Каркас конструкції антенного рефлектора з полімерного композиційного матеріалу

 

Область техніки

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до створення прецизійних антенних рефлекторів з високоточними відбиваючими поверхнями складної геометрії, викривленими у двох вимірах, наприклад параболічними, виконаних з високомодульних полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) з мінімальними масовими характеристиками для експлуатації в умовах космічного орбітального польоту.

Рівень техніки

В даний час антенні рефлектори різного конструктивного оформлення широко використовуються в системах зв'язку, дистанційного зондування і природного моніторингу. Одними з таких антенних рефлекторів є неразворачиваемие антени з жорсткою параболічної відбиває поверхнею. Подібні конструкції мають невеликим діаметром, що дозволяє розмістити антену під обтічником ракети-носія. Основні вимоги, що пред'являються до антенним отражателям для космосу, - це висока міцність, низька вага та термічно стабільні компоненти. При цьому відхилення профілів поверхонь, що відбивають від теоретичних повинно бути не більше 0,02...0,05 мм

З існуючого рівня техніки відомий антенний відбивач, виконаний �го заповнювача, виконаної шляхом склеювання обшивок з стільниковим заповнювачем плівковим клеєм (патент РФ 2168820, МПК H01Q 15/16, опубл. 10.06.2001).

До недоліків даного технічного рішення можна віднести наступне. Температурний градієнт по товщині сот дуже великий. Подібні конструкції відчувають граничні термомеханічні напруження за екстремальних теплових флуктуацій, особливо в космосі. Це, насамперед, відбувається із-за невідповідності матеріалів обшивки та сот, а також змінної товщини стільникової конструкції рефлектора через кривизни його форми. Все це призводить до значного розкиду термомеханічних властивостей пристрою, що ускладнює завдання отримання виробу з високими вимогами до точності і размеростабильности геометричних параметрів робочої поверхні відбивача.

Зазначений недолік частково усувається в конструкції відбивача, де для підкріплення обшивок відбивача не застосовують алюмінієві стільники, а оребрені вертикальні елементи у вигляді сітки чи решітки (англомовний термін - grid (грід)), в першу чергу, изогридние трикутні структури, де ребра формують комірки сітки у вигляді повторюваних трикутників (наприклад, див. патент США 6064352, МПК H01Q 1/28; H01Q 15/14; H01Q 15/16, опубл. 16.05.�ю жорсткість і міцність. А при спільній роботі з загальною оболонкою відбивача ефективність такої структури різко зростає. Изогридние конструкції навіть з однією оболонкою (або обшивкою) можуть успішно змагатися з оптимізованими стільниковими тришаровими конструкціями з точки зору структурної ефективності, тобто відносини жорсткості і міцності до маси. Це, насамперед, пов'язано з тим, що оболонка і підкріплює оребренням сітка (решітка) виконані з єдиного квазиизотропного матеріалу, коефіцієнт термічного розширення якого близький до нуля, внаслідок чого зміни геометричних параметрів виробу при перепаді температур мінімальні. Температурний градієнт по товщині (на відміну від стільникового конструкції) зведений до мінімуму. Все це веде до мінімізації спотворень геометричної форми внаслідок температурних перепадів при функціонуванні в умовах зміни світла і тіні космічного простору.

Сітчасті оребрені конструкції можна віднести до класу космічних конструкцій, які не зазнають значних навантажень ні при виведенні на орбіту, ні в процесі експлуатації в космосі. Такі конструкції повинні володіти необхідною жорсткістю і мінімальною масою. Тому для аэрокосмическкупная жорсткість оболонки відбивача і подкрепляющей її оребренной сітки повинна забезпечувати виведення рефлектора на космічну орбіту без порушення геометрії його відбиваючої поверхні.

Інші відомі сітчасті оребрені структури, наприклад ортосетчатие, де сітка має квадратну або прямокутну форми, є менш жорсткими, ніж изогридние трикутні при тій же товщині ребер. А для збільшення їх жорсткості ребра в ортогридной структурі повинні бути більш товстими, ніж у изогридной трикутної, що призводить до збільшення їх маси. З цієї причини ортогридная структура є менш привабливою для роботи в космосі.

Слід зазначити, що при виготовленні каркаса конструкції космічного антенного відбивача з зазначеного та прийнятого в якості прототипу патенту США 6064352 (до речі, інший близький аналог такої структури антени для наземних застосувань описаний в більш ранньому патенті США 4439774 (МПК H01Q 15/16; H01Q 15/14, опубл. 27.03.1984), використовують клеесборочную технологію (в описі винаходу використано слово bonded - зчеплений, склеєний - як похідне від слова bond, а одне із значень слова bond - шар клею - див. англо-російський словник будівельних термінів). Застосування клеесборочной технології полімерних композиційних матеріалів, насамперед, пов'язано з тим, що подібні монолітні інтегральні конструкції з ПКМ (див., наприклад, патент США 4086378 (МПК B29D 22/00; E04C 2/32;борні клеєні. Також підвищеними масовими характеристиками володіє і изогридний каркас, отриманий складанням плетінням волоконних ниток з вуглепластика (патент США 4137354 (МПК B29C 53/56; B29C 53/58; B29C 53/82; B29C 53/00; B29C 70/04; B29C 70/34; B29C 70/10; B29C 70/38; B29C 70/24; B29D 28/00; B31D 3/02, опубл. 30.01.1979). В останні роки для підвищення точності складання изогридних трикутних каркасів з ПКМ з оболонкою пропонують застосовувати більш складні технології зі спеціальними трикутними технологічними вставками (див. патенти США 8435375, 8236124, 7871487, 7479201, 8007628).

Прототипний каркас конструкції антенного рефлектора з патенту США 6064352 включає тонку оболонку складної геометричної форми, утворену матеріалом з вуглепластика, підкріплену зі своєю тильного боку ребрами жорсткості у вигляді сітчастої структури, яку формують з безлічі збірних ребер, виконаних також з вуглепластика. Ребра утворюють сітку із рівносторонніх трикутників, приклеєну до тильної сторони оболонки відбивача, сітка утворена трьома наборами паралельних ліній ребер, розташованих відносно один одного під кутами приблизно 60 градусів. Кожне з ребер має пази (щілини), які перебувають у спільних точках перетину трьох ребер один з одним, забезпечуючи їх зборку в единуюоскости всіх ребер орієнтовані паралельно фокусної осі рефлектора.

Однак і клеесборний прототипний каркас конструкції космічного антенного відбивача має свої недоліки. Изогридная трикутна сітка формується системою пластин з композиту, які збираються і фіксуються один з одним через пази, утворюючи ребра, розташовані за схемою, яка визначає изогридную структуру. Але присутність пазів в пластинах ребер призводить до руйнування частини високомодульних армуючих волокон в композиті і ослаблення вузлового взаємодії изогридной сітки в місцях перетину ребер. Це в свою чергу знижує жорсткість і міцність відбивача, а отже, істотно впливає на размеростабильность геометричних характеристик конструкції. У розглянутій прототипної конструкції кожне ребро в точці перетину може мати пази (прорізи) до 2/3 своєї ширини, і, отже, може втрачати приблизно до 2/3 своєї міцності (наочно це представлено на фіг.2 в аналогу-патенті США 4439774), а отже, має меншу жорсткість. Для підвищення жорсткості в прототипном винахід за патентом США 6064352 пропонують на зібрану изогридную оребрення структуру додатково приєднувати (очевидно, приклеювати) другу (задню) зміцнюючу оболонку инними для часткового зниження збільшеною за рахунок задньої оболонки загальної маси конструкції каркаса.

Розкриття винаходу

Завдання, на вирішення якої спрямовано заявлений винахід, полягає в реалізації пристрою, що відповідає сучасним вимогам за високої жорсткості, минимизируемой масою і високою температурною размеростабильности каркаса конструкції космічного антенного рефлектора.

Відповідний технічний результат досягається за рахунок того, що каркас конструкції антенного рефлектора з полімерного композиційного матеріалу включає тонку оболонку складної геометричної форми, утворену матеріалом з вуглепластика, підкріплену зі своєю тильного боку ребрами жорсткості у вигляді сітчастої структури, яка зібрана з трьох комплектів паралельних ребер жорсткості, виконаних також з вуглепластика, розташованих відносно один одного під кутами приблизно 60 градусів і приклеєних до тильної сторони оболонки рефлектора. Кожне з ребер має пази, розташовані в точках перетину ребер один з одним, забезпечуючи їх зборку в єдину сітку для подальшого склеювання один з одним і разом з оболонкою в єдине ціле, причому поздовжні площині всіх ребер орієнтовані паралельно фокусної осі рефлектора. При цьому сітка виконана в �а утворена з изогридной трикутної структури при эквидистантном зміщенні одного з трьох комплектів паралельних ребер. У трикутно-гексагональної сітковою структурою всі ребра перетинаються один з одним попарно, чому пази в них мають відносні розміри по глибині менші, ніж у изогридной трикутної схемою винаходу-прототипу, і, отже, міцність (твердість) сітки стає відносно більшою (при однакових геометричних параметрах і основних характеристиках матеріалів). Додатково для збільшення вузловий жорсткості в місцях стику ребер один з одним порожнини утворених тригранних осередків заливають клейовим компаундом з наступним затвердінням.

При відносно великих розмірах цих тригранних осередків їх жорсткість додатково забезпечують установкою з невеликим натягом всередину кожної клітинки тонкостінної втулки (круглої або відповідної тригранної форми) з того ж ПКМ. Перед цим на зовнішню поверхню втулки наносять клей, а для більшого збільшення вузловий жорсткості порожнечі в кутах між стінками ребер і втулкою заповнюють також клейовим компаундом.

Після склеювання сітки з оболонкою на зовнішні вільні торцеві поверхні ребер гібридної трикутно-гексагональної сітки вздовж ребер також додатково можуть приклеювати вузькі смужки з того

Оболонка, ребра і смужки можуть виготовлятися з таких високомодульних ПКМ, як вуглепластик або кевлар.

В результаті аналізу, проведеного авторами відомої патентної та науково-технічної літератури, запропоноване поєднання істотних ознак заявляється технічного рішення у відомих джерелах інформації не виявлено і, отже, є новим зважаючи технологічності виготовлення - промислово придатним.

Перелік фігур

Фіг.1 - запропонована гібридна трикутно-гексагональна сітчаста структура.

Фіг.2 - типова трикутна осередок вузла жорсткості, утворена пересічними ребрами, зібраними пазовий методом.

Фіг.3 - трикутна осередок, заповнена тільки клейовим компаундом.

Фіг.4 - осередок, посилена круглої тонкостінної втулкою з ПКМ і заповнена по кутах клейовим компаундом перед складанням.

Фіг.5 - осередок, посилена трикутної тонкостінної втулкою з ПКМ, обробленої зовні і в кутах ребер клейовим компаундом перед складанням.

Фіг.6 - типовий варіант торцевого кріплення ребер жорсткості до оболонці промазкою кутів клейовим компаундом у вигляді клейового джгута.

Здійснення винаходу

На фігурах позначені: 1 - типова треу�уктури; 3 - клейовий компаунд; 4 - кругла втулка з ПКМ; 5 - трикутна втулка з ПКМ; 6 - клейовий палять.

Відбивач антенного рефлектора виконаний з тонкої оболонки (на кресленнях не показана) складної геометричної форми, підкріпленої з тильного боку ребрами жорсткості 2, що мають вигляд сітки, що представляє собою гібридну трикутно-гексагональну структуру, що складається з кутових клітинок 1 і шестикутників (шестигранників) за рахунок эквидистантного зміщення одного з трьох комплектів паралельних ребер (типовий варіант эквидистантного зміщення на половинне відстань - з утворенням практично рівносторонніх трикутників і рівносторонніх шестикутників). Для підвищення жорсткості конструкції трикутні комірки 1 в одному випадку залиті клейовим компаундом 3, в іншому - всередині комірок 1 на клеї встановлені тонкостінні втулки 4 з ПКМ, а порожнечі в кутах між стінками ребер і втулкою також заповнені клейовим компаундом, в третьому - всередині комірок 1 встановлені трикутні втулки жорсткості 5 із ПКМ, оброблені зовні і в кутах ребер клейовим компаундом перед складанням. Видавлений у місцях сполучення ребер 2 з оболонкою клей оформляється у вигляді трикутного клейового джгута 6 для додаткового пЇескими або динамічними навантаженнями ці навантаження сприймаються трикутно-гексагональною структурою ребер, жорстко закріпленої на оболонці відбивача. Замкнуті трикутні і шестикутні осередки в даній гібридної сітчастій структурі завдяки використанню високомодульних углеволокнистих ПКМ, орієнтованих в напрямку ребер, мають високу твердість і міцність. А при спільній роботі з оболонкою відбивача ефективність даної структури зростає, оскільки кожне ребро жорстко пов'язано з відбивачем і з іншими ребрами конструкції. Таким чином, значно підвищується жорсткість і міцність відбивача, а отже, зростають допустимі навантаження, сприймані антеною. Подібне підвищення жорсткості каркасу в свою чергу дозволяє зменшити масу відбиває панелі в цілому.

Приклеювані торці ребер гібридної сітки з ПКМ можуть мати будь-яку криволінійну поверхню, що дозволяє конструктору-розробнику самому вибирати потрібну кривизну поверхні оболонки відбивача. Дана сітчаста конструкція, у вузлах жорсткості заповнена клейовим компаундом, навіть з одношарової оболонкою з того ж ПКМ може успішно конкурувати з оптимізованими стільниковими тришаровими конструкціями з точки зору структурної ефективності, тобто відносини жорсткості до ваги (масі), а т�ї жорсткості і міцності. Наприклад, іноді потрібна велика міцність в центральній зоні, ніж по краях. При цьому ребра можуть мати різну товщину. Зазвичай товсті ребра бажано рівномірно розподіляти поблизу центральної осі складання.

Восокомодульний волокнистий вуглепластик був використаний в якості основного будівельного матеріалу в даній конструкції. Допускається також використовувати інші зіставні за основними характеристиками з вуглепластиком матеріали як, наприклад, типу Kevlar, або подібні їм матеріали.

Запропонований базовий варіант винаходу в основному призначений для польотів у відкритому космосі. Однак дана конструкція може бути використана і в наземних умовах. При цьому маса антенного рефлектора перестає бути критично важливим визначальним фактором. Але в будь-якому випадку вибрані матеріали рефлектора повинні бути такими, щоб забезпечити відповідну жорсткість і міцність конструкції при експлуатації в наземних умовах.

Виготовлення пропонованого відбивача антенного рефлектора здійснюють наступним чином. Оболонку відбивача збирають шляхом одноразової укладання шарів вуглецевого волокна, просоченого епоксидною смолою, з подальшим затвердінням при п�ї пластин-ребер з вуглепластика, які фіксують один з одним через пази, згідно фіг.2, утворюючи ребра за схемою, яка і визначає сітчасту структуру відбивача. Ребра можуть бути як однакової висоти, так і кожне ребро може бути вирізано з матеріалу ламінату з криволінійними торцевими поверхнями, одна з яких повинна точно відповідати криволінійній формі тонкої оболонки (найчастіше параболічної). Потім торці зібраного сітчастого каркаса прикріплюють до оболонці відбивача за допомогою клею, а утворилися трикутні комірки в сітці заливають клейовим компаундом з наступним затвердінням. Перевага даної конструкції полягає в тому, що всі ребра можна вирізати в один час з отвержденного шаруватого вуглепластика, зробити підгонку по довжині і висоті перед приклеюванням до оболонці, а пази для складання робити пізніше, що дозволить значно заощадити час виготовлення виробу.

Завдяки тому, що оболонка і підтримку каркас виконані з квазиизотропного матеріалу, коефіцієнт термічного розширення якого близький до нуля, зміни геометричних параметрів виробу при великих перепадах температури мінімальні.

У рамках НДР спроектований дослідний зразок такого каркахности 2,525 м, розміром ребер в середньому 1×20 мм, товщиною обшивки приблизно 0,9...1,0 мм, питомою масою поверхні 2,3 кг/м2при щільності матеріалу 1550 кг/м3.

Запропоноване авторами технічне рішення забезпечує реалізацію високоякісного пристрою каркаса конструкції антенного рефлектора космічного апарату.

1. Каркас конструкції антенного рефлектора з полімерного композиційного матеріалу, що включає тонку оболонку складної геометричної форми, утворену з вуглепластика, підкріплену зі своєю тильного боку ребрами жорсткості у вигляді сітчастої структури, яка зібрана з трьох комплектів паралельних ребер жорсткості, виконаних також з вуглепластика, розташованих відносно один одного під кутами 60 градусів і приклеєних до тильної сторони оболонки рефлектора; кожне з ребер має пази, розташовані в точках перетину ребер один з одним, забезпечуючи їх зборку в єдину сітку для подальшого склеювання один з одним і разом з оболонкою рефлектора в єдине ціле, причому поздовжні площині всіх ребер орієнтовані паралельно фокусної осі рефлектора, який відрізняється тим, що сітка виконана у вигляді гібридної трикутно-гексагональної структури, Ѻвидистантном зміщенні одного з трьох комплектів паралельних ребер, у гібридної трикутно-гексагональної структурі всі ребра перетинаються один з одним попарно, а в місцях стику ребер один з одним порожнини утворених тригранних осередків заливають клейовим компаундом з наступним затвердінням.

2. Каркас з п. 1, який відрізняється тим, що при відносно великих розмірах зазначених тригранних осередків в них встановлені з натягом тонкостінні втулки круглої або відповідної тригранної форми з полімерного композиційного матеріалу з нанесеним клейовим компаундом, порожнечі в кутах між стінками ребер і втулкою також заповнені клейовим компаундом.

3. Каркас з п. 1 або 2, який відрізняється тим, що зовнішні вільні торцеві поверхні ребер гібридної трикутно-гексагональної сітки, склеєної з оболонкою рефлектора, вздовж ребер приклеєні вузькі смужки з того ж матеріалу, що і ребра.

4. Каркас з п. 1 або 3, який відрізняється тим, що оболонка рефлектора, ребра і смужки виготовлені з таких високомодульних композитних матеріалів, як вуглепластик або кевлар.



 

Схожі патенти:

Зонтична антена космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до дзеркальних антен зонтичного типу. Антена містить облучающую систему і рефлектор, який включає: жорсткі несучі ребра, розташовані радіально щодо центральної маточини і шарнірно з'єднані з нею; радиоотражающую поверхню, сформовану у вигляді клинів, контурні шнури, сполучені з клинами, допоміжні ребра, розташовані в кожному секторі між сусідніми несучими ребрами; механізм розкриття рефлектора з транспортувального положення в робоче положення. Допоміжні ребра з'єднані з тильного стороною радиоотражающего сетеполотна, розташовані в кожному секторі між сусідніми несучими ребрами рівномірно, центральні допоміжні ребра з одного кінця шарнірно з'єднані з маточиною, а інші допоміжні ребра з боку вершини рефлектора шарнірно приєднані до відповідних сусіднім несучим ребер на різних рівнях, а в периферійній зоні кожне допоміжне ребро однаково з'єднане з контурним шнуром між сусідніми несучими ребрами і з розташованої поблизу з контурним шнуром натяжна ниткою. Технічним результатом є спрощення високоточною регулю�хности в умовах експлуатації антени на орбіті. 9 іл.

Дзеркало із заданою кривизною

Винахід може бути використано в концентратори сонячного випромінювання радіохвиль, пристроях щодо зміни світлового потоку. Дзеркало містить гнучке дзеркальне полотно, розміщене на пневматичній системі, що складається з газонаполняемих пневмокамер, пневматично пов'язаних між собою. Пневмокамери мають форму, близьку до сферичної, всі пневмокамери покладені в зовнішню газонаполняемую оболонку, пневмокамери пневматично пов'язані між собою через клапани, що забезпечують доступ газу від джерела газу у внутрішні порожнини пневмокамер і перешкоджають виходу газу з внутрішньої порожнини пневмокамер. Технічний результат - спрощення конструкції дзеркала з заданої кривизною, спрощення регулювання кривизни дзеркала, підвищення надійності роботи, збільшення площі дзеркала. 2 з.п. ф-ли, 2 іл.

Развертиваемий великогабаритний рефлектор космічного апарату і спосіб його виготовлення

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до дзеркальних антен з развертиваемим (поставленого) великогабаритним рефлектором зонтичного типу, мають діаметр розкриву близько 12 м і більше, і до способам їх виготовлення

Зонтична антена космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема, до дзеркальних антен зі складним рефлектором зонтичного типу

Развертиваемий великогабаритний космічний рефлектор і спосіб його наземної відпрацювання

Винахід відноситься до развертиваемим великогабаритним рефлекторам космічних антен і способу відпрацювання його розкриття та складання при наземних випробуваннях

Трансформовані антена зонтичного типу космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до развертиваемим рефлекторам космічних антен, виконаних на основі великогабаритних стержневих конструкцій

Зонтична антена космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки

Развертиваемий великогабаритний дзеркальний відбивач космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до развертиваемим (поставленого) великогабаритним рефлекторам, дзеркальний відбивач (параболоїд обертання) яких, наприклад, має діаметр 12 м

Зонтична антена космічного апарату

Винахід відноситься до космічної техніки, зокрема до дзеркальних антен з развертиваемим великогабаритним рефлектором зонтичного типу
Up!