بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله مراحل طراحی و شبیهسازی و تست مکانیزم رهاسازی و گسترش یک ماهواره مخابراتی مدار ژئو شرح داده شده است. به دلیل سادگی بیشتر و همچنین دسترسی به قابلیت اطمینان بیشتر از سیستم فنر پیچشی برای تحریک آنتن استفاده شده است. محاسبات مربوط به تحلیل و شبیهسازی دینامیکی آنتن انجام شده و فنر و دمپر مناسب برای مکانیزم انتخاب شده است.
همچنین جهت مکانیزم رهایش آنتن از مکانیزم کاتر حرارتی استفاده شده است که در تستهای انجام شده عملکرد مناسبی نشان میدهد. همچنین جهت اطمینان از استحکام سازهای مکانیزم، شبیهسازیهای عددی المان محدود نیز انجام پذیرفته است. با توجه به نتایج تستها و شبیهسازی انجام شده روی سیستم، میتوان گفت که این مکانیزم یک مکانیزم ساده، کاربردی و قابل اطمینان بوده و میتواند وظایف محوله را طبق الزامات کارفرما و همچنین استاندارد ECSS به خوبی انجام دهد.
مقدمه
در ماهواره ها اجزایی مانند آنتن، پنل خورشیدی و .. وجود دارند که در طول پرتاب به علت ابعاد بزرگ، بصورت بسته داخل محفظه پرتابگر قرار گرفته و بعدا در فازهای مختلف ماموریت باز میشوند که گسترش آنها عموما بعد از جدا شدن ماهواره از پرتابگر آغاز میگردد. لذا طراحی صحیح مکانیزم این مجموعهها اهمیت بسیار زیادی دارد. زیرا تاثیر بسزایی در عملکرد صحیح ماهواره، کنترل آن و ایجاد اغتشاشات دارد.
آنتن های مخابراتی در ماهوارههای ژئو برای ارتباط با ایستگاه زمینی برای دریافت و ارسال دادهها مورد استفاده قرار میگیرند که به دلیل فاصله زیاد از زمین، دقت نشانهروی در آنها بسیار حائز اهمیت میباشد. در آنتن ماهواره، مکانیزمهای مختلفی به منظور نگهداری و رهایش، گسترش، نشانهروی و توقف نهایی و قفل نمودن آنتن وجود دارد که هر کدام از این مکانیزمها میتوانند به روشهای مختلفی عمل کنند. نکته اساسی در طراحی این مکانیزمها اینست که بتوانند آنتن را در زمان مشخص، با سرعت و دقت مناسب رها نموده و گسترش دهند.
تحقیقات متعددی درباره طراحی، ساخت و تست مکانیزمهای مورد نیاز در ماهوارهها انجام شده است که در زیر به برخی از آنها اشاره میشود. Datashvili و همکاران [1] یک بررسی تحلیلی و آزمایشگاهی الکتریکی و مکانیکی روی آنتن آرایه بازتابی چند لایه انجام داده و طراحیهای الکتریکی و مکانیکی، تحلیلها و تستها را در مقاله خود ارائه کردهاند. نتایج مکانیکی و الکتریکی ارائه شده در این مقاله نشان میدهند که مفهوم ارائه شده برای پنلهای آرایه بازتابی میتوانند یک جایگزین مناسب برای آنتن های رفلکتوری سنتی در کاربردهای فضایی باشند.
BERNABE و همکاران [2] در مقاله خود یک سیستم نشانهروی آنتن 3POD برای استفاده در ماموریتهای اپتیکی ماهوارهای با رزولیشن بسیار بالا را معرفی کردهاند. تحلیلهای دینامیکی و سینماتیکی روی این سیستم انجام شده و طرح ساخته شده مورد تست قرار گرفته است. از مزیتهای این طرح میتوان به جیتر القایی کم، مینیمم کردن ابعاد و وزن کلی سازه و سازگار بودن با محیط حرارتی فضا اشاره کرد.
Guy و همکاران [3]، یک مجموعه گسترش برای رفلکتور GMI به شکل یک سازه مفصلدار طراحی کردهاند که وظیفه نشانهروی دقیق و پشتیبانی از رفلکتور اصلی GMI را به عهده دارد. این سازه از لولههای کامپوزیتی مفصلدار ساخته شده است که در چهار نقطه به سطح بالایی ماهواره و از سه نقطه به لبه رفلکتور متصل میشود. نیروی گسترش نیز توسط یک فنر پیچشی و دمپر سیال تامین میشود.
یک سیستم گسترش مفصلدار توسط Kroon و همکاران [4] برای گسترش و نشانهروی رفلکتورهای آنتن با قطر و طول کانونی بزرگ طراحی شده است. تیر مفصلدار طراحی شده میتواند در چندین حالت در کنار دیواره جانبی ماهواره جمع شود. تیرها از جنس فیبر کربن ساخته شده و توسط لولاهای فنردار عمل عمل گسترش را انجام میدهند. سیستم رهایش استفاده شده در این مکانیزم نیز از نوع کاتر حرارتی میباشد.
Eigenmann و همکاران [5] یک مکانیزم گسترش فوق العاده سبک - UDM - ارائه داده اند. این سیستم شامل فنرهای نواری شکل انحنادار CFRP میباشد که برای گسترش آنتن رفلکتوری با قطر 4 تا 7 متر مورد استفاده قرار میگیرد. این مکانیزم میتواند تا میزان 90 درجه باز شود. انرژی مورد نیاز، داخل فنرهای نواری منحنیوار که در حالت جمع شده کمانش کرده و تاخوردهاند ذخیره میشود. نتایج تحلیلهای انجام شده نشان میدهد که شوک ناشی از مکانیزم گسترش کمتر از حد مجاز بوده و در نتیجه نیازی به دمپر برای میرا کردن شوک نمیباشد.
دانشجو و همکاران [6] یک مکانیزم برای گسترش آرایه خورشیدی طراحی کردهاند که شامل اجزای اصلی عملگر، محور پیشرو، بادامک، استوانه چرخان و فنر پیچشی است. انرژی لازم برای گسترش آرایه خورشیدی بوسیله پیش بار پیچشی فنر، که یک انتهای آن به بدنه ماهواره و انتهای دیگر آن به استوانه چرخان متصل است تأمین میشود. در این مکانیزم از حرکت بادامک داخل یک مسیر مارپیچ برای کنترل شدت بازشدن بالک خورشیدی و ثابت نگاه داشتن سرعت زاویه ای آن استفاده شده است. مکانیزم طراحی شده نیاز به موتور، مجموعه کابل و درام و محرک راهاندازی نداشته و توان مصرفی بسیار پایینی دارد.
هاشمی و وثوقی [7] رفتار دینامیکی دو مکانیزم باز شونده که عبارتند از بوم گرادیان جاذبهای و صفحات خورشیدی، در وضعیت داخل پرتابگر و در شرایط مداری برای یک ماهواره نمونه را بررسی کردهاند.
Qi و همکاران [8] یک مکانیزم حلقوی گسترش ارائه کردهاند که بر مبنای یک مجموعه از اتصال 6 میله ای صفحهای بنا شده است. این مکانیزم برای آنتنهای بزرگ قابل گسترش ماهواره مناسب میباشد. در این مقاله دو نوع مکانیزم محرک شامل استفاده از کابل و فنر پیچشی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک نمونه آزمایشگاهی ساخته شده و دقت مکانیزم مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج نشان میدهند تکرارپذیری خوبی برای عملکرد این مکانیزم وجود دارد.
Xu و همکاران [9] طراحی سازهای، طراحی کنترل گسترش و تحلیل استاتیکی و نتایج تست یک خرپای قابل گسترش دو حلقهای را که در آنتنهای شبکهای بزرگ مورد استفاده قرار میگیرند، در مقاله خود ارائه کردهاند. این خرپا یک مکانیزم چند درجه آزادی بیش از حد مقید بوده و توسط موتور الکتریکی باز میشود. Li و [10] Wang به منظور شبیهسازی محیطهای فضایی، عملکرد دینامیکی سازههای گسترش ماهوارهها را تحت دماهای مختلف مورد تحلیل قرار دادهاند. این کار روی یک مکانیزم چهار میلهای و توسط نرمافزارهای کامپیوتری انجام شده است.
در مقاله حاضر به طراحی و و شبیهسازی سازهای و دینامیکی مکانیزمها و قطعات مورد استفاده در آنتن رفلکتوری یک ماهواره نوعی پرداخته میشود. مکانیزم اول که در این مقاله معرفی میشود تنها دارای مکانیزم رهایش و گسترش آنتن - مکانیزم فنری - و مکانیزم دوم که در مقاله دوم معرفی شده است، شامل مکانیزم رهایش، گسترش و نشانهروی - مکانیزم موتوری - میباشد.
الزامات طراحی آنتن
در این مقاله تنها مکانیزم رهایش و گسترش را برای آنتن در نظر می گیریم. در این حالت مکانیزم نشانهروی برای آنتن، در نظر گرفته نمیشود. طبق الزامات تعیین شده توسط کارفرما، مکانیزم و سازه مورد طراحی در حالت طرح اول - مکانیزم گسترش - بایستی مشخصات زیر را داشته باشد.
· مکانیزم و سازه طراحی شده تا حد الامکان ساده باشد.
· مصرف توان پایینی داشته باشد.
· ولتاژ کل محموله: حداکثر 50 V
· توان موجودی برای کل محموله: حداکثر 690 W
· جرم کل مجموعه کمتر از 20 کیلوگرم باشد.
· محدودیت ابعادی 1.6×1.6×0.3 m را رعایت کند.
طراحی چیدمان مکانیزم
برای طراحی آنتن، در ابتدا ابر نقاط سطح رفلکتور محاسبه شده در گروه مخابرات در نرم افزار Catia ابتدا با دقت بالا به Mesh و سپس به سطح تبدیل میشود. این مراحل در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 فرآیند تبدیل ابر نقاط به سطح
در مرحله بعد به منظور تعیین مکانیزمهای حرکتی رفلکتور، بایستی نقطه لولای رفلکتور تعیین گردد. این امر با استفاده از روش هندسی تعیین قطب - تلاقی عمود منصفهای نقاط ابتدا و انتهای رفلکتور در دو حالت باز و بسته - انجام میشود. در شکل 2 این دو موقعیت و چگونگی تعیین نقطه قطب یا مرکز دوران رفکتور نشان داده شده است.
