|
| |
|
Слаботочка Книги внутреннего рупора, или соосные рупорная и диэлектрическая антенны при необходимой частотной зависимости степени концентрации поля в поперечном сеченни последней, или соосные рупор и плоская малоэлементная синфазная решетка со свободным центром и др. Известен также метод совмещения диапазонов на основе использования частотно- и поляризационно-избирательных промежуточных зеркал в ЗС *[23, 24]. Применение многослойной структуры частотно-избирательных зеркал позволяет оптимизировать их частотные характеристики. Для оперативной смены диапазонов при их поочередной работе необходима автоматизированная перестановка облучателей и переключение их трактов либо переключение потока электромагнитной энергии от главного зеркала к набору неподвижно закрепленных облучателей с помощью - управляемых промежуточных зеркал. Облучатели автоследящих БЗА. В радиосистемах с БЗА, работающих при недостаточной точности программных данных о движении объектов связи и наблюдения или в отсутствие таких данных, необходимо использовать режим автосопровождения (АС) по принимаемому радиосигналу. Такая же необходимость возникает в БЗА, устанавливаемых на морских кораблях при ограничениях точности стабилизации. Методы построения облучателей для таких антенн известны давно. Формирование равносигнальной зоны в БЗА осуществляется моноимпульсными методами, методами электрического дискретного (четырех- или восьмипозиционного) сканирования или экстремальными методами. В радиосистемах связного и информационного типов от следящих антенн требуется лишь заданная эффективность в направлении на объект с допустимым ее парциальным снижением за счет элементов системы автосопровождения на доли децибела. Такое снижение эффективности соответствует угловой погрешности, приблизительно равной 29о,5/(5... 7), и может быть обеспечено системами автосопровождения с пониженной крутизной пеленгационной характеристики. Это позволяет уменьшить связь суммарного канала АФУ с его боковыми или разностными каналами, благодаря чему вносимые ими в основной (информационный, дальномерный) высокочувствительный тракт потери и шумовая температура незначительны. Для формирования пеленгационной характеристики моноимпульсных и сканирующих антенн могут быть использованы многоэлементные или многомодовые облучатели. Выбор типа облучателя определяется требованиями к его широкополосности, качеству и идентичности поляризационных характеристик для всех каналов облучателя и к его собственному коэффициенту рассеяния. Мпогоэлементные облучатели более диапазонны и имеют лучшие поляризационные характеристики, но обладают большим рассеянием. Для экстремального автосопровождения вообще не требуется многоканальных облучателей и сканеров, поскольку пеленга- ционная характеристика формируется непосредственно в системе наведения. Изменения частоты и поляризационной характеристики принимаемого сигнала вызывают искажения пеленгационных характеристик антенны в виде смещения нулевого направления, изменения крутизны, нарушения ортогональности азимутальной и угломестной плоскостей пеленгации и появления связи между сигналами рассогласования в обоих угловых каналах слежения. Указанные явления снижают точность и устойчивость автосопровождения. Для ослабления этих эффектов необходимы частотная и поляризационная стабилизации поперечного положения фазовых центров основного и боковых или разностных каналов, я также высокая идентичность поляризационных характеристик всех каналов облучателя в диапазоне частот [25]. При построении качественных АФУ БЗА для автосопровожде-яия основное значение имеет создание достаточно совершенных широкополосных мостовых схем, СВЧ коммутаторов, управляемых фазовращателей, активных и других элементов СВЧ тракта. Сверхвысокочастотные тракты с малыми потерями. В случае большого объема приемопередающего оборудования и ограниченных размеров антенны аппаратуру приходится устанавливать в отдельном помещении или в контейнерах вне антенны и прокладывать к ней достаточно длинный СВЧ тракт. Если для дециметрового и части сантиметрового диапазонов такое решение может быть в ряде случаев допустимым, то для более коротковолновых диапазонов длинные тракты требуют кардинального снижения погонных потерь. Обычные волноводы независимо от выбора типа волны для решения этой задачи практически мало пригодны. Можно указать лишь на варианты СВЧ тракта увеличенного сечения с фильтрами высших волн, возможно, с принудительным охлаждением, например с помощью криоэлектронных элементов. Более подходящим типом СВЧ тракта с низким уровнем потерь в высокочастотных диапазонах для БЗА являются лучеводы, представляющие собой экранированные квазиоптлческие системы СВЧ передачи перископического типа [26]. Волны поворачивают и фокусируют с помощью ряда зеркал, в общем случае имеющих профиль какого-либо конического сечения в зависимости от оптической схемы передачи. 10.3. ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУКЦИИ И СИСТЕМ НАВЕДЕНИЯ Важнейшими элементами в составе БЗА являются конструкции ЗС антенны и система управления ее лучом. Именно эти элементы определяют точность формы антенны и ориентацию ее луча, основные составляющие экономических и эксплуатационных показателей БЗА в целом, а также предельные возможности БЗА в отношении их наибольших физических и электрических размеров. Прогнозируемое использование БЗА в космосе требует создания специальных конструкций и методов их проектирования, которые удовлетворяли бы прежде всего требованиям минимальной удельной массы для условий невесомости, высокой надежности и простоты транспортирования на орбиту и последующего развертывания или монтажа, термостабильности формы в условиях одностороннего нагрева и резкого колебания температур [27]. Эти направления развития БЗА находятся еще в начальной стадии и связаны прежде всего с экспериментальной проверкой и практической реализацией накопленных теоретических результатов применительно к конкретным потребностям радиокосмических систем. Исходя из требований, которые предъявляются к конструкциям и системам наведения (СН) современных наземных БЗА, возникают следующие основные проблемы при создании этих элементов: построение высокоточных и экономичных формообразующих и несущих металлоконструкций ЗС диаметром около 10... 100 м, создание высокоточных, технологичных и эксплуатационно стойких панелей отражающей поверхности ЗС, а также методов и аппаратуры для их высокоточной регулировки на каркасе зеркала; разработка эффективных средств локальной защиты ЗС и ОС от отложений осадков; построение высокоточных и экономичных опорно-поворотных устройств (ОПУ) и систем наведения. Конструкции каркаса зеркальных систем. Основное требование, предъявляемое к конструкциям каркаса ЗС, состоит в стабильном сохранении заданной геометрической формы установленной на каркасе отражающей поверхности зеркал и положения элементов ОС относительно ЗС. В эксплуатации переменные весовые, ветровые, температурные и динамические воздействия вызывают деформации каркаса ЗС, характер и величина которых зависят в основном от его жесткости и конструктивной схемы, определяющей сопряжение каркаса с опорой и с нагрузками со стороны конструкций облучающей системы. Для крупных и наиболее высокоточных БЗА сантиметрового и миллиметрового диапазонов требуемые точности ЗС составляют 0,1 ... 1 мм при диаметрах антенн 10 ... 100 м, что соответствует относительной точности lO- *... 10 . Построить ЗС с наиболее высокими параметрами практически возможно лищь при использовании различных методов автоматической компенсации переменных деформаций их каркаса и ограничения переменных составляющих внещних влияний [28, 29, 30]. При этом требование к средствам компенсации сводится к поддержанию теоретической формы зеркал ЗС в таких пределах, в которых сохраняется достаточно хорошая фокусировка поля в фокальном пятне, а на стабильность положения фокуса жестких ограничений не накладывается, поскольку эта часть расфокусировки сравнительно легко компенсируется. Такие ЗС называются гомологическими. Указанная компенсация реализуется либо естественным пу- тем за счет выбора жесткости и массы соответствующих опор, либо принудительно с помощью механизмов с дистанционным автоматическим управлением по программным данным или от датчиков контроля расфокусировки ЗС [31, 32]. Часть поперечной расфокусировки, которая не сказывается существенно на эффективности антенны, компенсируется введением угловой поправки в систему наведения. Для построения облегченных, экономичных каркасов ЗС невысокой точности определенный интерес представляют ванто-во-стержневые конструкции с предварительным натяжением вант [33]. Практика создания антенн с такими ЗС подтверждает их способность работать в метровом и дециметровом диапазонах. Основными задачами при создании многократно статически неопределимых вантово-стержневых каркасов являются: разработка инженерных методов расчета, отработка методики сборки с обеспечением расчетного предварительного напряжения, а также исследование зависимостей между габаритно-массовыми характеристиками ЗС, воздействующими на них весовыми и ветровыми нагрузками и возникающими деформациями ЗС. Обычно в гомологических ЗС любого класса остаточные искажения формы бо заметно меньше абсолютных деформаций ба-Для достаточно совершенных ЗС отношение 6а/бо~20... 30 и является показателем гомологичности конструкций. Основными условиями достижения гомологичности являются: строгая осевая симметрия конструкции главного зеркала, его опирание на угло-местную ось без существенного нарушения осевой симметрии деформаций промежуточных конструкций, подбор необходимого соотношения жесткостей и массы элементов каркаса радиально-кольцевой ферменной структуры, устранение локальных нагрузок на каркас зеркала со стороны опор облучающей системы и кабин с прямой их передачей на жесткие промежуточные конструкции между ЗС и ОПУ. Для высокогомологичных в условиях весовых нагрузок ЗС результирующие искажения их формы определяются другими, менее регулярными воздействиями. Среди них ветровые воздействия, которые по направлению значительно более разнообразны и распределены по конструкциям менее однородно, чем весовые. Для оценки степени ветровой гомологичности конструкций ЗС требуется детальное изучение сложной структуры аэродинамического давления на элементы антенны в зависимости от ее ракурса по отношению к ветру и аэродинамических свойств конструкций. Такие исследования трудоемки и обычно ведутся на моделях антенн в аэродинамических трубах и на гидродинамических установках с соблюдением принципов соответственно аэродинамического и гидродинамического моделирования, а также в натурных условиях. Другой нерегулярный фактор воздействия на конструкции ЗС состоит в равномерном и неравномерном по пространству и достаточно медленном во времени изменении их температуры под влиянием окружающего воздуха, солнечной радиации и обдува ветром. С увеличением электрических размеров БЗА и по мере совершенствования методов построения гомологичных по весовым нагрузкам каркасов роль их температурных погрешностей возрастает. Изменение тепловых полей в антенне зависит от многих факторов: ракурса антенны по отношению к Солнцу и ветру, облачности и силы ветра, высотного градиента температуры воздуха в пределах крупных сооружений, вклада вторичного теплового излучения отражающей поверхности зеркала и тех опорных конструкций, которые имеют большую площадь, неравномерности тепловой инерции в разных зонах конструкций при суточном изменении температур. Основным средством борьбы с неравномерными тепловыми деформациями является максимальное снижение градиентов линейных расширений за счет выравнивания поля температур на силовых конструкциях, которое достигается применением тепло-отражающей светлой окраски конструкций, экранированием силового каркаса ЗС от воздействия прямого и вторичного солнечного нагрева и обдува ветром, перемешиванием воздуха внутри теплоэкранированного каркаса. Ослабление искажений формы ЗС под влиянием динамических возмущений обеспечивается теми же методами, что и снижение динамических угловых погрешностей системы наведения (см. далее в этом параграфе). Медленно меняющиеся во времени остаточные искажения формы ЗС в гомологических конструкциях носят преимущественно среднемасштабный характер. Их дальнейшая компенсация невозможна без достаточно точного и подробного эксплуатационного контроля поверхности главного зеркала и автоматической коррекции ее формы с помощью сервомеханизмов, управляющих положением панелей отражающей поверхности [14]. В тех случаях, когда радиус корреляции искажений достаточно велик, автоматизированная коррекция формы ЗС может оказаться более простой при регулировке поверхности одного из вторичных зеркал вместо главного. Отражающая поверхность ЗС. Отражающая поверхность главного зеркала для перспективных БЗА выполняется в виде набора отдельных панелей, установленных на каркасе зеркала и не участвующих в работе его силовой схемы. Точность поверхности складывается из точностей изготовления и регулировки панелей на каркасе и стабильности их положения и формы в условиях эксплуатации. Перфорация панелей для высокоточных БЗА сантиметрового и миллиметрового диапазонов для снижения ветровых нагрузок оказывается малоэффективной и выполнима не для всех видов конструкций панелей. Тепловые деформации панелей могут возникать под влиянием температурного градиента между их рабочей и тыльной поверхностями. Для снижения этих деформаций необходимо: уменьшение толщины панелей, выравнивание в них температуры по толщине за счет хорошей теплопроводности и применения для рабочей и тыльной поверхностей материала с малым коэффициентом линейного расширения, в лучшем случае на основе углепластика. Кроме точности панели должны обладать механической устойчивостью к условиям монтажа и регулировки на антенне и многократным многолетним циклическим воздействиям воды, мороза, снежных и ледяных лавин, а при необходимости обеспечивать работу людей на поверхности зеркала при обслуживании антенны. Известны различные варианты конструкций панелей с характерными особенностями. Существенное значение для высокоточных БЗА имеют методы и оборудование для выставки панелей на каркасе ЗС и контроля деформаций зеркал при их различных пространственных положениях и ветровых и тепловых воздействиях, что необходима при монтаже и наладке антенны. Эти данные необходимы, в частности, для введения в формулу ЗС так называемых предыскажений, равных средним в диапазоне угломестных положений антенны весовым искажениям, взятым с противоположным знаком. Необходимость контроля формы ЗС может возникнуть и в процессе эксплуатации особо точных, наиболее крупных БЗА, которые оборудованы устройствами дистанционной коррекции положения панелей. Широко использовавшиеся на определенной стадии развития БЗА обычные геодезические методы и аппаратура контроля формы ЗС сыграли свою положительную роль. Однако из-за недостаточности автоматизации эти методы уступают другим, более со-вершенньгм. Стереофотограмметрический метод позволяет в короткое время получить, а затем обработать, в том числе с использованием ЭВМ, данные об искажениях формы поверхности зеркала фотографированием поля реперов на панелях с помощью нескольких разнесенных специальных фотоаппаратов, установленных с оптимальными ракурсами и базами в произвольной системе координат. Этот метод имеет определенные ограничения как по точности, так и по возможности оптимального размещения фотоаппаратов на конструкциях ЗС без дополнительных опор. Радиодальномерный метод предусматривает контроль изменения высотного положения радиореперов относительно начальной формы поверхности ЗС вследствие деформации антенны. Измерение ведется с помощью фазового дальномера, установка которого принципиально возможна в произвольной точке над главным зеркалом. При этом плановые положения радиореперов в плоскости поверхности зеркала должны быть известны. Для работы радиодальномера требуется оснащение всех контролируемых точек поверхности радиореперами в виде малогабаритных модулированных радиопереотражателей. Наибольшими возможностями среди подобных методов обладает метод угломерно-дальномерных измерений в оптическом диапазоне с применением лазерных дальномеров фазового типа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |