, корневые лепестки вместе с основанием рефлектора образуют единую силовую конструкцию, вокруг которой закручены остальные лепестки рефлектора. Для обеспечения целостности отражающей поверхности имеются упоры в местах соприкосновения тыльной части и рабочей поверхности лепестков. В транспортировочном положении закрученные лепестки радиально фиксируются при помощи троса. Процесс раскрытия антенны на орбите начинается с расстыковки фиксирующего троса. За счёт пружин, которые установлены в шарнирах между лепестками, происходит радиальное раскрытие периферийных лепестков, а затем и средних. Согласованное пошаговое раскрытие одноименных лепестков каждого крыла достигается благодаря использованию механизмов задержки раскрытия. Для того, чтобы избежать удара на конечном этапе раскрытия и в случае отказа пружин произвести дораскрытие, имеются приводы сдерживания раскрытия. После того, как периферийные и средние лепестки раскрыты, начинается конечный этап трансформации. На этом этапе крылья рефлектора переводятся в рабочее положение и зачековываются между собой, формируя контур отражательной поверхности и замыкая силовой контур рефлектора. Раскрытие крыльев также происходит под действием пружин и приводов сдерживания раскрытия. Для зачековки всех лепестков и крыльев между собой в рабочем положении используются замки с люфтовыбирателем, такое решение позволяет повысить точность постановки всех элементов в контур отражательной поверхности. Все звенья подкосных механизмов также фиксируются и организуют единый с силовой конструкцией рефлектора жесткостный контур. На рис. 10 показано расположение всех механических элементов трансформируемого рефлектора на примере одного крыла. Рис. 8. Схема трансформации рефлектора Рис. 9. Транспортировочное положение антенны Рис. 10. Расположение механических элементов Анализ конструкции. Точность отражающей поверхности рефлектора антенны является одним из важнейших параметров и напрямую зависит от выбора конструктивного исполнения. Для достижения требуемых точностей рефлектор должен обладать относительно высокой жесткостью и иметь низкую массу. Выбор конструктивного исполнения основывался на модальном анализе различных вариантов конструкций. Сначала проводился анализ рефлектора, который разделен на отдельные твердотельные панели (рис. 11). Диаметр анализируемого рефлектора равен 10 м. Сам рефлектор представляет собой трехслойную оболочку типа «сэндвича» толщиной 50 мм, состоящую из двух углепластиковых обшивок (со схемой армирования 0°/45°/-45°/90°, материал оболочек - высокомодульный углепластик, толщина оболочки - 0,52 мм) и кевларового сотового заполнителя. Тип элементов, имитирующих сэндвич-панель, - laminate. В конечно-элементной модели имитировалось жесткое соединение лепестков и крыльев рефлектора в точках размещения шарниров и узлов зачековки в рабочем положении, а также закрепление рефлектора в трёх точках вблизи центрального выреза. Первый тон колебаний рефлектора показан на рис. 12 и составляет 3,8 Гц. Третий и пятый тона составляют 5,6 и 7,9 Гц соответственно и показаны на рис. 13 и 14. Такая картина колебаний обусловливается наличием локальных деформаций в сэндвич-панели в местах расположения замков и шарнирных узлов. В рассматриваемом случае повышение жесткости конструкции возможно лишь при увеличении толщины сэндвич-панелей. Но такое решение не является оптимальным, так как при увеличении толщины крупногабаритного рефлектора значительно увеличивается и масса. При этом жесткость конструкции изменяется на незначительную величину. Поэтому для исключения локальных деформаций были введены силовые элементы - углепластиковые трубы, которые образуют подкосный механизм и силовую раму рефлектора (рис. 15). Конечно-элементная модель такой конструкции представлена на рис. 16. Тип элементов, которые имитируют подкосный механизм и силовую раму, - BEAM. Свойства - труба из углепластика диаметром 40 мм и толщиной 1,5 мм. Первый тон колебаний показан на рис. 17 и составляет 20,2 Гц. Рис. 11. Рефлектор с независимыми твердотельными панелями Не сплошной 1й тон Рис. 12. Первый тон колебаний Не сплошной 3й тон Рис. 13. Второй тон колебаний Не сплошной 5й тон Рис. 14. Третий тон колебаний Рис. 15. Силовая рама Рис. 16. КЭМ рефлектора с подкосными механизмами и рамой Не сплошной с подкосом 1й тон Рис. 17. Первый тон колебаний рефлектора с подкосными механизмами и рамой Максимальные деформации наблюдаются в частях рефлектора, наиболее удаленных от подкосного механизма, что вполне естественно. Использование подкосных механизмов и рамы позволило увеличить жесткость конструкции без значительного увеличения массы антенны в целом. Была проведена расчетная итерация с увеличением поперечного сечения стержней до 50 мм при той же толщине 1,5 мм, частота при этом повысилась на 15 %. В представленной конструкции имеются два основных параметра - толщина сэндвич-панелей и поперечное сечение труб. Варьируя этими параметрами, можно достигать оптимального соотношения жесткости и массы антенны с крупногабаритным трансформируемым рефлектором требуемого диаметра. Заключение. Предложенная в работе конструкция крупногабаритной прецизионной трансформируемой антенны на основе твердотельных отражательных панелей может быть применена в современных космических аппаратах связи. Применение антенн такой конструкции позволит повысить качество предоставляемых услуг абонентам и увеличит конкурентоспособность отечественных систем космической связи. В рамках проделанной работы были изучены различные концепции современных антенных систем на основе твердотельных отражательных панелей. Предложена принципиально новая схема трансформации крупногабаритного рефлектора, которая позволяет размещать антенну под обтекателем ракеты-носителя среднего и тяжелого класса. Разработана параметрическая модель конструкции, использование которой позволяет создавать оптимальные по соотношению «масса-жесткость» крупногабаритные трансформируемые антенны.

About the authors

D. A. Litovka

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: litovkada@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. B. Taygin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files