STATIC AND MODAL ANALYSIS OF THE POWER CONSTRUCTION OF THE PRECISION LARGE-SIZED ANTENNA REFLECTOR FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Full Text

Введение. В настоящее время системы на базе спутников HTS (High Throughput Satellite) характери- зуются использованием высоких частотных диапазо- нов, в том числе Ka (18,2-21,2 ГГц), Q (42,5-45,5 ГГц) и V (50-70 ГГц) [1]. Обеспечение широкополосных каналов связи требует создания крупногабаритных прецизионных рефлекторов антенн диаметром более 10 м, работающих в радиочастотных диапазонах Ka, Q и V. Задачей проектирования является достижение геометрической точности рабочей поверхности реф- лектора, выраженной через СКО [2] от номинальной формы , где n - объем выборки точек поверхности рефлектора; x - среднее арифметическое выборки; xi - элемент выборки, а также обеспечение стойкости к механическим воздействиям и климатическим факторам. Примерами крупногабаритных прецизионных реф- лекторов являются IRAM (30-метровый и 15-метровый телескоп, Испания, Франция), Tian Ma (65 м, Китай, США), CSO (10 м, Гаваи), APEX (12 м, Чили), ALMA (12 м, Чили) [3-7]. Приведенные примеры проектов являются радиотелескопами, СКО отражающей по- верхности которых варьируется от 0,015 до 0,03 мм при диаметрах до 12 м и до 0,3 мм при диаметре 65 м. Однако применение подобных технических решений для конструкций рефлекторов ЗССС неприемлемо из-за высокой стоимости и сложности технического обслуживания. Постановка задачи. Полимерные композицион- ные материалы на основе углеродных волокон имеют низкий коэффициент линейного теплового расшире- ния и высокий модуль упругости [8]. Задачей данной работы является разработка крупногабаритной инте- гральной размеростабильной конструкции рефлектора из ПКМ, работающего в диапазоне 42,5-45,5 ГГц с низким значением среднеквадратичного отклонения отражающей поверхности и высокой жесткостью кон- струкции. Допустимый интервал значений СКО для Q-час- тотного диапазона с длиной волны λ = 6,58-7,05 мм определяется соотношением σдоп = λ/50, что составля- ет 0,13 мм в случае отсутствия ветровой нагрузки, и соотношением σдоп = λ/12 [9], что составляет 0,55 мм в случае ее наличия. Описание модели. Разработанная модель рефлек- тора включает три части: силовой каркас, сегменты отражающей поверхности, ступицу [10; 11]. Силовой каркас - пространственная ферменная конструкция, предназначенная для обеспечения жест- кости, прочности и температурной размеростабильно- сти отражающей поверхности рефлектора (рис. 1). Разработанная конструкция рефлектора состоит из плоских ферм, которые упрощают ее изготовление, сборку и транспортировку. Плоские фермы собирают- ся отдельно, что обеспечивает высокую точность сборки. Совместно с дополнительными соединитель- ными стержнями плоские фермы монтируются под углом 58°30´ относительно нормали, восстановленной к основанию рефлектора. Предлагаемое решение по- ставленной задачи позволяет изготовить силовой кар- кас, состоящий из набора плоских ферм двух типов 5- рядных и 3-рядных (рис. 1, 2), дополненных стержня- ми, узлы которых соединяют между собой плоские фермы таким образом, что при сборке образуется пространственная конструкция с осевой симметрией. Стержни выполнены из углепластиковых труб диаметром 60 мм двух типов, с толщиной стенки 1,4 и 2,8 мм. Усиленные трубы располагаются в наиболее нагруженных частях силового каркаса - первом и втором ряду. В расчетах материал стержней счита- ется изотропным с модулем упругости 70 ГПа. Форма и габаритные размеры сегментов отра- жающей поверхности определяют расположение уз- ловых точек силового каркаса в результате решения оптимизационной задачи по определению простран- ственной структуры каркаса, удовлетворяющего экс- плуатационным требованиям. Сегменты - трехслойные оболочки, лицевая и тыльная поверхности которых выполнены из ПКМ, в качестве заполнителя используется конструкцион- ный пенопласт [12]. Ступица - сварная металлоконструкция цилинд- рической формы, имеет интерфейсные точки крепле- ния на опорно-поворотном устройстве. Результаты исследования. Предложенная модель рефлектора была проанализирована с помощью метода конечных элементов [13; 14] со следующими гранич- ными условиями: ветровая нагрузка 20 м/с в раскрыв рефлектора; воздействие гравитации на рефлектор, ориентированный на зенит. Силовой каркас модели- ровался балочными конечными элементами, сегменты - поверхностными конечными элементами. Сегменты жестко связаны с узлами силового каркаса. Точки крепления каркаса к ступице заданы жесткой заделкой. Ветровая нагрузка моделировалась как равномерно распределенное давление, приложенное к сегментам. Сила тяжести учитывалась пропорционально массе элементов конструкций для каждого узла конечноэлементной сетки. Расчетное значение СКО без ветровой нагрузки составляет 0,16 мм, включая тепловые деформации - 0,11 мм и гравитационные - 0,05 мм. При ветровых нагрузках вклад в деформации составляет 0,28 мм, и максимальное расчетное значение СКО увеличива- ется до 0,44 мм. Полученные значения СКО лежат в допустимом интервале отклонений для Q-диапазона. На рис. 3 приведен график зависимости СКО от диа- метра рефлектора, изготовленного из различных кон- струкционных материалов, который показывает, что применение углепластика позволяет получить круп- ногабаритную размеростабильную конструкцию. Проведённый модальный анализ силового каркаса рефлектора показал, что первая собственная частота составляет 47 Гц при массе конструкции около 800 кг, в то время как для аналогичных рефлекторов KAT-7 диаметром 12 м собственная частота составляет 4 Гц [15]. Это свидетельствует о высокой жесткости разра- ботанной конструкции. Заключение. Разработанная модель крупногаба- ритного рефлектора из полимерных композиционных материалов на основе угольных волокон обладает высокой жесткостью конструкции и СКО отражаю- щей поверхности в интервале от 0,13 до 0,55 мм, что обеспечивает стабильную работу ЗССС в диапазоне 42,5-45,5 ГГц. Рис. 1. Общий вид фермы рефлектора Fig. 1. General view of the reflector truss Рис. 2. Повторяющийся элемент фермы рефлектора (утолщенными линиями изображены плоские радиальные фермы) Fig. 2. Regular element of the reflector truss (the thickened lines show flat radial trusses) Рис. 3. График функции СКО Fig. 3. Standart deviation function graph

About the authors

A. Y. Vlasov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

N. A. Amel’chenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

K. A. Pasechnik

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

M. A. Titov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

M. V. Serzhantova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: 2074213@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files