Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Индустриальный текстиль


Технический текстиль/Индустриальный текстиль/Трикотажные металлические сетеполотна для отражающей поверхности трансформируемых наземных и космических антенн

Трикотажные металлические сетеполотна для отражающей поверхности трансформируемых наземных и космических антенн

21 ноября 2007
Технический текстиль №16, 2007

Беляев Олег Федорович
Заваруев Владимир Андреевич
Кудрявин Лев Александрович
Подшивалов Сергей Федорович
Халиманович Владимир Иванович

Применение трикотажных материалов в различных областях техники обусловлено проявлением уникальных физико-механических свойств, присущих их петельной структуре в сочетании со свойствами нитей.

Среди других видов технического трикотажа в последние десятилетия получила развитие технология трикотажа, вырабатываемого из металлических нитей различного состава и диаметров.

Большинство видов металлического трикотажа имеет макроструктуру, характерную для сетеизделий и применяется для изготовления различного рода фильтров, сепараторов, вибросеток, завес в устройствах различной аппаратуры.

Перспективы развития космической связи, исследование природных ресурсов Земли, изучение космических радиоисточников Вселенной, связано с созданием специальных инструментов - космических радиотелескопов, систем космической и наземной связи. Современные тенденции развития космических систем связи потребовали создания высокоэффективных параболических антенн, устанавливаемых на борту космических аппаратов.

Складывающиеся (трансформируемые) антенны потребовали создания гибких радиоот-ражающих поверхностей с высоким (97...99%) коэффициентом радиоотражения в рабочем диапазоне частот, минимальным усилием растяжения, высокой стабильностью физико-механических и электрофизических характеристик при хранении и длительном сроке эксплуатации.

Из многообразия описанных в литературе материалов, используемых в качестве отражающих поверхностей складных антенн, можно выделить:

  • металлизированные полимерные пленки;
  • металлизированные тканые материалы из синтетических и искусственных нитей;
  • металлизированные тканые материалы из искусственных текстильных нитей с включением металлических нитей, обладающих высокой электропроводностью;
  • металлизированные трикотажные материалы из полимерных текстильных нитей;
  • трикотажные сетчатые материалы из текстильных нитей, состоящих из металлических электропропроводных и химических волокон;
  • трикотажные сетчатые материалы из металлических нитей (мононити, комплексной нити, пряжи).

Последние не имеют недостатков, присущих сетчатым материалам из полимерных нитей, обладая при этом  всеми их достоинствами: эластичностью, малой массой единицы площади, достаточной прочностью. Металлические сетеполотна не теряют отражающей способности после многократного складывания.

Из анализа зарубежных литературных источников можно сделать вывод о том, что отражающие поверхности (ОП) космических складных параболических антенн обычно выполняются в виде сетеполотен из молибденовой микропроволоки диаметром 30 мкм, покрытой слоем золота.

Современные разработки с трикотажным сетеполотном из металлических нитей могут использоваться для работы антенн на частотах до 40 ГГц. Эти материалы предполагается использовать в перспективных конструкциях трансформируемых космических антенн большого диаметра, разрабатываемых зарубежными и российскими фирмами.

В отечественной практике теоретические и экспериментальные исследования по созданию материалов для ОП больших космических трансформируемых антенн были начаты на кафедре технологии трикотажного производства Московского текстильного института в 1973 году и проводятся до настоящего времени под руководством д.т.н. профессора Л.А. Кудрявина.

Результатом проведенных исследований на первом этапе было создание технологии из-готовления металлических трикотажных сетеполотен кулирных и основовязаных структур.

Для складных антенн существует такая характеристика, как коэффициент трансформации - это отношение объема антенны в сложенном состоянии к площади зеркала антенны в раскрытом состоянии. Кроме того, эффективность конструкции антенны может оцениваться по удельной массе ее квадратного метра. Эффективными значениями этих показателей считают:

  • коэффициент трансформации, приблизительно равный 46;  
  • масса 1 м2 площади зеркала, приблизительно равная 0,37 г/м2.

Для достижения таких показателей важную роль играют показатели металлотрикотажного полотна, используемого для ОП антенн.

К отражательной поверхности (ОП) антенн космических систем связи предъявляются специфические эксплуатационные требования, важнейшими из которых являются:

  • гибкость и эластичность для обеспечения складывания и развертывания антенны при минимальных усилиях силового каркаса;
  • отсутствие складок и заминов при складывании и развертывании каркаса антенны;
  • способность выдерживать многократные складывания и развертывания антенны без ухудшения радиоотражающей способности;
  • локализация повреждений отражательной поверхности антенны при эксплуатационных нагрузках;
  • минимальная масса при заданном размере ячей;
  • устойчивость к воздействию факторов космической среды;
  • максимальная радиоотражающая способность при заданных размерах ячей сетеполотна;
  • изотропия основных механических, радиоотражающих и др. свойств.

Технические требования к ОП для наземных антенн отличаются повышенными значениями прочности и большими значениями размеров ячей. Эти требования продиктованы воздействием атмосферных условий на материал ОП (ветровой нагрузки, снега, человеческого фактора и др.). Все остальные требования совпадают.

Следует отметить, что металлические нити, пригодные для переработки на вязальных машинах, обладают большим контактным сопротивлением между элементами структуры, что увеличивает сопротивление сетки, уменьшает отражающую способность этих материалов и вынуждает делать покрытия из никеля, золота и других материалов для уменьшения контактных сопротивлений.

Для материала ОП могут использоваться сетеполотна кулирных и основовязаных переплетений.

Трикотаж кулирных переплетений имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют широко использовать его для ОП. К этим недостаткам можно отнести ограниченный размер ячей и повышенную распускаемость при повреждении нитей. Основовязаный трикотаж позволяет получать сетеполотна с практически неограниченными максимальными и минимальными размерами ячеек, сохраняя при растяжении стабильность заданных размеров. 

Этот трикотаж практически не распускается при локальных повреждениях нити в элементах петельной структуры. Важной характеристикой сетеполотен основовязаных переплетений является их ширина. На современных основовязальных машинах можно вырабатывать сетеполотна с шириной до 6 м при плотном вязании. Ширина будет зависеть от размера ячей. Например, сетеполотно с размером стороны ячейки 40 мм может занимать площадь при раскрытии в 4 раза большую, чем в сложенном состоянии, а его ширина при этом увеличивается более чем в 10 раз.

С увеличением размера стороны ячейки в диапазоне  10...40 мм практически отсутствует сминаемость сетеполотна, выработанного из стальной микропроволоки диаметром 50 мкм. При использовании комплексных металлических нитей из микропроволокон диаметром 15...20 мкм сминаемость практически отсутствует даже на сетеполотнах с минимальным размером  ячей.

Эти преимущества позволяют использовать металлотрикотажные сетеполотна основовязаных переплетений в качестве материала ОП антенн любых конструкций.

Проблему создания ОП трансформируемых наземных и космических антенн можно условно разделить на две части. Первая - выбор материала электропроводных нитей, обеспечивающих одновременно технологичность для переработки на существующих типах вязального оборудования и обладающих электрофизическими и физико-механическими характеристиками, позволяющими реализовать радиотехнические и механические требования к материалу ОП.

Вторая часть - разработка и выбор структуры металлотрикотажных полотен, отвечающих заданным требованиям.

Космические и наземные антенны работают в широком диапазоне длин волн и частот. Сушествует зависимость между длиной электромагнитной волны и размером стороны ячейки металлотрикотажного сетеполотна ОП антенны. Размер стороны ячейки можно принимать как λ/(10...20), где  λ - длина волны.

В соответствии с заданными параметрами электромагнитной волны выбирается структура сетеполотна.

Формы ячеек с различными размерами (0,2...40 мм) для трикотажных сетеполотен показаны на рис. 1.

Для проектирования сетеполотен с размерами ячей 40...1 мм используется трикотаж  2-х-3-х гребеночных филейных переплетений.

При проектировании структур необходимо учитывать комплекс требований, предъявляемых к материалу ОП: весовые характеристики, эластичность, несминаемость, прочность, поверхностное электрическое сопротивление, максимальную изотропность механических и радиофизических свойств. С уменьшением размера ячеек в сетеполотне должны выдерживаться заданные показатели прочности, несминаемости, стабильности размеров.

В качестве исходного материала при выработке металлических сетеполотен использовались стальные, вольфрамовые, молибденовые, медные и другие нити диаметрами 30...90 мкм. Металлические сетеполотна вырабатывались на серийных трикотажных машинах зарубежного и отечественного производства. Значительные изменения были внесены в конструкцию сновального оборудования, а также механизмов подачи нити на кулирных машинах.

С повышением частоты электромагнитной волны и точности поверхности зеркала антенны повышаются требования и к материалу ОП.

Для создания  материалов, работающих на повышенных частотах электромагнитных волн, требуется использование для их формирования металлических нитей (микропроволок) единичного диаметра  (до 15...20 мкм). Эти нити должны обладать минимально возможным коэффициентом температурного расширения, достаточной прочностью для технологической переработки, иметь малое электрическое сопротивление.

Вязание из таких мононитей  трикотажных сетчатых материалов с заданными физико-механическими и радиофизическими свойствами представляет собой задачу, которая связана с формированием металлической нити, обладающей достаточной технологичностью для последующей переработки на вязальных машинах.

Для формирования трикотажных сетчатых материалов были выполнены:

  • комплекс исследований физико-механических и электрофизических свойств металлических нитей с целью выбора их оптимального вида и диаметра, обеспечивающих одновременно технологичность этих нитей и заданные электрофизические и физико-механические характеристики сетеполотна;
  • проектирование трикотажа основовязаных и кулирных переплетений оптимальных структур с заданными геометрическими параметрами, физико-механическими и радиофизическими свойствами;
  • теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия металлического сетеполотна с электромагнитной волной с целью разработки физических и математических моделей таких сетеполотен.

Используя разработанные модели, проведены:

  • компьютерное проектирование коэффициентов отражения при взаимодействии электромагнитных волн с металлическими сетеполотнами, выполненными из различных видов и диаметров металлической нити, имеющими различные геометрическую форму и размеры ячеек;
  • теоретические и экспериментальные исследования контактного сопротивления между элементами петель в структуре металлического трикотажа с целью установления влияния контактного усилия, угла между ветвями нити, диаметра и электрического сопротивления микропроволоки на электрофизические свойства металлического трикотажа;
  • теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия металлической нити с поверхностями петлеобразующих и нитенаправляющих органов технологического вязального оборудования с целью определения оптимальных режимов переработки металлических нитей;
  • разработка компьютерной методики оценки геометрических размеров и формы ячеек в раппорте переплетения, позволяющая количественно и качественно оценивать трансформацию ячеек различных петельных структур в условиях двухосного симметричного и ассиметричного нагружения в плоскости образца для проектирования оптимальной структуры сетеполотен с минимальными размерами ячей.

Разработанная теория структурообразования высокоэластичных металлических отражательных поверхностей антенн позволила выбрать из множества структур основовязаного трикотажа оптимальные по физико-механическим свойствам и геометрическим размерам и форме ячей.

Варианты структур трикотажа основовязаных переплетений, имеющих различные размеры и формы ячей, показаны на рисунках 2-а, 2-б, 2-в, 2-г, 2.

Особенности этого трикотажа позволяют менять геометрический размер и форму ячей в широких пределах в отличие от трикотажа кулирных переплетений. Верхний предел размера ячей в этих структурах практически не ограничен. Геометрический размер ячей в показанных на рисунках структурах, определяемый как сторона, эквивалентная по площади квадратной ячейке, может изменяться в диапазоне 1...8 мм, что позволяет в широких пределах варьировать весовые и радиоотражающие характеристики материалов.

Экспериментальные исследования радиоотражающих свойств сетеполотен различных структур, изготовленных из стальной микропроволоки, показали анизотропность этих свойств, вызванную, в свою очередь,  анизотропностью электрических свойств сетеполотен, в частности, наличием контактных сопротивлений между элементами структуры трикотажа.

В общем случае, чем больше контактные сопротивления, тем больше коэффициент анизотропии. Величина контактных сопротивлений зависит от механической нагрузки сетеполотна:  чем она выше, тем контактные сопротивления меньше.

Некоторые характеристики металлотрикотажных материалов, применяемых  для ОП, сведены в таблицу 1.

Из представленных в таблице образцов сетеполотен наибольшим коэффициентом отражения в диапазоне частот 1,0...1,8 ГГц обладает образец №3, выработанный из молибденовой микропроволоки диаметром 50 мкм, покрытой золотом. Коэффициент анизотропности материала равен 1. Из образцов, испытанных на частотах 12 ГГц, наибольший коэффициент отражения имеет образец №2, выработанный из никелевой микропроволоки диаметром 60 мкм. Сравнивая образцы №3 и №4, можно видеть, что образец №4 из стальной микропроволоки диаметром 60 мкм имеет меньший коэффициент отражения.

Дальнейшие исследования обнаружили зависимость между коэффициентом отражения и электросопротивлением металлического сетеполотна: чем больше удельное поверхностное электросопротивление сетеполотна, тем меньше коэффициент отражения. Значение полученной зависимости состоит в том, что она устанавливает однозначную связь между коэффициентом отражения и поверхностным электросопротивлением. Это позволяет показатели поверхностного электросопротивления использовать в качестве  оценочных для  радиоотражающих свойств металлотрикотажных сетеполотен.

Поэтому для оперативной оценки радиоотражающей способности материала был разработан метод измерения электрического сопротивления сетеполотен как в свободном состоянии, так и при двухосном нагружении. Как показали дальнейшие эксперименты, между результатами, полученными этим методом, и прямым методом измерения отражательной способности на установках СВЧ, существует корреляция.

Была разработана также электрическая модель структуры металлического трикотажа с учетом характеристик плотности петель трикотажа в горизонтальном и вертикальном направлениях, разработана теория, учитывающая влияние плотности петель трикотажа по вертикали и горизонтали, диаметра микропроволок, их удельного сопротивления и контактных сопротивлений между элементами структуры на коэффициент отражения сетеполотном электромагнитных волн.

Исследованиями установлено, что с точки зрения электропроводности в любой структуре металлического трикотажа электрические свойства определяются плотностью петельной структуры в направлении петельных столбиков и петельных рядов, деформацией сетеполотен, электрическим сопротивлением микропроволок и контактными сопротивлениями между ними.

В работе были проведены исследования контактного электросопротивления между нитями в структуре трикотажа.   Исследования проводились на микропроволоке ЭИ708А диаметром 30 и 50 мкм без покрытия и с никелевым покрытием толщиной 1 мкм, а также на микропроволоке из молибдена диаметром 30 мкм в условиях, моделирующих петельную структуру трикотажа. Анализ результатов  показал, что:

  • контактное сопротивление у всех микропроволок уменьшается с увеличением контактного усилия, с уменьшением угла  между ветвями нитей в петле и с увеличением диаметра микропроволоки;
  • контактное сопротивление молибденовых микропроволок значительно меньше, чем у стальных, кроме того отмечается нестабильность контактного сопротивления у стальных микропроволок даже при больших усилиях; покрытие никелем значительно стабилизирует и уменьшает контактное сопротивление стальной микропроволоки практически до уровня молибденовой.

Кроме того, как показали дальнейшие исследования, покрытие никелем уменьшает анизотропность радиоотражающих свойств сетеполотен.

Впервые в отечественной практике созданы металлические трикотажные сетеполотна различных переплетений для отражающих поверхностей высокоточных крупногабаритных трансформируемых антенн космических аппаратов и промышленная технология их изготовления. Созданные материалы для отражательных поверхностей антенн не уступают известным зарубежным аналогам, а при использовании комплексных нитей Æ15 мкм в несколько сложений - превосходит их, что позволяет уменьшить массу зеркала антенны при увеличении ее площади.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования являются базовыми и открывают возможности дальнейшего совершенствования материалов для поверхностей антенн, в том числе принципиально новых.

 На рис. 3 показан мобильный антенный комплекс спутниковой связи С-диапазона Тюльпан-1, Тюльпан-2 (разработка ОАО Газком), на рис.4 - телерепортажная антенна (разработка ЗАО ИСПА-Инжиниринг). В обоих случаях в качестве отражательной поверхности использовано металлическое сетеполотно, разработанное и созданное на кафедре технологии трикотажного производства МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Разработанные материалы по своим физико-механическим и радиофизическим характеристикам перекрывают весь спектр частот систем космической и наземной связи и будут реализованы системами связи третьего поколения.

ПРИМЕЧАНИЯ

1   Harold Vorbrugg / Netzentwicklung fur entfaltbare Weltraumantennen // Technische Textilien Kettengewirkt. 1987. №2, s. 43-46.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ