КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМИРУЕМОЙ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Полный текст

Введение. Одним из основных требований к параболическим антеннам является соблюдение условий по исполнению заданной кривизны формообразующей поверхности [1; 2]. В случае трансформируемых антенн, когда отражающая поверхность расправляется и натягивается при переводе из транспортировочного положения в рабочее, это требование обеспечивается высокой жесткостью конструкции. При низкой жесткости неизбежно взаимное геометрическое смещение интерфейсных точек крепления отражающего полотна к конструкции, что влечет к отклонениям формы отражающей поверхности от номинальной. Другим важнейшим аспектом проектирования космической техники является снижение конечной массы изделия. Наиболее характерной чертой проектирования различных систем космических аппаратов является поиск компромисса между снижением массы изделия и, как следствие, снижением жесткостных и прочностных характеристик конструкции [3; 4]. Описание конструкции. Объектом исследования является конструкция параболической антенны космического назначения. На рис. 1 изображена антенна в рабочем положении. Габаритные размеры отражающей поверхности, под которые проектировалась конструкция, представлены на рис. 2. В основе концепции конструкции лежит использование тонкостенного (толщина до 1 мм) тора. Тор может иметь круглое или овальное сечение (рис. 3). В случае овального сечения большая полуось овала может быть направлена под углом к оси вращения тора. Тор разбит на равные сегменты. В торцах сегментов установлены трехслойные сотовые проставки, на которые крепятся элементы шарнирных узлов (ШУ), замки зачековки, элементы системы синхронизации раскрытия (ССР) и пр. (рис. 4). Для транспортировочного положения предлагаются схемы складывания тора, представленные на рис. 5 и 6. Рис 1. Объект исследования - параболическая антенна в рабочем положении Рис. 2. Геометрические размеры отражающей поверхности в г а б Рис. 3. Варианты исполнения сечения тора: а - круглое; б - овальное прямое; в, г - овальное косое Рис. 4. Конструкция механического устройства раскрытия и зачековки: 1 - места установки замков зачековки в рабочем положении; 2 - трехслойная сотовая проставка; 3 - ось вращения ШУ Подпись: 7070 Рис. 5. Тор из четырех сегментов: 1 - проставка; 2 - тонкостенный сегмент тора; 3 - интерфейсные узлы крепления отражающего полотна; 4 - места установки замков зачековки в транспортировочном положении 500 Подпись: 7500 Рис. 6. Тор из шести сегментов Разбивание тора на восемь сегментов практически не ведет к дальнейшей компактизации конструкции. Так, длина конструкции в транспортировочном положении 7650 мм для тора из восьми сегментов, ширина 850 мм против 7500 мм и 1100 мм соответственно для тора из шести сегментов. Описание механических устройств. В транспортировочном положении конструкция удерживается при помощи замков, расположенных на проставках, согласно рис. 5. Замки соединяют проставки противоположных сегментов, обеспечивая жесткость конструкции. Количество замков равно количеству сегментов в исполнении. ШУ соединяют соседние сегменты тора. В ШУ расположены пружины кручения, которые обеспечивают раскрытие конструкции в рабочее положение [5]. ССР обеспечивает одинаковое время раскрытия всех ШУ. При этом ШУ1 и ШУ4 (рис. 7) конструкции раскрываются с большей скоростью по отношению к остальным ШУ, поскольку проходят больший угол при раскрытии. ССР представляет собой систему тросов и роликов, находящихся в осях ШУ. Схематичное представление ССР - на рис. 7. При использовании электромеханического привода (ЭМП) исполнение с четырьмя сегментами является самосинхронизированным и в дополнительной ССР не нуждается. Электромеханический привод вводится в ось одного из ШУ для регулирования скорости раскрытия. ЭМП работает в режиме сдерживания, поглощая энергию пружинных приводов, и предотвращает удар при раскрытии. Регулирование скорости раскрытия также играет важную роль в развертывании отражающего полотна [6]. В рабочем положении жесткость конструкции обеспечивается замками зачековки, расположенными в соответствии с рис. 4. Соседние сегменты зачековываются при помощи трех замков, что исключает перемещение проставок вдоль всех степеней свободы. Расчет динамики раскрытия. Расчет динамики раскрытия производится с целью определения таких параметров раскрытия, как время раскрытия, нагрузки в ШУ, нагрузки в ССР, нагрузки на ЭМП [7-9]. Раскрытие производится пружинными приводами. В оси каждого ШУ установлена пружина кручения. Диаграмма пружины приведена на рис. 8. Моменты системы синхронизации, действующие в каждой паре ШУ, определяются по формулам Мcci = Ccc·Ri·(φi·Ri - φi+1·Ri+1), Мcci+1 = Ccc·Ri+1·(φi+1·Ri+1 - φi·Ri), где Ссс - приведенная жесткость каната системы синхронизации и роликов; ji, ji+1 - углы раскрытия пары синхронизируемых шарнирных узлов; Ri = 0,04 м - радиусы роликов системы синхронизации в ШУ1 и ШУ4; Ri+1 = 0,02 м - радиусы роликов системы синхронизации в шарнирных узлах ШУ2, ШУ3, ШУ5 и ШУ6. На рис. 9 изображены графики угловых скоростей раскрытия различных ШУ при скорости на выходном валу привода ωЭМП = 5 °/с. На рис. 9, б изображен характерный график скорости в ШУ, раскрываемом со сдерживанием ССР. На графиках можно выделить характерные участки раскрытия. При t = 0-10 с расчековавшиеся сегменты пытаются раскрыться со скоростью, превышающей скорость выходного вала ЭМП. ССР сдерживает раскрытие, в результате чего возникают колебательные движения сегментов. При t ≈ 10 с происходит почти полное демпфирование колебаний, далее система раскрывается плавно. При t ≈ 24 с происходит зачековка в рабочем положении. Конструкция в процессе раскрытия изображена на рис. 10. На рис. 11 изображен график момента, приходящего на выходной вал ЭМП, в зависимости от угла раскрытия ШУ1. Таким образом, ЭМП работает в режиме сдерживания. На рис. 12 изображен характерный график зависимости усилия в одном тросе ССР от времени раскрытия. Натяжение формообразующей поверхности отражателя. Натяжение полотна осуществляется системой тросов. Предположительно, для целей натяжения тросов может быть использован ЭМП, установленный для регулирования скорости раскрытия конструкции. Система натяжения представлена на рис. 13. Рис. 7. Система синхронизации раскрытия: 1 - сегменты тора; 2 - тросы ССР; 3 - ролики; 4 - ЭМП; 5 - ШУ Рис. 8. Диаграмма пружин раскрытия а б Рис. 9. Угловая скорсть в ШУ: а - в ШУ1; б - в ШУ3 t = 0 t > 24 c t = 6,5 c t = 18 c Рис. 10. Этапы раскрытия конструкции Рис. 11. Момент на выходном валу ЭМП Рис. 12. Сила в тросах ССР. Ветка, синхронизирующая сегменты 1 и 3 При натяжении параболической поверхности полотна происходит изменение ее формы. Как следствие, изменяется фокусное расстояние антенны. Для оценки диапазона усилий натяжения полотна была решена задача по определению перемещений точек поверхности полотна при натяжении в конечно-элементной постановке. На рис. 14 изображена конечно-элементная модель (КЭМ) полотна. Модель содержит 1080 элементов типа PLATE, один элемент типа RIGID и 11111 узлов. Материал полотна имеет модуль упругости E = 1010 Па, толщина 0,5 мм. К интерфейсным узлам приложена нагрузка в виде перемещения, перпендикулярно оси вращения параболоида. В качестве решателя используется пакет вычислений NASTRAN [10-12]. На рис. 15 изображена зависимость перемещений интерфейсных точек от силы натяжения полотна. Полученные измененные координаты точек поверхности при натяжении были квадратично интерполированы. Для полученной параболы вычислено фокусное расстояние. График зависимости величины фокусного расстояния от перемещений интерфейсных узлов при натяжении представлен на рис. 16, выявлена линейная зависимость, которая для данной параболической поверхности может быть представлена в виде следующей формулы: F′ ≈ F + 3,75·∆, где F′ - фокусное расстояние при натяжении; F - фокусное расстояние ненагруженного полотна; ∆ - перемещение интерфейсного узла. Данная зависимость справедлива для малых перемещений интерфейсных точек при натяжении. Потеря устойчивости тора. Произведена оценка возможности потери устойчивости тора при натяжении отражающего полотна [13-15]. Формы потери устойчивости для разного количества интерфейсных точек представлены на рис. 17. Рис. 13. Схема натяжения отражающего полотна: 1 - трос; 2 - направление натяжения троса; 3 - направление натяжения полотна; 4 - ролики; 5 - полотно Описание: f:\Lopatin\render\tarel.jpg Рис. 14. КЭМ отражающего полотна Рис. 15. Зависимость перемещений интерфейсных узлов от силы натяжения Рис. 16. График зависимости величины фокусного расстояния от перемещения интерфейсных узлов а б в г Рис. 17. Формы потери устойчивости тора: а - две интерфейсные точки; б - три интерфейсные точки; в - девять интерфейсных точек; г - восемнадцать интерфейсных точек Для всех случаев нагружения критическое усилие на несколько порядков выше усилия, полученного при натяжении полотна. Потери устойчивости тора не происходит. Заключение. В статье представлен вариант конструкции параболической антенны. Показаны подходы к решению различных задач проектирования конструкции. Исходя из результатов расчета динамики раскрытия, подбираются материалы и конфигурация элементов зачековки, ССР, ЭМП. Анализ смещения фокусного расстояния при натяжении отражающего полотна позволяет выбрать необходимую силу его натяжения. Анализ потери устойчивости конструкции необходим для выбора оптимального количества интерфейсных точек крепления полотна к конструкции. В рамках данной статьи не были охвачены анализ надежности раскрытия, позволяющий спрогнозировать вероятность безотказной работы изделия, модальный анализ, показывающий жесткостные свойства конструкции, и т. д.

Об авторах

З. А. Казанцев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: flexagon3@rambler.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы