CC BY
53УДК 621.396.96
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД БОРТОВЫХ АНТЕНН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН
НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛЬНОГО КОЛЛИМАТОРА
В. А. Вечтомов
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5 E-mail: vvechtomov@mail.ru
Дано описание уникального стенда с зеркальным коллиматором для испытаний электрических характеристик бортовых антенн миллиметрового диапазона волн. Приведены технические характеристики и описана технология изготовления высокоточного секционированного зеркала коллиматора.
Ключевые слова: коллиматор, облучатель, параболическое зеркало.
MILLIMETER-WAVE AIRBORNE ANTENNA TEST FACILITY BASED ON MIRROR COLLIMATOR
V. А. Vechtomov
Moscow State Technological University named after N. E. Bauman 5, Baumanskaya 2-ya Str., Moscow, 105005, Russian Federation. E-mail: vvechtomov@mail.ru
Paper describes the unique stand with mirror collimator for testing electrical characteristics of millimeter waveband airborne antenna. Paper provides specifications and shows the technology to manufacture precision partitioned mirror collimator.
Keywords: collimator, irradiator, paraboloidal mirror.
Введение. Разрабатываемые системы связи, навигации и управления требуют создания антенн большой апертуры со специальной формой ДН, работающие, в том числе, и в миллиметровом диапазоне волн (ММВ-диапазоне). Отличительной особенностью таких антенн является большой радиус дальней зоны, не позволяющий использовать традиционные безэховые камеры (БЭК). Кроме того, климатические условия России часто не позволяют проводить измерения на открытых полигонах из-за плохих погодных условий.
Зеркальный коллиматор («Коллиматор-М») ММВ-диапазона разработан в 80-х гг. прошлого века в Московском НИИ радиосвязи в рамках обеспечения работ по созданию бортовых адаптивных многолучевых антенн (ОКР «Бастион») космических ретрансляторов ММВ диапазона (до X < 5 мм).
Испытательный стенд с зеркальным коллиматором предназначен для проведения высокоточных измерений в ММВ-диапазоне электрических характеристик антенн большой апертуры и эффективной поверхности рассеяния макетов летательных аппаратов в условиях закрытых экранированных помещений, максимально приближённых к рабочим. Аналогом разработки являлся антенный полигон (индекс 5752), изготовленный фирмой «SientificAtlanta» [1].
По своим параметрам, «Коллиматор-М» значительно превосходил известные коллиматоры «МАК-5» [2] и «Антенный коллиматорный комплекс АКК1-05» МГТУ им. Н. Э. Баумана [3], но, учитывая характер работ, проводившихся в Московском НИИ радиосвязи, не мог быть доступен широкому кругу специалистов.
Тактико-технические характеристики испытательного стенда:
- рабочая частота - 14.. .60 ГГц;
- неравномерность распределения фазы в зоне измерений - ±0,5°;
- неравномерность распределения амплитуды поля в зоне измерений - ±0,5дБ;
- максимальные размеры апертур испытуемых антенн - 1 000.1 500 мм;
- габариты зеркального коллиматора -5070x5430x3910 мм3;
- вес зеркального коллиматора (с учётом веса сегментов) - 970 кг.
Состав оборудования компактного полигона (КП): зеркало коллиматора; облучатели на разные диапазоны частот; поворотное устройство для установки и юстировки облучателей; основание, на которое устанавливается пространственная ферма; шаблон; опорно-поворотное устройство для фиксации испытуемого изделия с блоками питания и управления; приемопередающая и регистрирующая аппаратура.
Выбор технологии изготовления высокоточного крупногабаритного зеркала. Основным и самым дорогостоящим элементом конструкции КП являлось крупногабаритное зеркало в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения. На момент принятия решения о создании коллиматора имелись две апробированные технологии изготовления большого зеркала. Первая технология - изготовление секций зеркала коллиматора МАК-5 методом гальванопластики с их последующей юстировкой [2]. Однако, как показала практика, эта технология не обеспечивала
требуемую точность воспроизведения рабочей поверхности секций зеркала и её стабильность в течение длительного времени.
Вторая технология основывалась на шабрении (фрезеровании) большого зеркала специальной фрезерной головкой с горизонтально расположенного шаблона [4].
Эта технология была апробирована при изготовлении радиотелескопа РТ-7,5 МГТУ им. Н. Э. Баумана и обеспечивала существенно большую точность воспроизведения профиля поверхности зеркала. Однако вертикальное положение зеркала коллиматора, а следовательно, и шаблона, делала недостижимой требуемую точность воспроизведения формы её рабочей поверхности, что и показала разработка «Антенного коллиматорного комплекса АКК1-05» НИИ РЭТ МГТУ им. Н. Э. Баумана [3].
На момент принятия решения в МНИИРС имелись шведско-немецкие высокоточные обрабатывающие центры типа СВРКР 110/1 с шагом перемещения резца 1 микрон, что и определило выбор технологии изготовления сегментов коллиматора путем прямо-
го фрезерования секций (получивших название «сегмент» в документации на «Коллиматор-М» МТ243-Э0650) с последующей их юстировкой [5-7].
Конструктивное исполнение зеркала коллиматора. Зеркало коллиматора, состоящее из фрезерованных алюминиевых сегментов, представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения размерами 5430x3200 мм2 (рис. 1, а).
Все сегменты (рис. 1, б, поз. 4), кроме центрального (рис. 2, а, поз. 2), установлены на пространственной ферменной конструкции с помощью трех юсти-ровочных узлов (рис. 1, б, поз. 3).
Перемещение точки крепления юстировочного узла к сегменту осуществляется дифференциальной резьбовой парой на 1,25 мм на один оборот (грубо) или на 0,25 мм (точно). Полное линейное перемещение штока узла составляет 40 мм±0,1 мм. Стопорящаяся шаровая опора юстировочного узла позволяет крепить сегмент под телесным углом ±14° к оси узла, что снижает требования к точности изготовления и сборки фермы. Число юстировочных узлов - 429 шт.
а б
Рис. 1. Зеркало коллиматора:
1 - секционированное зеркало коллиматора; 2 - радиопоглощающий материал «Ворс»; 3 - юстировочные узлы; 4 - обратная сторона алюминиевого сегмента
1
2
3
4
12 з 4 5 6 3
Рис. 2. Пространственная ферма:
1 - центральный узел; 2 - центральный сегмент; 3 - шаблон; 4 - втулка шаблона; 5 - луч лазера ЛГН-208А; 6 - радиальная секция
МТ243-Э0484 /
МТ243-Э0502
Рис. 3. Типоразмеры и расположение сегментов по вертикали зеркала
С
С
а б
Рис. 4. Обратная (а) и рабочая (б) поверхности сегмента: 1 - отверстия под штифты; 2 - ребра жесткости; 3 - глухая резьба (18 отв.); 4 - рабочая поверхность сегмента;
5 - линия движения фрезы
Пространственная ферма выполнена из алюминиевого профиля с исключением всех видов сварки, а соединение её элементов осуществлялось презонными болтами. Основу фермы составляют 18 радиальных секций (рис. 2, б, поз. 6), крепящихся к центральному узлу (рис. 2, а, поз. 1), в котором по центру расположена втулка (рис. 2, а, поз. 4) для установки шаблона зеркала (рис. 2, а и б, поз. 3). По шаблону производилась сборка фермы и предварительная юстировка сегментов. Вес ферменной конструкции вместе с сегментами составляет 970 кг.
На втулке (рис. 2, а, поз. 4) расположен лазер, луч которого (рис. 2, а, поз. 5) материализовал оптическую (фокальную) ось зеркала коллиматора.
Для обеспечения необходимой жесткости всей конструкции фермы радиальные секции соединены перекрёстными связями из алюминиевого профиля, в результате чего собственная частота колебаний, рассчитанная по программе «Лира», составила 40 Гц.
Составное зеркало коллиматора состоит из 143 алюминиевых сегментов, имеющих 6 типоразмеров трапецеидальной формы (рис. 4). Фокусное расстояние зеркала 3 250 мм.
Нижние сегменты выполнены с наименьшей площадью, поскольку имеют максимальную кривизну поверхности и наиболее сложны для фрезерования. Площадь сегмента определялась объемом оператив-
ной памяти обрабатывающего центра. Рабочая поверхность сегментов (рис. 4, б, поз. 4) выполнена с точностью +15 мкм. Толщина сегментов составляет 30 мм.
Алгоритм подготовки исходных данных для обрабатывающего центра СВРКЕ 110/1 использовал только три координаты для перемещения обрабатывающего инструмента станка вместо четырёх-пяти, как в зарубежных аналогах (например, в [1]), что существенно снизило время и стоимость изготовления сегментов зеркала.
Заготовки из алюминиевого сплава АМг6Б-40 с небольшим допуском по габаритам обрабатывались на станках с ЧПУ с целью максимального снижения их веса (рис. 4, а). Ребра обеспечивали необходимую жесткость для сохранения требуемого профиля поверхности сегмента. Сплав АМг6Б-40 имеет минимальную вязкость, позволяя снизить риск появления заусенцев при его обработке. Точность и идентичность установок заготовок сегментов обеспечивалась штифтами, что гарантировало при сборке зеркала гладкость и точность воспроизведения заданной параболической поверхности зеркала.
Заготовка сегмента закреплялась горизонтально на рабочем столе обрабатывающего центра СВРКЕ 110/1 с использованием глухой резьбы (рис. 4, а, поз. 3). По условию обеспечения заданной точности обработки
1
2
3
4
5
поверхности сегмента выбирались толщина и диаметр дисковой фрезы. По этому же условию строился массив точек перемещений режущего инструмента. Резец совершал движение параллельно линии «С-С» (рис. 4, а), смещаясь «вверх-вниз» и формируя параболическую поверхность.
Применялись технологические операции, практически полностью исключившие искажение профиля поверхности сегмента при его старении. Первая технологическая операция - грубая обработка на СВРКБ 110/1 плоской поверхности заготовки сегмента. Вторая - термический нагрев для удаления остаточных напряжений, возникших после фрезеровки рабочей поверхности сегмента. Третья - точная фрезеровка рабочей поверхности сегмента. Четвертая - термическое старение сегмента. Готовый сегмент остывает в термической печи (и вместе с печью) в заданном температурном режиме.
С целью оценки влияния старения на точность соответствия рабочей поверхности сегмента форме параболоида вращения в 2012 г. были проведены тестовые измерения [8] на лазерном радаре фирмы NikonMetrology марки ЫУ224 [9]. Экспериментально полученный массив точек поверхности сегмента сравнивался с массивом точек теоретического профиля поверхности параболоида с фокусным расстоянием 3 250 мм и определялось среднее квадратическое отклонение (СКО). Промер сегмента коллиматора осуществлялся дважды: с шагом 20 мм (215 точек) и с шагом 1 мм (87 500 точек). При первом измерении СКО от теоретического профиля составило 30 мкм (рис. 5, а).
б
Рис. 5. Результаты промера сегмента использованием лазерного радара
При большем количестве измерений (87 500 шт.) можно оценить промахи и отбросить их. С учетом промахов максимальное отклонение +530 мкм, а ми-
нимальное -450 мкм. При этом количество промахов равно 1 200 точек, что составляет 1,4 % от всех точек измерений. В результате промера (рис. 5, б) получено СКО от поверхности параболоида порядка 30 мкм, что совпадает с предыдущими измерениями.
Проведенные по происшествии более 25 лет исследования подтверждают работоспособность сегментов зеркала коллиматора и правильность выбранной технологии снятия напряжений, возникающих при механообработке, и метода «старения» материала.
Конструкция зеркального коллиматора, созданная более четверти века назад, не потеряла своего научного и практического значения и в наши дни, являясь уникальным измерительным комплексом.
В настоящее время «Коллиматор-М» сменил владельца, разобран, тщательно упакован и перевезен в УЭЦ МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Дмитров. Выполнен первый этап работ по восстановлению КП с зеркальным коллиматором ММВ-диапазона, разработаны технические предложения и планировка помещения для его восстановления. Проводятся работы по подготовке помещения для его сборки и юстировки.
Библиографические ссылки
1. Millimeter antenna range // Microwave systems News. 1980. № 12.
2. Балабуха Н. П., Зубов А. С., Солосин В. С., Федоров С. А. Коллиматор МАК-5. Конструкция и технические характеристики // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 5. C. 634.
3. Семенов К. А., Ямашкин В. П. Коллиматорный стенд для измерения характеристик антенн СВЧ // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2009. Спец. вып. Радиолокация, спутниковая навигация и связь, радиоастрономия. С. 230-235.
4. Парщиков А. А., Розанов Б. А., Сагателов В. С., Таныгин А. А. Методика выверки и технология изготовления антенн радиотелескопа РТИ-7,5/250. МГТУ // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 5. С. 665-668.
5. Вечтомов В. А., Седов А. Н. Компактный полигон с зеркальным коллиматором миллиметрового диапазона волн // Антенны. 2005. Вып. 10 (101).
6. Коллиматорный стенд миллиметрового диапазона волн / В. А. Вечтомов, Н. А. Бей, В. Н. Митрохин, А. Н. Седов // Физика и технические приложения волновых процессов : IV Междунар. науч.-техн. конф. 3-9 октября 2005. Н. Новгород.
7. Вечтомов В. А. Коллиматор миллиметрового диапазона волн на основе секционированного зеркала из алюминиевых сегментов // Радиотехника. 2013. № 11. С. 94-100.
8. Вечтомов В. А., Голубцов М. Е., Можаров Э. Н. Зеркальный коллиматор миллиметрового диапазона волн // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. Спец. вып. № 7. Радиооптические технологии в приборостроении. С. 303-312.
9. MV330/MV350 Laser Radar // Nikonmet-rology.com: официальныйсайт Nikon Metrology.2012. URL: http ://nikonmetrology .com/en_EU/Products/Large-Volume-Applications/ Laser-Radar/MV330-MV350-Laser-Radar (дата обращения: 15.04.2012).
References
1. Millimeter antenna range. Microwave systems News. 1980, 10 № 12.
2. Balabukha N., Teeth A., Solosin V., Fedorov S. Collimator Mack-5.Design and specifications. // Radio engineering and electronics, 2009, vol. 54, no. 5, p. 634.
3. Semenov K., Yamashkin V. Collimator Bench for MeasuringCharacteristics of Microwave antennas // VestnikBauman MSTU, 2009. Special Edition «Priborostroenie». C. 230-235.
4. Parshchikov А., Rozanov B., Sagatelov V., Tanygin A. Technique of validating and manufacturing technology of radio telescope antenna RT-7,5/250 Bauman MSTU//Izv. Universities-Radiophysics, 1973, 16, No 5, pp. 665-668.
5. Vechtomov V., Sedov A. Compact Polygon with Millimeter-wave Reflector Collimator // Antennas, 2005, № 10 (101).
6. Collimating millimeter-wave facility / Vechtomov V., Bay N., Mitrokhin V., Sedov A. // IV international scientific-technical conference «Physics and technical applications of wave processes», 3-9 October 2005, N.-Novgorod, Russia.
7. Vechtomov V. Millimeter wave range Collimator on the basis of partitioned mirror made of aluminium segments // Radioteknika, 2013, No. 11, pp. 94-100.
8. Vechtomov V., Goloubtsov M., Mozharov E. Mirror Collimator of millimeter-waveband // Vestnik Bauman MSTU, 2009. Special Edition «Priborostroenie». Р. 303-312.
9. MV330/MV350 Laser Radar // Nikonmet-rology.com: Nikon Metrology.2012. URL: http://nikonmetrology.com/en_EU/Products/Large-Volume-Applications/ Laser-Radar/MV330-MV350-Laser-Radar (accessed: 15.04.2012).
© BeHTOMOB B. A., 2015
УДК 665.939.57
АДАМАНТАН-ОЛИГОЦИАНУРАТНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ РАЗМЕРОСТАБИЛЬНЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
И. А. Вихров*, В. Ф. Аристов, Д. А. Гуров
ООО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» Российская Федерация, 152025, Ярославская область, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р
*E-mail: kvazykvark@ya.ru
Рассмотрены критерии выбора материалов при создании размеростабильных конструкций КА, современные мировые достижения, а также разработки авторов.
Ключевые слова: углепластик, адамантан, олигоцианурат, рефлекторы антенн.
ADAMANTANE OLIGOCYANURATE RESINS FOR DIMENSIONALLY STABLECARBON COMPOSITE STRUCTURES USED IN SPACECRAFT
I. A. Vikhrov*, V. F. Aristov, D. A. Gurov
«Research institute of cosmic and aviation materials» Ltd 2p, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation
*E-mail: kvazykvark@ya.ru
We consider criteria for selecting materials when creating dimensionally stable spacecraft design, the modern world achievements, and authors' developments.
Keywords: carbon composite, adamantane, oligocyanurate, antenna reflector.
При создании космических антенных комплексов нового поколения очень важно обеспечить прецизионную точность геометрии поверхности рефлектора и высокую размеростабильность как самого рефлектора, так и опорных конструкций. Эти характеристики необходимы для обеспечения высоких показателей чувствительности, разрешения и соотношения сигнал/ шум антенны.
Поэтому критически важно правильно подобрать материалы, из которых будут изготовлены рефлектор и опорные конструкции.
Этот материал должен быть достаточно лёгким и прочным для обеспечения вывода аппарата на орбиту и максимально жестким (иметь большой модуль упругости) с минимальными коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР) и влаго-поглощения для сохранения размеростабильности. Из известных материалов совокупностью данных свойств обладают лишь бериллий и некоторые углепластики, однако работа с бериллием осложнена высокими ценой и токсичностью, а также низкой технологичностью обработки данного металла.
