RU219714U1

RU219714U1 - Onboard antenna of reentry spacecraft

Info

Publication number: RU219714U1
Application number: RU2023115479U
Authority: RU
Inventors: Виктор Федорович Михайлов
Filing date: 2023-06-14
Publication date: 2023-08-01

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике, а именно к бортовому оборудованию возвращаемых космических аппаратов, а именно к антенным устройствам возвращаемых космических аппаратов для приема и передачи телеметрической, командной, связной, траекторной и других видов информации. Сущность заявленного решения заключается в том, что бортовая антенна возвращаемых космических аппаратов, содержащая излучатель в виде круглого волновода, заполненного теплозащитой из нагревостойкого радиопрозрачного диэлектрика, с круглым фланцем, который закреплен в корпусе космического аппарата заподлицо с теплозащитой космического аппарата, и содержащая переход с круглого волновода на прямоугольный с фланцем, при этом излучатель, круглый фланец, переход с прямоугольного волновода на круглый и фланец прямоугольного волновода по длине разрезаны на две электрически изолированные части, к которым подведено напряжения посредством источника постоянного напряжения, при этом их торец имеет гребенчатую структуру. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение КПД бортовой антенны (на 20 дБ и более) на траектории возвращения на землю. 1 ил. The utility model relates to antenna technology, namely to the on-board equipment of reentry spacecraft, namely to antenna devices of reentry spacecraft for receiving and transmitting telemetry, command, communication, trajectory and other types of information. The essence of the claimed solution lies in the fact that the onboard antenna of the returning spacecraft, containing the emitter in the form of a round waveguide filled with thermal protection from a heat-resistant radio-transparent dielectric, with a round flange, which is fixed in the spacecraft body flush with the thermal protection of the spacecraft, and containing a transition from the round waveguide into a rectangular one with a flange, while the radiator, the round flange, the transition from a rectangular waveguide to a round one, and the flange of the rectangular waveguide are cut along the length into two electrically isolated parts, to which voltage is applied by means of a constant voltage source, while their end has a comb structure. The technical result in the implementation of the claimed solution is to increase the efficiency of the onboard antenna (by 20 dB or more) on the return path to the ground. 1 ill.

Description

Полезная модель относиться к области антенной техники, а именно к бортовому оборудованию возвращаемых космических аппаратов (КА), в том числе к антенным устройствам космических аппаратов для приема и передачи телеметрической, командной, связной, траекторной и других видов информации.The utility model relates to the field of antenna technology, namely to the onboard equipment of reentry spacecraft (SC), including antenna devices of spacecraft for receiving and transmitting telemetry, command, communication, trajectory and other types of information.

Известно устройство «Антенно-фидерное устройство космического летательного аппарата (варианты)» (Патент РФ №2276434 МПК H01Q1/28, опубл.: 10.05.2006, бюл.: №13).Known device "Antenna-feeder device of a spacecraft (options)" (RF Patent No. 2276434 IPC H01Q1/28, publ.: 10.05.2006, bull.: No. 13).

Антенно-фидерное устройство космического летательного аппарата (КЛА) содержит размещенные диаметрально противоположно по внешнему периметру корпуса КЛА антенны, объединенные между собой фидерной системой питания, включающей в себя радиочастотные фидеры и делители мощности, подключаемые к бортовой радиосистеме, при этом каждая из антенн имеет осесимметричную воронкообразную диаграмму направленности. The antenna-feeder device of a spacecraft (SC) contains antennas placed diametrically opposite along the outer perimeter of the body of the spacecraft, interconnected by a feeder power supply system, including radio-frequency feeders and power dividers connected to the onboard radio system, while each of the antennas has an axisymmetric funnel-shaped direction diagram.

Недостатком устройства является невозможность использовать антенну на траектории спуска, т.к. она не имеет теплозащиты от аэродинамического нагрева, потому что эксплуатируется за пределами атмосферы земли.The disadvantage of the device is the inability to use the antenna on the trajectory of the descent, tk. it does not have thermal protection against aerodynamic heating, because it is operated outside the earth's atmosphere.

Известно устройство «Антенна для радиовысотомера баллистического летательного аппарата» (Патент РФ №2137267, МПК H01Q1/28, опубл.: 09.10. 1999). Known device "Antenna for radio altimeter ballistic aircraft" (RF Patent No. 2137267, IPC H01Q1/28, publ.: 09.10. 1999).

Антенна для радиовысотомера баллистического летательного аппарата содержит волновод в виде круглой трубы, открывающийся наружу через отверстие панели, которая выполнена в виде одной детали с волноводом, не пропускающий СВЧ-излучение экран в виде пластины, закрывающей отверстие панели. Свободному перемещению экрана препятствует биметаллическая пластина. Антенна соединена с силовой конструкцией БЛА и закрыта теплозащитным покрытием. При входе в атмосферу на нисходящем участке траектории полета БЛА происходит нагрев теплозащитного покрытия и его прогрев в глубину. Температура воздействует на биметаллическую пластину, в результате чего она изгибается, сдвигая тем самым экран и открывая отверстие панели к моменту использования радиовысотомера. Баллистический летательный аппарат эксплуатируется на малых скоростях и поэтому не испытывает интенсивного аэродинамического нагрева. Поэтому теплозащита антенны выполняется с помощью плоской пластины, которая при незначительном нагреве практически не изменяет характеристики антенны. Antenna for a radio altimeter of a ballistic aircraft contains a waveguide in the form of a round pipe, which opens outward through a panel hole, which is made in the form of one part with the waveguide, a screen that does not transmit microwave radiation in the form of a plate that closes the panel hole. The free movement of the screen is prevented by a bimetallic plate. The antenna is connected to the power structure of the UAV and is covered with a heat-shielding coating. When entering the atmosphere on the descending section of the UAV flight path, the heat-shielding coating is heated and it is heated in depth. Temperature acts on the bimetal plate, causing it to bend, thereby shifting the screen and opening the panel opening by the time the radio altimeter is used. The ballistic aircraft is operated at low speeds and therefore does not experience intense aerodynamic heating. Therefore, the thermal protection of the antenna is carried out using a flat plate, which, with slight heating, practically does not change the characteristics of the antenna.

Недостаток устройства состоит в том, что антенна не пригодна для использования на больших скоростях полета при прохождении плотных слоев атмосферы, когда возникает высокотемпературный аэродинамический нагрев. The disadvantage of the device is that the antenna is not suitable for use at high flight speeds when passing through dense layers of the atmosphere, when high-temperature aerodynamic heating occurs.

Наиболее близким по технической сущности является «Штатная бортовая антенна возвращаемых космических аппаратов (антенное окно)» (В.Ф. Михайлов, К.А. Победоносцев, И.В. Брагин «Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой», С.-Петербург, Судостроение, 1994 (стр.286, рис. 7.1, 7.2).The closest in technical essence is "Regular on-board antenna of reentry spacecraft (antenna window)" (V.F. Mikhailov, K.A. Pobedonostsev, I.V. Bragin "Forecasting the performance of antennas with thermal protection", St. Petersburg, Shipbuilding, 1994 (p. 286, fig. 7.1, 7.2).

Антенна представляет собой открытый конец круглого волновода, заполненного нагревостойким радиопрозрачным диэлектриком, обеспечивающим теплозащиту от высокотемпературного аэродинамического нагрева.The antenna is an open end of a round waveguide filled with a heat-resistant radio-transparent dielectric that provides thermal protection against high-temperature aerodynamic heating.

Недостатком устройства – прототипа является образование пленки расплава теплозащиты на всей поверхности апертуры антенны, что происходит при аэродинамическом нагреве при сверхзвуковом полете в плотных слоях атмосферы. The disadvantage of the prototype device is the formation of a film of thermal protection melt on the entire surface of the antenna aperture, which occurs during aerodynamic heating during supersonic flight in dense layers of the atmosphere.

Задачей полезной модели является создание бортовой антенны возвращаемых космических аппаратов, в которой потери электромагнитной энергии в пленке расплава теплозащиты были минимальны.The objective of the utility model is to create an onboard antenna for returning spacecraft, in which the loss of electromagnetic energy in the thermal protection melt film was minimal.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение КПД бортовой антенны (на 20 дБ и более) на траектории возвращения на землю.The technical result achieved in the implementation of the claimed utility model is to increase the efficiency of the onboard antenna (by 20 dB or more) on the return path to the ground.

Технический результат достигается тем, что бортовая антенна возвращаемых космических аппаратов, содержащая излучатель в виде круглого волновода, заполненного теплозащитой из нагревостойкого радиопрозрачного диэлектрика, с круглым фланцем, который закреплен в корпусе космического аппарата заподлицо с теплозащитой космического аппарата и содержащая переход с круглого волновода на прямоугольный с фланцем, при этом излучатель, круглый фланец, переход с прямоугольного волновода на круглый и фланец прямоугольного волновода по длине разрезаны на две электрически изолированные части, к которым подведено напряжения по средствам источника постоянного напряжения, при этом их торец имеет гребенчатую структуру.The technical result is achieved by the fact that the onboard antenna of the returning spacecraft, containing the radiator in the form of a round waveguide filled with thermal protection from a heat-resistant radio-transparent dielectric, with a round flange, which is fixed in the spacecraft body flush with the thermal protection of the spacecraft and containing a transition from a round waveguide to a rectangular one with flange, while the emitter, the round flange, the transition from a rectangular waveguide to a round one and the flange of the rectangular waveguide are cut along the length into two electrically isolated parts, to which voltage is applied by means of a constant voltage source, while their end has a comb structure.

Технический результат достигается тем, что излучатель в виде круглого волновода состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей. Края которых, образуют излучающую апертуру, выполнены в виде периодических гребенчатых структур, к которым подведен источник постоянного напряжения. Радиопросветление основано на эффекте перераспределения заряженных частиц в электронно-ионном расплаве нагретой теплозащите в виде токовых шнуров за счет подведения постоянного электрического напряжения к гребенчатой структуре излучателя. При этом шнуры ориентированы перпендикулярно вектору электрической компоненты излучаемого (принимаемого) электромагнитного поля. Электронно-ионный расплав, покрывающий остальную часть апертуры, будет обеднен электрическими зарядами, его электропроводность станет низкой и потери электромагнитной волны в этой части уменьшатся.The technical result is achieved by the fact that the emitter in the form of a round waveguide consists of two parts electrically isolated from each other. The edges of which, forming a radiating aperture, are made in the form of periodic comb structures, to which a constant voltage source is connected. Radio enlightenment is based on the effect of the redistribution of charged particles in the electron-ion melt heated thermal protection in the form of current cords due to the supply of a constant electrical voltage to the comb structure of the emitter. In this case, the cords are oriented perpendicular to the vector of the electric component of the emitted (received) electromagnetic field. The electron-ion melt covering the rest of the aperture will be depleted in electric charges, its electrical conductivity will become low, and the losses of the electromagnetic wave in this part will decrease.

Совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении полезной модели в силу того, что перераспределение зарядов электронно-ионного расплава в апертуре антенны делает часть апертуры свободной от зарядов и тем самым обладающей уменьшенными потерями. The set of essential features of the proposed device ensures the achievement of the technical result achieved in the implementation of the utility model due to the fact that the redistribution of the charges of the electron-ion melt in the antenna aperture makes part of the aperture free of charges and thus has reduced losses.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция заявленного устройства и введены следующие обозначения:The essence of the claimed device is illustrated by drawings, where figure 1 shows the design of the claimed device and the following designations are introduced:

1 - излучатель1 - emitter

2 - теплозащита2 - thermal protection

3 - круглый фланец3 - round flange

4 - корпус космического аппарата4 - spacecraft body

5 - теплозащита космического аппарата5 - thermal protection of the spacecraft

6 - переход с прямоугольного волновода на круглый6 - transition from a rectangular waveguide to a round one

7 - фланец прямоугольного волновода,7 - flange of a rectangular waveguide,

8 - источник постоянного напряжения8 - constant voltage source

Бортовая антенна возвращаемых космических аппаратов содержит излучатель (1) в виде круглого волновода, соответствующий рабочей длине волны, заполненный теплозащитой (2), круглый фланец (3), закрепленный в корпусе космического аппарата (4) с помощью резьбового соединения, при этом размер выступающей части излучателя (1) из корпуса космического аппарата (4) равен толщине теплозащиты корпуса космического аппарата (5), а также переход с прямоугольного волновода на круглый (6) с фланцем прямоугольного волновода (7), излучатель (1) в виде круглого волновода состоит из двух частей, электрически изолированных друг от друга за счет разрезания по всей длине устройства, при этом на торце круглого волновода выполнены вырезы, образующие гребенчатую структуру. К обеим электрически изолированным частям круглого волновода подключен источник постоянного электрического напряжения (8).The onboard antenna of the returning spacecraft contains a radiator (1) in the form of a round waveguide corresponding to the operating wavelength, filled with thermal protection (2), a round flange (3) fixed in the spacecraft body (4) using a threaded connection, while the size of the protruding part emitter (1) from the spacecraft body (4) is equal to the thickness of the thermal protection of the spacecraft body (5), as well as the transition from a rectangular waveguide to a round one (6) with a rectangular waveguide flange (7), the radiator (1) in the form of a round waveguide consists of two parts, electrically isolated from each other by cutting along the entire length of the device, while at the end of the circular waveguide there are cutouts forming a comb structure. A constant voltage source (8) is connected to both electrically isolated parts of the circular waveguide.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При интенсивном аэродинамическом нагреве на торце теплозащиты (2) образуется тонкий слой пленки расплава, вызывающий значительные потери мощности, излучаемой (принимаемой) антенной. Между противоположными выступающими и противоположно заряженными элементами гребенки возникает ток посредствам работы источника постоянного напряжения (8), протекающий через расплав теплозащиты (2), обладающий высокой электропроводностью. Между впадинами гребенки остается не расплавленная теплозащита, имея изоляционные электрические свойства, и между ними ток не протекает. Таким образом, в апертуре излучателя (1) между выступающими частями гребенки излучателя образуются токовые слои. Остальная часть расплава обедняется электрическими зарядами и электропроводность становится низкой. При этом слои тока будут перпендикулярны вектору электрической компоненты излучаемого электромагнитного поля. Образующаяся в апертуре излучателя (1) структура в виде слоев изоляционных и проводящих позволяет уменьшить влияние расплава теплозащиты и тем самым повысит КПД антенны.With intense aerodynamic heating, a thin layer of a melt film is formed at the end of the thermal protection (2), causing significant losses in the power radiated (received) by the antenna. Between the opposite protruding and oppositely charged elements of the comb, a current arises through the operation of a constant voltage source (8), flowing through the thermal protection melt (2), which has a high electrical conductivity. Between the cavities of the comb there is not melted thermal protection, having insulating electrical properties, and no current flows between them. Thus, current layers are formed in the emitter aperture (1) between the protruding parts of the emitter comb. The rest of the melt becomes depleted in electric charges and the electrical conductivity becomes low. In this case, the current layers will be perpendicular to the vector of the electric component of the radiated electromagnetic field. The structure formed in the radiator aperture (1) in the form of insulating and conductive layers makes it possible to reduce the effect of the thermal protection melt and thereby increase the efficiency of the antenna.

Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое устройство и прототип, позволяет сделать вывод, что прототип не может обеспечить высокий КПД бортовой антенны КА (у прототипа КПД в условиях аэродинамического нагрева падает до -40 дБ и более). Следовательно, заявляемое устройство существенно увеличивает круг возможностей применения в науке и технике. Comparison of the parameters characterizing the claimed device and the prototype leads to the conclusion that the prototype cannot provide a high efficiency of the onboard antenna of the spacecraft (for the prototype, the efficiency drops to -40 dB or more under conditions of aerodynamic heating). Therefore, the claimed device significantly increases the range of possible applications in science and technology.

Claims

The onboard antenna of the returning spacecraft, containing a radiator in the form of a round waveguide filled with heat protection from a heat-resistant radio-transparent dielectric, with a round flange, which is fixed in the spacecraft body flush with the heat protection of the spacecraft, as well as a transition from a round waveguide to a rectangular waveguide with a flange of a rectangular waveguide, which differs by the fact that the emitter, the round flange, the transition from a rectangular waveguide to a round one, and the flange of the rectangular waveguide are cut along the length into two electrically isolated parts, to which voltage is applied by means of a constant voltage source, while their end has a comb structure.