CC BY
49Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.78
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОГРИДНОГО РЕФЛЕКТОРА АНТЕННЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н. А. Бердникова1, А. В. Иванов2, В. Е. Чичурин2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: berdnikova-nataly@mail.ru
Российские космические программы развиваются по трем основным направлениям: гражданское, военное и романтическое [1]. Для каждого из этих направлений необходимы космические аппараты (КА) с бортовыми антеннами, способными обеспечить точный и стабильный сигнал. Одним из сложных элементов антенны с точки зрения изготовления и поведения в космосе является рефлектор. Предлагается конструкция и способ изготовления рефлектора антенны КА. Конструкция рефлектора представляет собой тонкую оболочку с набором ребер с тыльной стороны. Особенность предлагаемой технологии в том, что рефлектор изготавливается за один технологический цикл, на основе сочетания термокомпрессионного и вакуумно-автоклавного формования, без применения клея. Это позволяет исключить накопление погрешности изготовления и получить рефлектор с точной отражающей поверхностью.
Ключевые слова: антенна космического аппарата, рефлектор, изогридная конструкция, термокомпрессионное формование.
DESIGN AND MANUFACTURING OF SPACECRAFT ANTENNA ISOGRID REFLECTOR FROM COMPOSITE MATERIALS
N. A. Berdnikova1, А. V. Ivanov2, V. Е. Chichurin2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: berdnikova-nataly@mail.ru
The Russian space program has three basic areas: civil, military and romantic. Spacecraft antennas can provide accuracy and stable signal that is vital for each of these areas. The most complex of the antenna's element in respect to its manufacturing and behavior in space is a reflector. Design and manufacturing of the spacecraft antenna reflector is proposed in this research. A reflector represents a thin surface with isogrid structure on back side. Feature of the given technology is following: a reflector is made with one technological cycle, based on thermo-compression and vacuum-autoclave molding, without glue application. It allows to exclude accumulation of manufacturing error and to receive high-precision reflector.
Keywords: spacecraft antenna reflector, isogrid structure, thermo-compression molding.
Современный космический аппарат (КА) определяется уровнем радиотехнических характеристик бортовых антенн. На протяжении последних лет увеличивается спрос на КА с минимальной массой, высокими диапазонами частот бортовых антенн и увеличенной мощностью бортовых ретрансляторов. Несмотря на значительный мировой опыт создания КА, задача проектирования размеростабильных конструкций с оптимальным соотношением прочности и массы остается весьма актуальной. Одним из способов решения этой задачи может быть применение в конструкциях антенн композиционных материалов (КМ) и изогридных структур [2].
В работе исследуются конструкция и технология изготовления рефлектора антенны КА из КМ. Рефлектор представляет собой параболическую оболочку, которая с тыльной стороны имеет изогридную структуру в виде набора правильных треугольников.
На сегодняшний день большое распространение получили трехслойные конструкции рефлекторов. Как правило, трехслойные конструкции состоят из несущих обшивок из углепластика и алюминиевого или арамидного сотового заполнителя. Технология изготовления таких конструкций базируется на автоклавном формовании и включает следующие этапы: формование с предварительной полимеризацией фронтальной обшивки, приклеивание сотового заполнителя при помощи пленочного клея, выкладка на сотовый заполнитель и пленочный клей слоев тыльной обшивки, окончательное формование, вклеивание крепежных элементов.
За счет многоступенчатости технологии и применения нескольких материалов с разными коэффициентами линейного температурного расширения (КЛТР) при полимеризации в конструкции возникают
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
внутренние напряжения, приводящие к деформациям после снятия с оснастки.
Особенность предлагаемой технологии в том, что изготовление рефлектора осуществляется за один технологический цикл, с применением автоклавного термокомпрессионного формования, а также исключает использование клея. Главное достоинство конструкции монолитного рефлектора заключается в отсутствии накопления отклонений при производстве и сборке отдельных элементов, что обеспечивает получение конструкции высокой точности. В состав рефлектора входит только один КМ.
Отработка технологии проводилась на образце, представленном на рис. 1, 2. Приспособление для изготовления образца состоит из оправки с прецизионной формообразующей поверхностью, ограничительных пластин и кассеты для формования резиновых пуансонов. Материал оправки имеет КЛТР, близкий к КЛТР материала образца.
Рис. 1. Трехмерная модель образца
Рис. 2. Изготовленный образец
На основании трехмерной послойной модели (рис. 1), выполненной в модуле CATIA Composite Design, генерируются файлы для раскроя каждого треугольного элемента конструкции на планшетном плоттере и создаются трехмерные контуры для выкладки материала. После завершения раскроя на подготовленную поверхность приспособления послойно выкладываются заготовки материала, состоящего из углеродного волокна, пропитанного связующим. Заготовки материала выкладываются на формообразующую поверхность приспособления с контролем углов ориентации при помощи трехмерного лазерного проектора. Отдельно на каждый пуансон по четырем граням укладываются заготовки материала, после чего все пуансоны крепятся к кассете и устанавливаются в приспособление для изготовления рефлектора, собирается
вакуумный чехол и производится полимеризация конструкции рефлектора в автоклаве. Отформованный рефлектор демонтируется с поверхности приспособления для проведения механической обработки по высоте. На рис. 3 показан срез в месте стыка отдельных треугольных элементов. По срезу видно, что материал пропрессован. Ребра конструкции, соединенные без использования клея, представляют собой монолитные пластины без расслоений.
Рис. 3. Узел схождения треугольных элементов образца
После изготовления произведено измерение геометрических параметров рабочей поверхности образца. Среднеквадратичное отклонение рабочей поверхности составило 0,05 мм, что соответствует требованиям высокоточных рефлекторов.
Для проверки размеростабильности образца при тепловом воздействии проведены испытания в термобарокамере (изменение температуры от -120 до +120 °С). Измерения геометрии рабочей поверхности образца после испытаний показали изменение параметров геометрии менее чем на 3 %, что свидетельствует о возможности применения данной технологии в конструкциях космического назначения. Цикличное температурное воздействие на образец в процессе термовакуумных испытаний не привело к нарушению целостности конструкции.
Библиографические ссылки
1. Арбатов А. Перспективы России как космической державы [Электронный ресурс]. URL: http://inosmi.ru/russia/20130515/209008577/ (Дата обращения: 02.09.2015).
2. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов : учеб. для вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1988. 516 с.
References
1. Arbatov A. Perspektivy Rossii kak kosmicheskoj derzhavi (Russia's perspective as space State). Available at: http://inosmi.ru/russia/20130515/209008577/.
2. Bulanov I. M., Vorobei V. V. Tehnologija raket-nich i aerokosmicheskich konstrukcij iz kompozicionnich materialov (Technology of rocket and space designs from composite materials). Moscow, Publishing house of Bauman MGTU, 1988, 516 p.
© Бердникова Н. А., Иванов А. В., Чичурин В. Е., 2015.
