Передача для перемещения снабженных солнечными элементами панелей на космическом аппарате

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к тросовой передаче привода раскрытия панелей солнечных батарей космического аппарата. Согласно изобретению передача используется для гармоникообразно сложенных, шарнирно сочлененных панелей. Установленные в сочленениях шкивы охвачены бесконечным проволочным тросом. За пределами зоны шкивов трос снабжен жестко соединенной с ним пластиковой оболочкой. Изобретение обеспечивает согласование температурных изменений длины панелей и указанного троса, а также повышение жесткости троса на растяжение. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к тросовой передаче для перемещения снабженных солнечными элементами панелей, гармоникообразно сложенных на космическом аппарате с помощью шарнирных сочленений, содержащей шкивы в каждом из них, соединенные с одной панелью жестко, а с соседней - с возможностью вращения, причем два соседних шкива охвачены бесконечным проволочным тросом, жестко соединенным с ними.

Подобные тросовые передачи известны, например, из DE-PS 2021580. С их помощью разворачивают обычно две консоли, образующие солнечные генераторы космического аппарата. Для разворачивания консолей должны быть синхронизированы движения отдельных солнечных панелей с помощью тросовых передач, чтобы, например, центр тяжести каждой консоли при разворачивании двигался по заданной траектории, а отдельные части консоли занимали развернутое положение посредством контролируемых движений.

Точная синхронизация движений солнечных панелей при разворачивании консолей связана, однако, с трудностями. Так, во время разворачивания в проволочном тросе возникают высокие растягивающие усилия, вызывающие его вращение. К тому же проволочные тросы по сравнению с температурой, при которой устанавливают передачу, подвержены при космических условиях эксплуатации колебаниям температуры около ±100 K. Поскольку проволочный трос обладает большим коэффициентом теплового расширения, чем панели, выполненные, например, в виде армированных углеродными волокнами пластиковых сэндвичей, при высоких температурах происходит ослабление проволочного троса. Во избежание этого его натяжение приходится дополнительно увеличивать. Таким образом, при низких температурах на шкивы действуют очень высокие растягивающие усилия, которые могут привести к высокой нагрузке на шарнирные сочленения и солнечную панель, а также значительно повысить трение в шарнирных сочленениях.

Для того, чтобы, несмотря на сильные колебания рабочих температур, гарантировать определенное натяжение проволочных тросов, в них встраивают пружины растяжения. Это, однако, создает новую проблему.

Привод для процесса разворачивания образован, например, приводными пружинами между панелями, которые, с одной стороны, воздействуют на шкив, а с другой стороны, - на панель, на которой шкив установлен с возможностью вращения. Для того, чтобы панели в процессе разворачивания за счет этих приводных пружин бесконтрольно не выбрасывались наружу, а раскладывались с заданной скоростью, вращательное движение внутреннего шарнирного сочленения, то есть шарнирного сочленения, посредством которого с космическим аппаратом соединено так называемое ярмо, обычно притормаживают или, при необходимости, его приводят в действие, например, с помощью самостопорящейся передачи. За счет тросовых передач эта заданная скорость вращения внутреннего сочленения должна передаваться тогда на остальные шарнирные сочленения.

Однако это невозможно, когда проволочные тросы снабжены пружинами растяжения, поскольку последние приводят в этом случае к неконтролируемому возвратно-поступательному пружинению отдельных панелей при разворачивании.

Поскольку панели каждой консоли в развернутом конечном положении лежат в одной плоскости, предусмотрены, как правило, соответствующие блокировки, автоматически защелкивающиеся при достижении конечного положения. За счет неконтролируемого раскладывания из-за пружин растяжения в тросовых передачах может даже произойти преждевременное защелкивание блокировки между двумя панелями, что приводит к совершенно неконтролируемому процессу разворачивания.

Задача изобретения заключается в создании такой тросовой передачи, с помощью которой можно синхронизировать движения отдельных панелей каждой консоли космического аппарата.

Эта задача решается с помощью предложенной передачи для перемещения снабженных солнечными элементами панелей гармоникообразно сложенных на космическом аппарате с помощью шарнирных сочленений, содержащая шкивы в каждом шарнирном сочленении, соединенные с одной панелью жестко, а с соседней - с возможностью вращения, причем каждые два соседних шкива охвачены бесконечным проволочным тросом, жестко соединенным с ними. Согласно изобретению проволочный трос снабжен вне зоны шкивов жестко соединенной с ним пластиковой оболочкой.

Предпочтительно пластиковую оболочку армировать волокном.

Следует подчеркнуть, что в передаче по изобретению изменение длины проволочного троса при изменении температуры за счет коэффициента теплового расширения и площадь сечения пластиковой оболочки согласованы с температурным изменением длины панелей.

При этом изменение длины проволочного троса при изменении температуры за счет армирующих волокон относительно продольной оси проволочного троса согласовано с температурным изменением длины панелей.

Целесообразно жесткость при растяжении снабженных пластиковой оболочкой отрезков троса регулировать за счет площади сечения и модуля упругости пластиковой оболочки.

Желательно также жесткость при растяжении снабженных пластиковой оболочкой отрезков троса регулировать за счет угла армирующих волокон относительно продольной оси проволочного троса.

В соответствии с изобретением жесткость на растяжение снабженных пластиковой оболочкой отрезков троса составляет по меньшей мере двойное значение жесткости на растяжение проволочного троса.

В предпочтительном варианте реализации изобретения пластиковая оболочка имеет на своих концах сужение.

Предпочтительно также в качестве армирующих волокон использовать углеродные волокна.

В передаче по изобретению проволочный трос может быть дополнительно покрыт на отдельных отрезках пластиковой оболочкой для сохранения его гибкости в зоне шкивов.

Технический результат предлагаемой передачи состоит в возможности согласования изменения длины проволочного троса при изменении температуры с изменением длины панелей и повышения жесткости проволочного троса при растяжении.

Согласно изобретению, преимущественно один, однако возможно оба прямых отрезка бесконечного проволочного троса снабжают между двумя охватываемыми им шкивами пластиковой оболочкой, прочно соединенной с проволочным тросом, например, приклеиванием. Отрезки проволочного троса, обведенные вокруг шкивов и закрепленные на них, не покрыты пластиковой оболочкой с тем, чтобы не ухудшать гибкость проволочного троса в этой зоне.

Благодаря высокой жесткости пластиковой оболочки значительно повышается жесткость проволочного троса при растяжении, что препятствует его растяжению вследствие высоких растягивающих усилий при разворачивании панелей. Поскольку согласно изобретению изменение длины проволочного троса за счет пластиковой оболочки согласовано с изменением длины панелей при повышении температуры, заданное натяжение проволочного троса, в основном, сохраняется. Этим обеспечена точная синхронизация процесса разворачивания посредством тросовых передач.

К тому же согласно изобретению за счет пластиковой оболочки изменение длины проволочного троса при понижении температуры соответствует изменению длины панелей. Это препятствует нагрузке на шарнирные сочленения и панели и повышению сил трения в шарнирных сочленениях за счет высоких растягивающих усилий при низких рабочих температурах.

Высокая жесткость при растяжении проволочных тросов, снабженных на своих прямых отрезках пластиковой оболочкой, препятствует в то же время неконтролируемому возвратно-поступательному пружинению панелей в процессе разворачивания.

Проволочный трос может быть, как обычно, стальным тросом, в частности из нержавеющего стального сплава. Пластик, которым покрыт проволочный трос, может быть эпоксидной смолой. Как уже указывалось, пластиковая оболочка армирована волокном, в качестве которого используются, в частности также для уменьшения массы, углеродные волокна или, например, арамидные волокна. Панели и ярмо могут быть выполнены как обычно, из углепластика.

Коэффициент теплового расширения панелей лежит обычно между -1·10^-6 и +4·10^-6 1/K, а стального троса - между 14 и 17·10^-6 1/K. Длина панели и, тем самым, прямого отрезка троса может составлять, например, 1-4 метра и более.

Для того, чтобы при изменении температуры согласовать изменение длины проволочного троса с изменением длины панелей применяют для пластиковой оболочки пластик, коэффициент расширения которого приблизительно соответствует коэффициенту расширения панелей. Поскольку тепловое изменение длины снабженного пластиковой оболочкой отрезка стального троса зависит от сечения троса и площади сечения пластиковой оболочки, тепловое изменение длины можно к тому же регулировать за счет площади сечения пластиковой оболочки.

Кроме того, тепловое изменение длины, то есть изменение длины при изменении температуры, зависит от ориентации армирующих волокон в пластиковой оболочке. Поэтому угол армирующих волокон относительно продольной оси троса является дополнительным параметром регулирования изменения длины проволочного троса в зависимости от температуры.

Другим параметром регулирования теплового изменения длины проволочного троса является отношение покрытой и непокрытой оболочкой длин троса.

Жесткость при растяжении снабженного пластиковой оболочкой отрезка проволочного троса зависит, во-первых, от модуля упругости, а, во-вторых, от площади сечения пластиковой оболочки. Существенное влияние на жесткость при растяжения оказывают к тому же армирующие волокна. Так, углеродные волокна обладают высокой жесткостью в результате растяжения при низкой плотности. Коэффициент теплового расширения их также невелик. Для того, чтобы армирующие волокна полностью проявили свою жесткость при растяжении, они ориентированы преимущественно параллельно продольной оси проволочного троса.

Для изготовления пластиковой оболочки можно нанести на трос преимущественно в продольном направлении, например, пропитанные эпоксидной смолой углеволокнистые ровинги и дать им отвердеть. Одновременно с отвердением эпоксидной смолы образуется прочное клеевое соединение между пластиковой оболочкой и проволочным тросом. В процессе той же или отдельной операции можно дополнительно разместить защитную оболочку из волокнита для углеволокнистых ровингов.

Прочное соединение между пластиковой оболочкой и проволочным тросом является предпосылкой создания тросовой передачи согласно изобретению. Из-за высокой знакопеременной температурной нагрузки при эксплуатации это соединение подвержено значительным нагрузкам.

Прочность соединения между пластиковой оболочкой и проволочным тросом можно повысить за счет того, что пластиковую оболочку выполняют с сужением на ее концах. Благодаря этому тепловое расширение пластиковой оболочки в зоне сужения согласуется с тепловым расширением проволочного троса, вследствие чего уменьшаются усилия между проволочным тросом и пластиковой оболочкой, а это надежно препятствует разрушению клеевого соединения на концах оболочки.

Жесткость при растяжении снабженного пластиковой оболочкой отрезка проволочного троса составляет предпочтительно более чем двойное, в частности по меньшей мере четырехкратное значение жесткости при растяжении самого проволочного троса. Поскольку проволочный трос, с другой стороны, должен в процессе разворачивания обладать определенным, хотя и небольшим пружинящим действием, предпочтительной является жесткость при растяжении от четырех- до десятикратного значения жесткости при растяжении самого проволочного троса.

Правда, можно полностью заменить прямые отрезки проволочного троса массивными пластмассовыми стержнями, в которых заанкерены обведенные вокруг шкивов отрезки проволочного троса. За исключением трудностей анкеровки отрезков проволочного троса в пластмассовых стержнях пластмассовая оболочка проволочных тросов согласно изобретению обеспечивает, однако, запас прочности бесконечного проволочного троса против разрушения отдельных элементов на его прямом участке, а также против разрушения пластиковой оболочки.

Нижеприведенный пример поясняет выполнение изобретения.

Пример. Трос обычной тросовой передачи для разворачивания солнечных панелей покрывали эпоксидной смолой, в которой в продольном направлении троса располагались углеродные волокна. Трос, состоящий из нержавеющей стали, имел диаметр 1,6 мм, а оболочка - наружный диаметр 5 мм. Коэффициент теплового расширения снабженного пластиковой оболочкой отрезка пластикового троса составлял 0,4·10^-6 1/K.

Далее изобретение поясняется более подробно описанием примера выполнения тросовой передачи со ссылкой на чертежи, где на фиг. 1 показан вид сверху на консоль солнечного элемента космического аппарата в начале процесса разворачивания; на фиг. 2 - вид сбоку отрезка консоли по фиг. 1; на фиг. 3 - в перспективе отрезок проволочного троса с частично отрезанной пластиковой оболочкой.

На фиг. 1 на космическом аппарате 1, например спутнике, в гармоникообразно сложенном виде расположена консоль 2 с солнечными элементами. Вторая консоль с солнечными элементами, выполненная идентично первой и расположенная на противоположной стороне спутника 1, на фиг. 1 не показана. Каждая из обеих консолей содержит, например, пять панелей 3-7, которые образуют несущие поверхности для солнечных элементов (не показаны). Самая внутренняя панель 3 соединена посредством шарнирного сочленения 10 с так называемым ярмом 8, которое закреплено на спутнике 1 посредством шарнирного сочленения 9. Панели 3-7 соединены между собой посредством шарнирных сочленений 11-14. Оси шарнирных сочленений 9-14 параллельны друг другу. Шарнирные сочленения 12, 13 между панелями 4-6 более подробно изображены на фиг. 2.

Для разворачивания консоли 2 имеется привод, например приводные пружины, отводящий ярмо 8 от спутника 1, панель 3 от ярма 8, а панели 4-7 друг от друга, как это показано двойными стрелками 15-19 на фиг. 1. Для того, чтобы при разворачивании центр S тяжести консоли 2 двигался по заданной прямой траектории 21, предусмотрена тросовая передача, состоящая из верхних шкивов 22-27 и нижних шкивов на шарнирных сочленениях 9-14, причем из нижних шкивов на фиг. 2 видны шкивы 25', 26'. Верхние 22-27 и нижние 25', 26' шкивы попарно связаны тросами 29-33. Выполненные бесконечными тросы 29-33 охватывают соответствующую пару шкивов и, как показано на фиг. 2, прочно соединены со шкивами 25, 26 в точках 45, 46.

Как показано на фиг. 2, с помощью шарнирного сочленения 12, каждое шарнирное сочленение состоит из двух шарниров 35, 36 с соответствующей осью 37, 38, установленной в опоре 39, 40. Ось 37 шарнира 35 жестко соединена с панелью 4, а ось 38 шарнира 36 - с панелью 5. Опоры 39, 40 закреплены на соответствующей панели 5 и 4.

Таким образом, например, из обеих соседних панелей 4, 5, соединенных между собой посредством шарнирного сочленения 12, верхний шкив 25 жестко соединен с панелью 4, а нижний шкив 25' - с панелью 5.

Изображенный на фиг. 1 стрелками 15-19 привод для разворачивания панелей 3-7 может быть образован, как это показано на фиг. 2, приводными пружинами 42, 43, которые одним концом закреплены соответственно на оси 37, 38 шарниров 35, 36, а другим концом - соответственно на панели 5 и 4. Согласно изобретению прямые отрезки бесконечных тросов, как это показано с помощью троса 32 на фиг. 2, снабжены за пределами шкивов 25, 26 пластиковой оболочкой 47, 48. Для того, чтобы не ухудшить гибкость в зоне шкивов 25, 26, проволочный трос 32 может быть в этой зоне снабжен только на отдельных отрезках пластиковой оболочкой (не показана).

Пластиковая оболочка 47, как изображено на фиг. 3, снабжена армирующими волокнами 50, проходящими преимущественно параллельно продольной оси проволочного троса 32. На своем конце 49 пластиковая оболочка 47 выполнена с коническим сужением. Другой конец пластиковой оболочки 47 (на фиг. 3 не показан) выполнен с сужением подобным же образом.

Формула изобретения

1. Передача для перемещения снабженных солнечными элементами панелей, гармоникообразно сложенных на космическом аппарате с помощью шарнирных сочленений, содержащая шкивы в каждом шарнирном сочленении, соединенные с одной панелью жестко, а с соседней - с возможностью вращения, причем каждые два соседних шкива охвачены бесконечным проволочным тросом, жестко соединенным с ними, отличающаяся тем, что проволочный трос (29 - 33) снабжен вне зоны шкивов (22 - 27; 25', 26') жестко соединенной с ним пластиковой оболочкой (47, 48).

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что пластиковая оболочка (47, 48) армирована волокнами.

3. Передача по п.1 или 2, отличающаяся тем, что изменение длины проволочного троса (29 - 33) при изменении температуры за счет коэффициента теплового расширения и площадь сечения пластиковой оболочки (47, 48) согласованы с температурным изменением длины панелей (3 - 7).

4. Передача по п.2 или 3, отличающаяся тем, что изменение длины проволочного троса (29 - 33) при изменении температуры за счет армирующих волокон (50) относительно продольной оси проволочного троса согласовано с температурным изменением длины панелей (3 - 7).

5. Передача по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что жесткость при растяжении снабженных пластиковой оболочкой (47, 48) отрезков троса можно регулировать за счет площади сечения и модуля упругости пластиковой оболочки (47, 48).

6. Передача по п.2, отличающаяся тем, что жесткость при растяжении снабженных пластиковой оболочкой (47, 48) отрезков троса можно регулировать за счет угла армирующих волокон (50) относительно продольной оси проволочного троса.

7. Передача по одному из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что жесткость на растяжение снабженных пластиковой оболочкой (47, 48) отрезков троса составляет по меньшей мере двойное значение жесткости на растяжение проволочного троса.

8. Передача по одному из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что пластиковая оболочка (47, 48) имеет на своих концах сужение (49).

9. Передача по п.2, отличающаяся тем, что армирующие волокна (50) выполнены углеродными.

10. Передача по одному из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что проволочный трос (29 - 33) дополнительно покрыт на отдельных отрезках пластиковой оболочкой для сохранения его гибкости в зоне шкивов (22 - 27).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3