Технология изготовления рефлекторов космических антенн с высокой геометрической стабильностью и долговечностью в условиях воздействия факторов космического пространства разработана Межотраслевым инжиниринговым центром (МИЦ) «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Новая разработка поможет снизить массу и улучшить характеристики перспективных спутников.
Один из самых крупногабаритных элементов конструкции спутника – рефлектор антенны. Его массу может уменьшить использование углепластика, чьи удельные механические характеристики в разы превосходят характеристики металлов. Но сделать это непросто.
"Новое поколение спутников связи, в части рефлекторов, уже выполняется из композитов, однако их весовая эффективность ещё может быть усовершенствована, что и продемонстрировано в нашей разработке, – рассказывает директор МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. Владимир Нелюб. – Главная сложность при переходе к композитам – это проектирование. Нет характеристик материалов, нет ГОСТов и других стандартов, расчётные алгоритмы ещё несовершенны, из-за этого процесс проектирования любой композитной конструкции значительно более трудоемкий, чем, например, металлической. Приходится проводить большое количество испытаний, расчетов, снова испытаний, снова расчётов. Однако, результат того стоит".
Вывод 1 кг полезной нагрузки на геопереходную орбиту даже таким современным средством, как частично многоразовая ракета Falcon Heavy, по данным компании SpaceX, стоит 11 250 долларов. А затем спутник еще должен сам доставить этот килограмм на геостационар и в течение 10-15 лет поддерживать нахождение этого килограмма в заданной точке и необходимой ориентации. Поэтому снижение массы конструкции геостационарного спутника всего на несколько килограммов позволяет сэкономить сотни тысяч долларов.
Еще одна особенность данной разработки состоит в том, что она позволяет использовать радиоволны высокой частоты, что увеличивает пропускную способность канала связи. Но это и дополнительная сложность: чем выше рабочая частота, тем меньше должны быть отклонения в геометрии поверхности рефлектора. Причем необходимо обеспечить стабильность этой геометрии в течение 10-15 лет эксплуатации в жестких условиях космического пространства.
"Для спутниковой связи характерны невысокая скорость передачи данных и высокая задержка, – рассказывает Владимир Нелюб. – Для нивелирования этих недостатков нужно использовать высокочастотные рабочие диапазоны, но тогда возрастают требования к размеростабильности конструкции рефлектора. Таким образом, необходимо достичь противоречивых результатов и разработать одновременно легкую и жесткую конструкцию. Рефлектор изготовлен из углепластика, т.к. это безальтернативный материал для актуального и перспективного поколения любых космических систем в силу своих удельных характеристик. Технология – вакуумная инфузия, она позволяет изготовить наиболее размеростабильную тонкостенную конструкцию".
Из-за высоких требований к точности и стабильности геометрии рефлекторов высокочастотных антенн их практически невозможно сделать в виде раскладной конструкции, что накладывает определенные ограничения на их размеры, но не на функционал.
"Именно при использовании жестких рефлекторов можно добиться работы антенны в высокочастотном диапазоне. В первую очередь эти рефлекторы предназначены для систем межспутниковой связи на частотах выше 45 ГГц, – поясняет Андрей Новиков, инженер МИЦ "Композиты России". – Однако ничего не мешает использовать такие рефлекторы и для, например, вещания на Землю. Диаметр конструкций находится в пределах от 0,6 до 4,0 м, и окончательный диаметр зависит от конфигурации конкретной системы связи".
Новая технология – универсальное решение, которое позволяет производить рефлекторы для космических аппаратов разного назначения. Однако перспективы реального ее применения в конкретных КА зависят от многих факторов, на большинство из которых, по словам разработчиков, повлиять невозможно. Однако определенный интерес данная работа уже вызвала у многих производителей спутников, в том числе и у отечественного лидера в этой области – ИСС им. М.Ф. Решетнева.
"На данный момент конструкция рефлектора полностью готова, – рассказывает Владимир Нелюб о текущем состоянии разработки. – Дальнейшее направление развития – это проведение полноценных термовакуумных испытаний в составе космического аппарата в сборе".
Подготовлено пресс-центром проекта «Инжиниринг и инновации».
Один из самых крупногабаритных элементов конструкции спутника – рефлектор антенны. Его массу может уменьшить использование углепластика, чьи удельные механические характеристики в разы превосходят характеристики металлов. Но сделать это непросто.
"Новое поколение спутников связи, в части рефлекторов, уже выполняется из композитов, однако их весовая эффективность ещё может быть усовершенствована, что и продемонстрировано в нашей разработке, – рассказывает директор МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. Владимир Нелюб. – Главная сложность при переходе к композитам – это проектирование. Нет характеристик материалов, нет ГОСТов и других стандартов, расчётные алгоритмы ещё несовершенны, из-за этого процесс проектирования любой композитной конструкции значительно более трудоемкий, чем, например, металлической. Приходится проводить большое количество испытаний, расчетов, снова испытаний, снова расчётов. Однако, результат того стоит".
Вывод 1 кг полезной нагрузки на геопереходную орбиту даже таким современным средством, как частично многоразовая ракета Falcon Heavy, по данным компании SpaceX, стоит 11 250 долларов. А затем спутник еще должен сам доставить этот килограмм на геостационар и в течение 10-15 лет поддерживать нахождение этого килограмма в заданной точке и необходимой ориентации. Поэтому снижение массы конструкции геостационарного спутника всего на несколько килограммов позволяет сэкономить сотни тысяч долларов.
Еще одна особенность данной разработки состоит в том, что она позволяет использовать радиоволны высокой частоты, что увеличивает пропускную способность канала связи. Но это и дополнительная сложность: чем выше рабочая частота, тем меньше должны быть отклонения в геометрии поверхности рефлектора. Причем необходимо обеспечить стабильность этой геометрии в течение 10-15 лет эксплуатации в жестких условиях космического пространства.
"Для спутниковой связи характерны невысокая скорость передачи данных и высокая задержка, – рассказывает Владимир Нелюб. – Для нивелирования этих недостатков нужно использовать высокочастотные рабочие диапазоны, но тогда возрастают требования к размеростабильности конструкции рефлектора. Таким образом, необходимо достичь противоречивых результатов и разработать одновременно легкую и жесткую конструкцию. Рефлектор изготовлен из углепластика, т.к. это безальтернативный материал для актуального и перспективного поколения любых космических систем в силу своих удельных характеристик. Технология – вакуумная инфузия, она позволяет изготовить наиболее размеростабильную тонкостенную конструкцию".
Из-за высоких требований к точности и стабильности геометрии рефлекторов высокочастотных антенн их практически невозможно сделать в виде раскладной конструкции, что накладывает определенные ограничения на их размеры, но не на функционал.
"Именно при использовании жестких рефлекторов можно добиться работы антенны в высокочастотном диапазоне. В первую очередь эти рефлекторы предназначены для систем межспутниковой связи на частотах выше 45 ГГц, – поясняет Андрей Новиков, инженер МИЦ "Композиты России". – Однако ничего не мешает использовать такие рефлекторы и для, например, вещания на Землю. Диаметр конструкций находится в пределах от 0,6 до 4,0 м, и окончательный диаметр зависит от конфигурации конкретной системы связи".
Новая технология – универсальное решение, которое позволяет производить рефлекторы для космических аппаратов разного назначения. Однако перспективы реального ее применения в конкретных КА зависят от многих факторов, на большинство из которых, по словам разработчиков, повлиять невозможно. Однако определенный интерес данная работа уже вызвала у многих производителей спутников, в том числе и у отечественного лидера в этой области – ИСС им. М.Ф. Решетнева.
"На данный момент конструкция рефлектора полностью готова, – рассказывает Владимир Нелюб о текущем состоянии разработки. – Дальнейшее направление развития – это проведение полноценных термовакуумных испытаний в составе космического аппарата в сборе".
Подготовлено пресс-центром проекта «Инжиниринг и инновации».