Вычислительное моделирование отверждения каркаса надувной антенны спутника на околоземной орбите

  • Анастасия Юрьевна Елисеева Акционерное общество ОДК-СТАР
  • Людмила Андреевна Комар Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Алексей Викторович Кондюрин Эвингар Сайентифик
Ключевые слова: надувная антенна, спутник, околоземная орбита, препрег, горячее отверждение, солнечное излучение, температура, численное моделирование

Аннотация

С помощью вычислительного моделирования проводится температурный анализ нового технологического процесса - отверждения препрегов на околоземной орбите. Проблема возникла в связи с обсуждаемой в настоящее время возможностью использования на космических спутниках малых размеров надувных антенн, которые имеют ряд преимуществ перед классическими раздвижными металлическими антеннами. Однако для продолжительной работы надувной антенны необходимо, чтобы с течением времени она приобрела жесткость и ее функциональные свойства перестали зависеть от давления находящегося в ней воздуха. Обеспечить это может твердый каркас из препрега, горячее отверждение которого осуществляется непосредственно на орбите, Размещение специального оборудования для разогрева препрегов в корпусе спутника нежелательно. Такое оборудование увеличит вес и размеры аппарата. Авторами предлагается производить разогрев элементов конструкции в космосе, за счет естественного излучения Солнца и Земли. Эта новая идея требует обоснования и проверки посредством натурных испытаний и вычислительного моделирования. В данной работе рассматриваются результаты численных экспериментов только с одной из составляющих технологического процесса отверждения на орбите - с температурным режимом. Особенностью решения краевой температурной задачи является учет в граничных условиях нагрева каркаса надувной антенны от потока солнечного излучения и остывание каркаса в результате излучения самой конструкцией тепла в космическое пространство. Установлено, что для достижения нужных температур целесообразно в каркасе вместо простого препрега применять препрег с медным напылением. Выяснены особенности распределения температуры в подобной конструкции при ее вращении. Определены времена, когда следует изменять ориентацию антенны по отношению к направлению потока солнечного излучения, чтобы получить нужные для достижения отверждения всех элементов каркаса температуры за малое число оборотов вокруг Земли, то есть за время, пока в надувной антенне сохраняется высокое давление газа.

Литература


  1. Kondyurin A. Curing of composite materials for an inflatable construction on the Moon // Moon. Prospective energy and material resources / Ed. V. Badescu. Springer, 2012. P. 503-518. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27969-0_21

  2. Chandra A. Inflatable parabolic reflectors for small satellite communication / MSc Thesis. Arizona State University, USA, 2015. 66 p.

  3. Беляев А.Ю., Свистков А.Л. Моделирование отверждаемых цилиндрических элементов надувной антенны наноспутника // Вестник Пермского университета. Физика. 2017. № 4(38). С. 5-10. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-4-5-10

  4. Kondyurin A., Lauke B., Vogel R. Photopolymerisation of composite material in simulated free space environment at low Earth orbital flight // Eur. Polymer J. 2006. Vol. 42. P. 2703-2714. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.04.018

  5. Babuscia A., Corbin B., Knapp M., Jensen-Clem R., Loo M.V., Seager S. Inflatable antenna for cubesats: Motivation for development and antenna design // Acta Astronautica. 2013. Vol. 91. P. 322-332. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.06.005

  6. Chahat N., Hodges R.E., Sauder J., Thomson M., Peral E., Rahmat-Samii Y. CubeSat deployable Ka-Band mesh reflector antenna development for earth science missions // IEEE Trans. Antenn. Propag. 2016. Vol. 64. P. 2083-2093. https://doi.org/10.1109/TAP.2016.2546306

  7. Demin A.A., Kondyurin A.V., Terpugov V.N. Computer and stratospheric flight simulation of space experiment on curing of epoxy composite // Materials physics and mechanics. 2016. Vol. 26, No. 1. P. 73-76. https://mpm.spbstu.ru/article/2016.46.18/

  8. Brauner C., Soprano P., Herrmann A.S., Meiners D. Cure-dependent thermo-chemical modelling and analysis of the manufacturing process of an aircraft composite frame // J. Compos. Mater. 2014. Vol. 49. P. 921-938. https://doi.org/10.1177/0021998314527777

  9. Воробьев А. Эпоксидные смолы // Компоненты и технологии. 2003. № 8(34). С. 170-173.

  10. Еселев А.Д. Эпоксидные клеи // Композитный мир. 2006. № 4. С. 18-19. http://www.epoksid.ru/
    Composite_07_18-19.pdf

  11. Мостовой А.С. Разработка составов, технологии и определение свойств микро- и нанонаполненных эпоксидных композитов функционального назначения / Дисс… канд. техн. наук: 05.17.06. Саратов, СГТУ им. Ю.А. Гагарина, 2014. 149 с. http://www.sstu.ru/files/dissertation/Dis-M.pdf

  12. Водовозов Г.А., Мараховский К.М., Костромина Н.В., Осипчик В.С., Аристов В.М., Кравченко Т.П. Разработка эпокси–каучуковых связующих для создания армированных композиционных материалов // Пластические массы. 2017. № 5-6. С. 9-13.

  13. Осоргина И.В., Свистков А.Л., Пелевин А.Г., Чудинов В.С., Терпугов В.Н. Особенности отверждения эпоксидных смол в вакууме // Вестник Пермского университета. Химия. 2017. Т.7, № 4. С. 483-491.

  14. Елисеева А.Ю., Свистков А.Л., Кондюрин А.В. Математическая модель реакции горячего отверждения препрега// Вестник Пермского университета. Физика. 2017. № 4(38). С. 19-25. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-4-19-25

  15. Гилев В.Г., Комар Л.А., Осоргина И.В., Пелевин А.Г. Экспериментальное исследование процессов отверждения эпоксидного связующего ЭД-20 // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. № 4. С. 17-23. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-4-17-23

  16. Евлампиева С.Е., Беляев А.Ю., Мальцев М.С., Свистков А.Л. Анализ температурного режима отверждаемых надувных элементов антенн наноспутников // МКМК. 2017. Т. 23, № 4. С. 459-469. https://doi.org/10.25590/mkmk.ras.2017.23.04.459_469.01

  17. Kondyurina I., Kondyurin A., Lauke B., Figiel L., Vogel R., Reuter U. Polymerisation of composite materials in space environment for development of a Moon base // Adv. Space Res. 2006. Vol. 37. P. 109-115. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.05.031

  18. Skripov P.V., Puchinskis S.E., Begishev V.P., Lipchak A.I., Pavlov P.A. Heat pulse monitoring of curing and polymer-gas systems // J. Appl. Polymer Sci. 1994. Vol. 51. P. 1607-1619. https://doi.org/10.1002/app.1994.070510911

  19. Kondyurin A., Kostarev K., Bagara M. Polymerization processes of epoxy plastic in simulated free space conditions // Acta Astronautica. 2001. Vol. 48. P. 109-113. https://doi.org/10.1016/S0094-5765(00)00147-8

  20. Sarles S.A., Leo D.J. Consolidation of U-Nyte epoxy-coated carbon-fiber composites via temperature-controlled resistive heating // J. Compos. Mater. 2008. Vol. 42. P. 2551-2566. https://doi.org/10.1177/0021998308097197

  21. Kondyurin A., Komar L.A., Svistkov A.L. Combinatory model of curing process in epoxy composite // Compos. B Eng. 2012. Vol. 43. P. 616-620. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.11.019

  22. Giorgini L., Mazzocchetti L., Benelli T., Minak G., Poodts E., Dolcini E. Kinetics and modeling of curing behavior for two different prepregs based on the same epoxy precursor: A case study for the industrial design of thick composites // Polymer Compos. 2013. Vol. 34. P. 1506-1514. https://doi.org/10.1002/pc.22540

  23. Vafayan M., Beheshty M.H., Ghoreishy M.H.R., Abedinic H. Advanced integral isoconversional analysis for evaluating and predicting the kinetic parameters of the curing reaction of epoxy prepreg // Thermochimica Acta. 2013. Vol. 557. P. 37-43. https://doi.org/10.1016/j.tca.2013.01.035

  24. Vafayan M., Abedini H., Ghoreishy M.H.R., Beheshty M.H. Effect of cure kinetic simulation model on optimized thermal cure cycle for thin-sectioned composite parts // Polymer Compos. 2013. Vol. 34. P. 1172-1179. https://doi.org/10.1002/pc.22526

  25. Boey F.Y.C., Qiang W. Experimental modeling of the cure kinetics of an epoxy-hexaanhydro-4-methylphthalicanhydride (MHHPA) system // Polymer. 2000. Vol. 41. P. 2081-2094. https://doi.org/10.1016/s0032-3861(99)00409-7

  26. Dmitriev O.S., Zhyvenkova A.A., Dmitriev A.O. Thermo-chemical analysis of the cure process of thick polymer composite structures for industrial applications // Advanced materials & technologies. 2016. No. 2. P. 53-60. https://doi.org/10.17277/amt.2016.02.pp.053-060

  27. Sorrentino L., Esposito L., Bellini C. A new methodology to evaluate the influence of curing overheating on the mechanical properties of thick FRP laminates // Compos. B Eng. 2017. Vol. 109. P. 187-196. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.10.064

  28. Shevtsov S., Zhilyaev I.V., Tarasov I., Wu J.K., Snezhina N.G. Model-based multi-objective optimization of cure process control for a large CFRP panel // Engineering computations. 2018. Vol. 35. P. 1085-1097. https://doi.org/10.1108/ec-09-2017-0354

  29. Garishin O.K., Svistkov A.L., Belyaev A.Yu., Gilev V.G. On the possibility of using epoxy prepregs for carcass-inflatable nanosatellite antennas // Mater. Sci. Forum. 2018. Vol. 938. P. 156-163. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.938.156

  30. Свистков А.Л., Комар Л.А., Кондюрин А.В., Мальцев М.С., Терпугов В.Н. Испарение молекул отвердителя в реакции полимеризации эпоксидной смолы // Материалы XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2016). Алушта, 25-31 мая 2016 г. М.: Изд-во МАИ, 2016. С. 385-387.

  31. Свистков А.Л., Елисеева А.Ю., Кондюрин А.В. Математическая модель реакции отверждения ЭД-20 с отвердителем ТЭАТ-1 // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. № 1. С. 9-16. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-1-09-16

  32. Yoo H.M., Jeon J.H., Li M.X., Lee W.I., Choi S.W. Analysis of curing behavior of endo-dicyclopentadiene using different amounts of decelerator solution // Compos. B Eng. 2019. Vol. 161. P. 439-454. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.12.068

  33. Pestrenin V.M., Pestrenina I.V., Rusakov S.V., Kondyurin A.V. Curing of large prepreg shell in solar synchronous Low Earth Orbit: Precession flight regimes // Acta Astronautica. 2018. Vol. 151. P. 342-347. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.06.029

  34. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А. Оптические характеристики термостабилизированной полиэтилентерефталатной пленки, используемой для функциональных материалов остекления // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 4. С. 31-34. https://journal.viam.ru/en/system/files/uploads/pdf/2013/2013_4_6_1.pdf

  35. ГОСТ 24234-80. Пленка полиэтилентерефталатная. Технические условия. http://docs.cntd.ru/document/1200020698 (дата обращения 23.11.2020).

  36. Беляев В.С. Наружные ограждающие конструкции с рекуперацией трансмиссионного тепла // Жилищное строительство. 2013. № 8. С. 10-21. http://rifsm.ru/u/fl/itm5949.pdf

  37. Материал Al (Алюминий). Алюминиевые покрытия. http://elektrosteklo.ru/Al_rus.htm (дата обращения 23.11.2020).

  38. Серова В.Н., Носкова Э.Н. Оптические характеристики и светостойкость полимерных упаковочных пленок и нанесенных на них красочных слоев // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, № 15. С. 61-63.

Опубликован
2020-12-30
Как цитировать
Елисеева, А. Ю., Комар, Л. А., & Кондюрин, А. В. (2020). Вычислительное моделирование отверждения каркаса надувной антенны спутника на околоземной орбите. Вычислительная механика сплошных сред, 13(4), 414-423. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.32
Раздел
Статьи