Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов проектирования и адаптивных технологий изготовления антенных рефлекторов из полимерных композиционных материалов для наземных систем связи C, X, Ku и Ka диапазонов.

Докладчик: Уваев Илья Владимирович

Должность: Заместитель директор Института космической техники СибГАУ, доцент, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Целями проекта являются: 1.Разработка методов компьютерного моделирования и проектирования композитных рефлекторов различных частотных диапазонов. 2.Создание адаптивных технологий изготовления композитных рефлекторов, позволяющих производить принципиально новые виды антенн для наземных систем связи. 3.Предоставление организациям, занимающимся проектированием средств наземной связи, методик проектирования композитных рефлекторов различного конструктивного исполнения. 4.Вывод на рынок новых конструкций композитных рефлекторов для наземных систем связи. 5.Замещение импорта рефлекторов, используемых в создании отечественных антенных комплексов. 6.Создание новых рабочих мест для проведения исследований и создания опытных и серийных образцов композитных рефлекторов для наземных систем связи. Научно-техническими задачами, подлежащими решению в ходе предполагаемых работ, является: 1.Разработка конечно-элементной модели трехслойной оболочки рефлектора антенны. Моделирование трехслойной структуры будет выполняться с помощью двух расчетных моделей. В первой из них, конечные элементы являются оболочечными конечными элементами, построенными на гипотезах слоистых пластин и оболочек. Во второй модели несущие слои представляются оболочечными конечными элементами, а заполнитель моделируется трехмерными конечными элементами. Такая синтетическая модель будет использована для решения задач локальной потери устойчивости несущих слоев, их колебаний, а также для уточнения результатов первой модели, когда заполнитель обладает повышенной деформативностью в поперечном направлении. 2.Разработка конечно-элементной модели анизогридной поддерживающей рамы для трехслойного рефлектора. Для моделирования анизогридных структур используется балочный двух узловой конечный элемент с шестью степенями свободы в каждом узле. Этими степенями свободы являются три перемещения и три угла поворота. Исходными данными для построения моделей являются размеры подкрепляющей рамы, угол наклона ребер, количество ребер, размеры поперечных сечений ребер и упругие параметры материалов ребер. Расчетная модель сетчатой конструкции должна содержать информацию о способах нагружения, видах закрепления и характеристиках материалов. В этой модели формируется целевая функция и функциональные ограничения, связывающие параметры проектирования. Целевой функцией является, как правило, масса сетчатой конструкции. Проектными параметрами могут быть схемы армирования, число ребер, угол наклона ребер, размеры поперечных сечений ребер. Функциональные ограничения накладываются на критические усилия и моменты, жесткость конструкции, определяемой по первой частоте колебаний, прочность композитных ребер и величины температурных деформаций. 3.Разработка методики проектирования трехслойного рефлектора и поддерживающей анизогридной рамы при наличии ограничений, накладываемых на жесткость и прочность конструкции, ее массу и стоимость. 4.Разработка конечно-элементной модели композитного рефлектора, состоящего из четырех и более сегментов. Для моделирования конструкции будут использованы оболочечные конечные элементы, позволяющие учесть слоистость структуры и ортотропию свойств материалов. Исследование замков зачековки должно быть выполнено с учетом их деформативности. 5.Разработка методики анализа ветровых нагрузок, действующих на рефлектор. Это методика позволит оценить величины давления набегающего потока воздуха при различных углах обтекания конструкции рефлектора. 6.Разработка методики проектирования сегментного композитного рефлектора антенны. Методика будет определять алгоритм выбора проектных параметров рефлектора при наличии ограничений, накладываемых на напряжения и перемещения конструкции. 7.Разработка конечно-элементной модели композитного рефлектора с различными схемами расположения подкрепляющих элементов. Для моделирования конструкции будут использованы оболочечные конечные элементы, позволяющие учесть слоистость стенки зеркала рефлектора и ребер жесткости, а также ортотропию свойств композиционных материалов. 8.Разработка методики проектирования ребристого композитного рефлектора наземной антенны при наличии ограничений, накладываемых на массу конструкции, ее деформативность и на напряжения, возникающие при силовом и тепловом воздействии. 8.Разработка требований к проектированию технологической оснастки, обеспечивающей изготовление антенных рефлекторов заданной точности и обеспечивающей повторяемость параметров изготавливаемого изделия. Будет проведён комплексный анализ материалов на теплостойкость и механическую стойкость обеспечивающих необходимое количество съемов. Обоснованы способы изготовления оснастки исходя из экономической целесообразности конечного результата. 9.Выбор оптимальных методов изготовления основанных на безавтоклавных способах формования и расчет оптимальных схем хода связующего в закрытой форме. На основе современных программных продуктов PAM-RTM, PAM-FORM будет проведен анализ и выбраны оптимальные параметры, обеспечивающие качественную пропитку материала в форме связующим при наличии сложной пространственной конфигурации формы. Подобраны оптимальные материалы и связующее обеспечивающее требуемые технические характеристики изделия. 10.Разработка технологического процесса изготовления прецизионных антенных рефлекторов из полимерных композиционных материалов устойчивых к воздействию деструктивных факторов внешней среды. Основными элементами технологического процесса изготовления, подлежащими ПНИ, являются задачи нахождения оптимальных схем армирования композиционного материала волоконными наполнителями, расчет оптимальных схем технологического раскроя материалов, изготовление заполнителя, а так же выбор оптимального количества слоев материала в оболочке. Будет исследовано влияние отклонений конструктивно-технологических параметров и разбросов свойств исходных материалов на характеристики напряженно-деформированного состояния конструкции. 11.Разработка комплексных методов и средств адаптивного управления параметрами технологического процесса изготовления рефлекторов из ПКМ. Будут сформулированы показатели качества технологического процесса, а также подобран инструментарий, обеспечивающий пооперационный контроль изготавливаемого изделия. 12.Разработка методик квалификационных испытаний рефлекторов X, C, Ku и Ka частотных диапазонов из ПКМ. В том числе разработка методик оценки характеристик радиоотражающего покрытия для рефлекторов Ka диапазона.

Основные планируемые результаты проекта:
Ожидаемыми результатами при проведении предлагаемой ПНИ являются:
-промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ;
-отчет о патентных исследованиях по ГОСТ Р 15.011-96;
-техническая документация на макеты конструкций рефлекторов;
-конечно-элементные модели трехслойной оболочки рефлектора антенны;
-конечно-элементные модели анизогридной поддерживающей рамы для трехслойного рефлектора;
-методика проектирования трехслойного рефлектора и поддерживающей анизогридной рамы при наличии ограничений, накладываемых на жесткость и прочность конструкции, ее массу и стоимость;
-конечно-элементные модели композитного рефлектора, состоящего из сегментов;
-методики анализа ветровых нагрузок, действующих на сегментный рефлектор;
-методика проектирования сегментного композитного рефлектора антенны при наличии ограничений, накладываемых на напряжения и перемещения конструкции;
-конечно-элементные модели цельного композитного рефлектора с различными схемами расположения подкрепляющих элементов;
-методика проектирования цельного ребристого композитного рефлектора наземной антенны при наличии ограничений, накладываемых на массу конструкции и на ее деформативность.
-методическая и техническая документация на изготовление специализированной технологической оснастки.
-технологическая документация процесса изготовления рефлекторов различных частотных диапазонов обоснованная экономической целесообразностью. Технические условия на антенные рефлекторов X, C, Ku и Ka диапазонов.
-система управления технологическим процессом описанная в нотациях BPMN 2.0 основанная на процессном подходе, совмещенная с непрерывным оперативным контролем показателей качества. Выполнена аппаратная реализация системы управления, исключающая ошибки связанные с человеческим фактором.
-методики квалификационных и приемочных испытаний, а также методики проверки качества покрытия для рефлекторов Ka диапазона.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В основе реализуемого проекта «Обеспечение высокоскоростного доступа к информационным сетям через системы спутниковой связи» (РСС-ВСД) лежит инновационная технология спутниковой связи в Ku и Ka-диапазоне, которая включает космический сегмент: космические аппараты «Экспресс АМ5» и «Экспресс-АМ6»; земной сегмент: базовые станции и периферийный земной сегмент на основе множества абонентских терминалов.
Ключевым элементом абонентских терминалов являются антенные рефлекторы Ku и Ka-диапазона.
Реализация проекта предполагает создание отечественного производства базовых земных станций, а также абонентских терминалов в количестве, превышающем 1 млн. штук, что предполагает интенсивное технологическое развитие отечественного производства современных средств спутниковой связи включающих антенные рефлекторы C, X, Ku и Ka диапазонов.
Результаты ПНИ позволят удержать конкурентные позиции отечественных производителей наземных систем связи, за счет улучшения потребительских характеристик производимой продукции, снижение производственных издержек и в целом снижение стоимости готовой продукции. Это позволит исключить зависимость от зарубежных поставщиков рефлекторов.

Основным потребителем ПНИ является Научно производственное предприятие «Радиосвязь» основной производитель систем и аппаратных комплексов передачи данных, тропосферной, спутниковой связи и навигации.

В ходе выполнения ПНИ проведение натурных и комплексных испытаний экспериментальных образов антенных рефлекторов C, X, Ku и Ka частотных диапазонов на воздействие факторов внешней среды, подтверждение радиотехнических характеристик и оценка эксплуатационных свойств будет осуществлена ОАО НПП «Радиосвязь». Результат совместных ПНИ позволит ОАО НПП «Радиосвязь» значительно сократить цикл «разработка - серийное производство» и в дальнейшем освоить серийный выпуск продукции – антенных рефлекторов Ku и Ka частотных диапазонов являющихся составной части абонентского терминального оборудования спутниковой системы связи специального и гражданского назначения.

Текущие результаты проекта:
Исходя из целей поставленных на первом этапе ПНИ проекта, был проведен анализ технологий нанесения на антенные рефлектора из ПКМ радиоотражающих покрытий и проведены численные расчеты деформаций элементов конструкций антенных рефлекторов.
В частности, выявлены основные способы нанесения радиоотражающего покрытия, так одним из таких методов оказываются выгодными с точки зрения экономичности и быстроты получения покрытий на изделиях из ПКМ является холодное газодинамичекое напыление, однако такой метод может уступать по адгезионным качествам покрытиям, полученным методами вакуумного напыления из парогазовой фазы. Методы вакуумного напыления, в свою очередь, требует наличия более сложных экспериментальных установок и усложнённой процедуры пробоподготовки основания антенного рефлектора. Методы электролитического осаждения материалы, также обладают преимуществами с точки зрения экономичности и простоты технологического процесса, однако не всегда могут быть применены нанесению плёнок на композитные материалы, если основание рефлектора не является проводящим.
Оптимальная же структура покрытий, наносимых на поверхность рефлектора, изготовленного из полимерных композиционных материалов, обуславливается различными факторами: диаметром рефлектора, условиями эксплуатации, выбором подложки, на который будут наноситься покрытия. Таким образом, процесс создания покрытий с различным функциональным назначением (радиотражающие, защитные, адгезивные, фоторезистивные, упрочняющие) на поверхности антенного рефлектора может включать в себя множество различных взаимозаменяемых способов и методов нанесения таких покрытий, а применение того или иного метода нанесения радиотражающего и защитного слоя антенного рефлектора будет обуславливать в целом остальную структуру многофункционального покрытия.
Выявлены факторы, влияющие на качество и эффективность нанесения радиоотражающего покрытия, такие как структура (изотропность) поверхности углепластиковой подложки, состав, толщины материалов слоев радиоотражающего покрытия, согласованность их электрохимических, тепловых, адгезионных, прочностных характеристик и стабильность характеристик покрытий к воздействию деструктивных факторов окружающей среды.
Определен комплекс лабораторных исследований необходимых для дальнейшего успешного выполнения работ по ПНИ (прикладных научных исследований) по поставленной проблематике.
Для определения состава и количества разрабатываемых математических моделей деформации элементов конструкций антенных рефлекторов была разработана конечно-элементная модель рефлектора на основе исходных данных, представленных в ТЗ (техническом задании) с использованием программного комплекса FEMAP пакета MSC Nastran.
Зеркало рефлектора и его силовой набор моделировались элементами Laminate (Многослойная пластина). Этот элемент состоит из нескольких слоев композиционного материала, каждый из которых обладает своей толщиной и упругими параметрами. Замки крепления сегментов рефлектора смоделированы элементами типа Rigid, позволяющими ограничить необходимые степени свободы.
Конечно-элементная модель рефлектора содержит 60500 узлов и 60712 элементов.
Граничные условия, согласно техническому заданию, предполагают отсутствие перемещений и углов поворота по всему периметру крепления сегментов рефлектора и на краях, примыкающих к нему ребер. В местах установки замков, скрепляющих части рефлектора, допускаются вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости подкрепляющего ребра.
Напряженно-деформированное состояние рефлектора определялось для трех случаев нагружения, соответствующих трем вариантам обтекания конструкции - «ветер спереди», «ветер сзади» и «боковой ветер». Получены распределение давления от набегающего потока воздуха. При анализе рефлектора соответствующая нагрузка прикладывалась к поверхности параболического зеркала.
Для изготовления антенны были использованы три композиционных материала – углеткань УТ-900, стеклоткань Т-10 и пеноматериал ПМ.
Стеклоткань характеризуется заданными параметрами, такими как: модулями упругости, пределами прочности, плотностью и соответствующей толщиной слоя.
Используемый в конструкции пеноматериал характеризуется заданным модулем упругости и модулем сдвига.
При анализе рефлектора формируется слоистая структура стенки. Структура стенки определяется типом материала, его толщиной и углами укладки по отношению к меридиану.
Для верификации конечно-элементной модели был проведен статический анализ от воздействия перегрузки n=9.81 («собственный вес»). Перегрузка прикладывалось по четырем направлениям: фронтально, с лицевой и тыльной стороны; в боковом направлении вдоль ребер жесткости и вдоль меридиональной линии, находящейся в средине сегмента рефлектора. Получены значения деформирования антенны при перегрузке, приложенной фронтально с лицевой стороны, при этом максимальный прогиб равен 0.0192 мм.
Перемещения антенны в случае, когда перегрузка приложена фронтально с тыльной стороны конструкции показал максимальный прогиб равный 0.0192 мм.
Деформирование антенны при перегрузке, приложенной в боковом направлении вдоль ребер жесткости, дает максимальное перемещение равное 0.0533 мм.
Перемещения конструкции в случае, когда перегрузка приложена в боковом направлении вдоль меридиональной линии, находящейся в средине сегмента рефлектора, показало максимальное перемещение равное 0.0716 мм.
Выполненный анализ показал, что конечно элементная модель пригодна для расчета напряженно-деформированного состояния подкрепленного композитного рефлектора антенны. Проведенные расчеты позволили сделать вывод о том, что максимальное деформирование антенны всегда реализуется при боковом нагружении, вдоль меридиональной линии, находящейся в средине сегмента рефлектора.