Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка проектно-конструкторских решений создания космических аппаратов с крупногабаритными трансформируемыми антенными рефлекторами

Номер контракта: 14.577.21.0129

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:
системы космической связи, проектирование, испытания, антенна, рефлектор, композиционные материалы, трасформируемые конструкции

Цель проекта:
Задачей научно-исследовательской работы является повышение геометрической стабильности и снижение массы зеркальных космических антенн на основе создания новых конструктивных схем, методов проектирования, производства и испытания трансформируемых антенных рефлекторов из КМ. Актуальность проекта обусловлена необходимостью создания Активные работы по созданию крупногабаритных развертываемых в космосе зеркальных антенн с сетчатыми рефлекторам ведутся в России, США, Европе, Китае и Японии. Таким образом, направленность проекта входит в российские и мировые научно-технологические приоритеты. В проектах перспективных трансформируемых антенных рефлекторов новизна проявляется в технических приемах развертывания и обеспечения стабильности формы радиоотражающих металлических сетеполотен с помощью силовых стержневых конструкций и тросов-растяжек. Новизна в подходах к физическому моделированию обусловлена невозможностью использования классической теории подобия для изготовления масштабно-уменьшенных моделей крупногабаритных конструкций трансформируемых рефлекторов. Цель проекта заключается в создании теоретического и технологического задела по проблеме разработки и изготовления крупногабаритных трансформируемых антенных рефлекторов диаметром апертуры до 100 метров, обладающих прецизионной отражающей поверхностью, для космических аппаратов (КА) с длительным (не менее 15 лет) сроком активного существования.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований, методов и средств проектирования крупногабаритных трансформируемых антенных рефлекторов;
в) методы и алгоритмы регулирования формы радиоотражающей поверхности рефлектора при эксплуатации на орбите;
г) методы и алгоритмы автоматизированной дофокусировки сигнала методом управления амплитудно- фазовыми характеристиками излучателей;
д) результаты математического моделирования эксплуатационных характеристик крупногабаритных трансформируемых антенных рефлекторов с диаметром апертуры до 100 метров;
е) результаты анализа вопросов устойчивости элементов конструкции рефлектора
ж) результаты исследований экспериментальных образцов составных частей рефлектора в составе, определяемом Программами и методиками экспериментальных испытаний;
з) результаты анализа данных экспериментальных исследований, сопоставление их с теоретическим данными, идентификация параметров тепловых моделей элементов конструкции рефлектора;
и) технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
к) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
2 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Экспериментальные образцы составных частей рефлектора.
4 Конструкторская техническая документация на экспериментальные образцы частей рефлектора, входящие в состав силового каркаса.
5 Программа и методики экспериментальных исследований экспериментальных образцов составных частей рефлектора.
6 Результаты совместного численного моделирования температурного, напряженно-деформированного состояния и диаграммы направленности перспективных конструкций крупногабаритных рефлекторов.
7 Результаты математического моделирования движения нежесткого космического аппарата (КА) с крупногабаритным рефлектором на основе нестационарных, нелинейных уравнений механики деформируемого твердого тела с анализом колебаний крупногабаритного рефлектора при действии на КА возмущений различной природы, в том числе в случае повреждения отдельных элементов его конструкции в результате столкновения с метеоритами и/или космическим мусором.
8 Методика комплексного анализа космического аппарата с крупногабаритным трансформируемым рефлектором с длительным сроком активного существования.
9 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка проектно-конструкторских решений крупногабаритных трансформируемых антенных рефлекторов для перспективных систем космической связи»
Ожидаемые результаты проекта сопоставимы либо превосходят аналогичные разработки мирового уровня.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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».
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 для создания крупногабаритных трансформируемых рефлекторов зеркальных антенн перспективных систем космической связи. Создание крупногабаритных трансформируемых рефлекторов зеркальных антенн повысит эффективность отечественных систем подвижной космической связи за счет увеличения объема и скорости передачи информации по сравнению с существующими системами. Результаты исследования имеют большое значение для совершенствования отечественной системы космической связи и телекоммуникационных космических аппаратов за счет применения более легких размерностабильных антенн с длительным сроком службы на геостационарной и высокоапогейных орбитах. Потенциальные потребители получат отчет о НИР, содержащий описание методов и результатов проектирования, производства и испытания конструкций трансформируемых рефлекторов зеркальных космических антенн и техническое задание для проведения ОКР.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с техническим заданием на проведение ПНИ проведены тепловые и термомеханические расчеты конструкций типовых секций антенного рефлектора перспективных крупногабаритных космических антенн. Показана принципиальная возможность обеспечения необходимой стабильности формы и размеров рефлектора диаметром 100 м, находящегося на геостационарной орбите.
Разработан комплекс методик и программ для экспериментального и расчетно-теоретического исследования всех основных физических свойств материалов элементов трансформируемого антенного рефлектора, влияющих на его температурное и напряженно-деформированное состояние.
С помощью указанных методик:
Экспериментально определены оптические свойства четырех видов металлических трикотажных сетеполотен: вольфрамового с диаметром волокна 15 мкм, аналогичного вольфрамового с золотым покрытием, стального с диаметром волокна 50 мкм и молибденового с диаметром волокна 20 мкм. Установлено, что пропускательная способность всех видов сетеполотен превышает 0,75 в интервале 0,4-2,5 мкм, а и х поглощательная способность близка к 0,1.
Экспериментально определены оптические характеристики трех видов тросов из высокопрочных арамидных нитей «Армалон»: Армалон х-10, Армалон Х-10, Армалон-А в диапазоне от 0,4 до 2,5 мкм, охватывающем видимую и инфракрасную часть спектра излучения Солнца. Установлена сильная зависимости отражательной и поглощательной способности материалов тросов от длины волны излучения.
Подтверждено, что металлических сетеполотна обладают высокой отражательной способностью в диапазоне радиоволн L, характерном для систем космической связи с крупногабаритными трансформируемыми антенными рефлекторами.
Показано, что в диапазоне частот от 2 до 20 ГГц отражательная способность углепластика эквивалентна металлической поверхности. На частотах от 20 до 43,5ГГц отмечается снижение уровня отраженной мощности на 2 …3ДБ, что соответствует потерям от 37% до 50%. Так как основные силовые элементы рефлектора находятся за металлическим сетеполотном, формирующем отражающую поверхность антенны, то их влияние на диаграмму направленности пренебрежимо мало. Учет радиофизических характеристик может потребоваться в случае размещения стоек с излучателями радиоволн над вогнутой поверхностью рефлектора.