Бортовые антенные устройства

Условия эксплуатации антенн, установленных на спускаемых космических аппаратах. Технические требования к радиотехнической части радиотехнического комплекса измерения. Расчет диаграммы направленности пирамидального рупора и апертуры зеркальной антенны.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

Космические аппараты и головные части баллистических ракет входят в плотные слои атмосферы Земли со скоростями более 3 км/с. Начиная с высот 100 -- 110 км перед летящим со сверхзвуковой скоростью космическим аппаратом образуется и непрерывно поддерживается мощная ударная волна. Воздух за ударной волной сильно сжат и нагрет, вследствие чего вокруг объекта образуется оболочка сильно ионизированного воздуха (плазма). Плазменная оболочка, образующаяся в результате тепловой ионизации воздуха, в значительной мере затрудняет радиосвязь наземных станций с бортом космического аппарата. Особенностью возникающих образований является то, что они представляют собой весьма плотную, неоднородную и сильно турбулентную плазму с присутствием различных химически активных веществ.

Основными причинами, затрудняющими нормальную работу радиолиний, являются:

-- резкое ухудшение условий распространения радиоволн через слой плазмы (затухание, отражение, преломление, флуктуации всех параметров сигнала, нелинейные явления);

-- резкое ухудшение условий работы бортовых антенн (расстройка, уменьшение коэффициента усиления, изменение диаграммы направленности, пробой).

Следует также учитывать, что сильный нагрев поверхности космического аппарата приводит к интенсивному обгоранию, оплавлению и абляции защитных покрытий, что может явиться источником дополнительных потерь энергии радиоволн.

Степень влияния образующейся плазменной среды на работу различных радиолиний зависит от многих причин, связанных как с конфигурацией космического аппарата и траекторией его полета на атмосферном участке, так и с параметрами радиолинии.

До настоящего времени проблема обеспечения надежной и бесперебойной связи на пассивном атмосферном участке полета ракет и космических аппаратов является одной из важнейших, но далеко не решенной. Трудность решения этой проблемы связана прежде всего с высокой плотностью плазменных образований, негативным влиянием теплозащитного материала, входящего в состав антенного окна, недостаточной изученностью протекающих процессов и явлений, сравнительной сложностью технических (аппаратурных) реализаций. Однако к настоящему времени накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, который позволяет хотя и приближенно оценить основные эффекты возникающие в различных радиолиниях при работе с возвращающимися в плотные слои атмосферы космическими объектами, и рассмотреть пути уменьшения влияния этих эффектов на надежность работы различных радиосредств.

Целью данного проекта является разработка метода исследования заданных характеристик бортовой антенны, а именно диаграммы направленности и коэффициента полезного действия, а также разработать структурную и функциональную схему устройства для исследования характеристик бортовых антенн возвращаемых космических аппаратов.

антенна радиотехническая бортовая апертура

ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Начиная с 50-60 гг. наши ученые предпринимали попытки для решения задач, связанных с нарушением связи с возвращаемым космическим аппаратом на траектории спуска. Основные исследования в этой области были сделаны еще в 70-е годы прошлого столетия.

Был произведен патентный поиск охватывающий период с 2004 по 2009 года. Никаких новых разработок в исследуемой мной области за этот период найдено не было, но мною был получен большой опыт в сфере поиска патентов.

Патентный поиск был проведен по Реферативным журналам Российской Федерации за последние 5 лет:

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2004 год) /М-во образования

Рос. Федерации. М., 2005. Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2005 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2006;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2006 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2007;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2007 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2008;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2008 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2009;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника Техническая радиотехника. Антенны. Волноводы. Объемные резонаторы. Распространение радиоволн. Сводный том №1,2,3,4,5.. /М-во образования Рос. Федерации. М., 2009.

1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН С ТЕПЛОЗАЩИТОЙ

1.1 Условия эксплуатации антенн, установленных на спускаемых космических аппаратах

Тактико-технические характеристики современных аэрокосмических систем различного назначения, а значит и эффективность их использования во многом определяются техническими характеристиками радиотехнических систем, размещенных на борту. На спускаемых космических аппаратах используются радиотехнические системы связи, телеметрические системы, а на космических аппаратах многократного использования также радиотехническая система управления посадкой, на исследовательских ракетах -- телеметрические системы и многие другие.

Все перечисленные бортовые радиотехнические системы для связи с внешним пространством работают на бортовые антенные устройства. Бортовые антенные устройства ракет и спускаемых космических аппаратов являются слабонаправленными, для защиты от внешних воздействий они закрываются плоской диэлектрической теплозащитой. Причем бортовая антенна вместе с теплозащитой образует единую конструкцию -- антенное окно.

Разработка и реализация антенных окон -- сложная задача, требующая совместных усилий специалистов, работающих в области конструирования, электродинамики, материаловедения, технологии и т. д. Такая ситуация объясняется требованиями, предъявляемыми к характеристикам антенных окон, и сложностью условий их эксплуатации. Безусловно, основными характеристиками окон являются характеристики радиотехнические потери энергии в антенной вставке, диаграмма направленности и ряд других характеристик излучения.

При сверхзвуковых скоростях полета требования к аэродинамическим, механическим и термическим характеристикам антенных окон значительно усложняются. В этом случае учет особенностей эксплуатаций становится совершенно необходим для реализации требуемых радиотехнических характеристик (РТХ). Это объясняется тем, что при сверхзвуковых и особенно гиперзвуковых скоростях полета возникают совершенно новые воздействия, ранее не имевшие места. При этом очень важным становится вопрос аэродинамического нагрева обтекателей и окон.

Аэродинамический нагрев тела происходит вследствие того, что кинетическая энергия воздушного потока переходит в тепловую. В тонком пристеночном слое выделяется тепловая энергия трения и происходит в основном конвективный перенос тепла от газа к поверхности летательного аппарата. Наибольшему нагреву подвергаются точки нулевой скорости, т. е. точки, в которых имеет место полное торможение воздушного потока.

Тепловые потоки, действующие на антенное окно, без специальных мер охлаждения неизбежно приведут к его разрушению. На практике частичное разрушение наружной поверхности диэлектрической вставки антенного окна используется для облегчения его теплового режима. Следовательно, воздействие аэродинамического нагрева на антенное окно приводит к изменению его геометрии из-за уноса массы теплозащитного покрытия с поверхности нагретой теплозащиты антенного окна. В этом случае условия эксплуатации оценивать температурой нагрева не представляется возможным, так как температура на поверхности антенного окна будет соответствовать температуре разрушения материала диэлектрика. Эксплуатационные условия целесообразно характеризовать уже не температурой, а плотностью теплового потока, воздействующего на антенное окно.

1.2 Газодинамические и радиофизические параметры оболочки, образующейся вокруг возвращающегося в атмосферу Земли космического аппарата

Картина обтекания тел при их движении в плотных слоях атмосферы является весьма сложной и зависит от многих причин. Достаточно хорошо изучена картина обтекания притупленных конических и цилиндрических тел.

Рисунок 1.1- Изменение плотности теплового потока во времени

Рисунок 1.2- Общая картина обтекания возвращающегося в атмосферу притупленного конического тела

Рисунок 1.3- Примерное распределение термодинамических параметров воздуха вдоль боковой поверхности цилиндрического тела

Общий вид обтекания возвращающегося в атмосферу притупленного конического тела приведен на рисунке 1.2.

В картине обтекания различают следующие характерные области прямой скачок уплотнения, косой скачок уплотнения, область сверхзвуковых течений, пограничный слой, донная область турбулентных потоков.

Прямой скачок уплотнения располагается перед фронтальной частью тела. Характеризуется самыми высокими значениями давления, плотности и температуры воздуха за ним. Вблизи критической точки имеют место дозвуковые скорости течения. Согласно расчетам, прямой скачок отходит от тела на несколько сантиметров. Это расстояние определяется плотностью и скоростью набегающего потока, а также формой тела. Для тел, у которых носовая часть притуплена по сфере радиуса R, расстояние отхода определяется пр...