Целевая аппаратура космического аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

«Целевая аппаратура КА»

Введение

Назначение целевой аппаратуры (полезной нагрузки) может быть различной в зависимости от назначения КА (связь, навигация, геодезия).

Для спутников связи целевая аппаратура предназначена для круглосуточного и непрерывного обеспечения ретрансляции цифровых и аналоговых сигналов между земными станциями, расположенными в заданных зонах обслуживания, при их многостанционном доступе или в односигнальном или двухсигнальном режиме.

Назначение навигационных спутников - формировать и посылать потребителям навигационную информацию (координаты, скорость движения спутника, оцифровку шкал времени и др.) за приемлемое время, а так же принимать необходимую информацию от потребителей.

Назначение геодезических спутников - измерение расстояния до поверхности Земли и определение координат заданного пункта различными методами: радиотехническими (радиолокация, доплеровские измерения), с помощью лазерного луча; а так же посылать полученные данные на наземную станцию.

1. Навигационная аппаратура (на примере КА ГЛОНАСС).

Навигационная аппаратура КА обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав аппаратуры входят: высокостабильный генератор формирования частоты и шкалы времени (синхронизатор), формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

1.1 Бортовой навигационный передатчик

Бортовой навигационный передатчик предназначен для формирования и излучения высокостабильных фазоманипулированных радиосигналов в полосе частот L2 (1250 МГц) и L1 (1600 МГц). Для каждого КА отношение частот в диапазонах L1 и L2 составляет 9:7.

Навигационный сигнал L1 содержит код дальности, бортовую шкалу времени и навигационные данные (эфемеридная информация, поправки времени, частоты и фазы бортового стандарта частоты). Навигационный сигнал L2 содержит только код дальности и предназначен для исключения влияния ионосферной рефракции.

Бортовой навигационный передатчик включает в свой состав аппаратуру формирования навигационных сигналов и антенно-фидерные устройства. Аппаратура формирования навигационных сигналов конструктивно выполнена из отдельных блоков, основные из которых (формирователь навигационных сигналов) расположены внутри гермоконтейнера.

Для контроля аппаратуры установлены амплитудные и сигнальные датчики, сигналы с которых поступают на телеметрическую систему. Амплитудные датчики характеризуют наличие высокочастотной мощности на выходах усилителей. Переключение комплектов приборов и блоков аппаратуры можно производить подачей команды на прибор или автоматически по результатам анализа состояния амплитудных датчиков, проводимого в бортовой аппаратуре обработки и заполнения информации.

Антенно-фидерная система (АФС) предназначена для передачи электромагнитной энергии навигационных сигналов на частотах L1 и L2 в заданном направлении. Антенно-фидерные устройства включают следующие элементы: излучатели, блок делительный, делитель, кабели.

1.2 Бортовой синхронизатор

Бортовой синхронизатор предназначен для решения следующих задач: непрерывной выдачи высокостабильных синхрочастот в системы спутника; формирования, хранения и выдачи бортовой шкалы времени.

В состав бортового синхронизатора входят: атомный стандарт частоты (3 комплекта); устройство формирования синхрочастот и шкалы времени.

Атомный стандарт частоты состоит из кварцевого генератора, атомно-лучевой трубки и системы автоподстройки частоты. Кварцевый генератор предназначен для генерирования колебаний с частотой 5 МГц. Атомно-лучевая трубка совместно с системой автоподстройки частоты служит для формирования высокостабильных колебаний частоты 5 МГц.

В состав устройства формирования синхрочастот и шкал времени входят блоки синусоидальных усилителей и устройство формирования. С атомного стандарта частоты высокостабильный сигнал частоты 5МГц поступает на блок синусоидальных усилителей, а затем к внешним потребителям м на устройство формирования, которое выдает потребителям сетку синхрочастот и времени.

Бортовой синхронизатор работает в штатном или дежурном режиме. В дежурном режиме аппаратура обеспечивает выдачу сетки частот, необходимой аппаратуре спутника на этапе ожидания, начальной ориентации, приведения в точку, при хранении спутника на орбите, в аварийной ситуации. В этом режиме в качестве задающего генератора используется кварцевый генератор. При штатном функционировании аппаратура обеспечивает выдачу сигналов высокой стабильности.

В случае, если расхождение бортовой и наземной шкал времени превышает установленную норму, по команде с НКУ производится фазирование и коррекция бортовой шкалы. При выходе из стоя эталона частот потребителю выдается сигнал «недостоверность фазы». Переход из штатного в дежурный режим производится по командам блока управления спутника.

навигационная аппаратура спутник антенна

2. Связная аппаратура

Спутниковая аппаратура связи предназначена для приема сигналов от передающей станции (одной или нескольких), их усиления и дальнейшей передачи направлении приемной станции.

Спутниковая аппаратура связи состоит из двух основных компонентов: бортовой ретранслятор (БРТР); антенно-фидерное устройство (АФУ).

В БРТР входят: приемо-передатчики, аппаратура преобразования информации.

В зависимости от назначения космической системы связи БРТР различаются по типу преобразования частоты принимаемого радиосигнала, по диапазону частот, по числу стволов и способу их формирования, по виду обработки сигналов и др. При этом под понятием ствол БРТР подразумевается приемопередающий тракт, в котором радиосигналы проходят через общие усилители в выделенной полосе частот. Число стволов, полоса их пропускания, эффективная изотропная излучаемая мощность (ЭИИМ) определяет пропускную способность КА, т.е. число организуемых через КА каналов - телефонных, телеграфных, телевизионных.

Возможны следующие варианты построения схем одного ствола с учетом характера преобразования сигнала:

· БРТР гетеразинного типа, использующий, как правило, два преобразования частоты: понижающее и повышающее;

· БРТР прямого усиления, использующий одно преобразование частоты принимаемого сигнала в частоту передаваемого сигнала;

· БРТР с демодуляцией (или обработкой) сигнала на борту.

На рис. 1 представлена упрощенная схема БРТР, обеспечивающая работу с Земной станцией на частотах f1, f2 и пользователем на частотах f3, f4 на раздельные антенны.



Рис. 1. Упрощенная структурная схема БРТР:

ПРМ - приемный тракт; ПРД - передающий тракт; ОУ - оконечное устройство, выполняющее функцию: запоминание информации, обработка, перекоммутация потоков информации.

Значения проектных характеристик передающего тракта во многом определяются типом используемых усилителей мощности: лампы бегущей волны (ЛБВ), клистроны, полупроводниковые приборы (транзисторные, туннельные и полевые усилители, лавинно-пролетные диоды и т. д.),

ЛБВ нашли широкое применение в БРТР из-за коэффициента усиления (30…40 дБ) и КПД (30…60 %), широкополосности, возможности работы как в импульсном, так и непрерывном режимах с широким интервалом выходных мощностей (2…70 Вт).

Из-за больших локальных тепловыделений в ЛБВ необходимы специальные мероприятия по отводу тепла (жидкостный тракт, оребренный излучательный радиатор и др.).

Клистроны используются в качестве оконечного усилителя БРТР для создания большой выходной мощности (200…3000 Вт).

Полупроводниковые приборы в качестве усилителей мощности в настоящее время находят все большее применение. Это обусловлено появлением более мощных СВЧ транзисторов и диодов, обеспечением суммирования мощностей усилителей с помощью многополосных схем и фазированной антенной решетки, большей долговечностью и простотой эксплуатации.

Входные устройства БРТР конструируются так, чтобы обеспечить надежный прием сигналов с малым уровнем мощности (на уровне шумов).

Антенно - фидерное устройство БРТР может быть как единое на прием и передачу, так и раздельное.

Использование единого АФУ снижает затраты массы КА, однако требует организации развязки трактов и снижает коэффициенты усиления антенн либо на прием, либо на передачу.

3. Геодезическая аппаратура

Основная задача геодезии - изучение Земли как планеты, ее геометрической формы и ее гравитационного поля.

В настоящее время методы наблюдения геодезических спутников принято делить на оптические и радиотехнические. Оптическим методом определяется направление на спутник путем фотографирования спутника на фоне звезд. К оптическим методам относится также метод измерения дальности спутника лазерными дальномерами.

Особую роль в развитии фотографических методов сыграли так называемые активные ИСЗ, на которых были установлены специальные лампы и производилась по определенной программе световая вспышка заданной длительности. Такие «маяки» были установлены на борту геодезических ИСЗ «Геос-1» и «Геос-2». Фотографирование активных ИСЗ давало с наивысшей точностью определять направления на ИСЗ. В результате длительной исследовательской работы над фотографическими камерами наивысшая точность определения направления на яркий ИСЗ составляет в настоящее время 0,5" по одному снимку (для большинства камер эта точность находится в пределах 1…2"). При слежении за слабым ИСЗ эта точность колеблется в пределах 2…3".

Радиотехнические методы наблюдений основаны на доплеровских и дальномерных измерениях.

Доплеровские измерения дают нам очень информативную величину: имея график непрерывкой записи лучевой скорости для некоторого интервала времени, мы можем получить и дальность до объекта, и ускорение объекта в некоторой точке его орбиты.

В космической геодезии доплеровский метод реализован на беззапросных схемах. На борту ИСЗ находится передатчик радиосигналов, вырабатываемых высокостабильным генератором частоты. На наземной приемной станции также имеется генератор опорных сигналов. Сравнение частот принимаемого и опорного сигналов позволяет выделить измеряемую частоту, которая равна разности частоты подставки и доплеровской частоты (частотой подставки называется различие частот генераторов - наземного и спутникового

Координаты пунктов получаются радиотехническими методами точнее, чем фотографическими. Средняя точность определения радиальной скорости составляет сейчас несколько сантиметров на секунду. Это дает возможность определять положение ИСЗ на орбите или положение наземной станции с высокой точностью. Главными источниками ошибок здесь являются неточность в синхронизации системы доплеровских станций и шумы измерительной аппаратуры.

Конечно, на прохождение радиосигнала сильно влияет атмосфера, причем влияет и тропосфера (нижние, нейтральные слои атмосферы) и, что особенно неприятно, ионосфера. Но влияние тропосферы учитывается достаточно надежными формулами, а влияние ионосферы снижается использованием двух частот. Фактически из теории следует, что использование трех частот исключает влияние ионосферной рефракции почти полностью. Но практически удобнее пользоваться двумя частотами, устраняя остаточное влияние рефракции выбором времени наблюдения.

Радиодальномерные наблюдения ИСЗ основаны на временных и фазовых методах измерений.

Временные методы реализуются в импульсных системах измерения дальностей. В основе их лежит измерение времени прохождения импульсным радиосигналом удвоенного расстояния ИСЗ - станция наблюдения при работе систем в ретрансляционном и пассивном режимах. В беззапросном режиме на борту ИСЗ работает независимый генератор и измеряется время прохождения радиосигнала от ИСЗ до наземной станции. В этом случае на наземной станции должна иметься информация о моменте излучения импульса передатчиком ИСЗ.

Оптические методы измерения расстояния при помощи лазера предельно прост, поскольку это принцип обычной локации. В направлении на космический объект посылают короткий световой импульс, который, отразившись от объекта, возвращается обратно. Интервал времени между посылкой и приемом импульса измеряется, и именно он дает информацию о дальности до объекта. Дальность космического объекта, отнесенная на средний момент между посылкой и приемом импульса, равна половине произведения скорости света на величину интервала времени.

Для уменьшения постоянных инструментальных ошибок, вызванных задержками в аппаратуре, выполняется калибровка дальномера, которая заключается в измерении расстояния до отражающей цели, расположенной на известном расстоянии. И конечно, повышение точности получаемых дальностей связано с тем, что «стрельба» лазерным лучом происходит не по поверхности космического объекта, отражающие свойства которой неопределенны, а по уголковым отражателям.

Последние представляют собой специальные устройства - призмы с высокими отражающими свойствам, которые размещаются на поверхности ИСЗ. Направления падающего и отраженного, от такой призмы, луча совпадают (рис. 2). Лазерные измерения дальностей до ИСЗ имеют ошибку порядка 3…5 см, и такая точность не предел для лазерного дальномера.

4. Антенно-фидерные устройства

4.1 Параболические и офсетные рефлекторы.

Для приема и передачи сигнала на ИСЗ используются антенны различных типов. Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Самыми распространёнными спутниковыми антеннами являются параболические антенны, благодаря большому коэффициенту усиления в диапазоне сантиметровых волн. Такие антенны содержат отражатель (или рефлектор) в виде параболоида вращения, который позволяет сфокусировать все падающие на его апертуру лучи, параллельные оси параболоида, в одну точку, называемую фокусом параболоида, куда помещается облучатель.

Существует 2 вида параболических антенн -- прямофокусные и офсетные (рис. 3).

Прямофокусная (осесимметричная) - классический тип параболического зеркала с фокусом в геометрическом центре (эллиптический параболоид, в поперечном сечении которого окружность). Обычно такие антенны используются для приёма сигнала в C-диапазоне, как более слабого, чем сигнал в Ku-диапазоне. Однако возможен приём сигнала и в Ku-диапазоне, а также комбинированный.

Офсетная (неосесимметричная) антенна представляет собой вырезку из параболоида. Как правило, вырезка образуется пересечением параболоида и цилиндра, оси которых параллельны. Таким образом, зеркало офсетной антенны имеет форму эллипса, а направление электрической оси антенны отличается от направления геометрической оси зеркала на некоторый угол. Как правило, электрическая ось на 20...30 градусов выше геометрической оси. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной.



Рис. 3. Геометрия прямофокусной (слева) и офсетной (справа) антенны.

4.2 Фазированные антенные решетки (активные и частотные)

Фазированная антенная решётка (ФАР) -- группа антенных излучателей, в которых относительная фазировка сигналов этих излучателей изменяется комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Управление фазами (фазирование) позволяет:

· формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН - луч);

· изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование - качание луча;

· управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).

Структура ФАР

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

· вдоль линии (прямой или дуги);

· по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)

· в заданном объёме (объёмные ФАР).



Рис 4. Структурные схемы некоторых фазированных антенных решеток (ФАР) -- линейной эквидистантной с симметричными вибраторами и общим зеркалом (а); линейной неэквидистантной с полноповоротными зеркальными параболическими антеннами (б); плоской с прямоугольным расположением рупорных излучателей (в); плоской с гексагональным расположением диэлектрических стержневых излучателей (г); конформной с щелевыми излучателями (д); сферической со спиральными излучателями (е); системы плоских фазированных антенных решеток (ж); В -- вибраторы; Ф -- линии возбуждения (фидеры); З -- токопроводящее зеркало (рефлектор); А -- зеркальные антенны; Р -- рупоры; ВР -- возбуждающие радиоволны; Э -- металлический экран; Щ -- щелевые излучатели; К -- коническая ФАР; Ц -- цилиндрическая ФАР; С -- спиральные излучатели; СЭ -- сферический экран; П -- плоские фазированные антенные решетки (точками обозначены излучатели); l₀ -- расстояние между В; l₁, l₂, l₃ -- расстояния между А.

Активная фазированная антенная решётка (АФАР) -- разновидность фазированой антенной решетки.

В активной фазированной антенной решетке, каждый элемент решетки или группа элементов имеют свой собственный миниатюрный микроволновый передатчик, обходясь без одной большой трубки передатчика применяемой в пассивной фазированной решеткой. В активной фазированной решетке, каждый элемент состоит из модуля, который содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик, и часто также приемник. В обычной пассивной решетке один передатчик мощностью несколько сотен киловатт питает несколько тысяч элементов, каждый из которых излучает только десятки Ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки Ватт, и в антенне с активной фазированной решеткой несколько тысяч модулей, каждый мощностью в десятки Ватт, создают в целом мощный главный луч антенны в сотни киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решетки намного более надежны, поскольку отказ любого элемента решетки просто ухудшает работу антенны на долю процента. Это -- незначительная деградация, так как катастрофического отказа лампы передатчика просто не может произойти. Дополнительная выгода -- экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

4.3 Делители, фильтры

Делители и сумматоры мощности

При разработке устройств СВЧ различного назначения широкое применение находят делители и сумматоры мощности. Делители мощности распределяют мощность, поступающую на вход, между несколькими выходными каналами. Сумматоры обеспечивают сложение мощностей, поступающих на несколько входных каналов, в общей нагрузке. Делители и сумматоры мощности являются, как правило, взаимными устройствами, т. е. могут выполнять и деление, и суммирование мощности. В зависимости от назначения делители мощности осуществляют равное или неравное деление на два или большее число каналов.

К делителям и сумматорам мощности могут предъявляться самые разнообразные требования, которые определяются их применением. Делители мощности фазированных антенных решеток должны обеспечивать в выходных плечах заданное амплитудно-фазовое распределение, которое формирует требуемую диаграмму направленности решетки. При построении широкополосных транзисторных усилителей мощности применяются квадратурные делители и сумматоры, выполняющие наряду с функциями деления (суммирования) функции согласования отдельных каскадов усилителя с генератором и друг с другом. Сумматоры мощности нескольких генераторов должны иметь возможность синхронизировать генераторы таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение их мощностей в нагрузке. Делители и сумматоры мощности должны иметь приемлемое согласование в полосе частот и необходимую развязку между каналами. Существенными являются также массогабаритные параметры этих устройств, показатели надежности, стоимости и др.

Делители могут быть выполнены на основе последовательных или параллельных схем. Выбор того или иного схемного решения производится исходя из технических требований к устройству, с учетом технологических возможностей их реализации.

Фильтры СВЧ

Фильтры СВЧ применяются для частотной селекции сигналов, согласования комплексных нагрузок, в цепях задержки и в качестве замедляющих систем.

Фильтры являются обычно пассивными взаимными устройствами и характеризуются частотной зависимостью вносимого в тракт затухания. Полоса частот с малым затуханием называется полосой пропускания, а полоса частот с большим затуханием -- полосой заграждения. По взаимному расположению полос пропускания и заграждения принято выделять следующие типы фильтров: фильтры нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы ниже заданной граничной частоты и подавляющие сигналы с частотами выше граничной; фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы других частот; полосно-пропускающие (полосовые) фильтры (ППФ), пропускающие сигналы в пределах заданной полосы частот и подавляющие сигналы вне этой полосы; полосно-заграждающие (режекторные) фильтры (ПЗФ), подавляющие сигналы в пределах заданной полосы частот и пропускающие сигналы вне этой полосы. Частотные характеристики рабочего затухания L и обозначения фильтров различных типов в схемах трактов СВЧ показаны на рис. 5.

Рис. 5. Частотные характеристики фильтров СВЧ.

4.4 Контурные антенны

Антенны с контурной диаграммой направленности обеспечивают оптимальное распределение сигнала по всей территории зон обслуживания.

Существует несколько разновидностей антенн с контурной диаграммой направленности (КДН), которые сводятся к трем основным классам:

1. Несимметричные однозеркальные и двухзеркальные антенны с профилированным основным рефлектором и (или) контррефлектором, у которых в качестве облучателя используется одиночный рупор.

2. Несимметричные однозеркальные параболические антенны с облучателем в виде малоэлементной фазовой антенной решетки (ФАР).

3. Многоэлементные активные ФАР (АФАР).

Потенциально возможен также вариант совмещения профилированного рефлектора и облучателя в виде ФАР. В составе аппаратуры современных спутников связи и вещания часто используются несимметричные однозеркальные параболические антенны (обычно дихроичного типа), облучатель которых выполнен в виде ФАР.

В ряде случаев предусматривается возможность трансформации формы ДН в зависимости от точки расположения спутника на геостационарной орбите (ГСО) и предполагаемого изменения трафика (срок активного существования современного геостационарного спутника достигает 15 лет и более, и за это время спутник может по разным причинам переводиться из одной орбитальной позиции в другую). Многоэлементные АФАР в составе связных коммерческих спутников не используются вследствие чрезмерного энергопотребления и стоимости. Хотя очевидно, что теоретически они позволяют более гибко и в широких пределах изменять форму ДН.

Применение антенн с КДН обусловлено системными требованиями, ориентированными на повышение эффективности использования точки на ГСО, выделенной для обслуживания нескольких разнесенных в пространстве рабочих зон большой площади. В этом случае антенна с КДН позволяет использовать в этих зонах одни и те же частоты, не создавая взаимных помех. В ряде случаев требуется обеспечить обслуживание рабочей зоны (или рабочих зон), расположенной внутри контура более широкой рабочей зоны, при использовании тех же частот. Реализация такого режима работы требует дополнительной поляризационной развязки.

Другой часто используемый вариант предусматривает применение антенн с профилированным рефлектором и одиночным облучателем. Обычно такая схема реализуется при построении антенной системы спутников непосредственного вещания, ретрансляционная аппаратура которых имеет несколько мощных передающих стволов.

Применение антенн с КДН на спутниках прямого ТВ-вещания особенно актуально, поскольку значение ЭИИМ в рабочей зоне такого спутника должно быть максимально возможным (может достигать 52-60 дБВт) для поддержки работы абонентской станции с антенной диаметром всего 40 см. При этом необходимо минимизировать переходную зону для строгого ограничения согласованной рабочей зоны спутника. Следует отметить, что даже в Ku-диапазоне ширина ДН приемной антенны составляет примерно 4°. Учитывая, что разнос спутников на геостационарной орбите может составлять всего 2° (а иногда и менее), возможна ситуация, при которой наблюдается подавляющее действие помехи от смежного спутника (если не принять специальных мер по пространственной селекции сигналов вещательных спутников в смежных зонах).

Указанные примеры не исчерпывают всех возможных ситуаций, поскольку существует много системных задач, которые подразумевают применение антенн с КДН. Одним из принципиальных вопросов является целесообразность применения антенны с КДН и достижимые значения ее параметров (в качестве альтернативного решения может использоваться обычная несимметричная антенна, формирующая лучи с контуром в виде окружности или эллипса с низким уровнем бокового излучения).

4.5 Трансформируемые антенны

Рефлекторы антенн больших диаметров, в связи с их размерами, не позволяют произвести их вывод на орбиту в рабочем положении. В следствие этого производится изменение размеров рефлекторов до приемлемых значений (так чтобы он помещался в зоне полезного груза под обтекателем РН) путем компактной укладки рефлекторной поверхности и ее фиксации в стартовом положении в течении всего периода выведения. Такие антенны называются складывающиеся (трансформируемые) антенны.

Складывающиеся (трансформируемые) антенны потребовали создания гибких радиоотражающих поверхностей с высоким (97...99%) коэффициентом радиоотражения в рабочем диапазоне частот, минимальным усилием растяжения, высокой стабильностью физико-механических и электрофизических характеристик при хранении и длительном сроке эксплуатации.

Из многообразия описанных в литературе материалов, используемых в качестве отражающих поверхностей складных антенн, можно выделить:

· металлизированные полимерные пленки;

· металлизированные тканые материалы из синтетических и искусственных нитей;

· металлизированные тканые материалы из искусственных текстильных нитей с включением металлических нитей, обладающих высокой электропроводностью;

· металлизированные трикотажные материалы из полимерных текстильных нитей;

· трикотажные сетчатые материалы из текстильных нитей, состоящих из металлических электропропроводных и химических волокон;

· трикотажные сетчатые материалы из металлических нитей (мононити, комплексной нити, пряжи).

Последние не имеют недостатков, присущих сетчатым материалам из полимерных нитей, обладая при этом всеми их достоинствами: эластичностью, малой массой единицы площади, достаточной прочностью. Металлические сетеполотна не теряют отражающей способности после многократного складывания.

Обзор конструкций современных трансформируемых 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. 6). 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.

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

Надувной рефлектор, отверждаемый в космосе, был разработан компанией Contraves. 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. 7.

Ферменные антенны. Концепция ферм натяжения была разработана K. Miuraв 1986 г. 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. Их основное отличие заключается в опорной конструкции. Из основной платформы, ферма натяжения раскрывается с помощью ферм-мачт.

A. G. Tibert представил подход для проектирования жестких антенн из ферм с предварительным натяжением. Данный 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 конструкции. Далее, генерируются преднапряженные геометрии ферм натяжения с использованием метода отыскания форм. Были проанализированы три антенны с фермами натяжения с различными опорными конструкциями.

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 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 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.



M.W. Thomson и TRW Astro Aerospace разработали современную антенну с крупногабаритным раскрываемым рефлектором AstroMesh. Антенна, показанная на рис. 8, 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. 10.

M.W. Thomson и TRW Astro Aerospace разработали современную антенну с крупногабаритным раскрываемым рефлектором AstroMesh. Антенна, показанная на рис. 10, 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.

Складные антенны. Эта антенна предназначена для измерения уровня биомассы Земли на низких частотах (0,435 ГГц). 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. 11.

Рис. 11. Антенна FLATS:

a - в сложенном состоянии; б - в развернутом состоянии

Рис. 12. Модель FLATS (одно крыло)

Модель одного крыла антенны складной антенны представлена на рис 12. Упругий элемент позволяет сложить секцию антенны под углом 180° (рис. 13).

Рис. 13. Фрагмент антенны в сложенном состоянии

Сравнение антенн. 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.

Размещено на Allbest.ru