Одной из основных задач Федеральной космической программы России на 2006;2015 г. г. является развитие и поддержка орбитальной группировки космических аппаратов в интересах социально-экономической сферы, науки, безопасности страны (связь, телевидение, ретрансляция, дистанционное зондирование Земли, гидрометеорология, экологический мониторинг), а также обеспечение создания изделий ракетно-космической техники с характеристиками мирового уровня.
В Российской Федерации исследование и использование космического пространства являются важнейшими приоритетами государственных интересов (закон РФ «О космической деятельности»). Приоритетным направлением космической деятельности является обеспечение спутниковой связи и вещания на всей территории РФ, в том числе, в интересах обороны, безопасности страны и охраны правопорядка.
До 2015 года прогнозируется существенный рост потребностей социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества в космических средствах и услугах. Существенно возрастут потребности в подвижной и персональной связи, в непосредственном телеи радиовещании. В настоящее время российская орбитальная группировка космических аппаратов социально-экономического и научного назначения, кроме связи и вещания, отстает в своем развитии от уровня, требуемого для полного решения задач в интересах социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества.
Современные тенденции развития космических систем связи потребовали создания больших трансформируемых параболических антенн, диаметром от 5 до 20 метров и более, устанавливаемых на борту космических аппаратов.
Создание принципиально новых трансформируемых антенн для космических аппаратов серии «Луч-5», предусмотренных Федеральной Космической программой России на 2006;2015 годы, требует исследований в области разработок материалов для отражающей поверхности с тактико-техническими показателями, обеспечивающими наибольший коэффициент отражения СВЧ-излучений при минимальном усилии растяжения, минимальной удельной массе и максимальной изотропности механических и радиотехнических свойств.
Для создания складывающегося рефлектора антенны необходима эластичная радиоотражающая поверхность с коэффициентом радиоотражения электромагнитных волн до 99% в рабочем диапазоне частот, с изотропными механическими и электрофизическими свойствами, минимально возможными показателями жесткости материала при растяжении, стабильностью физико-механических и радиотехнических характеристик в процессе длительных (15−18 лет) сроков хранения. и эксплуатации.
Из анализа литературных источников [1−15] можно сделать вывод о том, что максимально удовлетворяют этим требованиям трикотажные сетчатые материалы из, металлических монои комплексных нитей.
Разработкой крупногабаритных космических трансформируемых параболических антенн занимаются фирмы США, Германии, Японии, Канады, Франции, Италии, Швейцарии, Австрии, Китая, Индии. В России ведущими космическими фирмами, разрабатывающие трансформируемые космические антенны, являются ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева, ФГУП «ОКБ МЭИ», РКК «Энергия» имени С. П. Королева и другие. Материалы для отражающей поверхности космических трансформируемых антенн впервые были разработаны в Московском государственном текстильном университете имени А. Н. Косыгина в 1973 году на кафедре технологии трикотажного производства [16]. В настоящее время потребность в материалах отражающей поверхности нового поколения для российских потребителей обеспечивает ООО фирма «ТРИИНВЕСТ», организованное на базе лаборатории спецтрикотажа в 1992 году. Учредителями ООО фирма «ТРИИНВЕСТ» являются МГТУ им. А. Н. Косыгина и ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева. Работы по разработке новых типов сетеполотен и технологических процессов их создания, применительно для антенн частотного диапазона 0.8−45 ГГц, в следующих направлениях: усовершенствование структуры сетеполотенповышение коэффициента отражения СВЧ-излученияснижение поверхностной плотности сетеполотна до значений 10−20.
О О г/м" для L-диапазона и 50 г/м для К3-диапазона.
В таблице I представлены основные технические характеристики разработанных и перспективных сетеполотен, а на рис.] фотография одной из антенн, в которой используется разработанное сетеполотно.
Таблица I.
Марка сетеполотна Частотный Основные технические характеристики Использодиапазон, ГГц коэффициент отражения, % удельная масса, г/м2 усилие натяжения на каркасе, г/см вание.
МТИСМеТо/в Ст-1 ЭИ708А 50 мкм 15 96 82 50 «Луч-1».
СМеТ В]5×3 30 98 110 12 1 X о ж К к — «Э Ч? я Я т о. СМеТ В11×2 30 98 55 5 л Атлас 15 3 99 55 5−7.
§ СМеТ В15×1 30 99 40 6.
СМеТ В11×2 15 99 40 4 | С О «.
Ст20×1 ЭИ708А 20 мкм 3 99 15 2−3 о сх и С.
Рис. 1. Рефлектор складной антенны зонтичного типа 05 м с отражающей поверхностью из металлотрикотажного сетеполотна нового поколения, выполненного из вольфрамовых комплексных нитей V015 мкм*2.
Разрабатываемые сетеполотна для отражающих поверхностей перспективных антенн, работающих в диапазоне частот 3−15−30 ГГЦ, выполнены из стальной м вольфрамовой микропроволок диаметром 11 -г 20 мкм.
По сравнению с ранее используемыми микропроволоками диаметром 50 мкм, диаметры микропроволок, предназначающихся для современных и перспективных сетеполотен, уменьшились в 2,5 -т- 4 раза, а удельная масса в сравнимых диапазонах частот уменьшилась почти в 2 раза. Требуемое усилие натяжения сетеполотна на современных конструкциях уменьшилось в 12,5 раз (с 50 до 4 г/см) для диапазона 15 ГГц по сравнению с ранее используемыми нагрузками. Для частотного диапазона 30 ГГц усилие натяжения сетеполотна для современных и перспективных антенн составляет 5 -г 12 г/см, а удельная масса 40 110 г/см2 при размере сторон ячейки 0,2 мм.
Усилие натяжения сетеполотна — один из важнейших показателей физико-механических свойств сетеполотен, используемых для отражательной поверхности антенн. С увеличением диаметра антенн этот показатель становится все более значимым. Его уменьшение связано с уменьшением показателя жесткости сетеполотна.
Уменьшение жесткости сетеполотна при растяжении в условиях сохранения достаточной прочности материала и геометрических размеров ячеек является основной задачей, решаемых в этой работе. Решение этой задачи проводится на базе одинарного основовязаного трикотажа двухгребеночных переплетений, представляющих собой сочетания структур трико, сукно, шарме, атлас. Главным направлением исследования является установление влияния типов петель на деформационные свойства сетеполотен. Установление данной зависимости позволит определить структуры металлотрикотаж-ных сетеполотен, обладающие улучшенными физико-механическими характеристиками: меньшей жесткостью при растяжении, в том числе симметричном двуосном в плоскости образцамаксимальной изотропностью механических и электрофизических свойств. Кроме того, уменьшение жесткости сетеполотен позволит уменьшить весовые показатели конструкционных элементов каркаса рефлектора антенны, а также приведет к повышению точности поверхности зеркала антенны.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод о том, что на современном экономическом этапе развития России создание космической конкурентоспособной техники, в том числе крупногабаритных трансформируемых космических антенн различного назначения, где используется гибкая — отражающая поверхность из металлотрикотажного сетеполотна, обладающего высокоэффективными физико-механическими и радиотехническими характеристиками, является актуальной задачей.
Актуальность темы
диссертации. Создание крупногабаритных параболических трансформируемых космических антенн диаметром от 5 до 20 метров и более потребовало создания эластичных радиоотражающих поверхностей с высоким коэффициентом отражения, минимальной поверхностной плотностью, минимальным усилием растяжения, высокой стабильностью физико-механических и радиоотражающих характеристик при длительном сроке эксплуатации.
Одной из наиболее важных характеристик, определяющих механические свойства материала отражающей поверхности, является его жесткость при растяжении. Чем меньше этот показатель, тем меньшее усилие требуется элементам конструкции для раскрытия каркаса рефлектора, а это приводит к уменьшению весовых показателей антенны, а также позволяет повысить точность отражающей поверхности.
Тенденции развития космических антенн сводятся к увеличению диаметра зеркала и частоты электромагнитных волн до 30−40 ГГц. Такая частота требует определенной структурной геометрии сетеполотен, в частности, уменьшения размера стороны ячейки до 0,2 мм. Для создания материала с показателями поверхностной плотности 40−60 г/м для 30 ГГц при усилии растяжения от 5 до 12 г/см необходимо использовать микропроволоку диаметром 11 -г 15 мкм.
В целях улучшения физико-механических характеристик металлотри-котажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости при растяжении необходимо: установить влияние элементов петельной структуры в двухгре-беночных основовязаных структурах на их сопротивление растягивающим усилиям при двумерном нагружении в плоскости материалаопределить структуры металлического трикотажа с наименьшей жесткостью с их последующими рекомендациями к практическому использованию в качестве отражающей поверхности трансформируемых космических антеннустановить влияние типов петель на деформационные свойства металлотрикотажных се-теполотен двухгребеночных переплетений.
Цель работы и задачи исследования. Основная цель работы — повышение эффективности металлотрикотажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости путем установления влияния типов петель в структуре двухгребеночных переплетений на деформационные свойства материала.
Для достижения данной цели в работе проведены следующие исследования:
1 .Экспериментально проведено исследование образцов металлотрикотажных сетеполотен одинарных основовязаных однои двухгребеночных переплетений с целью установления влияния типов петель (открытые и закрытые) на деформационные свойства при двухмерном нагружении, в частности: а) Исследованы деформационные свойства металлотрикотажных сетеполотен из вольфрамовых и стальных микропроволок в одно — три сложения при диаметре микропроволок 15, 20, 50 мкм. б) Обработаны экспериментальные результаты по специально разработанной программе для расчета показателя жесткости и анизотропности сетеполотен при двумерной деформации. в) Установлено влияния элементов структуры двухгребеночных переплетений на эластичность металлотрикотажных сетеполотен. г) Исследовано механическое взаимодействие микропроволок в структурах металлотрикотажных сетеполотен посредством установления зависимости электрического сопротивления сетеполотна от нагрузки.
2.С использованием плоской нелинейной теории упругости проведены расчеты относительной деформации одинарных металлотрикотажных основовязаных сетеполотен на основе однои двухгребеночных переплетений: Т0- Т3- Т0 — Т0- Т3 -Т3, для чего разработаны программы на основе математических пакетов МаШсас! и МаНаЬ.
3. Экспериментально исследованы деформационные свойства металло-трикотажного основязаного сетеполотна филейного переплетения атлас — атлас с закрытыми петлями и теоретически рассчитаны значения упругих постоянных этого сетеполотна.
Методы и средства исследования. Поставленные в работе задачи решались экспериментальными и теоретическими методами. При проведении экспериментальных исследований были использованы метод, создающий двумерную деформацию образца, метод измерения электрического сопротивления сетеполотен при двумерной деформации, метод получения микрофотографий двумерно деформированного образца, метод компьютерного анализа микрофотографий с помощью программы «Диаморф». При проведении теоретических исследований в работе использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, сопротивления материалов и нелинейной теории упругости, методы геометрического моделирования структур трикотажа, а также методы структурообразования трикотажа, методы статистической обработки результатов. Основные теоретические положения, полученные в диссертационной работе, проверялись экспериментально на лабораторном и производственном оборудовании с использованием современной измерительной аппаратуры. Расчеты выполнялись на ЭВМ с использованием специально разработанных нами программ на основе математических пакетов МаШсаё и Ма^аЬ.
Научная новизна работы.
В диссертационной работе впервые:
— показано, что сетеполотна с открытыми и закрытыми петлями обладают отличающимися механическими свойствами;
— проведено систематическое исследование целого ряда сетеполотен с открытыми и закрытыми петлями, полученными из микропроволок разного диаметра, разного материала, с разным количеством сложений;
— использована программа для математического описания зависимости между относительной деформацией образца и деформирующим усилием, основанная на работах проф. А. Н. Соловьева;
— разработаны программы на основе математических пакетов Ма^аЬ и МаШсас! для расчета деформационных свойств металл отри котажнызх сетеполотен;
— на основе разработанных программ проведены расчеты деформационных свойств одногребеночных и двухгребеночных сетеполотен из стальных микропроволок диаметром 50 мкм (Т0, Тз, Т0-Т0, Т3-Т3);
— исследованы физико — механические и электрофизические свойства металлотрикотажного двухгребеночного филейного переплетения атлас — атлас, выработанного из стальной микропроволоки диаметром 15 мкм х 2;
— теоретически рассчитаны упругие постоянные металлотрикотажных сетеполотен двухгребеночного филейного переплетения атлас — атлас.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, позволили разработать материалы с улучшенными физико-механическими свойствами для отражательной поверхности многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) «Луч» на базе космических аппаратов-ретрансляторов «Луч-5А» и «Луч-5Б», разрабатываемых ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева по Федеральной Космической программе России на 2006;2015 годы.
Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили установить влияние типов петель на деформационные характеристики материала и разработать структуры двухгребеночных основовяза-ных структур с улучшенными деформационными характеристиками при сохранении таких показателей как размер ячеек и удельная масса сетеполотна.
Автор защищает:
1. Эксперименальные результаты физико — механических и электрофизических свойств металлотрикотажных сетеполотен, выработанных из стальных и вольфрамовых микропроволок 015−50 мкм.
2. Сравнительный анализ структур металлотрикотажных основовяза-ных сетеполотен на базе однои двухгребеночных переплетений, выработанных открытыми и закрытыми петлями.
3. Метод расчета упругих постоянных металлотрикотажного сетеполотна филейного переплетения атлас — атлас.
4. Метод расчета деформационных свойств основовязаных одногребе-ночных переплетений типа трико и двухгребеночных переплетений трикотрико с закрытыми и открытыми петлями с учетом пластических свойств материала.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в работе, на основе которых предложены технологические решения, направлены на расширение ассортимента трикотажных полотен, используемых для отражающих поверхностей антенн, и позволяют сделать следующие выводы:
1. Литературный обзор по теме исследования подтвердил актуальность работы, связанную с разработкой технологии металлотрикотажных сетеполо-тен для отражающих поверхностей трансформируемых антенн больших диаметров от 5 до 20 метров, создаваемых для космических аппаратов серии «Луч-5», предусмотренных Федеральной космической программой России на 2006;2015 годы.
2. Созданы новые типы металлотрикотажных сетеполотен для отражающих поверхностей космических антенн, работающих в частотном диапазоне 0,8 — 45,0 ГГц с коэффициентом отражения электромагнитных волн до 99%, полученные на базе одинарного основовязаного трикотажа двухгребе-ночных переплетений из стальных и вольфрамовых мононитей диаметрами 15−20 мкм с минимальными размерами ячей до 0,2 — 0,5 мм.
3. Для переработки ультратонких металлических нитей была использована специальная технология, созданная на кафедре технологии трикотажного производства.
4. Получены экспериментальные зависимости деформационных свойств различных вариантов сетеполотен от нагрузки в условиях двумерного нагружения для сетеполотен с разными типами петель (открытыми и закрытыми) и по специально разработанной программе, основанной на методе вычисления показателей жесткости проф. А. Н. Соловьева, рассчитана жесткость образцов металлического трикотажа различных вариантов одно и двух-гребеночных переплетений. Анализ деформационных свойств экспериментальных образцов сетеполотен показывает, что наибольшими деформациями при двухосном нагружении обладают образцы сетеполотен, структуры которых образованы полностью открытыми петлями — То-То, Со-Со, Шо-Шо, Шо-То. Увеличение деформации в группе трико — трико между закрытыми и открытыми петлями составляет 14% по горизонтали и 44% по вертикали. В группе сукно — сукно увеличение деформации по горизонтали между открытыми и закрытыми составляет по горизонтали 38%, а по вертикали 80%.
5. Получены экспериментальные зависимости изменения плотности петель Пв и Пг в условиях двумерного нагружения, по изменению которых, при известной длине нити в петле, можно прогнозировать (определять) значение поверхностной плотности сетеполотна при различных нагрузках в условиях двумерной деформации.
6. Исследование Тз-Тз и То-То с помощью программного комплекса «Диаморф» показало, что То-То обладают меньшей средней площадью ячеек и меньшим их средним размером, чем Тз-Тз. Это помимо более лучших механических свойств делает их и с радиофизической точки зрения более предпочтительными.
7. Разработаны программы по расчету деформации сетеполотен трикотажа, основанные на деформации повторяющегося элемента. Показано, что разработанные программы могут быть использованы двояко: а) Если удается определить величины сил, действующих на микропроволоку в сетеполотне, то оцениваются деформационные свойства рассматриваемого трикотажа — прямая задачаб) Если величину этих сил определить не удается, то, основываясь на деформационных свойствах рассматриваемого трикотажа, решается обратная задача — оценивается величина и направление сил, действующих на микропроволоку в трикотаже. Обратную задачу можно использовать и для оценки контактных усилий, действующих между элементами петель в недеформиро-ванном трикотаже после его изготовления. На примерах трико одногребе-ночное с открытыми петлями и трико одногребеночное с закрытыми петлями проиллюстрировано решение прямой и обратной задач.
8. Проведен расчет относительной деформации двухгребеночных сетеполотен трико закрытое — трико закрытое и трико открытое — трико открытое и на их примере объяснена причина лучшей деформируемости образцов с открытыми петлями по сравнению с образцами с закрытыми петлями. Между экспериментальными и расчетными данными во всех случаях наблюдается неплохое согласие.
9. Экспериментально исследована двумерная деформация сетеполотна атлас-атлас, изготовленного из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в два сложения, и показано, что при двумерной деформации образец легче деформируется по горизонтали, чем по вертикали. Электрическое сопротивление образца при деформации по горизонтали быстро уменьшается с нагрузкой, а по вертикали меняется значительно медленее.
10. Проведен теоретический расчет упругих постоянных сетеполотна атлас — атлас при небольших деформациях и показано, как на эти постоянные должны влиять характеристики проволоки (жесткость) и параметры, определяющие структуру полотна (размеры петель, их ориентацию и взаимное расположение).
