CC BY
71Решетнеескцие чтения. 2015
3. Преображенский И. Н., Преображенский П. И. Прочность, жесткость и технологичность деформируемых несущих конструкций // Научно-технический прогресс в машиностроении : сб. Сер. Прочность, жесткость и технологичность изделий из композиционных материалов. 1991. № 9. С. 3-17.
References
1. Molodtsov G. A., Bitkin V. E., Simonov V. F., Urmansov F. F. Formostabil'nye i intellektual'nye konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. M. : Mashinostroenie, 2000. 352 s.
2. Karpov Ya. S., Stavichenko V. G. Issledovanie i analiz sposobov udovletvoreniya kriteriyam prochnosti sloistogo kompozitsionnogo materiala // Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. 2004. № 1. S. 3-10.
3. Preobrazhenskii I. N., Preobrazhenskii P. I. Prochnost', zhestkost' i tekhnologichnost' deformiruemykh nesushchikh konstruktsii. V sb.: Nauchno-tekhnicheskii progress v mashinostroenii. Ser. Prochnost', zhestkost' i tekhnologichnost' izdelii iz kompozitsionnykh materialov. 1991. № 9. S. 3-17.
© Богданова А. А., Кравченко Ю. С., 2015
УДК 629.783, 621.372.8
СВЕРХЛЕГКИЕ ВОЛНОВОДЫ АНТЕНН ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОДЯЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ
В. В. Болтов, В. Б. Тайгин, Г. Н. Грудинин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: bolgov-v@iss-reshetnev.ru
Рассмотрен метод изготовления волноводов антенн из полимерных композиционных материалов с металлической проводящей оболочкой и без. По данному методу возможно изготовление волноводов с требуемыми параметрами из углепластика. Использование углепластиков в конструкции позволяет снизить массу изделия и обеспечивает его температурную стабильность.
Ключевые слова: антенна космического аппарата, волновод, фидерный тракт, полимерные композиционные материалы, гальваническое осаждение металлов.
ULTRA LIGHTWEIGHT WAVEGUIDES OF ANTENNA OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS WITH METALLIC CONDUCTIVE SHELL
V. V. Bolgov, V. B. Taygin, G. N. Grudinin
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: bolgov-v@iss-reshetnev.ru
The paper presents a method of manufacturing waveguides of polymeric composite materials with metallic conductive shell and without it. Using this method it is possible to manufacture waveguides from carbon fiber with required parameters. Applying carbon fiber in construction reduces the mass of the product and provides temperature stability.
Keywords: spacecraft antenna, waveguide, feeder links, polymer composite materials, galvanic deposition of metals.
К антеннам космических аппаратов предъявляются требования по обеспечению необходимых радиотехнических характеристик, при этом они должны обладать наименьшей массой и соответствовать требованиям по жесткости и прочности.
Неотъемлемой частью большинства радиотехнических устройств являются фидерные системы, предназначенные для передачи электромагнитной энергии, в частности, служащие для соединения антенн с передатчиками и приемниками [1]. На сантиметровых и миллиметровых длинах волн в качестве фидерных
трактов используются волноводы различных типов и сечений (от (5,69x2,84) и до (58,2x29,1) мм).
Основными параметрами волноводов являются высокая точность размеров и высокий класс обработки внутренних поверхностей. Выполнение этих условий при изготовлении волноводов обычными методами (литье, механическая обработка) связано с большими затратами труда, а зачастую и недостижимо, особенно если каналы имеют изогнутую или скрученную форму, а также переход от одного вида сечения к другому.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Для снижения массы волноводов по сравнению с традиционными конструкциями возможно изготовление волноводов из углепластика. Благодаря более низкому значению коэффициента термического расширения (на порядок), в элементах антенн из углепластика выше чистота пропускания сигналов заданной частоты и добротность из-за меньшей потери энергии в полосе пропускания рабочих частот [2].
С целью уменьшения массы волноводных трактов и сохранения размерной стабильности в условиях космического пространства было отработано изготовление волноводов из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Изготовление элементов с замкнутым профилем с изгибами по длине, с полузакрытыми полостями, с переменным сечением невозможно по традиционной технологии, так как невозможно извлечь оправку. При изготовлении волноводов из ПКМ возможно отсутствие дробления волноводов при использовании технологии изготовления деталей из ПКМ по вытравляемым оправкам, отработанной и квалифицированной ранее в АО «ИСС».
Способ изготовления волновода из ПКМ включает следующие стадии: изготовление полой оправки с наружной формообразующей поверхностью предполагаемого изделия (волновода), оправка может быть как в виде одной детали, так и составной, в зависимости от сложности нужного волновода; укладка на нее препрега углеродного волокна; полимеризация; механическая обработка (при необходимости); удаление оправки путем химического травления.
В качестве материала оправки используются алюминиевые сплавы, которые хорошо растворимы в растворах едкого натра, а также легко подвергаются механической обработке, что обеспечивает изготовление оправок с жесткими допусками на размеры и высоким классом чистоты обработки поверхности. В качестве матрицы для пропитки наполнителя препрега необходимо использовать связующие, химически стойкие к травлению [3].
По данной технологии был изготовлен волновод сечением (58,2*29,1) мм.
По результатам измерения коэффициента стоячей волны по направлению (КСВ) и потерь в волноводе было замечено несоответствие требований по коэффициенту и большие потери. Использовать волновод из ПКМ в таком исполнении в дальнейшем нецелесообразно.
Несоответствие волновода по КСВ и большие потери в нем обусловлены тем, что в качестве проводящего слоя выступает углепластик, уменьшить значения КСВ и потерь в волноводе возможно, введя в конструкцию проводящий слой из металла [4; 5].
Ввести проводящий слой в волновод из ПКМ возможно при помощи электролитического формования металла на оправку в гальванической ванне.
Суть метода заключается в предварительном нанесении на оправку для формования углепластика слоя металла (медь, никель, серебро) путем гальванического осаждения. Далее на оправку выкладывают адгезионный слой, затем препрег углеродного волокна. После проводится полимеризация, затем оправку вытравляют в растворе щелочи. При этом металлическая
оболочка, прочно сцепленная с углепластиком, остается невредимой.
Полученная в результате внутренняя поверхность изделия отличается высокой точностью и шероховатостью, и фактически эта металлическая оболочка является «слепком» наружной поверхности оправки. Возможна дальнейшая обработка этой оболочки для повышения коррозионной стойкости и проводимости.
По данной технологии было изготовлено несколько волноводов. На рис. 1 представлены графики КСВ и потерь. По графикам видно, что потери в волноводе несущественны, КСВ соответствует требуемым значениям. На рис. 2 представлено фото изготовленного волновода.
ТгЖй/Оип Кир«« Мл.ки/А|и1ун* £|>ти1» Ш* ННр
Тг 1.811 ЙЛЙ0 05 Ои 1 оос Г, 4 ЙСШЙ ОООА
0,00 ■0.10 -020 -СИ
>1: ЙНг з т йм; 1 06 -003 <18
-0.se 0 60 -0 70 0« -090 ■1.00
СМ Ам - 3
1 >СМ:8Ш1 5 25000 йН2-- йюр <90000 <ЗНг
(! СИ 1 И с г Гс1 а™.э
Рис. 1. Графики КСВ и потерь (дБ)
Рис. 2. Волновод из ПКМ с медной оболочкой
Преимуществом волноводов из ПКМ по сравнению с волноводами из металлов является возможность изготовления цельных волноводов любой длины, с неограниченным количеством перегибов и скруток, что позволяет значительно снизить массу фидерных трактов, также в таких конструкциях отсутствует проблема с радиогерметичностью.
Метод изготовления волновода из ПКМ с металлической проводящей оболочкой способом электролитического формования может быть использован для изготовления волноводов антенн космических аппаратов. Отработка данной технологии позволяет расширить область применения композиционных материалов, в частности для устройств СВЧ и других элементов КА, требующих наличия поверхностной металлизации.
Решетнееские чтения. 2015
Библиографические ссылки
1. Драбник А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Ан-тенно-фидерные устройства. М. : Советское радио, 1974. 536 с.
2. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Г. М. Гуняев, В. В. Кривонос, А. Ф. Румянцев и др. // Вестник ВИАМ. 2003. № 11. С. 3-16.
3. Справочник по композиционным материалам. В 2 кн. Кн. 2 / под ред. Дж. Любина ; пер. с англ. А. Б. Геллера. М. : Машиностроение, 1988. 584 с.
4. Erik G. Geterud, Pontus Bergmark, Jian Yang. Lightweight Waveguide and Antenna Сomponents Using Plating on Plastics // 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013. Gothenburg, Sweden, 2013. C. 2-5.
5. Olof Dahlsjo, Birger Ljungstrom, Hans Magnusson. Fibre-reinforced Plastic Composites in Sophisticated Antenna Designs // Ericsson Review. 1987. № 2. С. 4-12.
References
1. Drabnik A. L., Zuzenko V. L., Kislov A. G. Antenno-fidernyesistemy [Antenna feeder systems]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1974, 536 p.
2. Gunyaev G. M., Krivonos V. V., Rumjancev A. F. [Polymer composite materials in aircrafts]. Vestnik VIAM. 2003, no. 11, p. 3-16 (In Russ).
3. G. Lubin. Handbook of composites. Vol. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 584 p.
4. Erik G. Geterud, Pontus Bergmark, Jian Yang. Lightweight Waveguide and Antenna Components Using Plating on Plastics. 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, Gothenburg, Sweden, 2013, p. 2-5.
5. Olof Dahlsjo, Birger Ljungstrom, Hans Magnusson. Fibre-reinforced Plastic Composites in Sophisticated Antenna Designs. Ericsson Review. 1987, no. 2, p. 4-12.
© EonroB B. B., TaftraH B. E., TpyflHHHH r. H., 2015
УДК 629.78
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМИРУЕМОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ШТАНГИ
А. В. Бондарев, В. Г. Гиммельман, О. А. Груничева*, Е. О. Зотова, С. С. Щесняк
ОАО «Научный центр прикладной электродинамики» Российская Федерация, 190103, г. Санкт-Петербург, Рижский просп., 26
*E-mail: olga.grunicheva@scaegroup.com
Рассмотрены особенности расчетного моделирования трансформируемой космической штанги, отражены сложности поставленных задач, предложены способы их решения.
Ключевые слова: Трансформируемая штанга, особенности расчета, конечно-элементное моделирование.
SPECIFIC FEATURES OF CALCULATIVE SUPPORT TO DEPLOYABLE SPACE MAST DESIGN
A. V. Bondarev, V. G. Gimmelman, O. A. Grunicheva*, E. O. Zotova, S. S. Shchesniak
Scientific centre of applied electrodynamics, Ltd. 26, Rizhsky Av., Saint-Petersburg, 190103, Russian Federation *E-mail: olga.grunicheva@scaegroup.com
We investigate the specific features of calculative modeling deployable space mast. The tasks and their solutions are also described.
Keywords: transformable mast, calculative design specific features, finite element modeling
Экспериментальная отработка космических крупногабаритных трансформируемых конструкций требует больших материальных и временных затрат и не всегда обеспечивает корректность результатов из-за сложности имитации космических условий.
В связи с этим расчетное обеспечение проектирования таких конструкций с их полномасштабным математическим моделированием приобретает особую значимость.
При проектировании штанги, задачей которой при развертывании космической антенны системы является перемещение рефлектора диаметром 48 м от космического аппарата (КА) на расстояние 31 м, был выполнен комплекс расчетов, охватывающий все стадии ее эксплуатации - от испытаний и транспортирования штанги в земных условиях до удержания в космосе рефлектора в требуемом положении относительно КА (рис. 1).
