Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда

О проекте

  • Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда
  • АО «Корпорация «ВНИИЭМ»
  • Аэрокосмос
  • 2016 год

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.

Общий вид механизма выдвижения плеча вибраторной передающей антенны 1 – электропривод, 2 – колесо, 3 – лента-толкатель, 4 – комплект телескопических секций.
Рисунок 1. Общий вид механизма выдвижения плеча вибраторной передающей антенны 1 – электропривод, 2 – колесо, 3 – лента-толкатель, 4 – комплект телескопических секций.

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:

  1. Трубчатые углепластиковые плечи, металлизированные палладием (напряжение подается на телескопические секции),
  2. Трубчатые углепластиковые плечи (напряжение подается на телескопические секции),
  3. Трубчатые углепластиковые плечи со стальной лентой внутри (напряжение подается на телескопические секции и на ленту),
  4. 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.

Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда
Рисунок 2. Диаграмма направленности антенны в поперечном сечении и в 3D на частоте 5 МГц

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!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00