Диссертация (УКВ антенны малых космических аппаратов), страница 8

Максимум нагрузкивозникает на уровне сверхзвуковой неустойчивости и при выключении основного двигателя, ане в момент отрыва. Непосредственно перед выключением двигателя уровень тягиудерживается на максимуме, в то время как масса топлива РН становится минимальной,благодаря чему ускорение КА достигает максимума. Квазистатические нагрузки критическиважны для основных несущих элементов конструкции, таких как центральная камера ракетногодвигателя.Синусоидальная вибрация представляет собой набор низкочастотных преходящихвибраций, возникающих во время взлёта.

Любой КА имеет резонансную частоту, способнуюповлиять на состояние КА и усилить вибрационное воздействие.Акустический шум достигает предела в точке отрыва от Земли в момент, когда уровеньшума, отражённого от стартовой площадки, и давление окружающего воздуха доходят домаксимума. Для распределения спектра используются октавные (удвоенные) поддиапазонычастот. Ускорение акустического шума может оказаться важнейшим фактором, определяющимкомпоновку лёгких конструкций с большой площадью и малым весом, таких как антенные46рефлекторы типа «тарелок», солнечные батареи и боковые панели КА, которые не имеютдополнительной нагрузки по массе.Испытания на случайную вибрацию позволяют убедиться разработчикам в том, что наотносительно поздних этапах акустических испытаний или испытаний на случайную вибрациюинтегрированного КА не будут выявлены никакие проблемы.Ударные нагрузки возникают в интерфейсе КА после отделения разгонного блока и сбросаобтекателя.

Ускорение на данном этапе крайне высокое. Однако оно влияет лишь на жёсткозакреплённые элементы, резонансные частоты которых близки к частотам источников ударов.Энергия высокочастотной ударной нагрузки быстро затухает при удалении от источника ударови в структурных соединениях между источником ударов и отвечающими на нагрузкуэлементами.Учитывая приведённые выше виды механических воздействий, возникает необходимостьв формировании определённых требований по жёсткости конструкции бортовых антенн.Данное требование можно трактовать как ответную реакцию на квазистатическую ипереходную вибрацию.2.1.2Температурные воздействияВо время движения КА на орбите по заданной траектории происходит климатическоевоздействие. Это воздействие обусловлено особенностью движения КА.

Примеры траекторийдвижения КА приведены на рисунке 2.2.Рисунок 2.2 – Траектории движения КА по целевой орбитеКак правило, во время движения КА по заданной траектории он оказывается либо в тени,которая создается самой Землёй, либо подвергается воздействию Солнца. Причем такоеявление наблюдается во время всего САС КА и носит циклический характер.47Отсюда следует, что весь КА и в том числе бортовая антенная система, подвергаютсявоздействию как повышенной температуры в случае нахождения КА на освещённойтраектории движения, так и пониженной температуры в случае нахождения в теневой частитраектории движения КА.Учитывая выше сказанное, возникает необходимость в формировании определённыхтребований к температуростойкости применяемых материалов в конструкции бортовых антенн.2.1.3Воздействие космического пространстваПосле выведения РН КА на заданную орбиту на КА происходит воздействиекосмического пространства, которое заключается в следующем.Одной из особенностей космического пространства является наличие высокого вакуума,т.е.

фактическое отсутствие атмосферного давления. Изменения давления над любойфиксированной точкой могут быть приближённо аппроксимированы следующим выражением[66]:P   P0Mgh ,kT(2.1)где ∆P – уменьшение атмосферного давления; P0 – атмосферное давление в основаниирассматриваемого столба атмосферы; M – средний молекулярный вес атмосферы в данноминтервале высот; g – среднее ускорение силы тяжести в данном интервале высот, см/сек 2;∆h – интервал высот, см; k – постоянная Больцмана; T – средняя кинетическая температура винтервале высот, К.Окружающая нас воздушная среда, а именно сухой воздух, состоит по объёму примерноиз 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона и ряда других газов, в сумме составляющих 0,1%.Исследования, проведённые с помощью метеорологических ракет, показывают, что основнойсостав воздуха практические не изменяется до высоты ≈ 85 км.В таблице 2.1 приведены данные по изменению состава атмосферы Земли в зависимостиот высоты [67].Таблица 2.1 Характеристики атмосферы Земли№ п/пВысота h, кмДавление, ммрт.

ст.Температура,°С12340112030760177429+ 15 56 56 42Число частицостаточногогаза в 1 см32,5×10194,5×10182×10184×1017СоставN2, O2, ArN2, O2(O3), ArN2, O2(O3), ArN2, O2(O3), Ar48Продолжение таблицы 2.1567891011124664791022008006500>220001101102104106109101210133×10161015101410121010106103100 33 85 60+ 630+ 3040+ 103–104+ 103–105N2, O2(O3), ArN2, O2, ArN2, O2, ArN2, O2, ON2,N1, O, O+, HeO, O+, HH, H+H+, He++Таким образом, очевидно, что с изменением высоты происходит изменение давления исостава атмосферы, а также её плотность и температура.Влияние высокого вакуума на КА проявляется:в потерях, обусловленных конвективной теплопередачей;в коронном разряде;в сублимации материала;в изменениях прочности материалов;в потере смазки.Рассмотрим подробнее указанные выше факторы.При оценке потерь, обусловленных конвективной передачей, необходимо учитыватьследующее.

Теплопроводность земной атмосферы на высотах ниже 90 км зависит отатмосферных температурных градиентов и не зависит от колебаний давления или плотности.На высоте более 90 км средний свободный пробег молекул становится сопоставим срасстоянием,прикоторомтемпературныйградиентзначительноизменяетсяитеплопроводность перестаёт быть независимой от давления. А начиная с высоты около 300 км,конвективная теплопередача становится незначительной.Явление коронного разряда в электроаппаратуре изменятся обратно пропорциональнодавлению.

Это явление выражает закон Пашена, согласно которому потенциал пробоя зависитот давления газа, от просвета между электронами и от их геометрии. Например, при просветемежду плоскими электродами в 1 см минимальный потенциал пробоя равен 173 В/мм придавлении около 2 мм рт.

ст., что соответствует высоте 60 км. Таким образом, явление коронногоразряда существенно только на малой высоте, во время запуска и может быть предотвращеногерметизацией или вакуумированием электрических подсистем.Сублимация материала связана с молекулярным весом материала, температуройокружающей среды и давлением паров материала при данной температуре. Скоростьсублимации выражается эмпирически следующим уравнением [68]:49G  5,84  10 2 PM,T(2.2)где G – скорость сублимации, г/(см2×с); M – молекулярный вес материала; T – абсолютнаятемпература, K; P – давление паров при температуре T, мм рт. ст.В условиях высокого вакуума наблюдается изменение прочности материалов и потерисмазки.Отдельного рассмотрения требует влияние радиации.

Вокруг Земли расположенырадиационные пояса, представленные на рисунке 2.3.Рисунок 2.3 – Схема расположения радиационных поясов вокруг Земли: 1 – внутреннийпояс; 2 – внешний пояс; 3 – самый внешний пояс; 4 – геомагнитный экваторОдним из факторов, ограничивающих применение электротехнических материалов,проводов и кабелей на борту КА, а также целевой аппаратуры и других систем КА, является ихрадиационная стойкость, поскольку они оказываются под воздействием космическихионизирующих излучений в течение всего САС КА. Особенно актуальна проблемарадиационной стойкости материалов и кабелей, предназначенных для использования на еговнешнейповерхности.ОбычнобольшаячастьповерхностиКАзакрытаматамиэкранновакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), которые дополнительно выполняют и роль защитыот космических ионизирующих излучений с низкой проникающей способностью.

Но в рядеслучаев эта защита отсутствует, и тогда материалы и кабели оказываются в непосредственномконтакте с космической средой (высокий вакуум, термоциклирование, ультрафиолетоваярадиация Солнца и, конечно, весь спектр энергий заряженных частиц космическогопространства) [69].Как известно, существующие справочные данные по радиационной стойкости материалови кабелей получены при их облучении гаммаквантами [70] или быстрыми электронами [71] в50нормальных условиях на образцах, в которых поглощённая доза однородна по объёму ииспользуется в качестве показателя радиационной стойкости [72].Радиационные условия в околоземном космическом пространстве определяются:потоками частиц естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) [73];частицами солнечных космических лучей (СКЛ) [74];частицами галактических космических лучей (ГКЛ) [75].На рисунке 2.4 и 2.5 соответственно приведены интегральные энергетические спектрыпротонов ЕРПЗ, протонов СКЛ и электронов ЕРПЗ в период максимума солнечной активности(СА) для трёх орбит, наиболее типичных для КА [69].Рисунок 2.4 – Интегральные потоки протонов ЕРПЗ (красный цвет) и СКЛ (синий цвет) наорбите геостационарных спутников (1, 2) и на солнечно-синхронной орбите с высотами наэкваторе и 832 км (3, 4) и 652 км (5, 6) в максимуме САРисунок 2.5 – Интегральные потоки электронов ЕРПЗна орбите геостационарного спутника(1) и на солнечно-синхронной орбите с высотами наэкваторе 832 км (2) и 652 км (3) в максимуме САХарактерным отличием периода минимума СА от периода максимума состоит в том, что вминимуме отсутствуют потоки СКЛ.51Помимо радиации существует вероятность воздействия на КА метеоритов, метеоритнойпыли, космического мусора и т.д.

[76].Степень влияния космического пространства на КА зависит еще и от рабочей орбитыспутника. На рисунке 2.6 представлены варианты орбит КА.Рисунок 2.6 – Варианты орбит КАУчитывая выше сказанное, возникает необходимость в формировании определённыхтребований к применяемым материалам, кабелям и конструкции бортовых антенн КА из–завредного влияния космического пространства, например, влияние радиации.2.2Требования к конструкции и материалам антенн малых КАРассмотрев основные типы воздействия на антенны малых КА, определим основныетребования к конструкции антенн и используемым материалам с учётом этих воздействий.2.2.1Требования к механическим воздействиямАнтенны КА должны обладать большой механической прочностью, устойчиво работатьпри воздействии механических ударов и выдерживать перегрузки.

Кроме того, не должны бытьмеханические резонансы конструкций антенн и существенное изменение их электрическихпараметров при воздействии вибраций. В противном случае наличие перечисленных вышефакторов может привести к потере работоспособности бортовой антенной системы КА.Диапазон и характер механических требований может изменяться в широких пределах взависимости от типа КА, его орбиты и места установки антенн на поверхности КА [77].Как правило, бортовые антенны должны выдерживать следующие виды механическоговоздействия: вибрационные перегрузки, линейные перегрузки, ударные нагрузки, акустическийшум.52В таблицах 2.2–2.4, соответственно, приведены эксплуатационные значения приведённыхвыше видов механического воздействия, которые должны выдерживать антенны, составляющиеантенную систему малых КА [78–80].Таблица 2.2 Воздействие синусоидальной вибрациейДиапазон частотf, Гц2–2000Амплитуда виброускоренияg, м/с20,2–9,5Длительностьвоздействиядо 13 минНаправлениевоздействияв трёх направленияхТаблица 2.3 Воздействие линейным ускорениемУскорение g, м/с2Длительность воздействия1010 минНаправления воздействияВ трех взаимноперпендикулярныхнаправленияхТаблица 2.4 Воздействие механическим ударомУскорениеg, м/с2100Длительностьвоздействия2 мсЧислоударов6Направления воздействияВ трёх взаимно перпендикулярныхнаправленияхДля отработки механического воздействия проводят испытания [81].