For example,Бобцов

EFFECTS OF SOLAR HEAT IRREGULARITY ON STABILITY OF GEOMETRIC PARAMETERS OF CALIBRATION SPHERICAL GRID REFLECTOR

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 621.396.96: 621.391.26

К. И. ДРАГУНОВ, И. Н. ОЛЕКСЕНКО, Е. Н. ФИЛИН, Н. П. ЧЕРНЕЦКИЙ, В. И. ШУСТОВ
ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАЛИБРОВОЧНОГО СЕТЧАТОГО СФЕРИЧЕСКОГО ОТРАЖАТЕЛЯ

Исследуется влияние неравномерности солнечного нагрева на искажение формы сетчатого сферического отражателя, используемого в качестве калибровочного объекта при испытаниях радиолокационных средств. Предложенный подход к решению рассматриваемой задачи основан на использовании метода конечных элементов. Приводятся результаты численных исследований.

Ключевые слова: калибровка радиолокационных средств, неравномерный нагрев, погрешность формы, сетчатый сферический отражатель, эффективная площадь рассеяния.

Введение. При проектировании сетчатого сферического отражателя, предназначенного

для использования в качестве калибровочного объекта радиолокационного средства, необхо-

димо учитывать влияние погрешности формы отражателя (отклонения от идеальной сферы)

на его эффективную площадь рассеяния (ЭПР).

На рис. 1 приведен пример сетчатого сферического

калибровочного отражателя, представляющего собой

объемную конструкцию, состоящую из ребер, обтянутых

сетеполотном. В силу того что поверхность такой конст-

рукции состоит из участков плоскостей или иных

поверхностей, отличающихся от сферической, то по-

грешность формы реального отражателя будет опреде-

ляться погрешностью пространственной аппроксимации

сферы и случайной технологической составляющей

погрешности. Кроме того, форма отражателя искажается

вследствие неравномерности его поверхности и неста-

ционарности во времени нагрева его конструкции, обу-

Рис. 1

словленных орбитальным движением отражателя и изменением его ориентации относительно Солнца. Общее

среднее квадратическое отклонение (СКО) поверхности отражателя σΣ от идеальной сферы,

которым принято характеризовать его качество, определяется следующим выражением:

σΣ = σа2п + σс2л + σс2 ,

(1)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 12

Влияние солнечного нагрева на стабильность параметров сферического отражателя 67

где σап — СКО, обусловленное пространственной аппроксимацией поверхности отражателя;

σсл — случайная технологическая составляющая СКО; σс — СКО формы, обусловленное

неравномерностью и нестационарностью нагрева поверхности отражателя Солнцем.

Погрешность аппроксимации σап может существенно влиять на флуктуации ЭПР

отражателя. При равномерной сетке аппроксимации (например, в случае представления по-

верхности одинаковыми треугольными, пятиугольными или шестиугольными элементами)

флуктуации ЭПР пренебрежимо малы. При меридианном разбиении поверхности (см. рис. 1)

существуют две диаметральные области. На полюсах, где сходятся меридианы, ошибка ап-

проксимации минимальна, тогда как в районе экватора — максимальна.

Случайная составляющая погрешности σсл является следствием технологических осо-

бенностей изготовления отражателя и не приводит к флуктуациям ЭПР при изменении его

положения в пространстве. Составляющая σс существенно влияет на флуктуации ЭПР отра-

жателя, что определяет необходимость учета данного фактора при выборе конструктивно-

силовой схемы и конструкционных материалов отражателя.

Оценка температурных деформаций отражателя. Основным источником тепловой

энергии, накапливаемой конструкцией отражателя в условиях космического пространства,

является солнечное излучение. Нагрев (охлаждение) силовых элементов конструкции приво-

дит к возникновению дополнительных температурных напряжений и деформаций, значения

которых могут превышать критические, что ограничивает работоспособность конструкции.

Температурные поля в силовых элементах конструкции при движении отражателя по

околоземной орбите могут носить как стационарный, так и нестационарный характер. Допу-

щение о стационарности распределения температур в элементах конструкции справедливо

только для частных случаев, поскольку изменение условий освещенности при движении от-

ражателя по орбите приводит к перераспределению тепловых потоков как вне, так и внутри

него. Однако если температура элементов конструкции изменяется сравнительно медленно,

температурное поле можно считать стационарным.

Кроме того, нестационарные изменения температурного поля конструкции могут при-

водить к возникновению динамических эффектов. Термоупругие деформации, возникающие

в результате нагревания конструкции, описываются соотношениями классической теории уп-

ругости, теории оболочек и термодинамическими соотношениями, которыми характеризуют-

ся процессы переноса тепла за счет теплопроводности в элементах конструкции при стацио-

нарном и нестационарном теплообмене посредством переизлучения энергии. Важнейшим

следствием возникновения градиентов температуры в элементах конструкции является воз-

никновение дополнительного поля напряжений. Анализ величин этих напряжений очень ва-

жен при проектировании и создании конструкций орбитальных объектов.

Для вычисления величин температурных напряжений, возникающих в процессе экс-

плуатации конструкции, используются традиционные расчетные методы, в частности, метод

конечных элементов (МКЭ) [1]. Рассмотрим только особенности решения задач термоупруго-

сти в приложении к конструкции сетчатого отражателя. В предположении распределения

температуры в элементах конструкции отражателя стационарным и заданным в системе урав-

нений МКЭ учитываются дополнительные деформации, возникающие вследствие нагрева,

которые складываются с упругими деформациями

σ = D(εe − εt ) ,

(2)

где σ — вектор-столбец напряжений; D — матрица жесткости; εe , εt — векторы-столбцы

упругих и температурных деформаций соответственно.

Вектор εt имеет следующий вид:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 12

68 К. И. Драгунов, И. Н. Олексенко, Е. Н. Филин, Н. П. Чернецкий, В. И. Шустов

εt = (α1∆Т , α2∆Т , α3∆Т , 0, 0, 0)Т ,

(3)

где ∆Т — приращение температуры элемента; αi (i ∈1,3) — коэффициенты линейного тем-

пературного расширения ортотропного материала.

В соответствии с традиционной схемой МКЭ вектор qt дополнительных узловых уси-

лий, обусловленных температурной нагрузкой и приведенных к узлам дискретной модели

конструкции, будет определяться следующим выражением:

∫qt = NT Dεt d Ω ,

(4)


где N — матрица функций формы; Ω — область пространства, в которой ищется решение.

По аналогичной формуле вычисляются и моменты в узлах, если при разработке матема-

тической модели конструкции используются элементы типа балок, пластинок и оболочек,

дискретные модели которых предполагают наличие шести степеней свободы в каждом узле

(три линейных перемещения и три угла поворота). Использование таких конечных элементов

при расчете термоупругих деформаций конструкции отражателя особенно важно, поскольку

характер температурных воздействий определяет возникновение не только сжимающих и

растягивающих усилий в элементах конструкции, но и распределенных моментов, что в сово-

купности приводит к искажению начальной геометрии конструкции.

Важнейшим этапом в анализе термоупругого поведения объектов сложной структуры и

формы является определение поля температур в силовых элементах конструкции. Найти рас-

пределение температур в конструкции и проанализировать тепловые потоки можно, решив

систему уравнений, описывающих нестационарные процессы распределения тепла в элемен-

тах конструкции. При этом используются численные методы и феноменологические модели

комбинированного теплообмена, а вычисления проводятся с использованием специализиро-

ванных вычислительных программ.

На практике для решения подобных задач часто принимаются следующие допущения:

1) конструкция представляется совокупностью стержневых и плоских элементов, со-

единенных узлами;

2) положение элементов в системе координат, связанной с центром масс конструкции,

не изменяется;

3) на конструкцию действует поток солнечного излучения, направление которого изме-

няется во времени;

4) элементы отражают, поглощают солнечное излучение и теряют энергию за счет соб-

ственного излучения;

5) характер отражения и испускания излучения диффузный;

6) радиоотражающее сетеполотно частично прозрачно для теплового излучения;

7) теплообмен конструкции нестационарный;

8) передача энергии осуществляется за счет теплопроводности и излучения;

9) распределение температуры в пределах поперечного сечения стержневых элементов

и по толщине плоских элементов однородное;

10) тепловой контакт между элементами и узлами соединений идеальный;

11) теплофизические свойства материалов конструкции зависят от направления и тем-

пературы;

12) оптические свойства поверхностей зависят от температуры и длины волны излучения.

При анализе температурных полей сложных многоэлементных конструкций можно ог-

раничиться некоторыми предельными случаями. Действительно, в процессе эксплуатации

конструкции отражателя на орбите условия освещенности, т.е. ориентация конструкции от-

носительно Солнца, могут непрерывно изменяться. Анализ всех возможных распределений

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 12

Влияние солнечного нагрева на стабильность параметров сферического отражателя 69

температур в силовых элементах сложной конструкции, которые приводят к изменениям гео-

метрических параметров конструкции, возникновению дополнительных усилий и напряже-

ний, является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому возможно применение упрощенных

подходов, сложившихся в традиционной практике проектирования конструкций летательных

аппаратов аналогичного класса. С этой целью производится предварительный анализ режи-

мов полета с оценкой возможных предельных значений температур и характера их распреде-

ления. Выбираются случаи, при которых возможно достижение наибольших напряжений в

элементах конструкции и максимальное искажение ее геометрических характеристик. Для

выбранных расчетных случаев проводится подробный тепловой расчет. Естественно, что та-

кой подход к анализу температурного состояния конструкции в значительной степени опира-

ется на интуицию проектировщика и зависит от накопленного опыта создания и эксплуата-

ции объектов.

Как показывает анализ опубликованных результатов исследований состояния космиче-

ских конструкций с трикотажным металлическим сетеполотном [2], максимальные перепады

температуры в элементах таких конструкций составляют 100—200 К, а СКО формы рабочей

отражающей поверхности составляет порядка 0,2 % характерного размера конструкции.

Результаты моделирования. Для оценки возможных перемещений при различном на-

греве меридиональных ребер отражателя рассмотрена простейшая модель сетчатого отража-

теля диаметром 3 м (рис. 2).

Модель состоит из верхнего и нижнего мери-

диональных ребер, связанных со штангой (прямая AB

на рис. 2). Для исключения движения системы как

твердого тела в точке A запрещены перемещения во

всех трех направлениях и поворот относительно оси

штанги, а в точке B — перемещения в направлениях, перпендикулярных оси штанги. Верхний меридиан A

В

равномерно нагрет до 470 К, эта температура соот-

ветствует лучистому потоку солнечного излучения в 1400 Вт/м2 и степени черноты поверхности меридиа-

нов порядка 0,5.

Нижний меридиан имеет температуру 90 К. При-

нимается, что средняя температура штанги равна 280 К. Определение напряженно-деформированного состояния

Рис. 2

рассматриваемой системы проведено методом конечных элементов с использованием

пакета MSC.Patran/Nastran. Из анализа полученных результатов следует, что наибольшее пе-

ремещение составляет около 1 мм, что характерно для средней точки верхнего меридиана

(рис. 2).

Заключение. Для сферического отражателя, представляющего собой объемную хао-

тично вращающуюся в космическом пространстве конструкцию, состоящую из ребер, обтя-

нутых сетеполотном, можно с большой долей вероятности предположить, что распределение

температурных полей в этом случае будет более равномерным, чем в рассмотренной модели,

и максимальные отклонения не превысят 1 мм. Это позволяет заключить, что односторонний

солнечный нагрев не приводит к значительным флуктуациям геометрической формы отража-

теля. Поэтому при отсутствии стабилизации пространственного положения поверхность сфе-

рической оболочки будет равномерно нагреваться или охлаждаться при переходе из света в

тень, что приводит к изменению ЭПР, но поскольку периодичность этих процессов велика,

изменения ЭПР воспринимаются как изменения среднего значения ЭПР от сеанса к сеансу.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 12

70 К. И. Драгунов, И. Н. Олексенко, Е. Н. Филин, Н. П. Чернецкий, В. И. Шустов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.

2. Кисанов Ю. А., Фейзулла Н. М., Кудрявин Л. А., Заваруев В. А. Материалы для отражающих поверхностей космических складных антенн. Антенны. М.: Радио и связь, 1981.

Константин Иванович Драгунов Игорь Анатольевич Олексенко Ефим Николаевич Филин Николай Петрович Чернецкий Владимир Иванович Шустов

Сведения об авторах — канд. техн. наук; Управление Главного управления вооружений ВС
РФ, Москва; главный специалист-эксперт; E-mail: dragunovki@mail.ru — д-р техн. наук; Управление Главного управления вооружений ВС РФ, Москва; начальник отдела; E-mail: olekse89@rambler.ru — канд. техн. наук, доцент; Научно-исследовательский центр 4 Центрального научно-исследовательского института МО РФ, Москва; заместитель начальника отдела; E-mail: efim1979@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Научно-исследовательский центр 4 Центрального научно-исследовательского института МО РФ, Москва; заместитель начальника отдела; E-mail: Nikolai-Chernecky@yandex.ru — д-р техн. наук; Радиотехнический институт им. академика А. Л. Минца, Москва; генеральный директор

Рекомендована институтом

Поступила в редакцию 05.11.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 12