Transformable reflectors of spacecraft antennas.pdf Для современной спутниковой связи требуются крупногабаритные антенны свысокой точностью формы отражающей поверхности рефлектора. Компьютерноемоделирование является важным инструментом при создании и проектированииспутниковых систем, так как экспериментальная отработка таких конструкцийтребует больших временных и материальных затрат. Актуальность работы вызва-на необходимостью прогнозирования механического поведения рефлектора и со-ответственно радиотехнических параметров антенн. На рис. 1 приведены изобра-жения этих рефлекторов как антенн космических аппаратов (КА).Рис. 1Классификация развертываемых антенн и вопросы расчета характеристик из-лучения зеркальных антенн зонтичного типа приведены в работе М.В. Гряника иВ.И. Ломана [1]. В диссертации Г. Тиберта [2] рассмотрены варианты конструк-ции крупногабаритных космических рефлекторов. Методы численного моделиро-вания напряженно-деформированного состояния мембранных конструкций, в томчисле и рефлекторов зонтичного типа, рассмотрены в [3] и некоторых другихпубликациях.Параболический рефлектор зонтичного типа показан на рис. 2. Силовая схемапредставляет собой конструкцию, состоящую из параболических спиц, которые оп-ределяют форму отражающей поверхности (ОП) из металлического сетеполотна.В [4] для получения численного решения задачи о напряженно-деформирован-ном состоянии (НДС) рефлектора использовался метод конечных элементов, реа-лизованный в программном комплексе ANSYS.Рис. 2. Рефлектор для спутника «Луч» ОАО «ИСС» им. академика М.Ф. РешетневаНачальная форма спиц и сетеполотна соответствовали теоретическому парабо-лоиду. Закрепление рефлектора осуществлялось в точках крепления силовых спиц кступице. Максимальные расчетные отклонения точек ОП от их проектного положе-ния на идеальном параболоиде составили около 0,7 мм. Натяжение сетеполотна порезультатам расчетов, за исключение края, соответствовало номинальному. Приэтом среднеквадратичное отклонение (СКО) поверхности составило 0,56 мм.Использование трикотажного металлического сетеполотна для ОП трансформи-руемых космических антенн позволяет получить улучшенные удельные массовыехарактеристики для рефлекторов. Однако при этом появляется зависимость коэф-фициента отражения от напряженного состояния сетеполотна. Таким образом, воз-никает необходимость совместного моделировании НДС и радиотехнических ха-рактеристик рефлектора. Варианты методик расчета радиотехнических характери-стик крупногабаритных рефлекторов рассматривались в работах М.В. Гряника [1]J. Ruze [5], M.W. Thomson [6]. Однако учет искажений отражающей поверхностипроизводился на основе экспериментальных измерений. Кроме этого, не учитыва-лось влияние величины натяжения сетеполотна на коэффициент отражения.Определение основных радиотехнических характеристик антенн связано с по-лучением выражения для электромагнитного поля в дальней зоне, когда источни-ками поля являются заданные сторонние токи j на ОП рефлектора. Токовый ме-тод определения направленных свойств параболической антенны базируется нараспределении поверхностных токов на внутренней поверхности зеркала. Векторплотности тока с учетом коэффициента отражения в данной точке поверхностизеркала можно определить с учетом ориентации векторов H в падающей и отра-женной волнах по формулеjs = 2[n0H]R(ƒ),где js - вектор плотности поверхностного тока в данной точке ОП; Н - вектор на-пряженности магнитного поля, создаваемого падающей волной облучателя в дан-ной точке ОП; n0 - орт нормали к поверхности в этой же точке; R(ƒ) - коэффици-ент отражения, зависящий от механического напряжения ƒ, реализующегося в ОПиз сетеполотна.Полученная в результате моделирования равновесная форма ОП рефлектораиспользована для расчетов методом моментов диаграмм направленности косми-ческого рефлектора. Расчет проводился с помощью программного пакета для3D-электромагнитного моделирования - FEKO [7]. В качестве облучателя реф-лектора использовался рупор, который располагался в фокусе рефлектора, рабо-тавший на частоте 2 ГГц. При вычислении ДН, в качестве облучателя задаваласьэквивалентная ДН рупора, полученная при эксперименте. Отклонения расчетнойДН от экспериментальной ДН составляет не более 10 %.В настоящее время на телекоммуникационных спутниках широко используют-ся многолучевые зеркальные антенны с вынесенной облучающей системой с раз-вертываемым крупногабаритным рефлектором. Примером такого рефлектора яв-ляется конструкция, показанная на рис. 3 [8]. Результаты расчета НДС такогорефлектора рассмотрены в [4]. При вычислении ДН рефлектора, в качестве облу-чателя задавалась эквивалентная ДН облучающей системы. Рабочая частота облу-чателя равнялась 8 ГГц. На рис. 4 представлены ДН для расчетной равновеснойформы рефлектора с учетом СКО.1234Рис. 3. Общий вид развертываемого реф-лектора антенны космического аппаратаРис. 4. Диаграмма направленности рефлекто-ра, нормированный масштаб (1 - идеальныйпараболоид; 2 - СКО = 0,5 мм; 3 - СКО = 2 мм;4 - СКО = 6,5 мм)В результате вычислений можно сделать вывод, что при увеличении СКО ДНотличается от идеальной диаграммы. При этом возрастают боковые лепестки,смещается главный лепесток и падает коэффициент усиления антенны.На рис. 5 показана модель рефлектора с уменьшенным количеством спиц си-лового скелета. Треугольный фасет фронтальной сети имел размер 1,6 метра.Рис. 5. Элементы конструкции зонтичного рефлектораПри получении численного решения все элементы вантово-стержневой конст-рукции, кроме ОП, сначала считались закрепленными. В конечном счете, закреп-ление оставалось лишь в точках крепления силовых спиц к ступице. Напряжен-ным элементам конструкции задавались соответствующие начальные напряже-ния. С учетом закреплений находилось равновесное НДС конструкции. На рис. 6и 7 представлены результаты численного решения. При этом СКО составило6,07 мм. На рис. 7 представлены напряжения, реализующиеся в сетеполотне. Вид-но, что за исключением краевых зон напряжения отклоняются от заданных не бо-лее чем на 10 %.Рис. 6. Отклонения ОП по оси Z от параболоида, мРис. 7. Интенсивность напряжений ОП, ПаПри вычислении ДН рефлектора в качестве облучателя задавалась эквива-лентная ДН облучающей системы. Рабочая частота облучателя равнялась 3,1 ГГц.На рис. 8 показана расчетная ДН рефлектора. Коэффициент усиления составил57 дБ.-0,4 -0,2 0 0,2 град1020304050дБРис. 8. ДН рефлектораРезультаты численного моделирования показывают, что зонтичная схематрансформации позволяет с достаточной точностью создать ОП до размеров в не-сколько десятков метров. Высокая надежность раскрытия делает зонтичные реф-лекторы часто используемыми для параболических антенн КА. Однако увеличе-ние габаритов приводит к возрастанию массы рефлектора приблизительно по ли-нейному закону.Ободные рефлекторыОсновным конструктивными элементами ободных космических рефлекторовявляется ферменный обод, обеспечивающий заданный профиль ДН и ориентациюрефлектора, фронтальная и тыльная сети, ОП, а также вантовая система. Фер-менный обод представляет собой стержневую конструкцию, собранную из жест-ких углепластиковых элементов. Основные требования к конструкциям рефлек-торов заключаются в высокой точности формы ОП и наведения, высокой темпе-ратурной стабильности и радиоотражающей способности антенных систем.При численном моделирования НДС рефлектора [9], кроме состояния в невесо-мости, рассмотрены положения у поверхности Земли «чашей вниз» и «чашейвверх». Граничные условия соответствовали полному закреплению ободной конст-рукции в узлах связи со штангой от КА. Объемная нагрузка соответствовала уско-рению свободного падения у поверхности Земли. В плоскости раскрыва рефлекторазадавались начальные напряжения ОП, соответствующие рабочим натяжениям се-теполотна. В качестве обобщенной меры отклонения ОП рефлектора в равновесномсостоянии использовалось СКО полученной расчетной поверхности в узлах конеч-но элементной сетки от поверхности соответствующего параболоида.Рис. 9. КЭМ ободного рефлектора Рис. 10 . Диаграммы направленности для иде-альной параболической поверхности (---) ирасчетной равновесной формы отражающейрефлектора (----)Распределения перемещений в направлении, перпендикулярном плоскостираскрыва, показали, что ОП рефлектора в положении «чашей вверх» имеет СКОменьше, чем в положении «чаша вниз». Полученные результаты хорошо согла-суются с результатами [10].Рис. 11. Отклонения ОП в мм от идеального параболоидапосле определения ее начальной геометрииНа рис. 10 приведены ДН для идеального параболоида и отражающей поверх-ности с расчетной равновесной формой для ободного рефлектора. Граничные ус-ловия соответствовали закреплению рефлектора в точках соединения со штангойот КА. Нагружение конструкции производилось неравномерным температурнымполем, которое имеет место при функционировании на орбите Земли из-за неоди-наковой освещенности элементов конструкции Солнцем, что привело к соответ-ствующему деформированию ОП рефлектора и изменению положения оси реф-лектора. Вследствие этого, во-первых, уменьшился главный лепесток, во-вторых,смещена вся диаграмма и, в-третьих, имеются изменения боковых лепестков. Этирезультаты качественно соответствуют результатам [1]. В полученных результа-тах ширина ДН антенны равна 1,8°, коэффициент усиления равен 30 дБ при час-тоте 1 ГГц. При этом наибольшие отклонения отражающей поверхности от иде-ального параболоида достигали 2,0 мм.Рис. 12. Разница положений точек ОП в мм между положениями в невесомостии «чаша вниз» - шкала a, и невесомости и «чаша вверх» - шкала бОбодная концепция трансформируемых рефлекторов позволяет обеспечитьмалую удельную массу конструкции, стабильность при повторных раскрытиях ивозможность эффективного использования натяжителей вантовых элементов длярегулировки формы ОП.Надувные рефлекторыНадувная антенна производится из тонкого прочного материала, который пе-ред запуском сворачивается, а после запуска раскрывается за счет надувания.Рефлектор такой антенны напоминает круглую параболоидальную подушку спрозрачной передней поверхностью и отражающей тыльной [2, 11]. По краю онаподкрепляется надувным торусом, как показано на крайней правой конструкциирис. 1.Основным из преимуществ надувных конструкций является малый объем втранспортировочном положении. Надувная антенна в сложенном состоянии имеетсамый небольшой размер и потенциально самую небольшую массу, что очень ак-туально при переходе к большим диаметрам космических конструкций. Конст-рукция может быть ужесточена за счет пропитывания мембранного материала ка-нифолью, которая при высоких температурах или под влиянием солнечных ульт-рафиолетовых лучей медленно затвердевает. Надувные антенны способны рабо-тать на частотах до 10 ГГц и выше при больших габаритах. Достижимая точностьОП также превышает значения, которые способны обеспечить другие типы реф-лекторов, особенно при больших размерах конструкций. Также несомненнымдостоинством является то, что в поле сил тяжести у поверхности Земли доступенпроцесс обезвешивания надувной конструкции с помощью использования болеелегкого, чем воздух, газа. Об этом пишет Тиберт в своей диссертации [2] и к та-кому же результату приводит моделирование надувной конструкции в поле силтяжести.Однако имеются технологические проблемы изготовления надувного рефлек-тора. Трудность заключается в том, что требуется создать такую поверхность, ко-торая при наполнении газом приняла бы форму, обеспечивающую требуемое зна-чение СКО. Численное моделирование позволяет подобрать начальную форму исоответствующие выкройки ОП, которые при надувании рефлектора позволяютполучить ОП с требуемыми радиотехническими характеристиками. На рис. 11отображены отклонения точек отражающей поверхности от идеального парабо-лоида с СКО 3,5 мм после численного моделирования для крупногабаритногорефлектора [12]. Центральная область ОП имеет отклонения порядка 1 мм, ноближе к краю купола картина несколько ухудшается, что возможно связано с кри-визной поверхности офсетного параболоида.Численный анализ формы ОП в поле силы тяжести у поверхности Земли длядвух положений «чаша вверх» и «чаша вниз», что показано на рис. 12, позволилвыяснить, что разница положений ее точек между состоянием в невесомости иположениями «чаша вверх» и «чаша вниз» совпадает с точностью до третьегознака после запятой. Расхождение составляет менее двух процентов, что можетбыть объяснено кривизной поверхности. Это позволяет упростить технологию от-работки надувных рефлекторов на Земле.Перепад температур в космосе оказывает большое влияние на точность ОП из-за того, что газ, которым наполнена конструкция, может сжиматься или расши-ряться, что в свою очередь приводит к изменению величины перепада давления.Оценка температурного влияния показала, что из трех факторов температурноговоздействия, таких, как зависимость модуля упругости от температуры, коэффи-циент температурного расширения материала и изменение перепада давления вкуполе и вне него в результате нагрева или охлаждения газа, наиболее значимымиявляются последние два. Они больше всего влияют на НДС рефлектора и сильнеевсего искажают ОП, а искажение ОП в результате зависимости модуля упругостиматериала от температуры очень мало. Сравнительные данные для положениякупола надувного рефлектора относительно Солнца по влиянию тепловых факто-ров на СКО ОП приводятся в таблице.ФакторСКО безучета влияниятемпературы, ммСКО послеучета влияниятемпературы, ммЗависимость модуля упругости материала ОПот температуры 3,609 3,781Коэффициент температурного расширения ОП 3,609 11,124Изменение давления в куполе рефлектора 3,609 14,425Анализ полученных результатов приводит к выводу о том, что необходимоучитывать факторы температурного воздействия на надувные рефлекторы тепло-вого излучения Солнца на орбитах Земли при подборе материалов для его изго-товления, а также его теплоизоляции.Следует отметить, что надувные рефлекторы могут иметь наименьшая удель-ную массу из всех рассмотренных при больших габаритах с высокоточной фор-мой ОП. У надувных конструкций высокая степень надежности раскрытия из-запростоты принципа и небольшого количества режимов отказа. Однако отсутствиедолговечных твердеющих в условиях околоземного космоса материалов для на-дувных элементов сдерживает использование надувных рефлекторов для антеннКА.ЗаключениеНа основе подходов механики деформируемого твердого тела и радиофизикиреализована комплексная методика компьютерного моделирования перспектив-ных трансформируемых космических рефлекторов, позволяющая более точноучитывать форму и напряженность ОП, сократить объем экспериментальных ра-бот при создании оптимальных конструкций рефлекторов по заданным ДН и про-гнозировать эффективность функционирования рефлекторов с КА на околозем-ных орбитах.Результаты численного моделирования показывают, что рассмотренные типыконструкций рефлекторов не потеряли своей перспективности вследствие воз-можностей хорошей трансформации, надежности в раскрытии, малого веса и дос-таточной точности по созданию параболической формы ОП. Учитывая особенно-сти каждой из рассмотренных конструкций, при возникновении конкретной зада-чи, можно указать наиболее подходящую конструкцию из рассмотренных дляпрактической реализации.

Скачать электронную версию публикации