ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМИРУЕМОГО ЗОНТИЧНОГО РЕФЛЕКТОРА И ОСНОВНЫХ НЕПОЛАДОК, ВОЗНИКАЮЩИХ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье была рассмотрена конструкция крупногабаритного зонтичного рефлектора, а также рассмотрены некоторые нештатные ситуации, которые могут возникнуть в процессе его эксплуатации.

Ключевые слова: рефлектор; отражающая поверхность; натяжение; конструкция.

Своё название зонтичные рефлекторы получили из-за схожести с зонтом. Складывание зонта и антенны происходит по схожему принципу. Зонтичная конструкция рефлектора подразумевает наличие жестких спиц, формирующих силовой каркас.

Рисунок 1. Рефлектор зонтичного типа

В конструкцию силового каркаса так же входят: система тросовых оттяжек, вантовая сеть, фронтальная сеть, отражающая поверхность. [1]

Рисунок 2. Конструкция зонтичного рефлектора

Трикотажное сетеполотно формирует отражающую поверхность рефлектора. Оно выполнено из тонкой металлической проволоки. Размер ячейки сетеполотна зависит от толщины проволоки, типа плетения и частоты.

Максимальный коэффициент отражения зеркальной поверхности из сетеполотна формируется при его оптимальном натяжении.[2] При недостаточном натяжении коэффициент отражения снижается из-за увеличения контактного сопротивления. При избыточном натяжении коэффициент отражения уменьшается из-за деформации ячеек и изменения их размеров. Так же, натяжение сетеполотна определяет его способность противостоять воздействию механических нагрузок и сохранять правильную форму. Величина оптимального натяжения зависит от типа сетеполотна.

Фронтальная сеть обеспечивает натяжение и является силовым каркасом для сетеполотна. Сеть выполнена из шнуров с высокой упругостью.

Вантовая система обеспечивает формирование параболической формы отражающей поверхности рефлектора. Определим два вида вантовых систем – арочную и подкосную, они изображены на рисунке 3. В таких системах конец ванты присоединяется к узлу фронтальной сети, а другой конец крепится к спице, либо к арке. Перемещение узла фронтальной сети происходит за счет изменения длины ванты. Перемещение происходит по нормали.

Рисунок 3. Вантовые системы.

а) арочный вариант; б) подкосный вариант

Несущий силовой каркас рефлектора принимает основные нагрузки, возникающие в процессе работы вантовой системы и натяжении сетеполотна. Чаще всего силовой каркас представляет собой конструкцию из трубчатых элементов, выполненную из углепластика. Конструкция каркаса состоит из мачты, корневых и откидных спиц, соединенных между собой шарнирами. Так же в конструкцию водят тросовые оттяжки, которые позволяют удерживать спицы в заданном положении. С помощью изменения натяжения оттяжек можно в некоторых диапазонах регулировать форму отражающей поверхности.

Рисунок 4. Силовой каркас с обозначенными нагрузками от натяжения вант и фронтальной сети

Фокусное расстояние зонтичного рефлектора определяется по величине относительного фокусного расстояния F/D – отношение фокусного расстояния F к диаметру рефлектора D. Значения относительных фокусных расстояний для параболических рефлекторов лежат в пределах 0.167 – 0.423 [3].

Формирование и поддержание правильной формы отражающей поверхности зонтичного рефлектора зависит от правильности функционирования всех элементов конструкции. При выходе из строя хотя бы одного элемента, форма рефлектора может измениться на столько сильно, что формирование параболической формы станет физически недостижимо.

Наиболее важным элементом конструкции является силовой трубчатый каркас и система его развертывания. Она отвечает за начальное развертывание рефлектора антенны. Один из возможных вариантов исполнения такого узла представлен на рисунке 5.

а                                                         б

Рисунок 5. Узел соединения трубчатых несущих элементов в сложенном (а) и развернутом (б) положениях.

При выходе из строя элемента системы оттяжек, подстройка положения несущего элемента осуществляться не может. Это тоже может повлечь за собой увеличение СКО с последующем ухудшением характеристик излучения.

При выходе из строя элементов фронтальной сети, или вантовой системы, может отсутствовать возможность точной подстройки и регулировки натяжения сетеполотна, а также, может отсутствовать возможность поддержания правильной геометрической формы рефлектора.

Структура сетеполотна имеет очень важное значение. Даже небольшие изменения в ней, могут менять характеристики всего рефлектора. Решающими факторами, необходимыми для правильного функционирования сетеполотна являются: поддержание правильной формы ячеек сетеполотна, выбор оптимального типа плетения, выбор материала для изготовления нитей, обеспечение необходимого натяжения. Непреднамеренное изменение одного из этих параметров приведет к резкому ухудшению характеристик рефлектора. Электрические характеристики материала, его натяжение и физическая целостность могут изменяться в космосе из-за воздействия перепадов температур, столкновения с космическим мусором, слишком сильного, или слишком слабого натяжения.

Так же, для всех элементов конструкции, одной из возможных проблем может стать ошибка при конструировании, из-за которой целевое использование комплекса может стать невозможным.

Список литературы:

1. Imbriale W. Spaceborne Antennas for Planetary Exploration / W. Imbriale – NJ.: John Wiley and Sons, 2006. – 592 p
2. Lai, C.Y. Umbrella-type furlable reflector based on tension-truss concept / C. Y. Lai, S. Pellegrino // 42nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, 16-19 April 2001, Seattle WA. AIAA Paper Number 2001-1481.
3. Tibert G. Deployable tensegrity structures for space applications. Doctoral thesis / G. Tibert. ‒ Royal Institute of Technology, Department of Mechanics, Stockholm, Sweden – 2002. – 220 p.