ВЫБОР МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИИ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ОСТРОНАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ

В настоящее время современная бортовая аппаратура широко использует остронаправленные антенны для приема-передачи информации на большом удалении от источника сигнала и в условиях значительного уровня помех. Различают антенны ненаправленные и направленные, к которым относятся  остронаправленные антенны. Передающие антенны стремятся делать остронаправленными, чтобы получить высокую локальность контроля объектов. Для получения подлинной информации необходимо обеспечивать точность направления антенны. Наиболее подходящим способом для этого является применение шагового двигателя.

Разработка конструкции для блока управления приводом остронаправленной антенны, который предназначен для управления шаговым двигателем, является весьма актуальной задачей.

Одной из проблем при создании аппаратных блоков космических аппаратов является выбор конструкционных материалов, обладающих наилучшими характеристиками. Целью данной работы является выбор материала для конструкции блока управления, основываясь на анализе расчётных моделей из различных материалов.

Объектами расчёта является конструкция блока управления, состоящая из корпуса, крышки и основания, показанных на рисунке 1:  

Рисунок 1. Крышка, корпус и основание блока управления

Проводились расчёты конструкций на собственные резонансные частоты, на прочность при воздействии линейных ускорений и тепловой статический расчёт.

Такой набор расчётов позволяет оптимально проверить конструкции из различных материалов на выполнение требований ТЗ и сравнить их между собой. Расчёты проводились с помощью системы автоматического проектирования SolidWorks по методу конечных элементов.

В качестве сравниваемых материалов были выбраны: алюминиевый сплав АМг6, титановый сплав ВТ14, магниевый сплав МА14, а также сталь марки 12Х18Н10Т. Эти материалы входят в допустимую номенклатуру материалов для изделий космической промышленности, производятся на территории Российской Федерации и доступны на рынке.

При проведении расчета на собственные резонансные частоты блока были получены следующие результаты, показанные в таблице 1:

Таблица 1.

Резонансные частоты корпуса

Коэффициент запаса по первой резонансной частоте (К_Р) рассчитываем по формуле 1.

 ,                                                          (1)

R_1i – первая резонансная частота i-го материала;

R_ТЗ – предел допустимой частоты из требований ТЗ (40Гц).

При проведении расчета на прочность при воздействии линейных ускорений учтем, что блок должен выдерживать линейные ускорения в направлении полета Х 98,1 м/с² (10g), при этом напряжения, возникающие в блоке, не должны превышать предел текучести материала.;

Результаты проведённых расчетов представлены в таблице 2:

Таблица 2.

Результаты расчета при линейных ускорениях

Е_max – максимальные напряжения; К_Л – коэффициент запаса по прочности при воздействии линейных ускорений (находится аналогично запасу по первой резонансной частоте).

Тепловой расчет проводился для определения максимальных температур конструкций в установившемся тепловом режиме. Отвод тепла осуществляется только теплопроводностью. Отвод тепла по средствам излучения пренебрежительно мал, а конвекционный отвод в условиях невесомости невозможен [1];

Расчет проводится в наихудшем случае при температуре установочной поверхности 40°С, максимальной рассеиваемой мощности блока 24 Вт.

Температура ячеек в активном режиме не должна выходить за пределы допустимых диапазонов рабочих температур применяемых ЭРИ, в нашем случае максимальная температура в блоке не должна превышать +125°С.

Проводим статический тепловой анализ конструкции, в результатах которого можно отобразить распределение температур в блоке (рисунок 2).

Рисунок 2. Распределение температур по конструкции из АМг6

Максимальная температура компонента блока управления, конструкция которого выполнена из сплава АМг6 составила 100,7 °С.

Аналогично проведём расчёт для всех конструкций. Результаты расчетов, представлены в таблице 3:

Таблица 3

Основные параметры материалов и сплавов.

Для удобства анализа и подведения итога проведённых расчетов, полученные результаты объединены в таблицу 4:

Таблица 4.

Результаты проведённых расчётов

По данным из таблицы построены лепестковые диаграммы (рисунок 3). Они позволяют наглядно увидеть преимущества и недостатки конструкций из различных материалов.

На вершинах диаграмм располагаются наилучшие значения, полученные в ходе расчётов, в центре находятся наихудшие результаты. Требования ТЗ представлены красной фигурой, а результаты конкретной конструкции синей. Чем больше площадь фигуры, тем лучше, однако, при этом все точки должны выходить за пределы требований ТЗ.

Рисунок 3. Веерные диаграммы результатов расчёта

Анализируя полученные данные необходимо отметить, что сталь не подходит, так как изготовленный из неё блок будет иметь очень большую массу (2,44 кг при требованиях ТЗ 1,5 кг). Сплав ВТ14, несмотря на наилучшие прочностные характеристики, не обеспечивает по требованиям ТЗ тепловой режим работы ячеек (128°С при требованиях ТЗ 125°С).

Сплавы АМг6 и МА14 показали результаты, проходящие по ТЗ во всех категориях, при этом МА14 несколько лучше во всех категориях кроме теплоотвода и коэффициента запаса по первой резонансной частоте. Однако технологичность АМг6 во много раз выше. Это связано с взрывоопасностью магниевых сплавов в процессе их обработки. Физико-химические свойства магния и магниевых сплавов таковы, что при работе с этими сплавами в жидком и твердом их состоянии необходимо соблюдать специальные правила техники безопасности.

АМг6 – алюминиевый деформируемый сплав высокой пластичности и прочности. Он не обладает такими недостатками взрывоопасности, как магниевые сплавы, хорошо обрабатывается резаньем и давлением, хорошо сваривается, имеет высокую коррозионную стойкость.

В связи со всем вышесказанным в качестве материала конструкции блока выбран сплав АМг6.

Список литературы:

1. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоэлектронной аппаратуры». М.: Высш. шк., 1984 – 246 с.