Развертываемый крупногабаритный космический рефлектор

Изобретение относится к развертываемым крупногабаритным рефлекторам космических антенн. Технический результат заключается в минимизировании высоты укладки рефлектора в транспортном положении. Сущность изобретения заключается в том, что в состав рефлектора входят силовое кольцо, представляющее собой замкнутый в кольцо механизм пантографа с телескопическими стойками, и радиальные опорные элементы, расположенные равномерно по кругу, каждый из которых выполнен в виде шарнирно соединенных стержней, образующих механизм пантографа. Радиальные элементы соединены с одной стороны с центральным звеном рефлектора, а с другой - с соответствующей телескопической стойкой силового кольца и имеют кривизну, соответствующую кривизне отражающей поверхности в плоскости этого элемента. Формообразующий рабочую поверхность элемент выполнен в виде пространственной сетчатой структуры, состоящей из двух сетей, стянутых гибкими элементами. Одна из сетей является поддерживающей и закрепляется по периферии на телескопических стойках силового кольца и на шарнирных соединениях стержней радиальных опорных элементов, другая является профилирующей с ячейками треугольной формы и закрепляется по периферии на штангах-удлинителях, установленных на телескопических стойках силового кольца, и стягивается в узловых точках ячеек гибкими стягивающими элементами с противолежащими элементами поддерживающей сети. Радиоотражающий элемент монтируют на профилирующую сеть с ее выпуклой стороны, точно повторяющей в раскрытом положении геометрию ячеек профилирующей сети. 7 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, к развертываемым крупногабаритным космическим конструкциям, в частности, может быть использовано для рефлекторов космических антенн, выполненных, например, на основе крупногабаритных стержневых конструкций.

Известна складывающаяся конструкция рефлектора "зонтичного типа", например, патент США №2945234 от 12.07.1960 года, в которой к центральному узлу рефлектора крепятся радиальные профилированные ребра. Параллелограммный механизм позволяет складывать ребра поворотом к оси рефлектора. К профилированной кромке ребер крепится поддерживающая сеть, на которую монтируется радиоотражающий элемент антенны. Достигаемая точность формы обеспечивается количеством ребер.

Существенным недостатком конструкции является ограничение размеров рефлектора в раскрытом состоянии. Для крупногабаритных конструкций, например, раскрываемых на орбите антенн, это техническое решение неприемлемо, так как в транспортном положении они требуют наличия головных обтекателей с чрезмерно большими зонами полезного груза. Это приводит к росту размеров головных обтекателей и, следовательно, массы и нагрузок на ракету-носитель и к ужесточению требований к системе управления ракеты-носителя, кроме того, точность воспроизведения заданной формы отражающей поверхности у этих конструкций уменьшается к периферии.

Известно также техническое решение конструкции раскрываемых рефлекторов, например, по патенту США №3286259 от 30.04.1964 года, где к жесткой профилированной средней части рефлектора шарнирно по периферии закреплены складываемые силовые элементы конструкции. Шарнир позволяет элементу вращаться в плоскости, перпендикулярной оси рефлектора, обеспечивая складывание. Силовой элемент изогнут так, что при складывании он укладывается на боковую поверхность средней части рефлектора рядом с предыдущим аналогичным элементом. При этом в раскрытом состоянии они вместе образуют профилированную поверхность, дополняя профилированную среднюю часть рефлектора. К силовым элементам крепится радиоотражающий элемент антенны, который натягивается при раскрытии силовых элементов.

В техническом решении по патенту США №5446474 от 29.08.1995 года предлагается конструкция рефлектора, в которой к средней части рефлектора, выполненной в виде катушки, на шарнирах, установленных под набольшим углом к оси рефлектора, крепятся профилированные со стороны рабочей части радиальные ребра. Ребра изготовлены из пружинящего материала. На профилированную часть ребер крепится сетка с радиоотражающим элементом антенны. Поворотом вокруг оси шарнира и изгибом ребра в транспортном положении наматываются на среднюю часть. Достигаемая точность формы обеспечивается количеством ребер.

Недостатки конструкций по указанным двум патентам повторяют недостатки по патенту США №2945234 от 12.07.1960 года.

Известно развертываемое антенное устройство по патенту США №4482900 от 13.11.1984 года, в котором рефлектор содержит силовой элемент форменной конструкции, набранный из параллелепипедов. Вертикальные ребра параллелепипедов состоят из одинаковых стержней. Эти стержни соединены сверху и снизу так называемыми поверхностными стержнями. Поверхностные стержни состоят из двух элементов, соединенных шарниром, обеспечивающим их складывание. Поддержание формы параллелепипеда обеспечивается складываемыми диагоналями. Для складывания каждого параллелепипеда необходимо сверху и снизу сложить пополам поверхностные стержни и диагонали. При этом вертикальные стержни сближаются, а поверхностные стержни и диагонали складываются таким образом, что они остаются между вертикальными стержнями. Заданная форма рефлектора обеспечивается подбором длин диагональных элементов для каждого параллелепипеда. Радиоотражающий элемент крепится к вертикальным стержням со стороны рабочей поверхности рефлектора.

Достигаемая точность формы обеспечивается размером параллелепипедов.

Существенным недостатком конструкции является то, что для достижения приемлемой точности формы рефлектора приходится увеличивать количество элементов конструкции и, следовательно, ее массу. Кроме того, при увеличении количества элементов (параллелепипедов) будет возрастать отклонение формы рефлектора от требуемой.

В патенте США №5864324 от 26.01.1999 года предложена телескопически развертываемая антенна и метод ее развертывания

Силовая пространственная конструкция рефлектора образована парными шарнирно соединенными телескопическими штангами, устанавливаемыми в радиальных плоскостях. Одним концом штанги шарнирно крепятся к верхнему торцу центрального узла рефлектора. К другим концам штанг и в районе шарнира консольно на шарнирах крепятся поперечные стойки. Жесткость конструкции достигается системой тросовых расчалок, связывающих телескопические штанги через поперечные стойки с нижним торцом центрального узла рефлектора. К выступающим концам периферийных поперечных стоек и к торцу центрального узла крепятся радиальные нити. Профилирование радиальных нитей осуществляется вертикальными натяжными нитями соответствующей длины, закрепленными на телескопических штангах. Формообразование сегментов поверхности рефлектора между радиальными телескопическими штангами осуществляется концентрическими нитями, соединяющими радиальные нити, которые также оттягиваются вертикальными натяжными нитями соответствующей длины, закрепленными к расчалкам, лежащим на противоположных поверхностях. Достигаемая точность формы обеспечивается размером ячеек образуемых радиальными и концентрическими нитями. К сети крепится радиоотражающий элемент.

Существенным недостатком конструкции является ограничение максимальных размеров рефлектора, большое количество разворачиваемых сочленений конструкции в радиальном направлении и, следовательно, недостаточная точность формообразования.

Известен развертываемый рефлектор AstroMesh^® фирмы AstroAerospace (патент №5680125 от 21. 10.1997 года).

Рефлектор содержит разворачиваемый силовой замкнутый стержневой каркас, на торцах которого по периферии зеркально закреплены две одинаково профилированные сетки. Для обеспечения заданной формы обе сетки соединены между собой по узлам параллельными нитями. К одной из сетей крепится радиоотражающий элемент. Достигаемая точность формы обеспечивается размером ячеек сеток.

Существенным недостатком конструкции является большая высота каркаса рефлектора в сложенном состоянии, обусловленная необходимостью обеспечения высоты силового кольца рефлектора как минимум равной двойной величине "глубины чаши" отражающей поверхности рефлектора из-за наличия двух зеркально профилированных сеток.

В патенте США №6028570 от 22.02.2000 года предложено техническое решение по конструкции силового кольца раскрываемого рефлектора, отличающееся от заявленного в патенте №5680125 от 21.10.1997 года схемой раскрытия стержневого каркаса силового кольца.

Известна также конструкция развертываемого крупногабаритного рефлектора, разработанного грузинским институтом космических сооружений совместно с РКК "Энергия" (Журнал "Аэрокосмический курьер", №6, 1999 г., стр.58-61).

Рефлектор содержит центральный узел, силовое кольцо, электромеханические приводы развертывания, радиоотражающий элемент, опорные радиальные лепестки. Силовое кольцо представляет собой стержневую конструкцию в виде кольцевого пантографа. Каждый лепесток имеет симметричную трапециевидную форму и профилирован по длине в соответствии с кривизной параболической поверхности.

Основной недостаток конструкции - ее сложность и, как следствие, недостаточная надежность развертывания.

Прототипом заявляемого изобретения является развертываемый крупногабаритный рефлектор (патент №2214659 от 05.09.01, МПК7 Н 01 Q 15/16, 1/28).

Рефлектор содержит силовое кольцо, собранное из стержней, центральный узел, опорные радиальные лепестки, рычаги и подкосы, электромеханические приводы развертывания, отражающую поверхность рефлектора, выполненную в виде сетеполотна.

Силовое кольцо в развернутом положении представляет собой механизм пантографа, замкнутый в кольцо. Центральный узел расположен в геометрическом центре силового кольца, опорные лепестки шарнирно соединены с корпусом центрального узла и с наружными телескопическими стойками силового кольца.

Формообразование отражающей поверхности рефлектора обеспечивается путем закрепления сетеполотна на концах штанг расчетной длины, определяемой заданным профилем отражающей поверхности, установленных на опорных лепестках и рычагах. Проекция отражающей поверхности рефлектора в плане имеет форму эллипса, что обеспечивается за счет использования разнодлинных рычагов и подкосов. Достигаемая точность формы обеспечивается выбором необходимого количества опорных лепестков и шага установки штанг на лепестках и рычагах.

В состоянии транспортной укладки силовое кольцо имеет цилиндрическую форму, при этом стержни и телескопические стойки силового кольца, а также рычаги и подкосы, сложены вдоль образующей цилиндра. Высота транспортной укладки рефлектора превышает высоту сложенного силового кольца и определяется выбранной максимальной длиной рычагов.

Недостатком конструкции является увеличение отклонения от заданной формы отражающей поверхности к периферии рефлектора вследствие установки формообразующих элементов (штанг) только в радиальном направлении на опорных лепестках и рычагах, что требует определенного необходимого количества опорных лепестков и рычагов в конструкции рефлектора заданных размера и точности формы отражающей поверхности, которое может быть избыточным с точки зрения жесткости и устойчивости конструкции и приводит к усложнению конструкции и увеличению массы рефлектора.

Также существенным недостатком является пропорциональное увеличение габаритной высоты транспортной укладки с увеличением размера рефлектора.

Задачей изобретения является обеспечение возможности минимизации высоты укладки рефлектора в транспортном положении, для широкого диапазона габаритов и форм рефлекторов, что позволит расширить диапазон возможных компоновочных решений при размещении космических аппаратов в ограниченной зоне под головным обтекателем ракеты-носителя; а также обеспечение требуемой точности формы по всей площади отражающей поверхности рефлектора при уменьшении количества элементов конструкции рефлектора, что ведет к упрощению конструкции, уменьшению ее массы и, как следствие, увеличению надежности конструкции.

Решение задачи достигается тем, что в развертываемом крупногабаритном рефлекторе, содержащем силовое кольцо, центральный узел, радиальные опорные элементы, расположенные равномерно по кругу, плоскость которого перпендикулярна продольной оси центрального узла, приводы раскрытия, формообразующий рабочую поверхность элемент и радиоотражающий элемент, каждый радиальный опорный элемент выполняется из шарнирно соединенных между собой стержней, образующих механизм пантографа, и своими концами связан со стойкой центрального узла с одной стороны и соответствующей стойкой силового кольца с другой, при этом в раскрытом положении радиальные опорные элементы имеют соотношение длин стержней, обеспечивающее их кривизну в соответствии с кривизной отражающей поверхности рефлектора в плоскости раскрытия элемента, а в сложенном положении не выступают по высоте за пределы транспортной укладки силового кольца; длины стержней радиальных опорных элементов, стержней и телескопических стоек силового кольца выбираются независимо от глубины профиля рефлектора; формообразование рабочей поверхности рефлектора обеспечивается пространственной сетчатой структурой, состоящей из двух сетей, соединенных между собой гибкими элементами, работающими на растяжение, одна из которых является поддерживающей, закрепляется по периферии на телескопических стойках силового кольца и на шарнирных соединениях стержней радиальных опорных элементов со стороны отражающей поверхности, другая является профилирующей с ячейками треугольной формы, по периферии закрепляется на штангах-удлинителях, установленных на телескопических стойках силового кольца, и в узловых точках ячеек соединена гибкими элементами с противолежащими элементами поддерживающей сети, радиоотражающий элемент монтируется на профилирующую сеть с ее выпуклой стороны и после раскрытия рефлектора и расчетного натяжения сети точно повторяет геометрию ячеек сети, при этом размеры ячеек профилирующей сети не зависят от степени удаления ячейки от центра рефлектора.

На фигуре 1 изображен общий вид рефлектора. На фигуре 2 изображен вид укладки рефлектора в транспортном положении.

На фигуре 3 изображены сечения рефлектора в радиальном направлении для раскрытого и транспортного положений.

На фигурах 4, 5, 6 изображены виды фрагментов рефлектора.

На фигуре 7 изображена схема расчета соотношений длин стержней в звеньях радиального опорного элемента.

1 - силовое кольцо;

2 - центральный узел;

3 - радиальный опорный элемент;

4 - профилирующая сеть;

5 - поддерживающая сеть;

6 - гибкий стягивающий элемент;

7 - радиоотражающий элемент;

8 - стержень силового кольца;

9 - стержень радиального опорного элемента;

10 - стойка центрального узла;

11 - ползун;

12 - телескопическая стойка силового кольца;

13 - штанга-удлинитель силового кольца;

14 - узловая точка сети;

15 - привод раскрытия;

16 - звено радиального опорного элемента.

Описание устройства.

Предлагаемый развертываемый крупногабаритный космический рефлектор содержит силовое кольцо (1), центральный узел (2), радиальные опорные элементы (3), формообразующий рабочую поверхность элемент, состоящий из профилирующей сети (4) и поддерживающей сети (5), стянутых гибкими стягивающими элементами (6), связывающие обе сети, и радиоотражающий элемент (7), например сетеполотно.

Силовое кольцо (1) рефлектора по конструкции аналогично силовому кольцу прототипа, собирается из шарнирно соединенных стержней (8), представляет замкнутый в кольцо механизм пантографа, оснащенный приводами раскрытия (15), например электромеханическими, которые могут быть расположены на части телескопических стоек силового кольца (1).

Центральный узел (2) выполнен, например, в виде стойки (10) с ползуном (11).

Радиальный опорный элемент (3), выполняется из шарнирно соединенных стержней (9), представляет собой механизм пантографа, закрепленный, например, с одного конца к стойке (10) центрального узла (2) и ползуну (11), перемещающемуся по этой стойке, а с другого конца к соответствующей телескопической стойке силового кольца (12). Радиальные опорные элементы (3) расположены равномерно по кругу, плоскость которого перпендикулярна продольной оси стойки центрального узла (10).

В состоянии транспортной укладки стержни (9) радиальных опорных элементов сложены параллельно стержням (8) и телескопическим стойкам (12) силового кольца, при этом выбор длины стержней (9) радиальных опорных элементов осуществляется таким образом, чтобы в сложенном положении они не выступали по высоте за габарит транспортной укладки элементов силового кольца (1).

В раскрытом положении радиальные опорные элементы (3) за счет выбора соотношения длин стержней (9) имеют кривизну и огибают поверхность радиоотражающего элемента (7) рефлектора в плоскости раскрытия опорного элемента, что позволяет, в отличие от прототипа, имеющего радиальный опорный элемент в виде прямого лепестка, уменьшить высоту силового кольца (1), по сравнению с прототипом, у которого высота силового кольца не может быть меньше глубины профиля отражающей поверхности рефлектора.

Форма радиального опорного элемента (3) может выбираться, например, в виде дуги окружности, тогда соотношение длин стержней (9) может быть найдено, например, из решения системы алгебраических уравнений, которая позволяет получить длины стержней (9) для каждого звена (16) радиального опорного элемента (3) в зависимости от соотношений длин предыдущего звена.

длины стержней (9) вычисляются по формулам:

где x - абсцисса;

y - ордината;

а, b, с - параметры эллипса;

R - радиус окружности;

cx₁, cx₂, cy₁, су₂ - координаты фокусов эллипсов;

l₁, l₂ - длины стержней (9).

Длины стержней (9) первого звена (16), например ближнего к центральному узлу (2), может быть определено экспертным путем с учетом необходимости минимизации количества элементов и массы конструкции, выполнения возможных требований по высоте радиального опорного элемента (3) и условия не превышения элементами радиального опорного элемента (3) в сложенном положении габаритов транспортной укладки силового кольца (1).

Поддерживающая сеть (5) представляет собой пространственную сетчатую структуру в виде "паутины" и состоит из радиальных тросов, закрепленных в направлении от центрального узла (1) на шарнирах радиальных опорных элементов со стороны отражающей поверхности, и концентрически расположенных тросов, соединяющих равноудаленные в плане от центра точки на радиальных опорных элементах.

Профилирующая сеть (4) с ячейками треугольной формы, аппроксимирующими заданную форму поверхности радиоотражающего элемента (7) рефлектора, закрепляется по периферии на штангах-удлинителях (13), устанавливаемых на телескопических стойках (12) силового кольца, и в узловых точках (14) соединена гибкими стягивающими элементами (6) с противолежащими элементами поддерживающей сети. Размер треугольной ячейки профилирующей сети выбирается независимо от степени удаления ячейки от центра рефлектора и может быть одинаковым по всей площади поверхности радиоотражающего элемента (7) рефлектора.

Радиоотражающий элемент (7) монтируется на профилирующей сети с ее выпуклой стороны и соединяется с ней в узловых точках (14), и после раскрытия рефлектора и расчетного натяжения профилирующей сети (4) точно повторяет геометрию ячеек сети.

Проекция радиоотражающего элемента (7) рефлектора в плане может иметь как форму круга, так и эллиптическую форму, что обеспечивается за счет применения разнодлинных радиальных опорных элементов (3) и выбора соответствующего углового положения между рабочими плоскостями соседних звеньев силового кольца (1). Функционирование устройства.

В процессе развертывания рефлектора происходит раскрытие силового кольца (1) при помощи приводов раскрытия (15). Радиальные опорные элементы (3) в транспортном положении сложены в радиальном направлении между телескопическими стойками (12) силового кольца и стойкой (10) центрального узла, и в ходе раскрытия силового кольца раздвигаются от радиальных усилий, передаваемых через телескопические стойки (12). На завершающей стадии после полного раскрытия силового кольца и стопорения ползуна (11) шарнирные соединения стержней радиальных опорных элементов (9), расположенные со стороны отражающей поверхности рефлектора, располагаются на некотором расстоянии от поверхности отражающего элемента рефлектора. На этом этапе обеспечивается натяжение всех элементов, составляющих формообразующую рабочую поверхность элемента: профилирующей сети (4), поддерживающей сети (5) и гибких стягивающих элементов (6), и, соответственно, радиоотражающего элемента (7), который принимает требуемую форму отражающей поверхности рефлектора.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить габаритную высоту транспортной укладки рефлектора, так как длина стержней (9) радиального опорного элемента (3), стержней (8) и телескопических стоек (12) силового кольца (1) не зависит от глубины профиля рефлектора; это позволит более компактно размещать космические аппараты, оснащенные крупногабаритными антеннами, в ограниченной зоне под головным обтекателем ракеты-носителя, количество опорных радиальных элементов и, как следствие, массу рефлектора, упростить его конструкцию, следовательно, процесс сборки и надежность конструкции, а также обеспечить одинаковую точность формы рабочей поверхности рефлектора за счет ее аппроксимации треугольными элементами, размеры которых могут быть выбраны независимо от их удаления от центра к периферии рефлектора.

Развертываемый крупногабаритный космический рефлектор, содержащий силовое кольцо в виде пантографа с телескопическими стойками, центральный узел, радиальные опорные элементы, расположенные по кругу, приводы раскрытия, формообразующий рабочую поверхность элемент и радиоотражающий элемент, отличающийся тем, что каждый радиальный опорный элемент выполнен из шарнирно соединенных между собой стержней, образующих механизм пантографа, при этом каждый радиальный опорный элемент одним концом связан с соответствующей телескопической стойкой силового кольца, а другим - с центральным узлом, радиальный опорный элемент в раскрытом положении имеет кривизну, соответствующую кривизне отражающей поверхности рефлектора в плоскости этого элемента, формообразующий рабочую поверхность элемент представляет из себя пространственную сетчатую структуру, состоящую из двух сетей, соединенных между собой гибкими элементами, работающими на растяжение, при этом одна из сетей является поддерживающей и закрепляется по периферии рефлектора на телескопических стойках силового кольца и на шарнирах радиальных опорных элементов со стороны отражающей поверхности, а другая сеть с ячейками треугольной формы является профилирующей, она аппроксимирует заданную форму отражающей поверхности и закреплена по периферии рефлектора на штангах-удлинителях, установленных на телескопических стойках силового кольца, в узловых точках треугольных ячеек профилирующая сеть соединена гибкими элементами с противолежащими элементами поддерживающей сети, радиоотражающий элемент смонтирован на профилирующей сети с ее выпуклой стороны и после раскрытия рефлектора и расчетного натяжения этой сети точно повторяет геометрию треугольных ячеек профилирующей сети.