РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ КРУПНОГАБАРИТНЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
UNFOLDED LARGE MIRROR REFLECTOR FOR SPACECRAFT

Изобретение относится к космической технике, в частности к развертываемым (раскрываемым) крупногабаритным рефлекторам, зеркальный отражатель (параболоид вращения) которых, например, имеет диаметр 12 м: см. патенты Российской Федерации №№2350519 [1], 2370864 [2], 2370865 [3].
В вышеуказанных технических решениях отражающая поверхность зеркального отражателя образована в результате применения трикотажного сетеполотна из металлической проволоки (например, диаметром 0,05 мм) и при изготовлении их обеспечивается среднеквадратичное отклонение (СКО) профиля отражающей поверхности от теоретического профиля поверхности параболоида вращения не более 1,5 мм, что удовлетворяет в настоящее время требованиям, предъявляемым к ним телекоммуникационными спутниками.
Анализ показывает, что когда к отражающей поверхности зеркального отражателя предъявляются повышенные требования: СКО должно быть не более 0,02 мм, например, для разрабатываемого зеркального отражателя - главного зеркала космического телескопа с диаметром 12 м, главное зеркало должно быть изготовлено из ячеек шестигранной формы из жесткого материала: например, для космического телескопа James Webb главное зеркало с диаметром 6,5 м изготавливается из бериллия - см. «Центр научно-технической информации «Поиск». Бюллетень «Информационные новости». Выпуски: №42, октябрь 2005 г, лист 16; №48, ноябрь 2005 г, лист 12» [3].
Известны конструкции развертываемых зеркальных отражателей, ячейки которых выполнены шестигранной формы согласно патентам США №4811034 [4] и РФ №2237268 [5].
Если главное зеркало (параболоид вращения) разрабатываемого космического телескопа с диаметром 12 м выполнить согласно [4] или [5], то, как показал анализ, они обладают общими существенными недостатками (см. фиг.1 и 2 настоящего описания), а именно:
1. В случае использования для вывода на орбиту вышеуказанного космического телескопа ракетой-носителем типа «Протон» сложенное в транспортировочное положение главное зеркало под обтекателем ракеты-носителя не должно выходить за пределы цилиндрической поверхности с диаметром ≈3,5 м: это означает, как показывают расчеты, что главное зеркало должно быть выполнено из девятнадцати одинаковых ячеек, каждая из которых выполнена шестигранной формы (см. фиг.2 в [4] и фиг.1 и 7 в [5]) с длиной граней ≈1,4 м, т.е. в сложенном положении оно будет находиться внутри цилиндрической поверхности с диаметром ≈3 м, и, следовательно, недостаточно эффективно будет использоваться объем под обтекателем, имеющийся в конической его части.
2. Так как ячейки главного зеркала выполнены шестигранной формы, то после развертывания главного зеркала в рабочее положение образуется отражающая поверхность, в периферии имеющая ломаную линию: это означает, что коэффициент использования потенциально возможной поверхности зеркала низок и, следовательно, зеркало обладает недостаточно высоким значением коэффициента направленного действия.
3. Сложность и недостаточно высокая надежность приведения главного зеркала из транспортировочного в рабочее (раскрытое) положения - обусловлены:
- в [4] для выполнения этого в конструкции, в частности, применяется электропривод, связанный с системой тросов (см. фиг.8), а в [5] - многочисленные электроприводы (равное количеству ячеек минус один);
- и в [4], и в [5] каждая ячейка в пространстве совершает разнотипные (неподобные) движения.
4. Сложность технологии изготовления рабочих поверхностей ячеек: в случае 19 ячеек центральная ячейка имеет свой параболический профиль; граничащие с ней шесть ячеек имеют другой параболический профиль; в периферии расположенные ячейки имеют третий тип параболического профиля, т.е. технология изготовления для получения требуемых рабочих поверхностей для ячеек каждой зоны различна.
Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является развертываемый зеркальный отражатель [5] в варианте выполнения его отражающей поверхности в виде параболоида вращения.
Конструкция известного вышеуказанного зеркального отражателя пояснена чертежами на фиг.1 и 2 настоящего описания.
1
6
1
12
1
6
На фиг.1 изображена принципиальная схема вышеуказанного известного зеркального отражателя с параболической отражающей поверхностью [5] в развернутом рабочем положении, где: 1 -центральная ячейка шестигранной формы, прикрепленная к корпусу космического аппарата; 2-2 - ячейки шестигранной формы, соединенные и зафиксированные с гранями ячейки 1; 3-3 - ячейки шестигранной формы, расположенные по периферии отражателя, соединенные и зафиксированные с гранями ячеек 2-2; 4 - механизмы развертывания с электроприводами; 5 - фиксаторы.
12
На фиг.2 изображена принципиальная схема вышеуказанного известного зеркального отражателя [5] в сложенном положении под обтекателем ракеты-носителя, где: 6 - обтекатель ракеты-носителя; 7 - зеркальный отражатель в сложенном (транспортировочном) положении; 3 - ячейка шестигранной формы зеркального отражателя 7.
Как было указано выше, существенные недостатки известного технического решения следующие:
1. В сложенном состоянии известный зеркальный отражатель занимает объем под обтекателем ракеты-носителя в основном в цилиндрической части, т.е. потребный объем под обтекателем в его цилиндрической части получается относительно большим, в то время как объем под обтекателем в его цилиндрической части, предназначенный для размещения всего космического аппарата с телескопом в случае применения ракеты-носителя типа «Протон», как показывают расчеты, получается без достаточных запасов, что недопустимо на этапе разработки - таким образом известный зеркальный отражатель недостаточно компактен в сложенном положении.
2. В развернутом рабочем положении реализуется отражающая поверхность, меньшая потенциально возможной отражающей поверхности, из-за чего параболическое зеркало обладает недостаточно высоким значением коэффициента направленного действия.
3. Из-за наличия множества электроприводов в механизмах развертывания ячеек усложняется и снижается надежность приведения главного зеркала со сложенного (транспортировочного) положения в рабочее (раскрытое) положение.
i
j
4. Сложность технологии изготовления ячеек зеркального отражателя, обусловленная тем, что профили рабочих (параболических) поверхностей ячеек 1, 2, 3 взаимно отличаются.
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.
Поставленная цель достигается выполнением конструкции развертываемого крупногабаритного зеркального отражателя космического аппарата, содержащего отражающую поверхность из ячеек в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках, механизм развертывания, шарниры и фиксаторы, таким образом, что:
1. Ячейки выполнены в виде одинаковых по форме лепестков с идентичными отражающими поверхностями, расположенными радиально от центральной части до круглого торца отражателя, при этом в свернутом положении отражателя его лепестки, внутренние торцевые поверхности которых являются частями цилиндрической поверхности, установлены друг над другом, обращая отражающие поверхности в одну сторону, и их элементы фиксаторов соединены с ответными частями фиксаторов, расположенными на подвижном цилиндре, соединенном с механизмом развертывания с электромеханическим приводом, наружный диаметр которого менее диаметра цилиндрической поверхности торцов, имеющем возможность многократного попеременного движения поступательного и вращательного, при этом указанный подвижный цилиндр расположен внутри не менее двух концентрически расположенных неподвижных ферменных конструкций с цилиндрическими торцами, имеющими поверхности для посадки лепестков, и первый лепесток установлен на торцах неподвижных конструкций, зафиксирован на них в положении, соответствующем рабочему положению.
2. К торцу подвижного цилиндра со стороны раскрыва рефлектора прикреплен фланец с наружной поверхностью требуемой параболической формы, причем наружный диаметр фланца больше диаметра, образованного торцами лепестков.
3. Ответные части фиксаторов, установленные на подвижном цилиндре, не касаются цилиндрической поверхности, образованной торцами лепестков, и размещены таким образом, что проекции соседних ответных частей фиксаторов на плоскости, перпендикулярной продольной оси подвижного цилиндра, не имеют общих точек.
4. Неподвижные цилиндрические торцы неподвижных ферменных конструкций выполнены с внутренними диаметрами, большими диаметра, образованного торцами лепестков.
5. Лепестки выполнены из материала, такого как, например, бериллий или размеростабильный композиционный материал - углепластик, отражающая поверхность которого образована из тонкого слоя алюминия, или близкого им по свойствам, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.
В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой конструкции развертываемого крупногабаритного зеркального отражателя космического аппарата.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.3-5.
На фиг.3 изображена принципиальная схема предложенного зеркального отражателя, отражающая поверхность которого, например, выполнена в виде параболоида вращения (предложенное изобретение допускает выполнение ее плоской) в развернутом положении, где: 21 - зеркальный отражатель - главное зеркало (параболическое) (с диаметром, например, ≈12 м); 1-20 - одинаковые по форме лепестки с идентичными отражающими поверхностями, расположенными радиально от центральной части до круглого торца отражателя, внутренние торцевые поверхности которых образуют цилиндрическую поверхность 22; 23 - подвижный цилиндр - расположен внутри не менее двух концентрически расположенных неподвижных ферменных конструкций 24 и 25 с цилиндрическими торцами, имеющими поверхности для посадки лепестков 1-20, и первый лепесток 1 установлен на торцах неподвижных конструкций 24 и 25, зафиксирован на них в положении, соответствующем рабочему положению; неподвижные цилиндрические торцы неподвижных ферменных конструкций выполнены с внутренними диаметрами, большими диаметра, образованного торцами лепестков; 28 - фланец, прикрепленный к торцу подвижного цилиндра со стороны раскрыва рефлектора с наружной поверхностью требуемой параболической формы, причем наружный диаметр фланца больше диаметра, образованного торцами лепестков; 29 - механизм развертывания с электромеханическим приводом.
На фиг.4 изображена принципиальная схема предложенного зеркального отражателя в сложенном положении под обтекателем ракеты-носителя (например, типа «Протон»), где: 1-20 - лепестки зеркального отражателя - в свернутом положении отражателя лепестки, внутренние торцевые поверхности которых являются частью цилиндрической поверхности 22, установлены друг над другом, обращая отражающие поверхности в одну сторону, и их элементы фиксаторов соединены с ответными частями фиксаторов, расположенными на подвижном цилиндре 23, соединенном с механизмом развертывания с электромеханическим приводом 29, с наружным диаметром, равным менее диаметра цилиндрической поверхности торцов, имеющем, например, возможность циклического поступательного движения, затем вращения, после чего снова поступательного движения; 23 - подвижный цилиндр; 24, 25 - неподвижные ферменные конструкции; 26 - обтекатель ракеты-носителя; 27 - корпус космического аппарата; 28 - фланец.
На фиг.5 изображена принципиальная схема расположения ответных частей фиксаторов на подвижном цилиндре, где 23.1 - ответные части фиксаторов - установлены на подвижном цилиндре, не касаются цилиндрической поверхности 22, образованной торцами лепестков 1-20, и размещены таким образом, что проекции соседних ответных частей фиксаторов на плоскости, перпендикулярной продольной оси подвижного цилиндра 23, не имеют общих точек.
Следует отметить, что для обеспечения требуемой высокой точности отражающей поверхности лепестков, каждый из которых представляет из себя рамку и прикрепленный к ней тонкий лист с параболической поверхностью, материалы лепестков должны иметь одинаковые (близкие) невысокие коэффициенты линейного расширения (имея в виду широкий температурный диапазон работы лепестков: от 323К до ≈4К), малые значения плотности, обладать высоким модулем упругости для обеспечения жесткости вблизи номинальной рабочей температуры, равной ≈4К. Анализ показал, что таким жестким требованиям, в первую очередь, удовлетворяют бериллий и размеростабильные композиционные материалы с обеспечением соответствующих оптических свойств отражающей поверхности, например углепластик, отражающая поверхность которого образована из тонкого слоя алюминия.
В настоящее время согласно предложенному авторами техническому решению разработана проектная конструкция развертываемого крупногабаритного зеркального отражателя с диаметром 12 м.
Развертывание зеркального отражателя происходит на начальном этапе эксплуатации космического аппарата на орбите, например, следующим образом.
Осуществлен вывод космического аппарата на рабочую орбиту - в процессе вывода его на орбиту последовательно сброшен обтекатель 26 ракеты-носителя, а затем он разделен от разгонного блока.
По циклограмме работы устройств и приборов космического аппарата в соответствующий момент после поступления необходимой команды включается в работу электромеханический привод механизма развертывания 29 и подвижный цилиндр 23 совместно с зафиксированными к нему лепестками 1-20, кроме первого лепестка 1, осуществляет поступательное движение в направлении раскрыва лепестков на заданное расстояние, достаточное для вывода из двух (например) гнезд, расположенных в районе наружных торцов первого лепестка 1, штырей второго лепестка 2 взаимной фиксации лепестков между собой; после вывода штырей второго лепестка 2 из гнезд первого лепестка 1 начинается поворот (в результате вращательного движения) подвижного цилиндра 23 с зафиксированными к нему лепестками 2-20, кроме первого лепестка 1, на заданный угол. Затем подвижный цилиндр 23 с зафиксированными к нему лепестками 2-20 осуществляет поступательное движение в сторону, обратную раскрыву лепестков 2-20, до установки второго лепестка 2 рядом с первым лепестком 1 в рабочее положение и осуществляется фиксация второго лепестка 2 на цилиндрических торцах двух неподвижных конструкций 24 и 25. После этого электромеханический привод 29 временно выключается (или работает на холостом ходу); проводится программный анализ телеметрической информации: если первый 1 и второй лепестки 2 зафиксированы в рабочем положении на неподвижных конструкциях 24 и 25 штатно, то подается команда на поступательное движение подвижного цилиндра 23 с зафиксированными к нему лепестками 3-20 (кроме первого 1 и второго лепестков 2) в сторону раскрыва на определенное расстояние: в результате этого движения
1) ответная часть фиксатора, расположенная на подвижном цилиндре 23, освобождается от другой части фиксатора, расположенной на внутреннем торце второго лепестка 2;
2) одновременно с этим происходит вывод штырей третьего лепестка 3 из гнезд второго лепестка 2; после этого осуществляется аналогично вышеописанному поворот подвижного цилиндра 23 на определенный угол, затем поступательное движение в обратном от раскрыва лепестков направлении до посадки и зафиксирования третьего лепестка 3 в рабочем положении (рядом со вторым лепестком 2).
После этого электромеханический привод 29 переводится, например, в режим холостого хода, осуществляется программный анализ телеметрических данных: если первый 1, второй 2 и третий лепестки 3 зафиксированы на неподвижных конструкциях 24 и 25 штатно, то подается определенная команда на поступательное движение подвижного цилиндра 23 аналогично вышеописанному и процесс развертывания зеркального отражателя продолжается до установки всех девятнадцати лепестков 2-20 в штатное (рабочее) положение.
Как видно из вышеизложенного, развертывание предложенного зеркального отражателя из сложенного положения в рабочее положение осуществляется относительно просто и высоконадежно, при этом, как показал численный анализ, в сложенном положении зеркальный отражатель занимает объем в цилиндрической части обтекателя на (8-12) % меньше, чем известное устройство; кроме того, в результате выполнения ячеек зеркального отражателя согласно предложенному техническому решению после раскрытия его поверхности наружных торцов лепестков находятся в одной плоскости (в плоскости раскрыва) и все лепестки имеют одинаковую параболическую поверхность - таким образом обеспечивается высокий коэффициент направленного действия и упрощается технология изготовления ячеек - лепестков зеркального отражателя, т.е. предложенное техническое решение обеспечивает устранение существенных недостатков известного прототипа и, тем самым, достигается цель изобретения.