CC BY
23УДК 621.9.02
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ РАЗМЕРОСТАБИЛЬНЫХ РЕФЛЕКТОРОВ АНТЕНН КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
М. А. Гордовенко, М. М. Михнёв
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Представлены результаты теоретического расчета деформаций оправки, подставки и приспособления под собственным весом в зависимости от различной конструкции и материала подставок. Расчёт позволяет оптимизировать конструкцию приспособления и гарантированно изготавливать размеростабильные рефлектора антенн космического аппарата из полимерных композиционных материалов с заданной точностью.
Ключевые слова: деформации, приспособление для формования, рефлектор, космический аппарат, антенна.
THE STRUCTURAL ANALYSYS OF THE WORK TOOL FOR THE MOULDING HIGH STABILITY DIMENSION REFLECTORS FOR THE SPACECRAFT ANTENNA
M. А. Gordovenko, М. М. Mikhnev
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article presents the results of theoretical calculation the displacement a die-mould, support work tool by gravity as function of different constructs and material. The calculation allow optimize a construction of the work tool and guarantied manufacture to the specified accuracy from polymer composite material of the high stability dimension reflectors for the space craft antenna.
Keywords: displacement, work tool for moulding, reflector, spacecraft; antenna.
Наиболее сложным элементом антенны космического аппарата (КА) связи с точки зрения изготовления и поведения в условиях космоса является рефлектор. Требования, предъявляемые к зеркальным антеннам, устанавливаемым на космических аппаратах, вынуждают прибегать к использованию самых современных конструкций, технологий и материалов. Одной из наиболее технически сложных проблем является обеспечение прецизионной точности и качества состояния отражающей поверхности углепластиковых рефлекторов зеркальных антенн, особенно для антенн, работающих в Ка, Р-диапазонах. Крупногабаритные размеростабильные рефлектора антенн КА из полимерных композиционных материалов изготавливаются методом вакуумного формования, на формообразующей оснастке, которая должна обеспечить прочностные свойства, точность и шероховатость поверхности будущего зеркала отражателя антенны [1].
На точность рефлектора, влияют следующие факторы:
- физико-механические характеристики полимерного композиционного материала (модуль упругости, прочности при растяжении, сжатии, изгибе, плотность, теплопроводность и т. д.) зависящие от материала волокна и связующего, схема армирования, количество слоев, толщина и ширина препрега, направление волокон в препреге;
- конструкция и габариты рефлектора;
- режимы полимеризации приспособления и рефлектора (температура, давление, скорость нагрева и охлаждения и т. д.);
- физико-механические характеристики материала приспособления для формования;
- конструкция приспособления для формования;
- остаточные напряжения и деформации в конструкции отражателя после изготовления, связанные с процессом полимеризации, нагревом и последующим охлаждением отражателя и оснастки.
- погрешность (точность) изготовления формообразующей поверхности оправки.
Таким образом, уменьшение отклонения рабочей поверхности формообразующей оправки от теоретически заданной, составляет один из основных резервов повышения точности изготовления крупногабаритных размеростабильных рефлекторов антенн КА из ПКМ.
Следовательно, одной из актуальных задач в настоящее время становится разработка оптимальной конструкции оправки и внедрение технологического процесса изготовления высокоточных приспособлений для формования рефлекторов антенн КА [2].
Формообразующая поверхность оправки описывается уравнением, в соответствии с поверхностью (формой) и системой координат изготавливаемого рефлектора. Формообразующая поверхность оправок может быть осесимметричной (параболоид вращения полного профиля), неосесимметричной (вырезкой из
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
параболоида вращения, в т. ч. эллиптическая вырезка) и со специальным профилем (контурные) [3; 4].
Материал приспособления для формования оказывает значительное влияние на точность изготавливаемого рефлектора. Процесс полимеризации, связанный с нагревом и последующим охлаждением рефлектора и оснастки, является одной из основных причин появления в рефлекторе остаточных напряжений и деформаций (коробления) после процесса полимеризации. Таким образом, коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) материала оснастки и композита должен быть близок по величине, особенно если ее линейные размеры велики.
В качестве материала оправок можно использовать инварные сплавы, высокоплотный мелкозернистый графит, эвкриптитбетон, стеклокерамику, композиционные материалы.
Наиболее часто используется инварный сплав (33 НКУЛ) 33%№. Сплав обладает низким ТКЛР в расширенном интервале температур: средний КЛТР в интервалах температур от минус 60 до +200 °С не превышает 3,5-Ш-6 К-1 [5].
Данные для ра(
Методом конечных элементов при помощи ПО МЕС Ра1тап в следующей последовательности выполнен расчёт:
- деформаций конструкции оправки под собственным весом из материала 33НКУЛ исходя из толщины свода формообразующей поверхности оправки равной
20 мм;
- деформаций конструкций подставок под весом оправки из материала 33НКУЛ и СЧ20;
- деформации конструкции приспособления для формования рефлекторов из материала подставки СЧ20.
Исходные данные для расчёта приведены в табл. 1.
На рисунке показана деформация приспособления для формования рефлектора диаметром 1500 мм, для подставки из материала серый чугун марки СЧ20.
Максимальная деформация оправки с подставкой составляет 20,7 мкм, при этом остаточной (пластической) деформации не наблюдается.
В табл. 2 систематизированы результаты деформаций конструкций подставок и приспособления в зависимости от материала.
Таблица 1
та деформаций
Параметр Материал Примечание
33НКУЛ СЧ20
Модуль упругости, ГПа 125 110 -
Плотность, кг/м3 7700 7100 -
Коэффициент Пуассона 0,25-0,28 0,23-0,27 -
Масса оправки, кг 582 - Для оправки рабочим диаметром 1500 мм
Масса подставки (конструкция 1), кг 850 782
Масса подставки (конструкция 2), кг 552 509
Деформации приспособления для формования рефлектора диаметром 1500 мм на подставке конструкция № 1 из материала подставки СЧ20
Таблица 2
Результаты деформаций конструкций подставок и приспособления в зависимости от материала
Наименование ДСЕ Материал подставки Перемещение, мкм
Оправка 33НКУЛ 6,9
Подставка (конструкция № 1) 34НКУЛ 36,5
СЧ20 42,5
Подставка (конструкция № 2) 34НКУЛ 10,3
СЧ20 11,5
Приспособление для формования конструкция № 1 СЧ20 20,7
Выводы.
1. В связи с тем, что механические свойства применяемых материалов практически совпадают разница между деформациями (перемещениями) одинаковых конструкций подставок и оправок незначительна, характер деформаций идентичный.
2. Предварительные результаты расчета деформаций оправок под собственным весом показывают, что максимальное перемещение возникает в центральной области приспособления. Максимальные напряжения возникают на концах ребер в месте соединения с плоскостью оправки, возникшие напряжения не достигают значений пластической деформации, таким образом, остаточные напряжения в конструкции оправки отсутствуют.
3. Наибольший интерес представляет расчет температурных деформаций приспособлений, так как основной операцией изготовления рефлекторов является процесс полимеризации. Оптимальная конструкция оправки (толщина свода формообразующей поверхности) совместно с оптимальными режимами дают возможность уменьшить напряженно-деформированное состояние рефлектора, следовательно, возможно уменьшить отклонения рефлектора от теоретической поверхности.
4. Необходимо продолжить расчет приспособлений для формования, варьируя конструкцией оправки (в том числе толщиной свода), подставки, применяемого материала для поиска оптимальной конструкции с минимальной деформацией.
5. Для увеличения точности расчетов необходимо:
- максимальное приближение разработанной математической модели конструкции приспособления (3Б модели) с реальной конструкцией приспособления;
- определить и применить реальные значения основных физико-механических характеристик (Е, 5, а, с и др.) применяемых материалов.
Библиографические ссылки
1. Способ изготовления оправок для формования размеростабильных углепластиковых рефлекторов антенн КА / В. В. Злотенко, А. Г. Масанов, М. А. Гор-довенко и др. // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем :
материалы науч.-техн. конф. мол. спец. ОАО «ИСС» им. акад. М. Ф. Решетнева, посвящённой 50-летию полёта в космос Ю. А. Гагарина ; под общ. ред. Н. А. Тестоедова ; ОАО «ИСС». Железногорск, 2012. С. 299-301.
2. Способ изготовления рефлектора : пат. 2563198 Рос. Федерация: № 2013155354/08 ; заявл. 12.12.2013 ; опубл. 20.09.2015, Бюл. № 26. 6 с.
3. Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ / под ред. Г. З. Айзенберга. В 2 ч. Ч. 1. М. : Связь, 1977.
4. Устройство для формования изделий сложной формы из полимерных композиционных материалов : заявка на изобретение 21613378 Рос. Федерация.
5. Формообразующая оснастка из литейных инваров в технологии ПКМ / А. Р. Ушаков, М. М. Михнев, В. И. Череменский и др. // Композитный мир. 2013. № 6 (51). С. 32-33.
References
1. Zlotenko V. V., Masanov A. G., Gordovenko M. A. i dr. Sposob izgotovlenija opravok dlja formovanija raz-merostabil'nyh ugleplastikovyh reflektorov antenn KA//Razrabotka, proizvodstvo, ispytanija i jekspluatacija kosmicheskih apparatov i system : Materialy nauch.-tehn. konf. mol. spec. OAO "ISS" im. ak. M. F. Reshetneva", posvjashhjonnoj 50-letiju poljota v kosmos Ju. A. Ga-garina / pod obshh. Red. N. A. Testoedova ; OAO «ISS». Zheleznogorsk, 2012. P. 299-301 (In Russ.)
2. Sposob izgotovlenija reflektora: pat. 2563198 Ros. Federacija: № 2013155354/08, zajavl. 12.12.2013; opubl. 20.09.2015, Bjul. № 26. 6 p.
3. Ajzenberg G. Z., Jampol'skij V. G., Tereshin O. N. Antenny UKV. Pod red. G. Z. Ajzenberga. V 2 ch. Ch. 1. M. : Svjaz', 1977.
4. Ustrojstvo dlja formovanija izdelij slozhnoj formy iz polimernyh kompozicionnyh materialov : zajavka na izobretenie 21613378 Ros. Federacija.
5. Formoobrazujushhaja osnastka iz litejnyh invarov v tehnologii PKM / A. R. Ushakov, M. M. Mihnev, V. I. Cheremenskij i dr. // Kompozitnyj mir. 2013, № 6 (51). P. 32-33 (In Russ.)
© Гордовенко М. А., Михнёв М. М., 2018
