ПРИВОД ШАРНИРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ РАЗВОРАЧИВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ИЛИ АНТЕНН КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
HINGED JOINT DRIVE FOR DEPLOYMENT OF SOLAR PANELS OR SPACECRAFT ANTENNAE

Настоящее изобретение относится, преимущественно, к приводам поворотных конструкций космического аппарата, например панелей солнечных батарей или антенн.
Из существующего уровня техники известно шарнирное соединение (патент RU 112962 U1 F16C 11/04 27.07.2011), содержащее корпус с осью и полый стержневой элемент, установленный на оси с возможностью поворота и подпружиненный относительно корпуса пружиной. Шарнирное соединение снабжено гибкой тягой, расположенной в полости стержневого элемента, пружина выполнена в виде пружины растяжения или сжатия и установлена в полости стержневого элемента с возможностью взаимодействия одним концом со стержневым элементом, а другим концом с одним концом гибкой тяги. Другой конец гибкой тяги прикреплен к корпусу в месте, обеспечивающем возможность возникновения плеча, силы упругости пружины относительно оси.
Из существующего уровня техники известно развертывающееся шарнирное соединение (патент RU 2474736 C1 F16C 11/04 H01Q 15/14 27.07.2011), содержащее корпус с двумя осями и два полых стержневых элемента, каждый из которых установлен на оси с возможностью поворота и подпружинен относительно корпуса пружиной. Каждый элемент снабжен гибкой тягой, расположенной в его полости, а корпус снабжен двумя профилированными элементами с выпуклой поверхностью, каждая из которых обращена к элементу и размещена между осью и элементом. Пружина выполнена в виде пружины сжатия и установлена в полости элемента с возможностью взаимодействия одним концом с элементом, а другим концом с концом тяги, расположенным внутри элемента. Выступающая из элемента часть каждой тяги размещена на выпуклой поверхности элемента и прикреплена своим концом к корпусу.
Из существующего уровня техники известен шарнирный узел для развертывания и фиксации панелей батареи солнечной или рефлекторов (патент US 005911536 A F16C 11/04 01.12.1997), содержащий поворотную вилку, которая поворачивается на 180° вокруг общей оси вращения с зафиксированной шарнирной опорой. Диск, установленный на шарнирной опоре, имеет кривой профиль, который заканчивается канавкой. Запирающая вилка, установленная с возможностью поворота на поворотной вилке, имеет фиксирующий болт с скользящим роликом, который вращается по кривому профилю диска при развертывании поворотной вилки и входит в паз диска, под действием запирающей пружины входящей в зацепление с болтом в конце развертывания. Кривой профиль диска имеет такую форму, что в первой половине угла развертывания поворотной вилки, которая поворачивается под действием силы спиральной пружины, позволяет сохранить часть энергии спиральной пружины в запирающей пружине, которая во второй половине угла развертывания добавляет ее к энергии спиральной пружины моменту развертывания, обеспечивая тем самым примерно постоянный момент развертывания.
Из существующего уровня техники известно устройство раскрытия звеньев бортовых систем космических аппаратов (патент RU 2424952 C1 B64G 1/00 05.02.2010), содержащие неподвижное звено, закрепленное на космическом аппарате и шарнирно связанное с подпружиненным кронштейном раскрываемого звена, закрепленного на космическом аппарате в исходном положении. Кронштейн раскрываемого звена подпружинен пружиной кручения, которая связана с космическим аппаратом посредством регулятора натяжения, зубчатые венцы которого взаимодействуют с зубчатым сектором, выполненным на оси, жестко связанной с неподвижным звеном. На кронштейне раскрываемого звена закреплен узел торможения, подпружиненный шток которого взаимодействует с контактором, шарнирно закрепленным на опорной втулке, установленной в пазах кронштейна раскрываемого звена. Контактор также взаимодействует с поверхностью втулки-кулачка, выполненной с переменным радиусом, а в конце поворота раскрываемого звена с выемкой во втулке-кулачке, установленной в пазы оси. Опорная втулка и втулка-кулачек имеют стойки, взаимодействующие с элементами крепления.
Из существующего уровня техники известен шарнир развертываемой стержневой конструкции (патент RU 112963 U1 F16C 11/04 H01Q 15/14 27.07.2011), содержащий корпус с вилками и вилки для крепления стержневых элементов, установленные на вилках корпуса с возможностью поворота на осях и подпружиненные относительно корпуса, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными вилками, расположенными на одной стороне корпуса, и проушинами для крепления стержневых элементов, охватываемыми дополнительными вилками и установленными с возможностью поворота на осях. 2. Шарнир по п. 1, отличающийся тем, что вилки для крепления стержневых элементов, установленные на вилках корпуса с возможностью поворота на осях, подпружинены относительно корпуса размещенными на осях пружинами кручения. 3. Шарнир по п. 2, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрическими вкладышами из полимерного материала, установленными на осях внутри пружин кручения. 4. Шарнир по п. 1, отличающийся тем, что вилки корпуса с установленными на них вилками для крепления стержневых элементов и дополнительные вилки с охватываемыми ими проушинами для крепления стержневых элементов размещены на корпусе в положении, обеспечивающем при развернутом положении стержневой конструкции пересечение осей прикрепленных стержневых элементов в одной точке.
Из существующего уровня техники наиболее близким к заявленному решению (прототипом) является привод шарнирного соединения, описанный в патенте US №20140230188 A1 B64G 1/22; F24J 2/36 27.03.2014. Шарнирное соединение предназначено для разворачивания и фиксации солнечных батарей, антенн или других элементов космического аппарата, состоящее из двух поворотных деталей, оси и привода. Привод представляет собой приводную спиральную плоскую пружину, расположенную на приводном ролике, один конец которой прикреплен к приводному ролику, а свободный конец раскручивается вокруг оси соединения. Пружина создает движущий момент, преодолевающий момент сопротивления, вызванный трением в соединении. Кривая характеристика момента, созданного пружиной, возрастает при раскрытии поворотных деталей, при этом его значение минимум втрое больше момента сопротивления по всему углу раскрытия.
Опыт проектирования шарнирных соединений для разворачивания солнечных батарей или антенн космического аппарата показывает, что, как правило, максимальное сопротивление движения поворотных деталей возникает в начале и в конце их движения, а в середине имеет меньшее значение. Увеличение сопротивления в вначале движения обуславливается необходимым моментом страгивания, а увеличение сопротивления в конце движения обуславливается включением в работу дополнительных механизмов обеспечивающих фиксацию, телеметрический контроль и т.д., создающих дополнительное сопротивление. Таким образом, требуемый момент создаваемый пружиной должен преодолевать различные значения моментов сопротивления на протяжении всего раскрытия и обеспечивать кратный этому сопротивлению запас по движущему моменту. Недостатками технического решения, описанного в патентах RU 112962 U1, RU 2474736 C1, US 005911536 A, RU 2424952 С1 и US 20140230188 A1, является то, что момент создаваемой пружиной не учитывает изменение сопротивления движению на протяжении всего раскрытия, и настраивается на максимальное его значение в конце раскрытия. Это приводит к появлению больших значений движущего момента, превышающих необходимые и, как следствие, к возникновению дополнительных нагрузок на конструкцию космического аппарата приводящих к увеличению его массы и габаритов, а так же к снижению надежности работы шарнирного соединения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы создать привод шарнирного соединения для разворачивания солнечных батарей или антенн космического аппарата, который обеспечивает максимальный движущий момент, созданный приводной пружиной, в начале и в конце развертывания, кратный моменту сопротивления движения на соответствующем участке развертывания.
Поставленная задача предлагаемого изобретения достигается за счет использования привода шарнирного соединения для разворачивания солнечных батарей или антенн космического аппарата, содержащий приводную пружину, один конец которой закреплен на приводном ролике, конструктивно связанном с одной из поворотных деталей, изготовленную путем скручивания пружинной ленты в спираль. Пружина создает движущей момент, противодействующий ее разматыванию по приводному ролику за счет вращения спирали вокруг приводного ролика, под действием второй поворотной детали. При этом приводная пружина, пружинная лента которой узкая в середине и расширяющаяся к обоим своим концам, обеспечивает максимальный движущий момент, в начале и в конце развертывания, кратный моменту сопротивления движения на соответствующем участке развертывания.
На фиг. 1 представлен общий вид пружинной ленты.
На фиг. 2 представлен общий вид привода шарнирного соединения.
На фиг. 3 представлена диаграмма изменения момента создаваемого пружиной шарнирного привода от угла поворота деталей этого шарнира.
max
min
пр
пр
в
с
2
с
2
Привод шарнирного соединения для разворачивания солнечных батарей или антенн космического аппарата содержит приводную пружину 1, конец Б которой закреплен на приводном ролике 2 (фиг. 2), конструктивно связанном с одной из поворотных деталей, изготовленную путем скручивания пружинной ленты длинной  с шириной профиля b и b на участках  и  соответственно в спираль с заданным радиусом R, создает момент М (Фиг. 1), противодействующую ее разматыванию по приводному ролику с заданным радиусом R за счет вращения спирали вокруг приводнового ролика, под действием второй поворотной детали таким образом, что центр спирали В движется по заданному радиусу R в направлении А (фиг. 2). При этом значение момента, который создает пружина будет завесить от того какая ширина профиля ленты будет соответствовать рабочему участку пружины на определенном углу ϕ поворота спирали, то есть обеспечивается превосходство момента в начале и конце поворота над моментом сопротивления М движению кратное n, а над моментом сопротивления движению М в середине вращения кратное n (фиг. 3).
Работа устройства и изменение значения движущего момента показана на фиг. 3, где:
0
пр2
2
с
1. Разматывание участка  (фиг. 3) спирали соответствует ее повороту на угол от 0 до ϕ и достижению заданного момента М=n⋅М.
0
пр2
2
с
пр1
1
с
пр2
2
с
max
min
max
2. Разматывание участка  являющегося рабочим участком, (фиг. 3) спирали соответствует ее повороту на угол от ϕ до ϕ при этом значение момента изменяется с М=n⋅М до М=n⋅М и снова возрастает до М=n⋅М, за счет изменения ширины профиля от b до b и снова до b на соответствующей длине рабочего участка
max
пр2
2
с
3. Разматывание участка  (фиг. 3) спирали соответствует ее повороту на угол от ϕ до ϕ и сохранению момента М=n⋅М.