Особенности реализации ракрывающейся бортовой многолучевой антенны Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.396:531.395

К. П. Баслык, Н. А. Бей, В. А. Вечтомов, В. Н. Зимин, Б. Л. Коган, А. В. Крылов, В. Е. Мешковский, А. А. Смердов, С. А. Чурилин

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

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ РАСКРЫВАЮЩЕЙСЯ БОРТОВОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ

Рассматривается вариант отечественной бортовой многолучевой антенны для системы спутниковой связи геостационарного космического аппарата. Приведены результаты численной оптимизации формы поверхностей зеркал и анализа основных прочностных параметров конструкции модуля многолучевой антенны с учетом динамических нагрузок, действующих при выводе на орбиту.

Бортовые многолучевые антенны (МЛА) используются практически во всех современных зарубежных ретрансляторах, в частности в Ашк-Р2, ТЬаюош-4 и др. Установленные на таких ретрансляторах антенны имеют большие размеры и являются очень дорогими системами, во многом определяющими стоимость всего бортового ретрансляционного комплекса (БРТК). Их применение оправдано в тех случаях, когда БРТК предназначен для межконтинентальной связи. Для обеспечения связи в пределах территории России можно использовать антенны меньших размеров. При проектировании МЛА за основу принята двухзеркальная антенная система с многоэлементным облучателем. Учитывая достаточно большой угол отклонения парциального луча в меридиональной плоскости, в качестве расчетной модели антенны принята зеркальная система апланатического типа. Устранение аберраций для отклоненных лучей достигается за счет применения специальной формы зеркал.

В проектируемой антенне ширина сектора сканирования в одной плоскости (меридиональной) должна превосходить ширину сектора в ортогональной плоскости примерно в 5 раз. В этом случае хорошие характеристики можно получить, применяя зеркала тороидального типа. У двух-зеркальной антенны с зеркалами тороидального типа сектор сканирования вытянут в плоскости, ортогональной оси тороида. Главное зеркало в плоскости оси тороида описывается кривой четвертого порядка, близкой по форме к параболе, а сечение вспомогательного зеркала в этой плоскости близко по форме к эллипсу, один из фокусов которого близок к фокусу параболы сечения главного зеркала. В целом, вспомогательное зеркало имеет отрицательную гауссову кривизну, а характеристики такой антенны сочетают в себе свойства как антенны Кассегрена, так и антенны Грегори.

Вспомогательное зеркало не затеняет апертуру главного зеркала, а решетка облучателей, формирующих многолучевую диаграмму направленно-

сти, размещена вблизи края главного зеркала, ближайшего к вспомогательному. Главное зеркало ограничено контуром сечения тороида плоскостью апертуры. Оси тороидальных главного и вспомогательного зеркал предполагаются параллельными. Размеры, форма и расположение зеркал и решетки облучателей оптимизированы по минимуму аберраций и кроссполяризации в секторе сканирования с учетом сохранения усиления каждого луча на уровне усиления параболической антенны с апертурой диаметром 1 600 мм.

Многолучевая антенна для космического аппарата имеет различные конфигурации в транспортном и рабочем состоянии на орбите. Для размещения МЛА под обтекателем ракеты-носителя трансформируемые элементы антенны должны быть определенным образом уложены в компактное транспортное положение. С целью оптимизации параметров приемопередающей МЛА предлагается применить два практически идентичных по схеме построения и конструкции антенных модуля - приемный и передающий.

Основными требованиями к материалам, из которых предполагается выполнить элементы антенного модуля, являются стабильность размеров зеркал при эксплуатации, включая широкий диапазон температур; прочность элементов конструкции МЛА; жесткость и отсутствие собственных частот упругих колебаний в заданной рабочей полосе.

Конструкция наиболее сложных и ответственных элементов антенного модуля - зеркал МЛА -должна удовлетворять всем этим требованиям и при этом иметь минимальную массу. В качестве материала для термостабильных элементов конструкции (зеркала, рама, стойка) предлагается использовать композитные материалы на основе углепластика.

При проработке конструкции МЛА были проведены расчеты прочностных характеристик элементов модуля МЛА, сделан выбор и расчет раз-меростабильности в полосе рабочих температур материала, из которого возможно изготовление

Решетневские чтения

элементов модуля, определены частоты и формы собственных упругих колебаний модели модуля МЛА. Для выполнения прочностных расчетов модуля МЛА построена конечно-элементная модель модуля МЛА. На основе данной модели разработана программа, позволившая провести подробный анализ процессов деформирования и разрушения многослойных композитов, а также построить диаграммы деформирования и поверхности прочности композитов при одно- и двухосном нагружении. С помощью программы можно определить причины начального и окончательного разрушения материалов.

Основным условием проектирования размеро-стабильных композитных конструкций является определение таких структурных параметров композита, которые обеспечивают равенство нулю тех или иных компонент вектора деформаций при температурных воздействиях. При больших температурных интервалах необходимо учитывать как температурные зависимости коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), так и жесткостные (прочностные) характеристики

композита. В этом случае при расчете использовались пошаговые процедуры с кусочно-линейной аппроксимацией температурных деформаций на каждом шаге по температуре. При этом задача поиска оптимальных сочетаний свойств композитной конструкции принципиально не усложняется: необходимо лишь использовать вместо текущих значений КЛТР соответствующие интегральные характеристики для данного температурного диапазона.

С использованием программного комплекса М8С.Рай"ап-Ка8й"ап были получены первые десять частот и форм собственных колебаний модели модуля МЛА в транспортном положении.

На основе результатов расчета изготовлены макеты элементов конструкции модуля МЛА. В качестве композиционной структуры использована углеродная лента ЛУ-П/0.1А (ГОСТ 28006-88) и модифицированный эпоксидный связующий клей ЭНФБ ТУ 1-596-36-98 с толщиной монослоя

0,11___0,13 мм. Массовые характеристики модуля

МЛА следующие: большое зеркало модуля 8,5 кг; малое зеркало модуля 2,5 кг.

K. P. Baslyk, N. A. Bey, V. A. Vechtomov, V. N. Zimin, B. L. Kogan, A. V. Krylov, V. E. Meshkovsky, A. A. Smerdov, S. A. Churilin

Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow

IMPLEMENTATION FEATURES OF DEPLOYABLE MULTIBEAM AEROSPACE ANTENNA

The release of Russian multibeam aerospace antenna for satellite communication system of geostationary spacecraft is under consideration. The results of mirror surface numerical optimization and analysis for main strength parameters of multibeam antenna module under launching dynamic forces are presented.

© Баслык К. П., Бей Н. А., Вечтомов В. А., Зимин В. Н., Коган Б. Л., Крылов А. В., Мешковский В. Е., Смердов А. А., Чурилин С. А., 2009

УДК 539.3

А. В. Бельков, С. В. Пономарев

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета, Россия, Томск

А. И. Величко

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

ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАДУВНОГО РЕФЛЕКТОРА

Рассматривается методика компьютерного моделирования надувного рефлектора космического аппарата, основанная на постановке задачи механики деформируемого твердого тела.

Моделирование крупногабаритных трансформируемых и надувных конструкций рефлекторов является актуальным направлением разработки и создания конструкций систем спутниковой связи

и зондирования поверхности Земли, так как экспериментальная отработка подобных конструкций требует больших материальных и временных затрат. Для решения современных задач требуют-