Введение к работе
I.I. Актуальность работы. Параболические рефлекторы, концентрирующие параллельный пучок лучей в фокусе, широко ипользуются в качестве элементов зеркальных антенн, излучателей, концентраторов лучевой энергии и других устройств в радиоастрономии, радиолокации, космической технике. Основное требование, предъявляемое к таким рефлекторам - высокая размерная стабильность в течение всего времени эксплуатации, т.е. способность рефлекторов под нагрузкой лишь незначительно искажать свою первоначальную параболическую форму. В данной работе рассматривются рефлекторы, предназначенные для работы на космических аппаратах. При этом изменение их первоначальной формы происходит за счет нагрева Солнцем и охлаждения в тени . Это изменение характеризуется среднеквадратическим отклонением (СКО) формы рефлектора от идеальной параболической.
В настоящее время потребность в высокоточных, размеростабиль-ных и легких параболических рефлекторах возрастает. Это обусловлено переходом от длин волн дециметрового и сантиметрового диапазона к энергетически более выгодным длинам волн миллиметрового диапазона при передаче информации. При работе в коротковолновом диапазоне возможно также достижение лучших эксплуатационных характеристик антенн.
Применяемые металлические рефлекторы не могут обеспечить требуемого для этого уровня размерной стабильности ( СКО в пределах 100..150 икм ), поэтому начинают применяться рефлекторы из композиционных материалов (КМ) с низкими коэффициентами температурного расширения. Конструктивно такой рефлектор состоит из двух параболических многослойных обшивок из волокнистых КМ, скрепленных легким сотовым наполнителем.
Существующие модели поведения многослойных ..конструкций при тепловых нагрузках не учитывают достаточно корректно все факторы, влияющие на размерную стабильность рефлекторов в указанном диапазоне по СКО. Наличио адекватной модели позволит оптимизировать конструкцию рефлектора, обосновать требуемую точность изготовления, рабочие диапазоны длин волн при эксплуатации. После
изготовления такие высокоточные рефлекторы позволят сократить энергетические затраты при эксплуатации за счет работы в более коротковолновом диапазоне, уменьшить материальные затраты при изготовлении за счет выбора приемлемой точности, уменьшить массу рефлекторов.
Таким образом, задача построения математической модели, адекватно описывающей поведение размеростзбильных параболических рефлекторов из КМ при эксплуатации, а также решение на ее основе технической задачи выбора рациональных конструкций рефлектора является весьма актуальной.
-
Цель и задача работы. Целью работы является построение математической модели, адекватно описывающей поведение размеростзбильных параболических рефлекторов из КМ при эксплуатации. Выявление на основе построенной модели основных факторов, влияющих на размерную стабильность рефлекторов. Постановка и решение технической задачи выбора рациональных конструкций размеростзбильных углепластиковых рефлекторов.
-
Научная новизна. Наиболее существенные и новые результата диссертационной работы состоят в следующем:
на основе методов механики деформируемого твердого тела построена математическая модель поведения размеростабильных рефлекторов из КМ. Она дает более глубокое, по сравнению с существовавшими моделями, понимание механизмов поведения конструкций названного класса;
обоснована правомерность применения использованных в модели подходов и методов;
построен на основе метода расщепления алгоритм решения нелинейной нестационарной объемной задачи теплопроводности для области, ограниченной двумя параболическими поверхностями;
создана с использованием вариационной постановки для задачи термоупругости методика и получены расчетные формулы для определения эффективных коэффициентов линейного температурного расширения трехслойного пакета с сотовым наполнителем и эффективных механических характеристик сотового наполнителя;
получены расчетные формулы, обоснованные экспериментально, для определения эффективных теплофизических характеристик трехслойного пакета;
обоснована необходимость учета температурного расширения
сотового наполнителя и учета переноса тепла излучением в полостях сот при исследовании термического формоизменения размеростабильных конструкций;
- получены результаты решения оптимальной задачи проектиро
вания размеростабильных параболических рефлекторов.
1.4. Практическая значимость:
выявлены основные факторы, влияющие на размерную стабильность рефлекторов;
получены расчетные формулы для определения эффективных характеристик пакета;
показана необходимость учета термического расширения сотовых наполнителей, а также переноса тепла излучением в полостях сот при проектировании термонагруженяых размеростабильных трехслойных конструкций;
решена оптимальная задача проектирования размеростабильных рефлекторов;
- обоснованы необходимая точность изготовления рефлекторов и рабочие длины волн при их эксплуатации;
все алгоритмы и методики, предложенные в модели, объединены в пакете прикладных программ "РЕФЛЕКТОР" для персональных ЭВМ типа івм рс;
программы внедрены в УФ ЦЖИМВ и используются при проектировании параболических рефлекторов.
1.5. На защиту выносятся:
математическая модель поведения размеростабильных рефлекторов из КМ при их эксплуатации в космосе;
алгоритм решения нелинейной нестационарной объемной задачи теплопроводности для области, ограниченной двумя параболическими поверхностями;
методика и полученные на ее основе расчетные формулы для определения эффективных коэффициентов линейного температурного расширения трехслойного пакета с сотовым наполнителем и эффективных механических характеристик сотового наполнителя;
расчетные формулы для определения эффективных теплофизи-ческих характеристик трехслойного пакета;
результаты решения оптимальной задачи проектирования размеростабильных параболических рефлекторов.
1.6. Достоверность материалов, представленных в диссерта
ции, подтверждается хорошим соответствием полученных с использованием предложенной модели расчетных данных с результатами экспериментальных исследований и с результатами, полученными с помощью известных аналитических решений для задач данного класса.
-
Апробапия работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на vn Межотраслевой научно-технической конференции "Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрение в специальные отрасли промышленности", г.Миасс, 1989г.; іі региональной научно-технической конференции "Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов", г.Пермь, 1990г., Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки материалов давлением", г.Пермь, 1990г.; ш Всесоюзной конференции "Механика неоднородных структур", г.Львов, 1991г.; Российском научно-техническом семинаре "Антенны и оборудование спутникового телерадиовещания", г.Москва, 1992г.; на семинаре по механике деформируемого тела под руководством д.т.н. Ю.И.Няшина, г.Пермь, 1988- 92г. По материалам диссертации имеется 5 публикаций.
-
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, содержит 43 иллюстрации и список использованной литературы из 132 наименований.
