CC BY
30
ОТВЕРЖДЕНИЯ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Симонов Валентин Павлович,
профессор, "Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ), Москва, Россия, vsimonov@hse.ru
Чебыкин Алексей Евгеньевич,
магистрант 1-го года обучения, "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ), Москва, Россия, leksei932@rambler.ru
Сайгин Илья Александрович,
студент, "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ), Москва, Россия, saiginilya95@mail.ru
Нефедов Владимир Николаевич,
профессор, "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ), Москва, Россия, 6034348@mail.ru
Мамонтов Александр Владимирович,
доцент, "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ), Москва, Россия, a.mamontov@hse.ru
Ключевые слова: микроволновая технология, электродинамическая система, источник СВЧ-энергии, распределение температуры, композиционный материал.
Представлены теоретические результаты отверждения параболической антенны из полимерных композиционных материалов с использованием в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. Показаны преимущества микроволнового метода тепловой обработки антенн из углеродного волокна с эпоксидным термоотверждаю-щимся связующим по сравнению с традиционными методами. Приведены результаты теоретических исследований по ускоренному отверждению антенн из полимерных композиционных материалов в микроволновой установке лучевого типа в периодическом режиме. Разработана микроволновая установка лучевого типа для полимеризации антенн из композиционных материалов, диаметром 1200 мм, толщиной 3мм при температуре +180°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц и выходной микроволновой мощностью 4,8 кВт. Микроволновая установка позволяет сократить энергетические затраты на технологический процесс ускоренного отверждения антенны из полимерного композиционного материала, увеличить производительность и улучшить условия труда обслуживающего персонала. Представлены основные выражения и результаты расчёта распределения температуры по толщине антенны из полимерного композиционного материала. Длительность нагрева антенны от +20°С до +200°С, весом 5,4 кг, составляет 160 секунд. Отклонение температуры от номинального значения температуры по поверхности антенны отсутствует, а по толщине антенны не превышает 2°С.
В результате проведенных исследований показана перспективность использования микроволнового излучения для технологических процессов, связанных с ускоренным отверждения параболических антенн из полимерных композиционных материалов. В настоящее время ведутся работы по исследованию прочностных характеристик полимерных антенн, предполагая, что равномерный нагрев антенн по объёму ведёт к отсутствию внутренних напряжений и других дефектов структуры материала антенны.
Для цитирования:
Симонов В.П., Чебыкин А.Е., Сайгин И.А., Нефедов В.Н., Мамонтов А.В. Отверждения параболических антенн из полимерных композиционных материалов с использованием микроволнового излучения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. -Том 10. - №9. - С. 5-8.
For citation:
Simonov V.P., Chebykin A.E., Saygin I.A., Nefedov V.N., Mamontov A.V. Thermal hardening of parabolic polymer composite antennas with the use of microwave radiation. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.9, рр. 5-8. (in Russian)
У
Введение
В настоящее время в различных отраслях промышленности всё более широкое применение получают материалы на основе углеродного волокна в качестве материала обшивки самолётов-невидимок, для изготовления космических антенн, деталей двигателей, а также для изготовления арматуры бетонных плит. Композиционные материалы на основе углеродных волокон отличаются высокими значениями таких технических характеристик, как прочность, жесткость, и низкий удельный вес.
В связи с потребностью использования телекоммуникационных спутниковых систем и спутников ретрансляторов все более возрастает интерес к антенным рефлекторам, работающих в условиях открытого космоса.
Основными требованиями, предъявляемыми к таким конструкциям антенн, помимо радиотехнических, являются: высокая точность изготовления антенны, термическая стабильность конструкции антенны, стабильность термомеханических и теплофизических свойств материала, малая масса при высокой жёсткости и прочности её конструкции.
Сочетание вышеперечисленных характеристик в наибольшей степени обеспечивает применение для изготовления антенны полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна и эпоксидного термостойкого связующего. Рабочая температура антенны при её эксплуатации лежит в диапазоне от минус 16П°С до плюс 140°С.
Традиционные методы отверждения антенн из полимерных композиционных материалов связаны с решением следующих технологических процессов:
- нагрев антенн из композиционных материалов до заданной температуры с использованием электрических нагревателей - тэнов;
- поддержание заданной температуры материала антенны в течение времени, которое необходимо до отверждения полимерного композиционного материала с учётом теплоотдачи в окружающую среду.
Традиционные технологические процессы нагрева антенн из полимерных композиционных материалов связаны с учётом теплопроводности и сопровождается большими затратами энергии и времени.
Малая скорость отверждения антенн из полимерных композиционных материалов связана с процессом нагрева внешних слоёв материала антенны и передачей гепла за счёт малой теплопроводности композиционного материала к внутренним слоям антенны. Во время нагрева возникают внутренние напряжения между внешними и внутренними слоями материала антенны из композиционного полимерного материала, что в дальнейшем может приводить к различным дефектам структуры материала и может снизить прочностные характеристики антенны.
Микроволновый метод [1-4], по сравнению с традиционными методами тепловой обработки антенн из полимерных композиционных материалов имеет следующие основные преимущества:
- микроволновое излучение проникает мгновенно вглубь обрабатываемого материала и ускоряет протекание реакции полимеризации;
- за счёт объёмного характера нагрева антенны из полимерных композиционных материалов происходит ускорение технологических процессов в несколько раз;
- объёмный характер нагрева антенны из композиционного материала не зависит от его теплопроводности и не приводит к появлению внутренних напряжений и других механических дефектов внутренней струкгуры изделий;
- технологический процесс тепловой обработки антенн из полимерных композиционных материалов не обладает инерционностью, что позволяет достаточно точно его регламентировать;
- микроволновое излучение не нагревает окружающее пространство - воздух, что позволяет существенно экономить энергетические затраты;
- если обрабатываемый материал расположен в оправке, выполненной из радиопрозрачиого и теплоизоляционного материала, например, фторопласта, то можно не учитывать теплоотдачу в окружающее пространство, что также существенно приводит к экономии энергетических затрат на поддержание в материале антенны заданной температуры до её отверждения из-за эффекта термоса.
Таким образом, применение микроволнового излучения позволяет значительно интенсифицировать процесс тепловой обработки изделий из полимерных композитных материалов, уменьшить площадь, занимаемую нагревательными установками, повысить экономические показатели технологического процесса.
Основная часть
Для отверждения антенны из полимерного композиционного материала предложено использовать конструкцию в виде микроволновой установки лучевого типа.
Рабочая камера микроволновой установки периодического действия имеет следующие габаритные размеры: диаметр микроволновой установки 1500 мм, диаметр антенны 1200 мм, толщина антенны 3 мм, высота рабочей камеры 600 мм. Антенна выполнена из углеродного волокна с эпоксидным термостойким связующим.
Параметры композиционного материала: действительная часть относительной диэлектрической проницаемости материала антенны (£-4,5) при температуре +180°С, мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости антенны (£"=0,28) при температуре +180°С, плотность мате-3
риала антенны 1600 кг/м , теплоемкость материала антенны
- 0,90 кДж/(кг' К); масса материала антенны 5,4кг; мощность, необходимая на нагрев антенны из композиционного материала от +20°С до +180°С соответствовала значению 4,8 кВт за время обработки антенны 160 секунд. Антенна расположена на расстоянии 300 мм от верхней крышки рабочей камеры.
Для реализации технологического процесса на рабочей камере расположено 6 источников микроволновой энергии. Максимальная выходная мощность каждого источника микроволновой энергии составляет 0,8кВт.
Антенна из полимерного композиционного материала помещена в оправку из фторопласта, которая вращается с определённой угловой скоростью вокруг своей оси. Материал оправки является радиопрозрачным и теплоизоляционным, чтобы не учитывать теплоотдачу в окружающее пространство и поддерживать заданную температуры для полного отверждения материала антенны.
Т-Сотт Том 10. #9-2016
Рабочая камера микроволновой установки состоит из двух частей. Верхняя часть рабочей камеры включает боковую цилиндрическую поверхность и верхнюю крышку с источниками микроволновой энергии. Нижняя часть включает подставку, дно рабочей камеры с двигателем и стойкой для поддержки оправки из фторопласта с материалом антенны. На дне рабочей камеры расположена пружинная металлическая оплётка, которая при соединении её с верхней частью рабочей камеры предотвращает выход микроволнового излучения из микроволновой установки для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала. Отверждение антенны при температуре +180°С происходит за время 60 секунд.
В качестве источника микроволновой энергии использован источник, созданный на базе зарубежных комплектующих. Источник микроволновой энергии имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина - 400мм; Ширина - 200 мм; высота - 200 мм. Вывод микроволновой энергии из источника осуществляется с использованием волновода, поперечным сечением (72*34)мм на основном типе волны Нщ, а раскрыв волновода используется в качестве излучающей антенны.
При расчёте диаграммы излучения из раскрыва прямоугольного волновода использован метод Гюйгенса - Кирхгофа. Источники микроволновой энергии расположены на верхней крышке рабочей камеры таким образом, чтобы обеспечить формирование равномерного распределения температуры по поверхности антенны при её движении. Общая площадь поверхности антенны 1,13м 1 три источника расположенные под углом 120° обеспечивали равномерный нагрев площади антенны 0,57 м , два источника микроволновой энергии, расположенные под углом 180°С обеспечивали равномерный на]рсв площади антенны 0,38 м и один источник обеспечивал равномерный нагрев площади антенны 0,19 Таким образом мощность микроволнового излучения, приходящаяся на один квадратный метр площади антенны составляла 4210 Вт/м2.
Put. I. Расположение источников микроволновой энергии на верхней поверхности рабочей камеры. 1 - верхняя крышка рабочей камеры, 2 - источник микроволновой энергии, 3 - прямоугольный волновод в качестве вывода микроволновой энергии, R - 750 мм, R1 - 600 мм, R2 -425 мм, R3 - 245 мм
Ма рисунке I показано расположение источников микроволновой энергии на верхней крышке микроволновой установки лучевого типа. Расположение источников микроволновой энергии формирует равномерный нагрев антенны по её площади.
Уровень побочных излучений от микроволновой установки не превышал 10 мкВт/см , что обеспечивало необходимые безопасные санитарные нормы для работы обслуживающего персонала.
На рисунке 2 показано поперечное сечение микроволновой установки лучевого типа.
IX
IX
........... : .......
АЛ
5
Рис. 2. Поперечное сечение микроволновой установки лучевого типа для отверждении антенны из полимерного композиционного
материала: 1 - цилиндрическая рабочая камера; 2 - источник микроволновой энергии; 3 - оправка из фторопласта; 4 - антенна из полимерного композиционного материала; 5 - стойка для оправки из фторопласта; 6 - двигатель; 7 - подставка
Распределения температуры по толщине материала антенны из полимерного композиционного материала можно рассчитать по формуле [1-4]:
Т{2) = Т{Ъ)-е-1а-* (1)
Здесь Т{х) - температура материала антенны па расстоянии ъ от её поверхности; ПО) - температура на поверхности антенны +180°С; а - постоянная затухания амплитуды напряжённости электрического поля, которая в первом приближении определяется выражением [1-4]: 1*
я
а — — •
/I V7
(2)
Способ размещения источников микроволновой энергии по верхней крышке рабочей камеры состоит в том, чтобы отражённая мощность, попадающая на источник, была минимальной и не отражалась на работе источника микроволновой энергии.
Проведём оценку величины отражённой микроволновой мощности, приходящей на вход источника микроволновой энергии.
Площадь вывода источника микроволновой энергии имеет поперечное сечение волновода (72х34) мм. Площадь вывода энергии источника микроволновой энергии соответствует 0,0024 м", а площадь выводов энергии шести источников микроволновой энергии имеют общую площадь волноводов 0,0144 м2.
Общая площадь облучаемой поверхности составляет 1,13 м2, тогда площадь поверхности излучающих волноводов составляет 1,27%. В этом случае отражённая мощность, приходящаяся на вход источника микроволновой энергии составляет 0,01кВт и не может оказать существенного влияния на работу микроволновой установки.
Отклонение температуры от номинального значения температуры +180°С по поверхности материала антенны отсутствовало, а по толщине материала антенны не превышало 4°С без учёта отражённой мощности (+176,4°С).
С учётом отражённой мощности от дна рабочей камеры неравномерность нагрева но толщине материала антенны не превышает 2°С,
Тепловую обработку антенны из композиционного материала целесообразно производить до её полного отверждения, Отверждение материала антенны полностью приобретается во время её выдержки при заданной температуре + 180°С в рабочей камере микроволновой установки в течение 60 секунд.
Заключение
Разработана микроволновая установка лучевого типа периодического действия для отверждения полимерного композиционного материала антенны, диаметром 1200 мм и толщиной 3 мм на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц, выходной мощностью 4,8 кВт.
Микроволновая установка позволяет сократить энергетические затраты на технологический процесс полимеризации
антенны из полимерного композиционного материала, и улучшить условия труда обслуживающею персонала.
Отклонение температуры от номинального значения температуры +180°С на поверхности антенны отсутствует, а по толщине материала антенны при ее нагреве до температуры + 180°С не превышало 2°С.
Уровень побочных излучений от микроволновой установки лучевого типа не превышал 10 мкВт/см-, что обеспечивало безопасные санитарные нормы для обслуживающего персонала.
Литература
Денисова JI.B., Калинин Д.Ю., Резник С.В. Теоретические и экспериментальные исследования теплояых режимов сетчатых рефлекторов космических антенн // Вестник МГТУ им, Н.Э. Баумана. Сер техн. наук.-201 l.-No: 1(82). - С.92-105.
2. Лоик Д.А.. Мамонтов A.B., Назаров И.В., Нефедов В Н. Концепция построения СВЧ устройств равномерного нагрева листовых материалов // Измерительная техника, № 3, 2009. - С.58-59.
3. Мамонтов A.B.. Никишин E.H.. Нефедов М.В., Нефедов В.Н. Распределение температуры материала в СВЧ устройстве лучевого типа ИМетрология № 1, 2009. - С.22-28,
4. Мамонтов A.B.. Нефедов В Н.. Назаров И.В., Потапова Т.А. Микроволновые технологии И ГНУ НИИ ПМТ МИЭМ(ТУ), 2008, 326 с.
5. Холопов Д. В.. Потапова Т. А.. Нефедов В.Н. Моделирование СВЧ - обработки диэлектрических материалов с использованием различных типов излучателей // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов-2012, им-во СГТУ. 2012.-С. 147-153.
THERMAL HARDENING OF PARABOLIC POLYMER COMPOSITE ANTENNAS WITH THE USE OF MICROWAVE RADIATION
Valentin P. Simonov, National research University "Higher school of Economics" (HSE), professor, Moscow, Russia, vsimonov@hse.ru Aleksey E., Chebykin, National research University "Higher school of Economics" (HSE), 1st year master student, Moscow, Russia,
leksei932@rambler.ru
Il'ya A. Saygin, National research University "Higher school of Economics" (HSE), student, Moscow, Russia, saiginilya95@mail.ru Vladimir N. Nefedov, National research University "Higher school of Economics" (HSE), professor, Moscow, Russia, 6034348@mail.ru Alexandr V. Mamontov, National research University "Higher school of Economics" (HSE), professor, Moscow, Russia, a.mamontov@hse.ru
Abstract
Theoretical results of curing antennas made of composite materials using electromagnetic field of superhigh frequencies as a source of heat energy are presented. The advantages of mi-crowave heat treatment of the antenna made of carbon fiber with epoxy binder in comparison with traditional methods are presented. Results of theoretical studies on the accelerated curing of antennas made of composite materials in microwave radiation type installation in the periodic mode are presented. A radial type setup for the polymerization of antennas made of composite materials with a diameter of 1200mm, a thickness of 3mm at a temperature of +I80°with the electromagnetic field frequency oscillations of 2450MHz and a power output of 4.8kW was developed. A set al-lows to reduce the energy consumption for the technological process of accelerated curing of an antenna made of composite material, increase productivity and improve working conditions of staff. The essential expressions and calculation results of the temperature distribution along the thickness of the antenna made of composite material are presented. The heating duration of the antenna from the temperature of +20°C to a temperature of +200°C, weight 5,4kg, is 160 sec-onds. The temperature deviation from the nominal value of the temperature on the surface of the antenna is absent, and through the thickness of the antenna does not exceed 2°C. As a result, the research shows the prospects of using microwave radiation for the pro-duction processes associated with accelerated curing of parabolic antennas made of composite materials. Currently work is underway to study the strength characteristics of polymer antennas, assuming that the uniform heating of the antenna leads to the absence of internal stresses and other defects of the material structure of the antenna. Keywords: microwave technology, electrodynamic system, source of microwave energy, the temperature distribution, composite material.
References
1. Denisova L.V., Kalinin D.Yu., Reznik S.V. Theoretical and experimental studies of thermal regimes of mesh reflector antennas for space / Vestnik MGTU im. N. Baumana. CEP tech. Sciences. 2011. No 1(82), pp. 92-105. (In Russian)
2. Loik D.A., Mamontov A.V., Nazarov I.V., Nefedov V.N. The concept of constructing microwave devices for the uniform heating of sheet materials / Measurement techniques, No. 3, 2009, pp. 58-59. (In Russian)
3. Mamontov A.V., Nikishin, E.V., Nefedov, M.V., Nefedov V.N. The temperature dis-tribution of the material in the microwave radiation type device / Metrology No. I, 2009, pp. 22-28. (In Russian)
4. Mamontov A.V., Nefedov V.N., Nazarov I.V., Potapova T.A. Microwave technology / State Research Institute PMT MIEM(TU), 2008, 326 p. (In Russian)
5. Kholopov D.V., Potapov T.A., Nefedov V.N. Modeling of microwave processing of dielectric materials using various types of transducers / Proceedings of international scientific-technical conference "Actual problems of electronic instrument making", Saratov - 2012, Publishing house of Saratov state technical University, 2012, pp. 147-153. (In Russian)
T-Comm Том 10. #9-2016
7T>
