КОНСТРУКЦИЯ РЕФЛЕКТОРА ЗЕРКАЛА АНТЕННОГО ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DESIGN OF ANTENNA REFLECTOR FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к области авиационно-космической техники, в частности к созданию прецизионных размеростабильных антенных рефлекторов с высокоточными отражающими поверхностями сложной геометрии, искривленными в двух измерениях. Такие рефлекторы применяют в панорамных радиолокационных системах самолетов, выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с минимальными массовыми характеристиками для эксплуатации в условия полета, с большими механическими и тепловыми нагрузками.
Уровень техники
В настоящее время антенные рефлекторы различного конструктивного исполнения широко используются в системах связи, дистанционного зондирования и природного мониторинга. Совокупная жесткость оболочки отражателя и подкрепляющего ее оребрения должна обеспечивать значительные нагрузки на рефлектор без нарушения геометрии его отражающей поверхности. Основными требованиями, предъявляемыми к антенным отражателям для авиации и космоса помимо радиотехнических, являются высокая жесткость, терморазмеростабильность и низкий вес.
При этом отклонение профилей отражающих поверхностей антенных рефлекторов от теоретических должно быть не более 0,02…0,05 мм.
Известны сборные, многослойные сотовые, сетчатые оребренные конструкции с различным расположением ребер. Например, отражатели с гибридной треугольно-гексагональной структурой, где ребра располагают под углом 60°, Патент RU 2556424 С2. Данные конструктивные решения в основном применимы для осесимметричных конструкций, когда поверхность рабочей части антенного рефлектора получается вращением кривой, гиперболы, вокруг фокальной оси. Такие конструктивные решения не в полной мере отвечают требованиям по размеростабильности и термостабильности конструкции рефлекторов с рабочими поверхностями более сложной формы, например многодиапазонными антеннами; а также затрудняют процесс конструирования рефлектора с возможностью подвижного крепления рефлектора и имеющего подвесного оборудования. Методы изготовления дороги и малоэффективны, а применение механических и клеевых соединений снижает эффективность использования ПКМ. Многоступенчатость технологий изготовления рассматриваемых конструкций приводит к накоплению технологических дефектов и, следовательно, к значительному разбросу термомеханических свойств материала, что усложняет задачу получения изделия с высокими требованиями к точности геометрических параметров рабочей поверхности в условиях эксплуатации.
Для достижения максимальной эффективности при использовании ПКМ предлагается применить метод интегральной конструкции, при котором конструкция, которая формируется (собирается) из не отвержденных или частично отвержденных компонентов с возможностью присоединения к ним также отвержденных элементов и последующим совместным формованием всей конструкции за один технологический цикл.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является патент RU 2230406 С2 от 27.08.2001 г.
Рефлектор представляет собой монолитную конструкцию интегрального типа, состоящую из тонкой оболочки с радиоотражающим покрытием рабочей стороны, подкрепленной с тыльной стороны радиальными Т-образными ребрами жесткости, вместе с опорными площадками выполнены из одного материала с оболочкой. Структура композита имеет продольную и поперечную схему армирования слоев. Ребра жесткости в данной конструкции располагаются по нормали к поверхности оболочки. Изготовление данной конструкции производится за один цикл термокомпрессионным методом в комбинации с вакуумным или автоклавным формированием.
Данное конструктивное решение, с радиальным расположением ребер, целесообразнее принять к осесимметричным конструкциям. В настоящее время для изготовления разнодиапазонных антенн и уменьшения поводок укладка тонких оболочек рефлекторов осуществляется двумя способами под углом 0°-90° или 0°-45°-90°. Применение первого способа увеличивает технологичность и уменьшает трудоемкость изготовления. В рассматриваемом рефлекторе ребра, не совпадающие по направлению со структурой армирования первого или второго способа укладки, несмотря на то, что сделаны из одинакового квазиизотропного ПКМ с оболочкой, будут иметь в пограничных слоях с оболочкой остаточные напряжения. В предложенной конструкции вместо Т-образных ребер можно использовать ребра двутаврового типа. В максимально нагруженных точках крепления рефлектора Т-образные ребра имеют меньшую прочность и жесткость по сравнению с ребрами двутаврового типа и для увеличения этих показателей приходится увеличивать количество ребер или толщину ребер, что негативно сказываться на изделии в целом при формовании за один цикл, а также приводит к увеличению массы изделия. В местах выкладки усиления таких ребер происходит осмоление, и это в свою очередь ухудшает радиофизические показатели рабочей поверхности рефлектора. Также радиальное расположение ребер предполагает специфическую разметку крепления рефлектора и сложного подвесного оборудования, позволяющего вращать зеркало вдоль оси Z и одновременно поворачивать вдоль оси X. В данной конструкции в перекрестиях ребер размещаются закладные элементы круглого сечения, что при значительных нагрузках может провести к провороту закладного элемента.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции, которая обеспечивает изготовление антенного рефлектора с различными сложными конфигурациями отражающей рабочей поверхности, без указанных недостатков.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении прочности, жесткости, увеличении размерной стабильности, снижении веса, а также упрощении размещения крепления изделия и различного подвесного оборудования.
Для достижения указанного технического результата предлагается интегральная конструкция антенного рефлектора из ПКМ, состоящая из тонкой оболочки сложной кривизны и набора подкрепляющих ребер, отличающаяся тем, что ребра могут быть расположены ортогональным образом и совпадать по направлению со структурой армирования слоев композита оболочки. Предложенная конструкция в совокупности с укладкой 0-90 улучшает технологичность изготовления изделий со сложными поверхностями и снижает трудоемкость изготовления. Такое расположение ребер при формировании интегральной конструкции исключает возможность появления термомеханических напряжений в пограничных слоях между оболочкой и ребрами.
В максимально нагруженных местах используются ребра двутаврового типа.
До режима окончательного формирования изделия размещаются закладные металлические элементы в виде элементов не круглого сечения.
Сущность изобретения
На фиг. 1 представлена интегральная конструкция из ПКМ, состоящая из тонкой оболочки, ребер жесткости и закладных элементов. Изделие получается за один цикл термокомпрессионным методом в комбинации с вакуумным или автоклавным формированием.
Оболочка представляет собой вытянутую по оси X и симметричную по оси Y вырезку 1 из сложной поверхности, полученную кривыми искривленными, в двух плоскостях. Она получается в результате укладки армирования слоев композита 0-90. В конструкции используются ребра 2, 3 и 4, расположение которых согласуется с местами креплений рефлектора и подвесного оборудования. После проведения прочностных расчетов выбираются высоты и толщины ребер. Для увеличения жесткости по эквидистанте вырезки рефлектора располагается ребро 4. Также в конструкции в максимально нагруженных точках рефлектора и уменьшения толщины ребра применяют ребра двутаврового типа 2, фиг. 2. В заявленной конструкции используются металлические закладные, фиг. 3, с низким коэффициентом линейного теплового расширения, элементы не круглого сечения, для увеличения прочности и жесткости изделия в местах заформовки закладных.
Предложенное авторами техническое решение обеспечивает реализацию изготовления антенного рефлектора в панорамной радиолокационной системе самолета.