Обзор конструкций рефлекторов и условий их эксплуатации

Современный мир сложно представить без использования спутников связи. Работа современных технических комплексов и развитие в разных сферах жизни напрямую связаны с технологиями, работающими благодаря спутникам. Спутник связи — это искусственный спутник, выведенный на орбиту с помощью летательного аппарата (ЛА), назначением которого является ретрансляция радиосигнала между точками на поверхности Земли.

Развитие систем в разных сферах жизни человека таких, как спутниковая связь, GPS-ГЛОНАСС, метеорология, наблюдение за наземными и космическими объектами и т. д. потребовало улучшения характеристик рефлектора. Современные антенны должны обеспечивать большой коэффициент усиления и точность приёма и передачи сигнала. Важной составляющей частью рефлектора является его крепление к КА. От конструкции крепления зависят основные характеристики, связанные с точностью передачи сигнала. Существует два основных типа конструкции крепления: подвижное и неподвижное. В данной работе будет рассмотрено неподвижное крепление, которое обеспечит хорошие жесткостные характеристики конструкции, что поспособствует увеличению точности передаваемого и принимаемого сигнала.

1. Обзор конструкций рефлекторов и условий их эксплуатации

Различные системы связи, такие как телекоммуникационные средства связи и системы GPS-ГЛОНАСС, работающие на Земле, напрямую связаны со спутниками, также как и другие сферы жизни человека. Основной частью спутника является рефлектор зеркальной космической антенны, с помощью которого происходит передача информации. Для повышения качества связи и увеличения скорости сигнала необходимо развивать и совершенствовать РЗКА. Важной составляющей спутника связи является крепление зеркала рефлектора, поскольку оно может влиять на размеростабильность, вес конструкции и точность сигнала. В связи с этим необходимо модернизировать и крепление РЗКА к КА. Благодаря современному развитию в области материалов, привычные металлы можно заменить на композиционные материалы, что позволит сильно уменьшить массу конструкции, а также повысить размеростабильность. Спутник работает в условиях орбитального полёта в течение всего срока эксплуатации, что увеличивает количество факторов, которые необходимо учитывать при проектировании крепления.

1.1. Конструкции рефлекторов, материалы и условия работы

С развитием технологий и материалов в области систем спутниковой связи в облике антенн произошли серьёзные изменения. Вначале все искусственные спутники Земли, а не только связные, оснащали штыревыми антеннами. С освоением геостационарной и высоких эллиптических орбит в интересах космической связи возникла потребность в остронаправленных зеркальных антеннах. Конструкции рефлекторов зеркальных космических антенн разрабатывались исходя из назначения, частотного диапазона и технологических возможностей.

В зависимости от назначения космической антенны и частот её работы существует два основных типа рефлекторов: твердотельные и развёртываемые. Каждый тип имеет ряд преимуществ и недостатков. Размеры твердотельных рефлекторов сильно ограничивает носовой обтекатель ракеты-носителя, в то время как размеры развёртываемого рефлектора могут быть намного больше, за счёт его компактности. Помимо необходимых электрических и оптических характеристик оба типа рефлекторов должны отвечать требованиям по массе, которые являются весьма строгими для любой космической конструкции, так как от них зависит стоимость отправки изделия. Твердотельные рефлекторы имеют более высокую точность при приёме и передачи сигнала благодаря своей размеростабильности. Допустимое отклонение поверхности РЗКА от расчётного значения не должно превышать ∆= Λ/50 (Λ — рабочая длинна радиоволны спутниковой антенны). В последнее время вырос спрос на высокоскоростную связь, что предполагает развитие и освоение новых повышенных диапазонов частот с надёжным сигналом, передаваемым с минимальными задержками. В связи с этим повышаются требования к качеству конструкции РЗКА, в связи с чем, в данной работе рассматриваются твердотельные антенны. Основными причинами необходимости их применения являются благоприятные соотношение между жёсткостью и массой, термоупругая стабильность [6]. Ниже представлены рисунки с конструкциями двух типов рефлекторов: развертываемая (рисунок 1) и твердотельная (рисунок 2).

Рис. 1. Развёртываемая конструкция рефлектора [7]

Рис. 2. Твердотельная конструкция рефлектора (МГТУ им. Н. Э. Баумана)

Нововведением в области создания РЗКА стало использование композиционных материалов (КМ), самое широкое распространение получили углепластики, благодаря значительному облегчению конструкции, повышению стабильности формы и размеров. Также большое влияние на конструкцию РЗКА оказывает срок работы спутника в открытом космосе. Современные спутники рассчитаны на работу в условиях открытого космоса в течение 15 лет. В первую очередь это связано с возможностями используемых материалов в спутниковых системах, что должно способствовать увеличению срока эксплуатации спутников, а также продолжению развития в области материалов, используемых для КА.

При проектировании конструкции необходимо учитывать продолжительность нахождения спутника на орбите, поскольку это влияет напрямую на нагрузки, испытываемые конструкцией, а также влияет на деградацию свойств. Главным фактором, влияющим на прочность углепластика, является ультрафиолетовое излучение, поэтому при выборе материала необходимо подбирать специальные смолы, устойчивые к УФ-излучению или защитные покрытия. Также широкое применение углепластиков в антеннах обусловлено высокими механическими свойствами и весьма маленьким значение коэффициента линейного термического расширения (КЛТР). Исходя из возможностей варьирования разных свойств и параметров КМ, конструкции рефлекторов могут классифицироваться следующим образом:

— Трёхслойные рефлекторы: этот тип используется обычно для зеркал диаметром меньше 1,5 м, как правило самые простые и надёжные конструкции. Чаще всего изделия данного типа представляют из себя два тонких слоя углепластика, между которыми расположены соты, как правило алюминиевые, но также встречаются и конструкции с композитными сотами (рисунок 3а);

— Тонкий многослойный рефлектор с каркасом: используется для зеркал с диаметром более 2 м. Представляет из себя тонкую оболочку, поддерживаемую каркасом, совмещенным с задней стенкой оболочки или содеянным с связанными планками (рисунок 3в);

— Монолитный армированный рефлектор: конструкция представляет собой многослойную тонкую стабильную оболочку, усиленную рёбрами жёсткости, изготовленными из аналогичного или схожего материала. Обычно применяется для высокоточных РЗКА (рисунок 3б);

— Рефлектор с двойной решёткой: отличается проектированием и интегрированием поляризованной сетки, встроенной или напечатанной на прозрачной многослойной структуре.

Рис. 3. Конструкции рефлекторов: а) HGA антенна с многослойным рефлектором; б) монолитный армированный рефлектор Herschel Telescope 3.5 м; в) многослойный рефлектор с каркасом STAAR 2.4 м

Литература:

1. Reflector Antennas [Электронный ресурс] // High Performance Space Structure Systems GmbH. URL: http://www.hps-gmbh.com/en/portfolio/subsystems/ reflector-antennas/ (дата обращения 15.05.2022).
2. Резник, С. В. Перспективы повышения размерной стабильности и весовой эффективности рефлекторов зеркальных космических антенн из композиционных материалов / С. В. Резник, П. В. Просунцов, А. Д. Новиков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2018. — № 1. — С. 71–83.
3. Спутник Ямал-401 (2017) [Электронный ресурс] // Решетнев АО «ИСС». URL: https://www.iss-reshetnev.ru/projects (дата обращения 15.05.2022).
4. Новиков, А. Д. Определение конструктивного облика рефлектора зеркальной космической антенны из композиционного материала / А. Д. Новиков, П. В. Просунцов, С. В. Резник // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. — 2017. — Т. 18, № 3. — С. 308–317.
5. Тайгин, В. Б. Обзор конструкций зеркальных антенн космических аппаратов с твердотельными прецизионными размеростабильными рефлекторами / В. Б. Тайгин, А. В. Лопатин // Космические аппараты и технологии. — 2021. — Т. 5, № 1. — С. 14–26.
6. Пономарёв, В. С. Напряжённо-деформированное состояние антенных рефлекторов космических аппаратов при нестационарных тепловых воздействиях: автореф. дисс. 01.02.04 канд. физ.-мат. Наук / Пономарёв Виктор Сергеевич. — Томск, 2015. — 139 с.
7. Advanced antennas for small satellites / S. Gao [et al.] // Proceedings of the IEEE. — 2018. — Vol. 106, No. 3. — P. 391–403.