CC BY
10Решетневскуе чтения. 2018
УДК 678
ПРОБЛЕМЫ ФОРМОСТАБИЛЬНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ АНТЕНН*
И. П. Рожков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Рассмотрены различные аспекты при проектировании и изготовлении космических формостабильных антенн. В частности, описано отклонение рабочей поверхности от заданной теоретической, а также учёт схемы армирования и коэффициента линейного термического расширения.
Ключевые слова: трансформируемая антенна, формостабильность, схема армирования, коэффициент линейного термического расширения, композиционный материал, температурные деформации
PROBLEMS FORM-STABLE OF SPACE TRANSFORMABLE ANTENNAS
I. P. Rozhkov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
Various aspects are considered in the design and manufacture of space, form-stable antennas. In particular, the deviation of the working surface from the specified theoretical, as well as the consideration of reinforcement schemes and the coefficient of linear thermal expansion.
Keywords: transformable antenna, form-stable, the scheme of reinforcement, the coefficient of linear thermal expansion, composite material, thermal deformations
К космическим трансформируемым антеннам предъявляются требования к транспортабельности, простоте сборки и разборки, жесткости конструкции в рабочем положение, минимальному объему и массе, сохранению изначальной геометрии, низкой себестоимости и простоте изготовления.
Для всех типов трансформируемых антенн существует проблема в получение и сохранение теоретической поверхности рефлектора с заданной высокой степенью точности. Любые случайные и периодические ошибки в изготовлении профиля в совокупности приведут к уменьшению коэффициента усиления антенны [1].
Наибольший вклад в отклонение рабочей поверхности от теоретического профиля вносят термоупругие деформации, обусловленные влиянием температурного перепада, коэффициентов линейного термического расширения, выбором схем армирования, материалов сотового заполнителя, и полимерных композиционных материалов [2].
Важным при проектирование несущих конструкций космических трансформируемых антенн является выбор материала. В последние годы широко изучаются возможности композиционных материалов (КМ). Перспективными при этом представляются материалы на основе эпоксидных смол, армированными углеродными волокнами (углепластики).
Вследствие анизотропных свойств углеродных волокон коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) слоистого КМ может быть близкой к нулю в широком диапазоне температур. Это принципиально важно для крупногабаритных космических конструкций в связи с их постоянно меняющимся и неравномерным солнечным нагревом.
Высокая удельная прочность углеродных волокон позволяет создать на их основе при помощи прогрессивных технологических методов формообразования достаточно жёсткие конструктивные элементы. Однако из-за анизотропии физико-механических свойств появляются дополнительные сложности при проектировании, как самого материала, так и конструкции. В то же время благодаря анизотропии возможна оптимизация космических антенн по массовым, жестко-стным и геометрическим параметрам. Изменяя тип волокна, матрице, их соотношение и схемы армирования, используя другие технологические возможности, можно создавать формостабильные конструктивные элементы космических трансформируемых антенн с заданными параметрами [3].
Особую важность имеет сдвиговая прочность, поскольку именно малая прочность при сдвиге между слоями является одним из основных недостатков армированных КМ. Предполагается, что адгезионная стойкость превосходит стойкость полимера, т. е. разрушение по границе раздела не происходит.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Министерства образования и науки Российской Федерации) по договору 02.G25.31.0147.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Так как без приложения нагрузки полимерная матрица должна выдерживать значительные механические деформации без разрушения адгезии на границе с углеродным волокном, эпоксидные смолы значительно лучше других выдерживают подобные условия. Микротрещины образуются только после термостарения, в то время как КМ на основе других связующих растрескиваются уже после изготовления [4].
Прямое копирование технологических приемов, применяемых для изготовления силовых конструкций, не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к изготовлению высокоточных изделий. Основной причиной является недостаточно контролируемые параметры технологического процесса - режимы формования и термообработки при отверждении, равномерность температурного и силовых полей, температурные, усадочные и остаточные напряжения и деформации, углы разориентации при выкладке препрега [5]. Такая сильно выраженная зависимость свойств КМ от технологических параметров вызовет необходимость, во-первых, точность определения границы для допустимых отклонений технологических параметров каждой операции процесса изготовления и сужать их и, во-вторых, разрабатывать дополнительные технологические способы, оборудование и оснастку, позволяющую регулировать отрицательно действующие факторы с целью обеспечения заданных параметров изделия.
Технологические отклонения разориентации углов армирования и отклонение от квазиизотропной структуры армирования обшивок из КМ приводит к существенным температурным деформациям.
При проектирование космических трансформируемых антенн и отработке технологии изготовления следует учитывать направление углов армирования и количество слоев обшивок из КМ не только с учетом жесткости, но и с учетом температурных деформаций.
Библиографические ссылки
1. Молодцов Г. А., Биткин В. Е. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композитных материалов. М. : Машиностроение, 2000.
2. Тестоедов Н. А., Двирный Г. В., Пермяков М. Ю. Определение величины температурной деформации размеростабильных рефлекторов // Сибирский журнал науки и технологий. 2011. № 2 (35).
3. Mao H., Shipsha A., Tibert G. Design and analysis of laminates for self-deployment of viscoelastic bistable tape springs after long-term stowage Journal of applied mechanics-transactions of the ASME V. 84 T. 7, 2017.
4. Гряник М. В., Ломан В. И. Развертываемые антенны зонтичного типа. М. : Радио и связь, 1987.
5. Engineering mechanics of composite materials / M. D. Isaac, I. Ori. Edition. 2 nd ed. New York : Oxford University Press, 2006.
References
1. Molodtsov G. A., Bitkin V. E. Formostabil'nye i in-tellektual'nye konstruktsii iz kompozitnykh materialov. [Dimensionally stable and smart design of composite materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2000. (In Russ.)
2. Testoedov N. A., Dvimiy G. V., Permyakov M. Yu. [Temperature deformation value definition of size stable reflectors] Sibirskij zhurnal nauki i tekhnologij. 2011. № 2 (35). (In Russ.)
3. Mao H., Shipsha A., Tibert G. Design and analysis of laminates for self-deployment of viscoelastic bistable tape springs after long-term stowage Journal of applied mechanics-transactions of the ASME V. 84 T. 7. 2017.
4. Gryanik M. V., Loman, V. I. Unfurlable reflective antennas of umbrella type. Moscov, Radio I svyaz. 1987. 72 p. (In Russ.)
5. Engineering mechanics of composite materials /. Isaac M. Daniel, Ori Ishai. Publisher New York : Oxford University Press, 2006. Edition. 2nd ed. LOCATION.
© Рожков И. П., 2018
