Моделирование механических свойств элементов надувных космических антенн из эпоксидного препрега
DOI:
https://doi.org/10.17072/1993-0550-2026-2-59-74Ключевые слова:
эпоксидные препреги;, структура препрегов;, эффективные механические характеристики препрега;, изгиб трубы из препрега;, надувные космические антенны;, механическая анизотропия;, упругость;, метод конечных элементовАннотация
Предложена методика вычисления эффективных упругих свойств тканевых композитов из отвержденных эпоксидных препрегов с комплексным учетом особенностей неоднородности структуры таких композитных систем (механические свойства нитей ткани и эпоксидного связующего, геометрия нитей, тип плетения ткани, концентрация связующего). Она основана на использовании конечно-элементного пакета ANSYS и специализированного программного модуля "ANSYS material designer". Этот модуль позволяет строить сложные трехмерные конечно-элементные сетки для задаваемых расчетчиком различных тканевых плетений, используя комбинации из простых блоков и автоматически вычислять соответствующие эффективные механические константы таких материалов (линейно упругие). Надежность данного подхода проверена на решении трех тестовых краевых задач об изгибе консольной балки в виде тонкой пластины: 1) 3D балка из препрега как композитного материала со всеми особенностями его внутреннего строения; 2) 3D балка из однородного анизотропного материала с эффективными механическими характеристиками, рассчитанными для препрега предлагаемой методике материала; 3) 2D балка в виде анизотропной оболочки с теми же упругими характеристиками, что и для второго варианта. Расхождение по изгибу для всех вариантов составило меньше одного процента. Также проведен расчет изгиба трубчатой стойки надувной антенны эпоксидного препрега, предназначенной для искусственного наноспутника Земли из эпоксидного препрега и проведено сравнение ее массы относительно аналогичной трубы из алюминия, обладающей такими же "изгибными" характеристиками. Сравнение показало, что выигрыш по массе при использовании препрега может составлять примерно 20%.Библиографические ссылки
Лопатин А. В., Рутковская М. А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (часть 1) // Вестник СГАУ имени академика М. Ф. Решетнева. 2007. Т. 15. С. 15–51.
Лопатин А. В., Рутковская М. А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (часть 2) // Вестник СГАУ имени академика М. Ф. Решетнева. 2007. Т. 16. С. 78–81.
Tibert A. G. Optimal design no tension truss antennas // AIAA Papers. 2003. Vol. 1. P. 1629–1638. URL: http://doi.org/10.2514/6.2003-1629 (дата обращения: 28.02.2026).
Buhl T., Jensen F. V., Pellegrino S. Shape optimization of cover plates for retractable roof structures // Computers and Structures. 2004. Vol. 82. P. 1227–1236. URL: http://doi.org/10.1016/j.compstruc.2004.02.021 (дата обращения: 28.02.2026).
Зимин В. Н. Моделирование динамики раскрытия космических конструкций ферменного типа // Полет. 2008. № 10. С. 42–48.
Зимин В. Н., Крылов А. В., Мешковский В. Е. Сдобников А. Н., Файзуллин Ф. Р., Чурилин С. А. Особенности расчета раскрытия крупногабаритных трансформируемых конструкций различных конфигураций // Наука и Образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. 2014. № 10. С. 179–191. URL: http://doi.org/10.7463/1014.0728802 (дата обращения: 28.02.2026).
Ляшевский А. В., Прокопенко Е. А., Гинзбург Т. В., Головчинская Н. В. Исследование процесса раскрытия трансформируемой зонтичной антенны космического аппарата ретранслятора с учетом колебаний механической системы // Труды МАИ. 2023. № 133. С. 1–22. URL: http://doi.org/trudymai.ru/published.php?ID=177655 (дата обращения: 28.02.2026).
Guest S. D., Pellegrino S. A new concept for solid surface deployable antennas // Acta Astronautica. 1996. Vol. 38. P. 103–113. URL: http://doi.org/10.1016/0094-5765(96)00009-4 (дата обращения: 28.02.2026).
Jensen F., Pellegrino S. Expandable structures formed by hinged plates // Fifth International Conference on Space Structures: University of Surrey, UK. 2002. P. 1–10. URL: http://doi.org/10.1680/ss5v1.31739.0028 (дата обращения: 28.02.2026).
Keller P. N., Lake M. S., Codell M., Barrett D., Taylor R., Schultz R. M. Development of elastic memory composite stiffeners for a flexible precision reflector // 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Newport, USA. 2006. P. 1–14. URL: http://doi.org/10.2514/6.2006-2179 (дата обращения: 28.02.2026).
Пономарев С. В. Трансформируемые рефлекторы антенн космических аппаратов // Вестник ТГУ. 2011. Т.16, № 4. С. 110–119.
URL: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vtls:0004575022 (дата обращения: 28.02.2026).
Vertegaal C., Bentum M. Feasibility study of inflatable antennas as observational antenna for ultra-low frequency cubesat applications // IEEE Aerospace Conference, USA. 2020. P. 1–13. URL: http://doi.org/10.1109/AERO47225.2020.9172668 (дата обращения: 28.02.2026).
Eliseeva A. Yu., Komar L. A., Kondyurin A. V. Computational modeling of the curing of a frame of an inflatable satellite antenna in near-earth orbit // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2021. Vol. 62, № 7. P. 1234–1242. URL: http://doi.org/10.1134/S0021894421070087 (дата обращения: 28.02.2026).
Salama M., Kuo C. P., Lou M. Simulation of deployment dynamics of inflatable structures // AIAA Journal. 2000. Vol. 38, № 12. P. 2277–2283. URL: http://doi.org/10.2514/2.896 (дата обращения: 28.02.2026).
Mathers N., Thompson L. Using inflatable antennas for portable satellite-based personal, communications systems // Acta Astronautica. 2007. Vol. 61. P. 659–663. URL: http://doi.org/10.1016/j.actaastro.2006.11.016 (дата обращения: 28.02.2026).
Xu Y., Guan F. Structure design and mechanical measurement of inflatable antenna // Acta Astronautica. 2012. Vol. 76. P. 13–25. URL: http://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.02.005 (дата обращения: 28.02.2026).
Schenk M, Viquerat A. D, Keith A., Seffen K. A., Simon D., Guest S.D. Review of inflatable booms for deployable space structures: packing and rigidization // Journal of Spacecraft and Rockets. 2014. Vol. 51, № 3. P. 762–778. URL: http://doi.org/10.2514/1.A32598 (дата обращения: 28.02.2026).
Babuscia A., Corbin B., Knapp M., Jensen-Clem R., VandeLoo M., Seager S. Inflatable antenna for cubesats: Motivation for development and antenna design // Acta Astronautica. 2013. Vol. 91. P. 322–332. URL: http://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.06.005 (дата обращения: 28.02.2026).
Babuscia A., Choi T, Cheung K.-M., Thangavelautham J., Ravichandran M., Chandra A. Inflatable antenna for cubesat: extension of the previously developed S-band design to the X-band // AIAA SPACE 2015 Conference and Exposition. 2015. P 1–13. URL: http://doi.org/10.2514/6.2015-4654 (дата обращения: 28.02.2026).
San B., Yang Q., Yin L. Stochastic and sensitivity analysis of shape error of inflatable antenna reflectors // Acta Astronautica. 2017. Vol. 132. P. 170–176. URL: http://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.12.015 (дата обращения: 28.02.2026).
Финченко В. С., Пичхадзе К. М., Ефанов В. В. Надувные элементы в конструкциях космических аппаратов − прорывная технология в ракетно-космической технике / Под ред. В. А. Колмыкова, Х. Ж. Карчаева. Химки. АО "НПО Лавочкина". 2019. 488 с.
Демин Д. С., Кононенко П. И., Лебеденко В. И., Прилуцкий А.А., Резниченко В. И., Сидорчук Е. А., Сысоев В. К., Хмель Д. С. Концепция бортового радиолокатора на основе АФАР с использованием рефлектора c отверждаемым пневмокаркасом // Труды МАИ. 2021. Выпуск № 119. С. 1–31. URL: http://doi.org/10.34759/trd-2021-119-1 (дата обращения: 28.02.2026).
Berthet M., Schalkwyk J., Çelik O., Sengupta D., Hein A. M., Tenorio L., Cardoso dos Santos J., Worden S. P., Mauskopf P. D., Miyazaki Y., Funaki I., Tsuji S., Piotr F., Suzuki K. Space sails for achieving major space exploration goals: Historical review and future outlook // Progress in Aerospace Sciences. 2024. Vol. 150. Article 101047. P. 1–52. URL: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.101047 (дата обращения: 28.02.2026).
Shareefdeen Z., Al-Najjar H. Pollution effects and management of orbital space debris // ACS omega. 2024. Vol. 9, № 5. P. 5127–5141. URL: http://doi.org/10.1021/acsomega.3c06887 (дата обращения: 28.02.2026).
Garishin O. K., Svistkov A. L., Belyaev A. Yu., Gilev V. G. On the possibility of using epoxy prepregs for carcass-inflatable nanosatellite antennas // Materials Science Forum. 2018. Vol. 938. P. 156–163. URL: http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.938.156 (дата обращения: 28.02.2026).
Ma X., Ning An. N., Cong Q., Bai J-B., Wu M., Xu Y., Zhou J., Zhang D., Zhang T., Guo R., Li H., Wang Y., Zhou X., Zhu J., Jin X., Feng Y., Wu D., Liu T-W., Yan Z., Tong W T., Haotian Xi. H., Qilong Jia Q. Design, modeling, and manufacturing of high strain composites for space deployable structures // Communications Engineering. 2024. Vol. 3, № 1. P. 78–96. URL: http://doi.org/10.1038/s44172-024-00223-2 (дата обращения: 28.02.2026).
Dixit A., Mali H. S. Modeling techniques for predicting the mechanical properties of woven-fabric textile composites: a review // Mechanics of Composite Materials. 2013. Vol. 49, № 1. P. 1–20. URL: https://doi.org/10.1007/s11029-013-9316-8 (дата обращения: 28.02.2026).
Aisyah H. A., Paridah M. T., Sapuan S. M., Ilyas R. A., Khalina A., Nurazzi N. M., Lee S. H., Lee C. H. A comprehensive review on advanced sustainable woven natural fibre polymer composites // Polymers. 2021. Vol. 13, 471. P. 1–45. URL: https://doi.org/10.3390/polym13030471 (дата обращения: 28.02.2026).
Пирогов Д. А., Мирошниченко Д. А., Маслов Л. Б., Карева Т. Ю., Долунц Г. В. Разработка структуры многослойной ткани и экспериментальное исследование упругих свойств композиционного материала на ее основе при разных технологиях его производства // Технология текстильной промышленности. 2024. Т. 409, № 1. С. 224–231. URL: http://doi.org/10.47367/0021-3497_2024_1_224 (дата обращения: 28.02.2026).
Chowdhury I. R., Summerscales J. Woven fabrics for composite reinforcement: a review // J. Compos. Sci. 2024. Vol. 280, № 8. P. 1–19. URL: https://doi.org/10.3390/jcs8070280 (дата обращения: 28.02.2026).
Фарух М. А. Анализ подходов к моделированию структуры ткани для проектирования тканых гибких преград для средств индивидуальной бронезащиты // Технологии и качество. 2025. Т. 69, № 3. С. 12–19. URL: https://doi.org/10.34216/2587-6147-2025-3-69-12-19 (дата обращения: 28.02.2026).
Елисеева А. Ю., Свистков А. Л., Кондюрин А. В. Математическая модель реакции горячего отверждения препрега// Вестник Пермского университета. Физика. 2017. Вып. 38 (4). С. 19–25. URL: http://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-4-19-25 (дата обращения: 28.02.2026).
Ефремов Д. Е., Толубеева Г. И. Теория переплетений. Часть 1. Главные и производные переплетения. Иваново: Ивановская государственная текстильная академия. 2007. 33 с.
Железняк В. Г., Чурсова Л. В. Модификация связующих и матриц на их основе с целью повышения вязкости разрушения // Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 47–50. URL: http://doi.org/10.18577/2071-9140-2014-0-1-47-50 (дата обращения: 28.02.2026).
Фагалов А. Р., Беляев А. Ю. Моделирование стационарного теплового режима цилиндрического элемента каркаса на орбите // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2024. № 4 (67). С. 78–94. URL: http://doi.org/10.17072/1993-0550-2024-4-78-94 (дата обращения: 28.02.2026).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Олег Константинович Гаришин, Александр Геннадьевич Пелевин
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Публикация статьи в журнале осуществляется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
