Повышение эффективности активной системы терморегулирования рефлектора крупногабаритной спутниковой антенны

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
26 декабря 2021, 22:32
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Просунцов Павел Викторович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Выполнена оценка эффективности использования углеродных нагревательных элементов, примененных для повышения термостабильности спутниковой антенны радиолокатора космического базирования. Проведено моделирование радиационно-кондуктивного теплообмена конструкции рефлектора при его полете на низкой околоземной орбите. Исследовано влияние настройки системы управления углеродными нагревательными элементами на температурное состояние рефлектора и показана их связь с уровнем термических деформаций. Предложено для повышения эффективности работы активной системы терморегулирования рефлектора использовать адаптивное управление мощностью и установить на его тыльной стороне слой экранно-вакуумной тепловой изоляции.
Ключевые слова:
радиолокационная съемка, дистанционное зондирования Земли, активная система терморегулирования, трехслойные панели, углепластик, орбитальный нагрев, углеродный нагреватель
Основной текст труда

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) является одним из самых перспективных направлений науки и техники в области гражданского космоса. Наблюдение за наземными объектами и явлениями, определение их пространственных координат и параметров движения, контроль и быстрое реагирование на различного рода ситуации актуальны для многих сфер промышленности и позволяют, например, вовремя получить необходимую информацию для своевременного реагирования на возникновение и развитие природных катастроф [1].

Для целей ДЗЗ используются радиолокационные системы (РЛС) наблюдения, работающие в частотном диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, что дает им конкурентное преимущество перед другими технологиями контроля земной поверхности.

Основным достоинством РЛС при использовании в системах ДЗЗ, является тот факт, что распространение радиоволн в однородной среде достаточно стабильно, и никак не зависит от времени суток и от времени года. Следовательно, ухудшение условий оптической видимости, обусловленных изменениями погодных условий, таких как, уровень освещенности, дождь, снег, туман, не нарушает работоспособность РЛС ДЗЗ и не влияют на успешность выполнения решаемой задачи.

С развитием техники и технологий меняются требования к качеству получаемой при помощи ДЗЗ информации. Если ранее ее основу, составляли снимки с низким разрешением, получаемые оптическими системами, то в настоящее время РЛС ДЗЗ, что позволяет получать цифровые снимки земной поверхности сверхвысокого качества с разрешением на уровне 50×50 см.

К настоящему времени наиболее перспективным направлением исследований в области РЛС ДЗЗ является использование миллиметровых длин волн (частотный диапазон 45...75 ГГц). Данный диапазон позволяет получать снимки высокой четкости и для него в гражданских отраслях промышленности создан необходимый технический задел [2].

Высокая частота работы антенно-фидерного устройства резко ужесточает требования к уровню конструктивного совершенства радиолокаторов космического базирования. Допустимое отклонение поверхности рефлектора от расчетного значения не должно превышать ∆ = Λ/8 (Λ — рабочая длинна радиоволны радиолокационной антенны). Таким образом, для корректной работы радиолокационной станции необходимо, в зависимости от выбранной рабочей частоты, обеспечить сохранение стабильности размеров отражающей поверхности рефлекторов радиолокационных антенн на уровне 0,5 мм. Известно, что наибольшую проблему при создании рефлекторов зеркальных космических антенн составляют термические деформации, возникающие вследствие его неоднородного освещения Солнцем в полете [3].

С целью исследования возможностей повышения термостабильности конструкций был разработан модельный вариант углепластикового рефлектора радиолокационного антенного комплекса, представляющий собой часть параболоида вращения размером 1,5×2,5 м с реберной структурой в виде композитных трехслойных панелей.

Для рассматриваемого объекта на платформе Siemens Simcenter 3D с решателями Simcenter Space Systems Thermal и Simcenter Nastran проведен анализ теплового и деформированного состояния зеркала рефлектора, при его полете по низкой околоземной орбите [4].

Результаты моделирования показали, что использование традиционной реберной структуры не позволяет добиться необходимых результатов по уровню стабильности формы и размеров рассматриваемого рефлектора. В связи с этим для достижения необходимых уровней термических деформаций, обеспечивающих надежную работу радиолокационного комплекса, было предложено использовать комбинированный подход. Он заключается в совместном использовании традиционной развитой системы оребрения и оригинальной системы локального нагрева отдельных участков рефлектора, которая служит для снижения уровня перепада температуры на поверхности конструкции. В качестве устройства для локального нагрева температуры на поверхности антенного зеркала предложено использовать углеродный нагревательные элементы. Таким образом речь идет о создании активной системы терморегулирования (АСТР), которая включает в себя сами углеродные нагреватели, средства контроля температурного состояния рефлектора и методы управления работой нагревателей.

При создании подобной системы термостабилизации рефлектора необходимо решить вопрос выбора рациональной схемы размещения и мощности подобных нагревателей. Было проведено моделирование температурного состояния рефлектора при использовании сеточной схемы их размещения с варьированием шага и суммарной мощности системы нагревателей в диапазоне от 1000 до 4000 Вт. Проведенное численное моделирование показало, что применение данной АСТР, позволяет снизить перепад температур на рабочей поверхности рефлектора со 102 до 32 K, а также уменьшить уровень термических перемещений поверхности рефлектора с 1,78 до 0,48 мм.

Поскольку энергопотребление АСТР напрямую влияет на массу конструкции космического аппарата, выводимого на орбиту Земли, то для повышения энергоэффективности данного метода предложено установить на тыльной стороне рефлектора слой ЭВТИ с толщиной 10 мм. Данная величина теплоизоляционного слоя выбрана на основе численного моделирования и позволяет снизить перепад температуры на отражающей поверхности рефлектора, рассматриваемой модели, вплоть до 40 K без использования АСТР. Также показана перспективность применения адаптивного управления работой нагревательных элементов, что требует разработки специальных программ управления.

Литература
  1. Верба В.С. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.
  2. Меньшаков Ю.К. Техническая разведка из космоса. М.: Academia, 2013. 656 c.
  3. Резник С.В., Просунцов П.В., Новиков А.Д. Перспективы повышения размерной стабильности и весовой эффективности рефлекторов зеркальных космических антенн из композиционных материалов // Известия вузов. Сер. Машиностроение. 2018. Т. 694, № 1. С. 71–83.
  4. Siemens Simcenter 3D. Available at: https://www.plm.automation.siemens.com/global/ru/products/simcenter/simcenter-3d.html (accessed November 11, 2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.