|
| |
|
Слаботочка Книги 36. Бахрах Л. Курочкин А. П. Применение методов голографии в антенной технике.-В кн.: Современное состояние и перспективы развития голографии. - Л.: Наука.- 1974. -С. 14. 37. Терехов В. М. Исследование и разработка высокоточных миогодвигатель-ных следящих электроприводов для широкого класса наземных антенных установок: Дис. докт. техн. наук. - М.: 1981. - 100 с. 38. Беляиский П. В., Сергеев Б. Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. - М.: Сов. радио. - 1980. - 280 с. ГЛАВА 11. АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ Б. А. ПРИГОДА 11.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИИ Развитие космической науки и техники, связанное с ростом длительности и дальности полетов космических аппаратов (КА), привело к появлению ряда прикладных отраслей и направлений в науке и технике, получивших приставку космическая : космическая радиоэлектроника, космическая астрономия и т. д. Начало автоматическим космическим станциям (АКС) было положено первой мягкой посадкой на поверхность Луны станции Луна-9> и передачей на Землю снимков поверхности Луны. За этим последовала серия полетов АКС к Луне, Венере, Марсу и другим планетам Солнечной системы. Автоматические космические станции отличаются автономностью работы средств борта. Это особенно относится к тем аппаратам и станциям, которые работают на орбитах и поверхностях планет, удаленных от Земли на десятки и сотни миллионов километров, время распространения радиосигналов до которых составляет единицы и десятки минут. В связи с этим АКС должны иметь на борту оборудование, позволяющее по заранее заложенным на Земле программам и уставкам осуществлять по тем или иным признакам операции, связанные с переориентацией, отделением частей АКС и другими маневрами. Специфика АКС в полной мере относится к бортовому радиооборудованию и, в частности, к его составной части - антенно-фидерной системе (АФС). Эта специфика, связанная с протяженностью линий связи, влиянием окружающей среды, требованиями совместимости средств борта, наложила отпечаток на особенности схемного построения АФС, габаритно-массовые, конструктивные и физические особенности АФС АКС, что позволило выделить их в самостоятельный класс антенных систем. Схемное решение АФС, касающееся выбора типов элементов высокочастотных трактов, способов их включения, оказывает большое влияние на качество и надежность работы радиолпнии и выходные характеристики АФС. Последние зависят от способа а42 возбуждения и пространственной развязки элементов излучающей системы (собственно антенны и корпуса носителя), формирующих поле излучения и его пространственные характеристики: диаграммы направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ), поляризационные характеристики (ПХ). Эти и другие особенности АФС АКС позволили определить диапазон частот, пригодных для осуществления связи с АКС. Он определен примерно в полосе частот 0,8 ... 6,0 ГГц. Для работы автономных линий связи, например линий посадочный аппарат- йромежуточная орбитальная станция , применяется диапазон метровых волн 100... 200 МГц. При выборе рабочего диапазона частот, типа антенных устройств, способа их размещения на АКС учитываются такие факторы, как необходимая скорость передачи информации, ширина спектра передаваемого сигнала, достоверность передачи и приема с учетом всех видов помех и потерь в линии связи и т. д. Одним из важнейших вопросов организации линии связи с АКС является согласование пространственных характеристик излучения АФС с траекторными характеристиками АКС, на которые накладываются вероятностные динамические характеристики системы ориентации собственных осей объекта относительно направления на пункт связи. Диаграмма направленности антенн должна перекрывать возможный сектор пространственных углов по уровню усиления антенн, превышающему минимально допустимый уровень коэффициента усиления (КУмд) (рис. 11.1). .А.нтенно-фидерная система органически в.ходит в систему средств борта и конструкцию АКС. Поэтому как конструкция АКС оказывает влияние на конструктивные особенности антенн и их характеристики излучения, гак и АФС самым активным образом влияет на тактико-технические показатели АКС в целом и определяет ее габаритно-массовые показатели, энергетические характеристики и надежность работы аппарата в условиях реального полета. Системы борта АКС: система электропитания (СЭП), ориентации (СО), терморегулирования (СТР) и другие, прямо или косвенно связаны с антенными системами. Все эти сис- Рнс. 11.1   Vu/rtmp (Pmi/c АРС-С 1Ф I ПРД ДА! ПРН\ Рис. 11.2 темы должны быть скомпонованы таким образом, чтобы они взаимно не ухудшали характеристик, не затеняли рабочих полей зрения друг друга, не создавали бликов в оптических системах борта и теней на рабочих поверхностях солнечных батарей, не перекрывали полезной зоны пространственных углов, обслуживаемой антенными системами борта и т. д. Поскольку АФС является частью информативной системы борта АКС, она должна быть построена таким образом, чтобы ее основные характеристики, определяющие потенциал линии связи, были оптимальными. К ним относятся; эффективная излучаемая мощность (Р.зф), равная произведению КУ антенны в заданном секторе углов связи на f fмарсfСтремя мощность излучения бортового пе- ЛрвОшаШё!/Марса V , лдиле/па редатчика, соотношение полезного ШДаяШOpSu/na сипгала и помех {РсРш) на вхо-дедеАо&/7ая7(1Р\МаЗлЮ&е- приемного устройства; число Ори/па Марса  Рис. 11.3 антенн, являющееся конструктив-иы.м показателем борта АКС, за-вгхящнм от Раф, способз ориен-тации аппарата в сеансах связи характера изменения углов виз-фо-ван!1я на Землю н т. д. Оптимальность этих характер11СТ!1к оценивается по .м!1Нимуму отношения габарнтно-массоаых, энергетических и других затрат на создание АФС II обеспечение ее работы к затратам на создание АКС в це-.чом. Математически это может быть выражено сложной функ- циональной зависимостью, построенной на основе выбора соотношения весовых показателей составляющих, участвующих в затратах в соответствии с их удельной значимостью. Под оптимальностью построения АФС нужно понимать не дифференциацию отдельных параметров по признаку их максимально достижимых величин; максимальный КУ, минимальные масса и габириты, а в интегральном смысле, т. е. удовлетворение критерию оптимальности по наиболее важному параметру. Оптимальной можно считать АФС, когда она обеспечивает экстремум выбранного критерия, представляющего важную характеристику, наиболее полно выранающую назначение системы. Автоматические космические станции различаются по своему назначению, временному, энергетическому ресурсам и другим признакам. В соответствии с этим на них .могут быть установлены АФС, обеспечипоющие различную информативность линий связи АКС - пункт связи ; остропаправлспные (ОНА), малонаправленные (МНА) и средненапрявленные (СНА) антенны. В зависимости от режима ориентации и обмена информацией с АКС те или иные группы антенн могут подключаться к бортовым приемопередающим радиосредствам. На рис. 11.2 приведена структурная схема АФС, обеспечивающая работу автономных н магистральных линий связи советской автоматической станции ФОБОС . Баллистическая схема экспедиции к спутнику Марса Фобосу показана на рис. 11.3. 11.2. ОСТРОНАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ Решение задачи выбора оптимальной конструкции и типа ОНА подчиняется общему правилу обеспечения в заданном секторе углов связи требуемого усиления в условиях эксплуатации АКС при минимальных энергетических и других затратах. Основными возможными типами ОНА, представляющими интерес в настоящее время, могут быть ФАР и зеркальные антенны. Первые имеют ряд эксплуатационных недостатков, и применение их может быть оправдано лишь в тех случаях, когда это приводит к существенному повышению каких-либо показателей эффективности бортовых систем, таких как многофункциональное использование элементов борта АКС. Применяемые в настоящее время способы возбуждения ФАР - пространственный и фидерный - страдают недостатками. Первый требует преобразования сферического фронта волны первичного облучателя в плоский на раскрыве решетки, второй характеризуется большой массой, сложностью настройки и потерями в системе. Следует отметить, что хотя методам математического моделирования уделяется много внимания, к настоящему времени еще недостаточно исследованы вопросы, связанные с достоверностью .моделирования, т. е. нет оценок точности, с которой предсказываются характеристики излучения решетки: форма ДН, распределение излучения по лепесткам, в.ходные импедансные характеристики и др. В качестве основного типа ОНА в настоящее время применяются зеркальные антенны. Обеспечение ДН той или иной формы с заданными уровнями бокового излучения определяет конструк- Таблица 11.1 Источники потерь в антенне Потери, дБ Потери за счет затекании токов на теневую сторону зеркала Потери за счет распределения по раскрыву вида 1-л; с уровнем облучения на краях зеркала -10 дБ Омические потери в облучателе и элементах тракта Потерн за счет затенения основного зеркала вторичным Потерн за счет фазовых ошибок на раскрыве Потери за счет технологических допусков Поляризационные потери Общие потери в антенне 0.1 0,1 2,7 тивную схему ОНА: тип облучателя, число зеркал, их геометрию. Потери в ОНА зеркального типа определяются в основном способом облучения раскрыва, омическими потерями в облучателе и высокочастотном тракте [7]. Для примера в табл. 1.1 приведены данные по потерям в двухзеркаль-ной системе станции Apollo на частоте 2,0 ГГц. Как видно из этой таблицы, максимальные потери получаются за счет затекания токов на теневую сторону зеркала. На Низких частотах затекание увеличивается, но при этом и облучение зеркала становится более равномерным, что определенным образом компенсирует снижение КУ за счет затекания токов на теневую сторону. В результате потери и КУ в зеркальной системе в определенной полосе частот могут оставаться постоянными. При выборе конструктивной схемы ОНА необходимо учитывать возможные резонансные явления в элементах облучателя, крепежных штангах и других узлах. За счет резонансных явлений в объемном контуре, образованном облучателем, крепежными штангами и частью зеркала, заключенного между ними, обычный режим работы зеркальной системы нарушается. Большая часть энергии излучающего устройства сосредоточивается в этом объемном контуре, экранируется им и расходуется на нагрев конструкции. При этом.КПД ОНА резко снижается, согласование с фидером может оставаться хорошим. Увеличение КПД может быть достигнуто нарушением цепи назваиного контура в каком-либо из его звеньев, например заменой металлических штанг на диэлектрические, изменением прокладки фидерных трактов к облучателю и т. д. Эффект резонансного экранирования излучения особенно может проявляться на ОНА с раскрывом зеркала около 5...8 длин волн. Зеркальные антенны АКС нагреваются за счет теплового потока от са.мого аппарата, а также подвергаются воздействию солнечного излучения и окружающей среды. Расчеты, проведенные на основе уравнения теплового баланса, показывают, что для зеркал с раскрывом около 2...3 м перепады температуры на краях зеркала могут составить несколько сотен градусов. За счет фокусирующего действия зеркала облучатель антенны также может нагреваться при работе антенны в направлениях, близких к направлению на Солнце. Такие температурные перепады на кра-246 ях раскрыва и на облучателе практически приводят к изменению длины, изгибу и скручиванию элементов конструкции ОНА и в итоге к расстройке высокочастотного тракта и расфокусировке антенны. Изменение формы ДН зеркальной ОНА, вызванное случайными ошибками поверхности зеркала, выражается как ДЯ(в, Ф) = ДЯо(в, Ф) -f Л (в, Ф) е яр sill 6.2 (11.1) где ДЯ(в, Ф) - усредненная диаграмма паправленности; ДЯо(в, Ф) -диаграмма при отсутствии ошибок; КУо - усиление антенны при отсутствии ошибок; р - радиус корреляции ошибок; а - среднеквадратическая ошибка поверхности; Л(0, Ф) =cos9(cos2ex XcosФ-f зшФ). Практически реализуемое усиление зеркальной антенны при наличии искажений профиля КУ = КИП - ехр [ - i {inalk)\). (11.2) Среднеквадратическая ошибка поверхности зеркала реально проявляется, когда она сравнима с длиной волны, поэтому усиление антенны при уменьшении длины волны растет до определенного предела, а затем начинает плавно снижаться. При этом максимально достижимое значение усиления соответствует длине волны А.тах = 4л;а и равно A:y ,ax-(W- В табл. 11.2 приведена зависимость потерь усиления зеркальной антенны А КУ от величины о. Критерии оценки качества рефлекторов могут быть различными в зависимости от практического назначения ОНА. В радиоастрономии, например, таким критерием принято считать величину = 10-*. Поэтому при создании крупногабаритных радиометрических и ра-диоинтерферометрических зеркальных антенн космического базирования с диаметрами раскрывов 10 м и более приходится аккуратно и дифференцированно подходить к выбору диапазонов и обеспечению точностей. В основном это складные конструкции, характеристики таких антенн должны сохраняться после развертывания в космосе при наличии всех видов деформаций, которые возникают во время динамических операций (юстировка, переориентация) и за счет тепловых воздействий. Как правило, центральная часть зеркала делается жесткой и используется в высокочастотной части диапазона. 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 |