Проекты

Рефлектор зеркальных космических антенн межспутниковой связи из композиционных материалов

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2005
Предметы: Физика, Математика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В последние годы получили развитие системы межспутниковой связи (СМС), задачей которых является обеспечение сообщения между космическими аппаратами (КА) и наземными станциями, не находящимися в прямой видимости, что повышает эффективность систем спутниковой связи (ССС) в целом. Наиболее часто в космических аппаратах межспутниковой связи используются зеркальные антенны, составной частью которых является рефлектор для отражения и концентрации электромагнитных волн.

За рубежом в настоящее время наблюдается тенденция к освоению более высоких частот. Информация о конструкции антенных систем таких космических аппаратов ограничена, т. к. они используются в интересах правительственных служб США. С увеличением рабочей частоты антенны требуется и бо́льшая точность отражающей поверхности. Достигнуть высоких показателей размеростабильности возможно при использовании жёстких рефлекторов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), таких как углепластики. При этом необходимо повышать весовую эффективность конструкции, которая характеризуется погонной плотностью, т. е. отношением массы конструкции рефлектора к площади апертуры.

Углепластики имеют малые значения коэффициента линейного термического расширения, сравнительно малую плотность, высокую жёсткость, прочность и теплопроводность. Их использование в космической отрасли даёт огромное преимущество. Углепластик позволит улучшить существующие конструкции систем спутниковой связи за счёт высокой размеростабильности и малой погонной плотности. Создание нового поколения систем межспутниковой связи из композиционных материалов является актуальной задачей.

Цель

Разработка и создание прототипа рефлектора зеркальных космических антенн из композитных материалов.

Задачи

  1. Проведение обзора запросов рынка на разработку систем спутниковой связи.
  2. Определение требуемых параметров рефлектора.
  3. Моделирование рефлектора в САПР.
  4. Проведение прочностных расчётов разработанной конструкции рефлектора.
  5. Проектирование оснастки.
  6. Изготовление оснастки.
  7. Формовка прототипа изделия.
  8. Проведение испытаний полученной конструкции.
  9. Выход на российский рынок спутников связи.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Персональный компьютер с установленным ПО (Autodesk Inventor, Autodesk PowerMill)
  • Фрезерный станок с ЧПУ Росфрезер ARF12STM
  • Печь полимеризации France Etuves
  • Вакуумная установка MSH Techno
  • Ручная мини-дрель Dremel 4000
  • Циркулярная пила Makita

Описание

Для определения габаритных размеров рефлектора авторы провели сравнительный анализ существующих иностранных аналогов. После авторы спроектировали модель рефлектора в программе Autodesk Invertor и выполнили расчёты на деформации. Максимальные деформации были определены с помощью расчётного модуля Autodesk Inventor Nastran, нагрузка была приложена на всю рабочую поверхность рефлектора и соответствовала нагрузке спутниковой антенны, выводимой на орбиту с нагрузкой в 9g.

После проведения расчётов было принято решение выполнять конструкцию толщиной 3 мм, так как максимальные деформации не превышали 0,1 мм, что необходимо заказчикам, а также погонная плотность соответствовала существующим иностранным аналогам.

В качестве материалов для изготовления рефлектора были использованы:

1)         Армирующий наполнитель – углеткань Аспро-А80, плетение представленной ткани позволяет добиться наилучших показателей жёсткости и прочности изделия.

2)         Связующий наполнитель – Huntsman Araldite LY8615 US/XB 5173 Hardener, данное связующее обеспечивает требуемую температурную устойчивость. Затем выбрали толщину рефлектора.

Изделие было решено изготавливать с помощью вакуумной инфузии, чтобы материал полностью пропитался связующим. Ооснастку авторы изготовили из МДФ на фрезеровочном станке.

Следующим шагом было изготовление прототипа. Авторы проекта очистили оснастку; нанесли разделительный состав (чтобы прототип не прилип к оснастке); раскроили углеткань, жертвенную ткань, смолопроводящую сетку и вакуумную плёнку. Затем выполнили формовку слоёв, укладывая армирующие слои, жертвенную ткань и смолопроводящую сетку. Каждый слой закреплялся с помощью клей-спрея Carbon Fix.

Следующим шагом была сборка вакуумного пакета. По периметру оснастки проклеили герметизирующий жгут и уложили спиральные трубки по обеим сторонам оснастки. Затем подключили к спиральным трубкам трубку подачи связующего и трубку откачки воздуха.

Заготовка связующего была следующим шагом. Замешали компоненты эпоксидной смолы Huntsman Araldite LY8615 US/XB 5173 Hardener исходя из пропорции 100:30. Дегазировали связующее в вакуумной камере вакуумной установки в течение 20 минут.

Пропитали изделие. Пропитка изделия осуществлялась в течение 10–15 минут через трубку подачи. После пропитки перекрыли трубку подачи вакуумным зажимом. Затем оставили в печи на отверждение при 120 градусах в течение 240 минут и вытащили изделие из оснастки.

В результате проектной деятельности нами был спроектирован и изготовлен рефлектор, который является уникальным с точки зрения использования новых материалов, а также полученных свойств в нашей стране.

Результаты работы/выводы

В результате проектной деятельности был спроектирован и изготовлен прототип рефлектора зеркальных космических антенн межспутниковой связи из композиционных материалов.

Масса спроектированного рефлектора по расчётам составила всего 7851 грамм. Полученный прототип изготовлен методом вакуумной инфузии из углепластика для проведения испытаний на отражающую способность. Вес полученного прототипа составил всего 2400 грамм.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется провести исследование на отражающую способность волн высоких частот. Спроектированный рефлектор является уникальным с точки зрения использования новых материалов, а также полученных свойств в нашей стране.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Баумана

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект даёт уникальную возможность попробовать себя в технической сфере. Это был наш первый опыт работы над проектом, сначала было сложно и непонятно, а затем проект и работа над ним нас увлекли.

По поводу инженерного класса мы можем сказать, что учиться в нём довольно интересно, но нужно быть готовым к усложнённой физике и информатике, и профильной математике. Все, кому по душе такие науки, обязательно поступайте в инженерный класс!

Мы впервые выступали с проектом на конференции «Инженеры будущего». Нас внимательно выслушали и задали вопросы по работе, на которые мы без труда ответили.

Тем, кто ещё не участвовал в конференциях, мы можем пожелать хороших результатов и победу на конференции. Все было замечательно!»