Композиционные материалы в конструкции гофрированных рупоров антенн космических аппаратов

Решетневские чтения

УДК 621.396.67

В. Б. Тайгин, Е. Ю. Узолин, В. Е. Чичурин

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КОНСТРУКЦИИ ГОФРИРОВАННЫХ РУПОРОВ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Приведен анализ методов изготовления рупорных излучателей с гофрированной внутренней поверхностью. Предложен способ изготовления рупора методом автоматической намотки или ручной выкладки углеродным волокном. Создание такого рупора стало возможным благодаря применению передовых материалов и технологий. Это позволяет снизить массу космического аппарата и повысить радиотехнические характеристики антенны и надежность функционирования линии радиосвязи.

В последнее время к бортовым антеннам космического аппарата (КА) стали предъявляться высокие требования: кроссполяризационные развязки (КПР) возросли до 30 дБ, уровни боковых лепестков -18... -20 дБ, жесткие массогабаритные параметры, низкие уровни продуктов пассивной интермодуляции (ППИМ) не более -160 дБ относительно мощности несущей и т. д. А в связи с тем, что бортовая ретрансляционная аппаратура современных спутниковых систем зачастую работает в достаточно высоких частотных диапазонах (Ки-, Ка-диапазон и выше), предъявляются жесткие требования к точности и раз-меростабильности элементов антенн.

В антеннах КА в качестве облучателей зеркальных антенн широко используются рупорные излучатели. Они также могут применяться как собственно антенна и в перспективе как излучатель антенной решетки. Для выполнения требования по КПР в качестве облучателя зеркальной антенны должен быть использован излучатель, обладающий высокими поляризационно-избирательными свойствами. Это может быть гиб-ридно-модовый конический рупор с гофрированной внутренней структурой, имеющий уровни кроссполя-ризации ниже -35 дБ в широкой полосе частот, лучший из известных на настоящее время по поляриза-ционно-избирательным свойствам. Изготовление такого рупора - сложнейшая задача, так как с увеличением частоты уменьшаются его габаритные размеры (ширина ребра ~ 1 мм, размер канавки между ребрами ~ 0,5 мм) при увеличении точности изготовления. Вариант изготовления точением из прутка как единой детали не представляется возможным, так как не существует подходящего инструмента. Рупор можно разделить на несколько частей и каждую выполнить отдельно, но такая конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, сложно проконтролировать внутренние размеры. Во-вторых, отдельные части излучателя соединяются резьбовым крепежом при помощи фланцев, что приводит к возрастанию массы конструкции. При этом нарушается соосность частей рупора, что ухудшает радиотехнические характеристики излучателя. На стыках могут присутствовать различные зазоры и уступы, что влечет за собой появление ППИМ. В некоторых случаях ребра вблизи горловины рупора вообще невозможно изготовить традиционным способом, поэтому приходится набирать их из отдельных

колец, что, в свою очередь, увеличивает вероятность возникновения коронного разряда при эксплуатации антенны на КА. В-третьих, к недостаткам алюминиевого рупора стоит отнести низкую размеростабиль-ность в условиях эксплуатации на орбите КА.

Конструкция рупора, изготовленного по традиционной технологии, представлена на рис. 1. Материал рупора - алюминиевый сплав АМг.6, масса 0,5 кг.

Рис. 1. Составной гофрированный рупор: 1 - посадочный фланец; 2 - втулка; 3 - кольца; 4 - переходная вставка; 5, 6 - переходы; 7 - раскрыв рупора; 8 - соединительные фланцы

Избавиться от вышеперечисленных недостатков можно переходом к альтернативной конструкции рупора, изготавливаемого методом непрерывной автоматической или ручной намотки углеродным волокном (рис. 2). Для этого изготавливают специальную оправку из алюминия с наружной формообразующей поверхностью рупора.

2 1 3

Рис. 2. Фрагмент рупора, полученного намоткой с технологической оправкой: 1 - углепластик; 2 - посадочный фланец; 3 - технологическая оправка; 4 - силовой каркас

Проектирование и производство летательны.хаппаратов, космические исследования и проекты

Все размеры при этом легко контролируются на наружной поверхности. В стык с оправкой устанавливается посадочный фланец рупора 2, изготовленный из латуни. В проточки на оправке наматывается или выкладывается в ручную препрег, состоящий из углеродного волокна, пропитанного термореактивным связующим 1, после заполнения препрегом всех проточек выкладывается 2-4 слоя препрега из углеродной ленты, пропитанной связующим, который образует наружную поверхность. Для повышения механических характеристик (жесткости и прочности) на наружной поверхности возможна намотка силового изогридного каркаса 4 с необходимым углом и шагом намотки и сечением ребра. Использование каркаса не требует выкладки большого количества препрега на наружной поверхности, тем самым позволяя еще больше снизить массу конструкции. После намотки и выкладки препрега на поверх-

ность оправки устанавливается вакуумный мешок, заготовку детали помещают в автоклав и подвергают вакуумно-автоклавному формованию. Под воздействием температуры и давления происходит отверждение детали, и деталь приобретает форму оправки. Охладив заготовку детали совместно с автоклавом, производят демонтаж вакуумного мешка и извлечение оправки методом травления в специальном щелочном растворе, при этом латунный фланец не растравливается.

В итоге получается рупор, состоящий из двух, прочно соединенных деталей, не требующих последующей механической обработки. Масса данного рупора по сравнению с прототипом в 5 раз ниже и составляет 0,1 кг. Внутренняя поверхность не имеет стыков и уступов, что, несомненно, благоприятно скажется на радиотехнических параметрах и повысит надежность функционирования антенны.

V. B. Taygin, Ye. Yu. Uzolin, V. Ye. Chichurin JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

COMPOSITE MATERIALS IN CORRUGATED HORN CONSTRUCTION OF SPACECRAFT ANTENNAS

Method of manufacturing horn emitter with corrugated inner surface is shown. Method of manufacturing of horn from with corrugated inner surface with the help of automatic coil or manual placing of carbon fiber is offered. Horn emitter from carbon fiber with corrugated inner surface is a result of using cutting-edge technology and advanced materials. This makes it possible to reduce mass of spacecraft and improve reliability of wireless link and antennas radiotechnical characteristics.

© TaftraH B. E., y30JiHH E. M., ^nnypHH B. E., 2010

УДК 539

А. В. Томилов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

УСТОЙЧИВОСТЬ ОРТОТРОПНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ КРУЧЕНИИ

Решена задача устойчивости ортотропной цилиндрической оболочки, нагруженной крутящим моментом. Выполнен анализ влияния углов армирования на критический момент оболочки.

Задачи устойчивости цилиндрической оболочки при кручении относятся к классическим задачам устойчивости деформируемых систем. Нагружение оболочки крутящим моментом реализуется в валах различного назначения, элементах авиационных двигателей и корпусах летательных аппаратов. К настоящему времени рассматриваемая задача достаточно подробно разработана для изотропной конструкции. Вместе с тем, появление композиционных материалов позволяет значительно повысить несущую способность цилиндрической оболочки при кручении.

Задачам устойчивости ортотропных цилиндрических оболочек при кручении посвящены работы Hui D. Du [1], Tabiei A., Simitses D. J. [2]. Отметим,

что конструктивные элементы в виде цилиндрической оболочки могут обладать отношением ^ в диапазоне от 0,5 до 20. Решение задачи устойчивости ортотроп-ной цилиндрической оболочки при кручении в этих работах выполнено для углов армирования 45°. Исследователи исходят из того обстоятельства, что при этом угле оболочка обладает максимальной жесткостью и прочностью. Таким образом, были спроектированы многие валы с применением композиционных материалов. Вместе с тем, оптимальные углы армирования для длинных оболочек отличаются от 45°.

В работе проведен анализ влияния углов армирования на критические параметры ортотропной цилиндрической оболочки при кручении. Рассматривались