Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно положениям
Федеральной космической программы Российской Федерации проблема создания высокочастотных систем спутниковой связи в диапазонах 20+30 ГГц и 60 ГГц считается одной из приоритетных. Соответствующая проблематика выделена в раздел программы "Уран-2", в результате реализации которого должны быть созданы оборудование и технологии передачи информации в указанных диапазонах. Вместе с тем продолжается совершенствование систем связи в традиционных диапазонах (4ч-6 и 11-KL4 ГГц), что связано с необходимостью плановой замены выработавших ресурс спутников связи.
Одним из направлений развития аппаратуры спутниковой связи является совершенствование антенной системы космических аппаратов (КА). В настоящее время для приема и передачи сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ) в спутниковых системах космические сегменты которых расположены на высоких орбитах (в частности, геостационарной) применяются в основном зеркальные антенны. Широкое их распространение объясняется простотой устройства, возможностью получения высокой направленности в широкой полосе частот, малыми энергетическими потерями.
Требование повышения эффективности спутниковой связи в традиционных диапазонах частот, а также освоение новых ставит перед разработчиками антенн новые конструкторские и технологические задачи. Среди них -создание прецизионных отражателей зеркальных антенн, размеростабильных при эксплуатации на космических аппаратах.
Исследование и оптимизация конструкций антенных зеркал методами физического эксперимента представляет значительную трудность. Поэтому применение методов математического моделирования представляется наиболее рациональным.
Учитывая вышесказанное, целью работы является обеспечение выполнения НИОКР Федеральной космической программы Российского космического агентства (РКА) по
разделу "Уран-2" в части обоснованного выбора конструктивных параметров прецизионных антенных зеркал, что связано с необходимостью реализации точных математических моделей поведения зеркал в условиях космоса, а также эффективного программного обеспечения. В связи с этим возникают следующие задачи:
разработка модели радиационного теплопереноса в трехслойных конструкциях антенных зеркал, находящихся в открытом космосе;
разработка модели формоизменения термонагруженных зеркал с учетом вероятностного характера их конструктивных параметров;
численная реализация моделей;
с помощью указанных моделей проектирование
рациональной конструкции зеркала передающей антенны
космического аппарата "Ямал", разработка на основе
полученной конструкции зеркала с повышенными
требованиями размерной стабильности для КА нового
поколения на базе платформы "Ямал".
Методика исследований. Точность определения деформированного состояния зеркала в условиях космического полета существенно зависит от точности определения температурного поля в нем. В связи с этим задача теплопроводности в конструкции решена как объемная нестационарная. Передача тепла через сотозаполнитель (СЗ) моделировалась с помощью эффективных теплофизических характеристик (ТФХ). В связи с тем, что для определения указанных характеристик требуется знание величины плотности теплового потока, передаваемого излучением через полости СЗ, разработана модель передачи тепла излучением, основанная на обобщенном зональном методе теории радиационного теплообмена. Модель формоизменения построена на основе теории оболочек Кирхгофа-Лява. Поведение конструкции с учетом вероятностного характера погрешностей схемы армирования углепластиковых обшивок исследовано с помощью модели, базирующейся на методе анализа чувствительности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. В работе развиваются математические методы
проектирования конструкций антенных зеркал, находящихся
в космосе.
2. Впервые при моделировании теплообмена в
трехслойных конструкциях для определения теплопередачи
излучением применен метод, основанный на решении
системы линейных интегральных уравнений Фредгольма
второго рода относительно плотностей эффективных
потоков излучения.
3. Построена модель формоизменения, позволяющая
исследовать чувствительность трехслойных конструкций
зеркал к вероятностному распределению погрешностей
схемы армирования углепластиковых обшивок, базирующаяся
на методе анализа чувствительности.
4. Создан комплекс программного обеспечения
реализующий данные модели.
5. Выполнены проектные расчеты конструкций антенных
зеркал современного и перспективного КА связи.
Практическая значимость: В обеспечении НИОКР Федеральной космической программы РКА (госконтракт № 937-Т206/95 от 18.05.1995, НИР "Уран-2") на основе разработанных моделей выполнены следующие работы:
-
Создано программное обеспечение, позволяющее проводить исследование размерной стабильности термонагруженных прецизионных зеркал и выполнять оптимизацию их конструкций.
-
Спроектированы конструкции зеркала передающей антенны КА "Ямал" и зеркала с повышенными требованиями размерной стабильности для КА нового поколения.
Результаты проектирования внедрены в УНИИКМ г.Перми в производство штатных конструкций зеркал КА системы "Ямал".
На защиту выносятся:
-
Математическая модель переноса тепла излучением в трехслойных конструкциях, основанная на обобщенном зональном методе теории радиационного теплообмена.
-
Математическая модель формоизменения антенного зеркала с использованием метода анализа чувствительности.
3. Результаты решения задач проектирования размеростабильных конструкций для современного и перспективного КА связи.
Публикация ' и реализация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах и изложены в отчетах по грантам Госкомвуза и хоздоговорным темам с УНИИКМ г.Перми.
Апробация. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на IX Межотраслевой научно-технической конференции "Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении", г.Самара, 1994г.; X Зимней школе по механике сплошных сред, г.Пермь, 1995г.; XXXVIII научно-технической конференции ПГТУ, г.Пермь, 1995г.; XV Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций, г.Миасс, 1996г.; на семинаре по механике деформируемого твердого тела под руководством д.т.н. Ю.И.Няшина, г.Пермь, 1994-1997г.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 114 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 53 рисунка, список литературы из 108 наименований.