Тема: Разработка метода и алгоритма коррекции формы отражающей поверхности трансформируемого зонтичного рефлектора

Важное направление работ в области аэрокосмической техники непосредственно связано с созданием систем глобальной связи. Для недавно освоенных диапазонов дециметровых и сантиметровых волн возникла необходимость в создании больших космических антенн диаметром 10-100 метров (см. рисунок 1). Предполагается, что использование больших космических радиоантенн, размещенных на околоземной орбите, позволит существенно расширить число абонентских каналов и значительно уменьшить энергетические потери, характерные для кабельной телефонной связи. Космическая телефонная сеть в свою очередь обеспечит устойчивую связь с движущимися объектами (автомашинами, самолетами, надводными судами)[6].
По принципу развертывания, определяемому назначением, космические антенны подразделяются на саморазвертывающиеся и развертываемые с помощью человека. По устройству механизма развертывания антенны можно разделить на следующие группы:
Механические - элементы конструкции образуют единственную механическую схему; развертывание механизма производится за счет энергии пружин или деформированных упругих элементов конструкции, изменением их взаимного углового положения;
Пневматические - раскрытие происходит за счет создания избыточного давления во внутренних полостях конструкции;
Вращающиеся - раскрытие осуществляется за счет центробежных сил, возникающих при вращении антенны вокруг фокальной оси;
Пиротехнические - развертывание в результате взрыва небольшого заряда или группы зарядов;
Комбинированные - раскрытые за счет комбинации действий перечисленных механизмов развертывания.
Для каждого конкретного применения развертываемой антенны существует большое число определенных требований, выполнение которых обеспечивает соответствующее функционирование ее конструкции. К общим требованиям можно отнести: жесткость конструкции в рабочем положении, минимальную массу и объем в сложенном положении, транспортабельность, заданную точность отражающей поверхности, высокую надежность развертывания, сохранение электродинамических параметров в заданных пределах при воздействии нагрузок со стороны окружающей среды, технологичность и низкую стоимость. Специфика наземного и космического базирования накладывает особые требования на развертываемые антенны [6].
Антенны космических аппаратов должны быть саморазвертывающимися и устойчивыми к влиянию со стороны космического пространства: солнечному давлению, перепаду температур, аэродинамическому сопротивлению на низких орбитах глубокому вакууму, метеоритам и т.д. Большие трудности возникают при обеспечении возможности проведения испытаний больших космических антенн в наземных условиях.
Наземные антенны иногда допускают ручное развертывание или сборку и должны иметь высокую степень устойчивости к воздействию ветра и осадков, а так же к перегрузкам, которые возникают при транспортировке, а так же обеспечивать неизменность радиотехнических параметров при многократном развертывании-свертывании [6].
Сохранение формы отражающей поверхности антенны зонтичного типа обеспечивается: механизмом развертывания, например, за счет вращений антенны или избыточного давления; фиксаторами, которые срабатывают сразу после раскрытия антенны; воздействием электростатических сил или магнитов, установленных на гибкой отражающей поверхности.
Одним из основных элементов радиоантенн является рефлектор. Рефлектор представляет собой механическую систему, состоящую из: 1 - фронтальной сети; 2 - отражающей поверхности, выполненной из металлического сетеполотна; 3 - системы вант, связывающих сетполотно со спицами; 4 - силового каркаса рефлектора. Эту систему можно рассматривать как управляемый объект. Тросы системы раскрытия и другие элементы управления всей конструкцией рассматриваются как управляющее устройство (см. рисунок 2, 3).
Конструкции современных рефлекторов характеризуются большими размерами и относительно малой массой, лимитируемой стоимостными ограничениями, связанными с расходами по доставке конструкции на заданную орбиту. Поэтому конструкции рефлекторов получаются весьма гибкими, что порождает множество проблем, нетипичных, например, для таких относительно жестких систем как элементы конструкции самолета [6].
В свою очередь, к конструкции рефлектора крупногабаритной космической антенны предъявляются высокие требования по жесткости, которые обусловлены необходимостью точной ориентации конструкции и должны обеспечивать высокую точность функциональных поверхностей. Кроме достаточной жесткости, другим важным критерием, влияющим на качество рефлектора, является наличие неровностей на его отражающей поверхности и то, что отражающая поверхность имеет отклонение от идеальной формы. Наличие неровностей отражающей поверхности может быть связано с различными факторами: неточностью изготовления элементов рефлектора, ошибками, допущенными при сборке антенны, неправильным раскрытием рефлектора на орбите, неравномерным тепловым расширением элементов силового каркаса вследствие солнечной радиации и различного рода внешних воздействий [13,14].

Купить

В процессе выполнения данной работы, был проведен обзор различных конструкций космических антенн и изучены их основные характеристики. Для реализации алгоритма регулирования была выбрана модель трансформируемого зонтичного рефлектора.
При помощи встроенного языка программирования APDL ANSYS был разработан алгоритм построения конечно-элементной модели рефлектора с отражающей поверхностью и регулировочными тросами. Было определено напряженно-деформированное состояние конструкции с учетом нелинейности при изменении длин регулировочных тросов, а так же проведен расчет СКО отражающей поверхности.
Следующим шагом было формулирование математической модели регулирования на основе матрицы влияния. С помощью языка программирования FORTRAN была создана программа решения обратной задачи для вычисления необходимых изменений длин регулировочных тросов.
В итоге была получена картина напряженно-деформированного состояния конструкции рефлектора после регулирования, удовлетворяющая требованиям по точности формы отражающей поверхности.

Купить