Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции и технологии изготовления сверхлегких зеркальных космических антенн из композиционных материалов с высокой размерной стабильностью для межспутниковых систем связи.

Номер контракта: 14.577.21.0114

Руководитель: Кобец Леонид Павлович

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
межспутниковая связь, зеркальная антенна, композиционные материалы, размеростабильные конструкции, проектирование, технология, испытания

Цель проекта:
Разработка методов проектирования и технологии изготовления из полимерных композиционных материалов (ПКМ) сверхлегких зеркальных антенн с высокой геометрической стабильностью и долговечностью в условиях космического пространства для обеспечения эффективного функционирования космических аппаратов систем межспутниковой связи сроком более 15 лет.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами ПНИ станут:
- Анализ научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, и обоснованные направления исследований, методов и средств создания антенных рефлекторов из ПКМ для систем космической связи.
- Результаты патентных исследований по технологиям изготовления и конструктивным схемам сверхлегких антенных рефлекторов с высокой геометрической стабильностью из ПКМ.
- Комплекс математических моделей (тепловые, термомеханические и электромагнитные) сверхлегкого антенного рефлектора из ПКМ.
- Методики изготовления и испытания размеростабильных антенных рефлекторов из ПКМ для проведения опытно-конструкторских работ по созданию антенных рефлекторов для систем межспутниковой связи, работающих в диапазоне частот с верхней границей 60 ГГц.
- Экспериментальные образцы сверхлегких антенных рефлекторов из ПКМ и результаты их экспериментальных исследований.
- Техническое задание на проведение ОКР по теме: «Разработка конструкции и технологии изготовления прецизионного антенного рефлектора из ПКМ с низкой поверхностной плотностью, высокой жесткостью и размеростабильностью».
- Разработаны рекомендации по возможности использования результатов проведенной НИР в реальном секторе экономики, дальнейших прикладных НИР и ОКР.
Разрабатываемые сверхлегкие зеркальные антенны будут обладать более высокой массово-геометрической эффективностью, чем любые применяемые в нашей стране и за рубежом на телекоммуникационных космических аппаратах. Такие антенны, имеющие погонную плотность рефлектора менее 1 кг/м2 будут востребованы для применения на перспективных отечественных космических аппаратах систем
межспутниковой связи.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В настоящее время в нашей стране и за рубежом активно развиваются системы космической связи. Непрерывный рост объемов и повышение важности информации, передаваемой через спутники, сопровождается ростом требований к эффективности, качеству и защищенности систем связи.
Создание систем межспутниковой связи устраняет необходимость использования промежуточных земных станций для связи между космическими аппаратами. Наиболее перспективным для создания таких систем в настоящее время является диапазон частот с верхним пределом 60 ГГц, в котором большое затухание в центре линии поглощения кислорода делает практически невозможным применение активных
преднамеренных радиопомех с Земли для работы бортовой аппаратуры и перехват информации. Кроме того, повышение рабочей частоты антенны до 60 ГГц увеличивает скорость передачи информации.
При создании антенн для систем межспутниковой связи, рабочая частота которых достигает 60 ГГц, наибольшую сложность вызывает необходимость обеспечения высокой стабильности формы и размеров рефлектора, допустимые отклонения которых не должны превышать величины Λ/16, где Λ – длина волны радиоизлучения. Таким образом, допустимые отклонения формы рефлекторов зеркальных космических антенн должны составлять доли миллиметра.
Актуальность. За рубежом система межспутниковой связи была впервые применена в США на аппаратах Milstar запущенных в 1994-1995 гг. В настоящее время для их замены развертывается сеть спутников связи Advanced Extremely High Frequency (AEHF). Из-за отсутствия возможности приобретения за рубежом соответствующего оборудования актуальной является задача создания отечественной высокочастотной
системы межспутниковой связи, не уступающей зарубежным аналогам. Создание такой системы будет соответствовать таким критическим технологиям, как «Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения», «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем».
Обзор существующих систем межспутниковой связи и их характеристик приведен в работе Muri P. A Survey of Communication Sub-systems for Intersatellite Linked Systems and CubeSat Missions (Journal of Communications. 2012. Vol. 7, No. 4). Прогноз развития технологий в сфере систем космической связи приведен в документе «Проект стратегической программы исследований технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» на 2012 – 2020 годы» (http://www.tp.issreshetnev.ru/index.php/documents?download=8:projectsrp1 ). В данном документе среди ключевых направлений исследований и разработок по развитию новых технологий фигурируют «Исследования и разработки в направлении создания новых технологий в области проектирования, изготовления и испытаний бортовых антенн перспективных КА». Таким образом, направленность проекта входит в российские и мировые научно-технологические приоритеты.
Новизна. Наилучшим образом для изготовления антенных рефлекторов, работающих в диапазоне частот с верхней границей 60 ГГц, обладающих одновременно малой погонной плотностью и высокой размерной стабильностью в условиях длительного пребывания в космосе и периодических теплосмен, вызванных заходами в тень Земли подходят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Особенности композитных конструкций заключаются в неразрывном единстве материала, конструкции и технологии производства. Одним из следствий этого является необходимость использования новых подходов к созданию конструкций из ПКМ.
Традиционно рефлекторы зеркальных космических антенн имеют вид многослойных конструкций, в которых несущие слои оболочки рефлектора из ПКМ для жесткости подкреплены металлическими сотами.
Ограничения по массе выводимых на орбиту КА требуют совершенствования конструктивно-технологических решений зеркальных антенн в части придания им более высокой формо-размерной стабильности чем у существующих, имеющих погонную плотность на уровне 3,6 кг/м2. Оценки показывают возможность изготовления антенных рефлекторов в форме системы тонкостенных (толщина
менее 1,5 мм) оболочек. Такая конструкция может обладать погонной плотностью около 1,0 кг/м2, что в 3 раза ниже, чем у существующих конструкций. Однако, в связи с тем, что тонкостенная конструкция может охлаждаться на теневом участке орбиты до температуры минус 170°С, необходимо использование новых моделей теплообмена, учитывающих нестационарный и комбинированный характер теплообмена оболочек
рефлектора.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты НИР могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ по созданию размеростабильных рефлекторов зеркальных космических антенн для систем межспутниковой связи, работающих в диапазоне частот с верхней границей 60 ГГц.
Создание систем межспутниковой связи устраняет необходимость использования промежуточных земных станций для связи между космическими аппаратами. Полученные результаты могут быть применены при разработке высокочастотной системы связи, что позволит увеличить скорость передачи информации по сравнению с существующими системами связи, а также обеспечит надежность и защищенность связи в связи невозможностью создания в данном частотном диапазоне активных преднамеренных радиопомех и перехвата информации с Земли.
Результаты исследования имеют большое значение для создания отечественной системы межспутниковой связи, совершенствования телекоммуникационных космических аппаратов за счет применения более легких размерностабильных антенн со сроком службы не менее 15 лет, работающих в защищенном диапазоне рабочих частот с верхней границей 60 ГГц. Потенциальные потребители получат отчет о НИР,
содержащий описание методов и результатов проектирования, производства и испытания конструкций рефлекторов сверхлегких зеркальных космических антенн и техническое задание для проведения ОКР.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе получены следующие основные результаты:
1. Выбраны компоненты ПКМ и схемы армирования для проведения сравнительных исследований.
2. Экспериментальные образцы с выбранными схемами армирования для лаборатоных испытаний.
3. Результаты испытаний, для проведения окончательного выбора компонент ПКМ и схемы армирования элементов рефлектора.
На втором этапе получены следующие основные результаты:
1. В качестве компонентов ПКМ выбраны эпоксидное связующее типа ЭХД-МД и площенная углеродная ткань типа Аспро А-60 со схемой армирования [0/+30°/–30°/+60°/–60°/+90°] для проведения обоснования конструктивно-силовой схемы
рефлектора.
2 Конструктивно-силовая схема рефлектора. Предназначена для разработки моделей и элементов рефлектора.
3 Математические модели (тепловые и термомеханические). Предназначены для проведения математического моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния рефлектора в условиях космического полета.
4 Результаты моделирования по определению тепловых и тепломеханических нагрузок, необходимых в качестве исходных данных при разработки эскизной конструкторской документации для экспериментального образца.
5. Математические модели для определения влияния критических деформаций рефлектора на радиотехнические характеристики антенны.
6. Результаты математического моделирования и расчета исходных данных для конструирования антенного рефлектора, исходя из критических деформаций рефлектора.
7. Результаты разработки экспериментального образца, в части обоснования формы и конструкции рефлектора.