Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (часть 2)

УДК 539.3

А. В. Лопатин, М. А. Рутковская

ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АНТЕНН

Представлен обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн. Рассмотрены принципы классификации антенн.

Надувные антенны. Надувная антенна в сложенном состоянии имеет наименьший размер и небольшую массу. После запуска такая антенна раскрывается за счет надувания. Рефлектор антенны изготавливается из тонкого упругого материала. Его конструкция напоминает круглую параболическую подушку с прозрачной передней поверхностью и отражающей тыльной. По краю рефлектор подкрепляется надувным тором, с внутренним давлением во много раз больше, чем в самом рефлекторе (рис. 1). У надувных конструкций высокая степень надежности из-за простоты принципа раскрытия и небольшого количества отказов. Основным недостатком надувных антенн является необходимость иметь большой запас газа для поддержания высокого давления в торе, так как любое повреждение метеоритами приводит к утечке газа [1].

Рис. 1. 14-метровая надувная антенна в космосе

Этого недостатка лишена конструкция надувного тора из материала, который при высоких температурах или под влиянием солнечных ультрафиолетовых лучей медленно затвердевает [2]. Опорная конструкция производится из пластика, армированного волокнами материала прозрачного для ультрафиолетового излучения (рис. 2).

Рис. 2. Надувная антенна с жесткой опорной конструкцией тора

Надувной рефлектор, отверждаемый в космосе, был разработан компанией Contraves [3]. Рефлектор изготавливается из материала Kevlar, пропитанного резиной.

Резина затвердевает в течение шести часов при температуре 110 °С. Такая температура легко достижима на орбите под действием прямых солнечных лучей. После затвердения газ, необходимый для надувания антенны, сбрасывается. Были построены три модели подобной антенны диаметром 3,5 м, 6 м и 12 м. Модель 12-метровой антенны показана на рис. 3.

Рис. 3. Модель 12-метровой надувной антенны, отверждаемой в космосе

Ферменные антенны. Концепция ферм натяжения была разработана K. Miura в 1986 г. [4] для создания высокоточных крупногабаритных раскрываемых рефлекторов. Новизна концепции ферм натяжения заключается в использовании в конструкции гибких элементов. Такая ферма может быть легко переведена в сложенное состояние. Главным преимуществом антенны с фермой натяжения является то, что точность поверхности может быть увеличена за счет уменьшения размера треугольных элементов без увеличения числа элементов опорной конструкции. Радиоотражающая сетка крепится непосредственно к фермам натяжения.

В Японии были разработаны два различных типа антенн на основе концепции ферм натяжения [5]. Их основное отличие заключается в опорной конструкции. Антенна диаметром 8 м для лаборатории Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy (HALCA), разработанная Исследовательским институтом Космоса и Астронавтики (Institute of Space and Astronautical Science), показана на рис. 4. Из основной платформы, ферма натяжения раскрывается с помощью ферм-мачт.

A. G. Tibert [5; 6] представил подход для проектирования жестких антенн из ферм с предварительным натяжением. Цанный подход сочетает основное правило для конструирования жестких ферм с эффективным методом отыскания формы для конструкций из вантовых сетей. Во-первых, создаются статически определимые конфигурации ферм натяжения для данной опорной конструк-

ции. Далее, генерируются преднапряженные геометрии ферм натяжения с использованием метода отыскания форм. Были проанализированы три антенны с фермами натяжения с различными опорными конструкциями.

M. W. Thomson и TRW Astro Aerospace разработали современную антенну с крупногабаритным раскрываемым рефлектором AstroMesh [9; 10]. Антенна, показанная на рис. 6, имеет диаметр 12,25 м и вес 55 кг. В сложенном состоянии ее диаметр 1,3 м, а высота 3,8 м. AstroMesh состоит из двух идентичных параболических сетей, прикрепленных к раскрываемой кольцевой ферме. Вся конструкция натягивается с помощью пружин называемых растяжками, присоединенных к узлам двух сетей. Радиоотражающее сетеполотно крепится к тыльной стороне фронтальной сети. Раскрытие осуществляется за счет сокращения длины шнура, который проходит через телескопические диагональные элементы обода. Составляющие AstroMesh показаны на рис. 7.

Рис. 4. Антенна из ферм с предварительным натяжением

Большой интерес в области разворачивающихся антенн вызывают элементы конструкции, использующие эффект бистабильности (упругого перехода из одного устойчивого состояния в другое). В работе E. Kebadze, S. D. Guest и S. Pellegrino [7] исследована вытянутая цилиндрическая оболочка, полученная пластическим деформированием металлической ленты. При этом обеспечивается такое распределение остаточных напряжений, которое обеспечивает два устойчивых состояния.

C. J. Gantes и E. Konitopoulou [8] разработали новый дизайн разворачивающейся бистабильной конструкции. Основная идея заключается в использовании элементов типа ножницы (SLE). В таких элементах пара стержней соединяется друг с другом в помежуточных точках шарнирами, которые позволяют им свободно вращаться относительно оси перпендикулярной их общей плоскости, но ограничивают другие степени свободы. Элементы крепятся друг к другу в конечных точках, формируя на виде сверху треугольные, квадратные или шестиугольные элементы. Эти полигоны по очереди соединяются в механизм, образующий конструкцию, которая в развернутом состоянии может быть как плоской, так и криволинейной (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция в развернутом состоянии

-Rear Net

Рис. 7. Концепция AstroMesh

A. G. Tibert и S. Pellegrino [11] предложили новую концепцию разворачивающегося рефлектора. Конструкция рефлектора базируется на концепции ферм с предварительным натяжением. В отличие от AstroMesh конструкция не имеет соединений между элементами сжатия, а также соединения между растяжками и элементами сжатия упрощены.

Крупногабаритная разворачивающаяся конструкция рефлектора, разработанная H. Tsunoda, K. Hariu и другими, состоит из шестиугольных элементов [12]. Конструкция рефлектора включает сетеполотно и разворачиваю-

щуюся ферменную конструкцию (рис. 8). Разворачивание происходит за счет накопленной энергии винтовой пружины, расположенной на верхнем изгибном стержне. Схема разворачивания показана на рис. 9.

Рис. 9. Схема разворачивания рефлектора

Модульная конструкция рефлектора диаметром 19 м, состоящая из 14 шестигранных разворачиваемых ячеек (рис. 10), подробно изучена японскими учеными [13]. Один модуль LDR антенны показан на рис. 10, а. Раскрытие такой антенны происходит наподобие открытия автоматического зонта. Основная пружина, расположенная в центре модуля, и дополнительные пружины, установленные в конструкции, запасают достаточно сил для начального открытия. Конструкция LDR антенны в сложенном и развернутом состоянии показана на рис. 10, б, в.

Лаборатория разворачивающихся конструкций (DSL) разработала пантографную антенну, подкрепленную тросами (CSPDA (рис. 11)) [14]. Разворачивающаяся кольцевая конструкция состоит из трех разных пар стержней, соединенных шарнирами типа ножницы. Пары стержней соединены на концах, образуя круглую пантографную конструкцию. Модель диаметром 3,5 м имеет 12 сторон и состоит из 48 пантографных элементов. Двухслойная кабельная сеть, которая поддерживает сетеполотно, прикреплена к кольцевой конструкции. В стартовой конфигурации ее диаметр и длина 0,6 и 1,2 м соответственно.

Складные антенны. Новая концепция складной легкой антенны FLATS (Folding Large Antenna Tape Spring) представлена в работе O. Soykasap, S. Pellegrino и др. [15]. Эта антенна предназначена для измерения уровня биомассы Земли на низких частотах (0,435 ГГ ц). Монолитная облучающая антенная решетка и излучающие панели соединены двумя листами из Кевлара в криволинейную конструкцию. Один лист поддерживает решетку, другой - плоский рефлектор. После складывания вся конструкция может вернуться в первоначальное состояние без повреждений благодаря упругому элементу из Кевлара, соединяющего оба листа. Антенна в сложенном и развернутом состоянии показана на рис. 12. Модель одного крыла антенны FLATS представлена на рис 13. Упругий элемент позволяет сложить секцию антенны под углом 180° (рис. 14).

Сравнение антенн. Классификация различных типов антенн по рабочей частоте в зависимости от их диаметра показана на рис. 15 [16]. Самой большой точностью поверхности обладают неразворачиваемые антенны с жесткой отражающей поверхностью, но их размер ограничен размерами ракеты-носителя. Несколько больших размеров можно достичь, используя разворачиваемые конструкции с жесткой отражающей поверхностью. В настоящее время наиболее используемыми являются антенны с сетчатой радиоотражающей поверхностью, обладающие достаточно высокой точностью при больших размерах. Надувные конструкции антенн наименее точные, но могут достигать самых больших размеров.

а б

Рис. 10. Антенна LDR: а - один модуль антенны; б - в сложенном состоянии; в - в развернутом состоянии

Рис. 11. Схема раскрытия пантографной антенны 80

Библиографический список

1. Freeland, R. E. Development of flight hardware for a large, inflatable-deployable antenna - experiment / R. E. Freeland, G. D. Bilyeu, G. R. Veal // Acta astronautica: 46th Int. Astron. Fed. Congress, Oslo, 2-6 Oct. 1995 1996. 38, № 4-8. P. 251-260.

2. Chodimella, S. P. Design evaluation of a large aperture deployable antenna /S. P. Chodimella [at al.] // AIAA Papers. 2006. № 1603. P. 1-20.

3. Reibaldi, G. G. QUASAT program: the ESA reflector / G. G. Reibaldi, M. C. Bernasconi // Acta astronautica. 1987. 15 № 3. P. 181-187.

4. Miura, K. Concept of the tension truss antenna // AIAA Papers / K. Miura, Y. Miyazaki 1990. N° 28. P. 1098-1104.

5. Tibert, G. Deployable Tensegrity Structures for Space Applications ; Doctoral Thesis. TRITA-MEK Technical Report 2002:04. /G. Tibert: Department of Mechanics, Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2002.

6. Tibert, A. G. Optimal design of tension truss antennas / A. G. Tibert // AIAA Papers. 2003. № 1629. P. 1-11.

Рис. 12. Антенна FLATS: a - в сложенном состоянии; б - в развернутом состоянии

Рис. 13. Модель FLATS

7. Kebadze, E. Bistable prestressed shell structures // International Journal of Solids and Structures / E. Kebadze, S. D. Guest, S. Pellegrino 2004. № 41. P. 2801-2820.

8. Cantes, C. J. Geometric design of arbitrarily curved bistable deployable arches with discrete joint size / C. J. Gantes, E. Konitopoulou // International Journal of Solids and Structures. 2004. № 41. P. 5517-5540.

9. Thomson, M. W. The AstroMesh deployable reflector / M. W.Thomson // 6th International Mobile Satellite Conference. Ottawa, 1999 June P. 230-233.

10. Thomson, M. W. AstroMesh deployable reflectors for KU- and KA-band commercial satellites / M. W. Thjmson // AIAA Papers. 2002. № 2032. P. 1-9.

11. Tibert, A. G. Furlable reflector concept for small satellites / A. G. Tibert, S. Pellegrino // AIAA Papers. 2001. № 1261. P. 1-11.

12. Tsunoda, H. Structural design and deployment test methods for a large deployable mesh reflector / H. Tsunoda, K. [et al.] // AIAA Papers. 1997. № 1148. P. 2963-2971.

13. Shintate, K. Large Deployable Reflector (LDR) / K. Shintate [et al.] // Journal of the National Institute of Information and Communications Technology. Vol. 50. № 3/4. 2003. P. 33-39.

14. You, Z. Cable-stiffened pantographic deployable structures: P. 2. Mesh reflector / Z. You, S. Pellegrino // AIAA Papers. 1997. 35, № 8. P. 1348-1355.

15. Soykasap, O. Tape Spring Large Deployable Antenna / O. Soykasap [et al.] // 47 th AIAA / ASME / ASCE / AMS / ASC Structures, Structural Dynamics and Matenials Conferenc. Newpart, Rhode Island. 2006. 1-4 May. № 1601. P. 1-12.

16. Imbriale, W. Spaceborne Antennas for Planetary Exploration /W. Imbriale NJ. : John Wiley and Sons, 2006. 592 p.

Рис. 14. Фрагмент антенны в сложенном состоянии

1 10

Diameter

Рис. 15. Классификация различных типов антенн

A. V. Lopatin, M. A. Rutkovskaya

THE REVIEW OF DESIGNS OF MODERN TRANSFORMED SPACE ANTENNAS

The review of designs of modern transformed space antennas is executed. Principles of classification of antennas are considered.