Определение динамических характеристик раскрывающихся ферменных антенн с учётом результатов их частотных испытаний Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетневские чтения

УДК 629.78:531.395

С. А. Чурилин

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСКРЫВАЮЩИХСЯ ФЕРМЕННЫХ АНТЕНН С УЧЕТОМ РЕЗУЛЬТАТОВ ИХ ЧАСТОТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Предложена математическая модель, позволяющая учитывать влияние шарнирных соединений в конструкции самораскрывающихся ферменных космических антенн на частоты и формы их собственных колебаний. Приведены сравнительные значения экспериментальных и расчетных частот собственных колебаний ферменной антенны.

Разработка крупногабаритных раскрывающихся антенн, устанавливаемых на космических аппаратах (КА) связи и дистанционного зондирования Земли, является частью общего направления развития космической техники, связанного с повышением эффективности радиотехнических систем различного назначения. Система антенно-фидерных устройств, входящая в состав бортового ретрансляционного и радиолокационного комплексов, относится к числу важнейших и оказывает первостепенное влияние на проектирование космических аппаратов, особенно такого класса, как связные искусственные спутники Земли или аппаратура экологического мониторинга Земли. Применение крупногабаритных антенн с большим коэффициентом усиления позволяет уменьшить требуемую мощность бортовой системы электропитания, резко снизить стоимость наземных станций, входящих в систему связи, повысить информативность и помехозащищенность каналов связи. Наличие протяженных упругих конструкций в составе КА значительно усложняет решение задач ориентации, управления и стабилизации спутника. В силу своих конструктивных особенностей большие антенны имеют малую массу, но значительные моменты инерции в раскрытом состоянии. Упругие колебания конструкции антенн влияют на процессы ориентации, управления и стабилизации КА. Даже при достаточно малых амплитудах эти колебания могут привести к снижению уровня полезного сигнала в радиотехнических системах. Низшие частоты собственных колебаний больших раскрывающихся антенн лежат, как правило, в пределах диапазона чувствительности системы управления КА. Необходима максимально точная информация о формах и реальных частотах колебаний крупногабаритной антенны, чтобы эффективно настроить систему управления спутником. Поэтому одна из важных задач на этапе проектирования таких конструкций - расчет их динамических характеристик. Анализ частот и форм свободных колебаний больших антенных систем позволяет на начальном этапе проектирования конструкции сделать предварительные выводы об эффективно-

сти выбранной конструктивно-силовой схемы, скорректировать значения некоторых конструктивных параметров, уточнить компоновку антенны, оценить эффективность применения тех или иных конструкционных материалов.

В настоящее время в производстве космической техники большое внимание уделяется проектированию раскрывающихся крупногабаритных антенн ферменного типа. Основной проблемой, возникающей при определении динамических характеристик ферменных антенн, состоящих из значительного количества тонкостенных трубчатых стержней, связанных между собой с помощью упругих шарниров, является нелинейность их жесткостных свойств. Она обусловлена наличием люфтов (зазоров) в шарнирных соединениях и односторонних упоров, препятствующих взаимному повороту элементов соединения относительно друг друга. Системы крепления антенн к спутнику также могут включать в себя упругие шарнирные соединения.

Разработана математическая модель, позволяющая учитывать жесткостные свойства шарниров и основанная на введении в расчетную схему элементов, определяющих взаимное смещение составных частей конструкции, а также жесткость пружин кручения, обеспечивающих раскрытие рефлектора. Задача решается в линейной постановке. Уточнение расчетной схемы проводилось по результатам наземных частотных испытаний конструкции антенны.

Система обезвешивания, используемая в наземных испытаниях, может значительно влиять на результаты частотных испытаний. Влияние этой системы учтено за счет использования в расчетной схеме тангенциальной матрицы, построенной на основе решения задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции, вызванного действием гравитационных сил и натяжением ветвей подвеса системы обез-вешивания. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента.

Для получения частот и форм упругих колебаний конструкции ферменной антенны, соответст-

Крупногабаритные трансформируемые конструкции крсмическихаппаратов

вующих орбитальным условиям ее функционирования, из расчетной схемы были исключены заданные условия нагружения (гравитационная нагрузка) и система обезвешивания. Результаты расчетов приведены в таблице.

В первой колонке приведены частоты собственных колебаний, полученные в результате эксперимента; во второй колонке приведены частоты собственных колебаний, полученные при расчете без учета влияния шарнирных соединений; в

третьей колонке - результаты расчета с учетом влияния шарнирных соединений; в четвертой колонке приведена относительная погрешность между частотой, полученной в эксперименте, и частотой, полученной расчетным путем с учетом влияния шарнирных соединений в процентах; и, наконец, в пятой колонке приведены частоты собственных колебаний антенны, полученные расчетным путем и отвечающие условиям свободного полета.

Частоты, Частоты, полученные Частоты, полученные Частоты, соответ-

полученные расчетным путем без расчетным путем с Относительная ствующие усло-

в ходе экспе- учета шарнирных со- учетом шарнирных погрешность, % виям свободного

римента, Гц единений, Гц соединений, Гц полета, Гц

0,36 0,565 0,376 4,4 0,33

2,86 3,61 3,13 9,44 1,25

3,05 3,70 3,47 13,77 1,17

7,53 16,6 8,04 6,77 7,9

8,5 17,42 8,28 2,6 8,24

12,31 25,48 11,47 6,82 11,34

16,24 32,1 16,47 1,41 16,5

16,3 32,0 16,34 0,25 16,48

S. A. Churilin

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

FINDING THE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF SELF-DEPLOYABLE FRAME ANTENNAE USING THE RESULTS OF ITS FREQUENCY TESTS

This paper describes a mathematical model of self-deployable frame space antennae, providing an opportunity for swing joints influence on frequencies and mode shapes of natural oscillations. The comparative values of experimental and calculatedfrequencies of frame antennae natural oscillations are presented.

© ^ypn^HH C. A., 2009

УДК 669.713.7

А. К. Шатров, В. М. Михалкин, Г. В. Двирный

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗМЕРОСТАБИЛЬНЫХ РЕФЛЕКТОРОВ КА-ДИАПАЗОНА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕЛИЧИНЫ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Проведен анализ температурных деформаций, рассмотрены особенности построения математических моделейразмеростабилъныхрефлекторов КА-диапазона.

Постоянно растущая потребность в космических аппаратах, например, спутников связи, навигации и геодезии, ставит проблему создания раз-меростабильных рефлекторов как можно большего диаметра, работающих с высокой точностью на высоких частотах. Такими рефлекторами являют-

ся углепластиковые размеростабильные рефлекторы, изготавливаемые на предприятии ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева».

Чтобы работать на высоких частотах в диапазоне КА, требования к точности передающей по-