О проекте
- Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда
- АО «Корпорация «ВНИИЭМ»
- Аэрокосмос
Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда
Распространение радиоволн существенно зависит от концентрации заряженных частиц в различных слоях ионосферы – слоя атмосферы Земли, ионизированного вследствие облучения космическими лучами. Ионограмма, (высотно-частотная характеристика) – один из самых распространенных источников информации об ионосфере, представляющий собой набор точек, каждая из которых имеет координаты: частоту и действующую высоту. Ионограммы регистрируют следы отражений высокочастотных импульсных радиосигналов, генерируемых ионозондами. Передатчик ионозонда излучает радиоволны от низких к высоким частотам. Приемник ионозонда регистрирует отраженный сигнал от различных слоев ионосферы. Эти отраженные сигналы формируют характерные «следы», которые и составляют ионограмму. Для снятия ионограмм применяются наземные и космические ионозонды.
В настоящее время для исследования ионосферы Земли разрабатывается космический аппарат «Ионосфера», основной целевой аппаратурой которого является космический ионозонд «ЛАЭРТ», в состав которого входит вибраторная передающая антенна, а также вибраторная приемная антенна. Для обеспечения работоспособности ионозонда в диапазоне частот 0.1 20 МГц плечи (вибраторы) передающей антенны должны иметь длину около 15 метров. Для минимизации места, занимаемого космическим аппаратом под обтекателем ракеты-носителя, обе антенны выполнены на основе трубчатых конических углепластиковых телескопических секций, выдвигающихся на расчетной орбите.
Углепластик, используемый в качестве материала, обеспечивает механическую прочность и электрическую проводимость трубчатой антенны. При исходных размерах углепластикового плеча антенны его электрическое сопротивление на постоянном токе велико и составляет около 100 Ом. Для уменьшения электрического сопротивления специалистами компании «МЦД» было предложено проанализировать стойкое к механическому истиранию, инертное к химической реакции окисления, а также стойкое к космическим излучениям, технологичное и недорогое покрытие, которое значительно снизит сопротивление плеча антенны. Вышеописанными свойствами обладает, например, покрытие палладием. В случае применения этого покрытия сопротивление плеча антенны на постоянном токе уменьшается до 16 Ом.
В связи с этим перед инженерами компании «МЦД» была поставлена цель – исследовать различные материалы вибраторной передающей антенны на предмет эффективности сканирования ионосферы с целью получения ионограммы.
Основной задачей стало получение зависимостей коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты при питании от источника ЭДС и входном сопротивлении 200 Ом путем имитационного моделирования для следующих конструктивных исполнений вышеназванной антенны:
- Трубчатые углепластиковые плечи, металлизированные палладием (напряжение подается на телескопические секции),
- Трубчатые углепластиковые плечи (напряжение подается на телескопические секции),
- Трубчатые углепластиковые плечи со стальной лентой внутри (напряжение подается на телескопические секции и на ленту),
- Трубчатые углепластиковые плечи, металлизированные палладием, со стальной лентой внутри (напряжение подается на телескопические секции и на ленту).
Имитационное моделирование проводилось методом конечных элементов с использованием программного модуля Ansys HFSS. При расчетах было учтено, что
- Трубчатые плечи выполнены из углепластика, при этом плечо длиной 15 м имеет сопротивление по постоянному току около 100 Ом,
- Углепластиковая трубка, металлизированная палладием, имеет сопротивление по постоянному току около 16 Ом.
Расчетная 3D-модель была определена сеткой, состоящей из 112 тысяч конечных элементов. Для упрощения расчетов при моделировании лента-толкатель была принята в форме параллелепипеда, проходящего по оси трубки. В реальности лента-толкатель после выдвижения плеча теряет устойчивость и хаотично располагается внутри трубки.
Свойства материалов заданы так, чтобы электрические сопротивления соответствовали вышеуказанным значениям.
В результате моделирования были получены следующие результаты. Диаграммы направленности всех четырех вариантов антенн на соответствующих частотах практически одинаковы и удовлетворяют предъявленным требованиям.
Были получены зависимости КПД от частоты для всех четырех вариантов вибраторной антенны, также построены графики. График четвертого варианта антенны практически совпадает с первым.
Следует отметить, что излучаемая антенной мощность определяется не только КПД, но и КСВн антенны, работающей на нагрузку 200 Ом.
Для всех четырех конструктивных исполнений антенны были рассчитаны зависимости КСВн от частоты, построены графики. График четвертого варианта антенны практически совпадает с первым. В диапазоне частот 0.1 3 МГц все варианты антенн излучают незначительную мощность. В диапазоне частот 3 20 МГц наименьший КСВн имеет антенна с трубчатыми углепластиковыми плечами, металлизированными палладием.
В результате проведённого анализа установлено, что все рассмотренные конструктивные исполнения антенн имеют схожие диаграммы направленности. Однако, по критерию излучаемой мощности в диапазоне частот 3 20 МГц, наилучшей является антенна с трубчатыми углепластиковыми плечами, металлизированными палладием. Аналогичный результат получен для антенны с трубчатыми углепластиковыми плечами, металлизированными палладием, со стальной лентой внутри. На втором месте находится вариант с трубчатыми углепластиковыми плечами (без металлизации) и стальной лентой внутри.
Есть подобная задача? Звони!
+7 (495) 644-06-08
info@digitaltwin.ru
Пн-Пт 9:00 – 18:00
Другие проекты по теме
Отправить сообщение
Свяжитесь с нами
+7 (495) 644-06-08
info@digitaltwin.ru
Пн-Пт 9:00 – 18:00