Изогридные структуры из композиционных материалов в конструкциях антенн космических аппаратов

Секция «Модели и методы анализа прочности, динамики и надежности конструкций КА»

Профилографирование поверхности проводилась прибором TIME Group Inc. модель TR-200. После анализа полученных профилограмм рабочих поверхностей образцов из стали 40Х и образца с напыленным покрытием сделали следующий вывод. Поверхность трения стального образца, работавшего в паре с твердосплавным покрытием, имела на порядок меньшие значения шероховатости, чем у образца, который работал в паре со сталью 40Х. Также на порядок различались и значения величины интенсивности изнашивания стальных образцов, работавших в паре с твердосплавным покрытием и стальным образцом.

Таким образом, результаты испытаний на изнашивание показали возможность увеличения износостойкости подвижных сопряжений, работающих при абразивном загрязнении, путем нанесения на рабочие поверхности твердосплавных покрытий плазменным методом.

Библиографические ссылки

1. Лебедев В. М., Демидов А. И., Смирнов Н. А. Способ изготовления поверхности трения. Авт. свид. № 834368 (СССР). Опубл. в Б. И. 1981. № 20.

2. Саунин В. Н., Коваленко Г. Д., Амельченко Н. А. и др. Авт. свид. № 1616499, МКИ Н05В 7/22. Электродуговой плазмотрон для нанесения покрытий /Заявка 4398596/24-07 от 20.03.88.

3.Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технологии, оборудование. М. : Металлургия, 1989. С. 432.

4. Смирнов А. Н., Шориков Ю. Д., Лукин В. А., Амельченко Н. А. Влияние газо- и электрических параметров на условия формирования компактного потока // Решетневские чтения : материалы XIII Междунар. науч. конф. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. С. 348-350.

© Смирнов А. Н., Шориков Ю. Д., Амельченко Н. А., 2010

УДК 621:396.677

В. Б. Тайгин, А. С. Щуряков Научный руководитель - А. К. Шатров ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Железногорск

ИЗОГРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Снижение массы конструкций космических аппаратов является важнейшей задачей их проектирования. Изогридные структуры, получаемые намоткой или выкладкой волокон композиционных материалов, имеют высокие механические характеристики, небольшую массу и могут быть применены в конструкциях различных видов антенн, в том числе спиральных и рупорных.

В силу своих высоких весовых и механических характеристик, изогриные (однородные сетчатые) конструкции нашли широкое применение в космической технике. Их используют в качестве силовой конструкции космических аппаратов (КА), для различных штанг и мачт, а также в качестве спиц крупногабаритных рефлекторов.

В данной статье предлагается использовать изо-гридные структуры, как силовой каркас спиральных и рупорных антенн, имеющих во многих случаях большие габариты и массу.

Для изготовления изогридных структур из композиционных материалов наиболее эффективным является метод непрерывной автоматической намотки волокном. Метод намотки волокном - сравнительно простой процесс, его суть заключается в том, что армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. Такой метод позволяет значительно сократить время на изготовление и снизить экономические затраты.

Обычно в качестве силовой основы крупногабаритных спиральных антенн используют составную трубу из стеклопластика. Использование вместо трубы изогридной структуры (рис. 1) на основе ара-мидного или стекловолокна позволит снизить массу в 1,5-2 раза при этом мы получим достаточно жесткую и прочную конструкцию. Однако в этом случае, в качестве ленты проводника (2) целесообразно использовать ленту из углепластика. Она выкладывается поверх силового изогридного каркаса, затем лента и каркас проходят совместную полимеризацию. Применение в качестве материала ленты проводника углепластика необходимо для того, чтобы лента сохраняла свою форму в тех местах, где она не опирается на каркас (1).

Использование для намотки арамидного волокна позволит снизить массу и повысить механические характеристики конструкции. Также коэффициент термического расширения (КТР) арамидного волокна наиболее приближен к КТР угольного волокна, таким образом, возможно избежать различий в величинах деформаций каркаса и ленты-проводника. Еще одним преимуществом арамидного волокна является то, что органопластик на его основе обла-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

дает более высокими диэлектрическими свойствами, чем стеклопластики, что благоприятно сказывается на радиотехнических характеристиках антенны.

1 2

Рис. 1. Излучатель спиральной антенны: 1 - каркас; 2 - лента-проводник; 3 -основание

Также, вполне оправданным является применение конической изогридной структуры в конструкции рупорных антенн. В этом случае вместо цельного углепластикового конуса применяется комбинированная конструкция, состоящая из 2-3 слоев углеродной ленты, поверх которой наматывается силовой каркас. Подобная конструкция может быть изготовлена за один технологический цикл. В этом случае, в качестве материала каркаса лучше использовать углепластик, для того чтобы избежать разности КТР материалов. Использование комбинированной конструкции позволяет снизить массу рупора в 1,5-2 раза.

Главной проблемой проектирования изогридного каркаса является определение таких ключевых параметров, как шаг (И), угол (а) намотки и параметры сечения ребра (а, Ь). Фрагмент развертки представлен на рис. 2. Правильно определив эти параметры, возможно получить высокие механические характеристики (жесткость, прочность) при наименьшей массе.

а

Рис. 3. Рупор: а - общий вид; б - сечение ребра

Современные программные продукты, такие как Nastran, позволяют легко проанализировать изо-гридный силовой каркас на жесткость и прочность методом конечных элементов. Для этого задавшись необходимым углом и шагом намотки, создается модель при помощи элементов - «стержней» (Beam) - с соответствующими свойствами (Property), определяющими форму сечения стержней и материал. В ходе расчета подбирается оптимальное сечение элементов, удовлетворяющее требованиям по жесткости и прочности.

В целом, использование изогридных структур в элементах спиральных и рупорных антенн приводит к существенному снижению массы (в среднем в 1,5-2 раза), при этом подобные конструкции удовлетворяют требованием по жесткости и прочности. Использование новых технологий получения таких структур уменьшает трудоемкость и время на изготовление.

Таким образом, новый подход к проектированию, расчету и изготовлению антенн может быть использован при создании перспективных КА нового поколения и внесет большой вклад в развитее отрасли.

© Тайгин В. Б., Щуряков А. С., Шатров А. К., 2010