РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ КРУПНОГАБАРИТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОР (ВАРИАНТЫ)
UNFOLDABLE LARGE-SIZED SPACE REFLECTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к развертываемым крупногабаритным космическим конструкциям, а именно к развертываемым космическим рефлекторам.
Известны развертываемые конструкции антенного рефлектора зонтичного типа по патенту США №2,945,234 (опубл. 12.07.1960 [1]) и авторскому свидетельству СССР №1054854 (опубл. 15.11.1983 [2]), в которых к средней части рефлектора крепятся профилированные ребра. В транспортном состоянии они складываются к фокальной оси, а в развернутом откидываются. К профилированной кромке ребер крепится поддерживающая сетка, на которой смонтирован гибкий радиоотражающий элемент антенны, или непосредственно сам этот элемент. Для откидывания ребер в рабочее положение используется надувная оболочка. Достигаемая точность формы рефлектора в этих конструкциях определяется количеством ребер и поэтому существенно ограничена. Кроме того, размер рефлектора в транспортном состоянии равен примерно половине его диаметра в развернутом состоянии, что затрудняет вывод на орбиту рефлекторов больших размеров.
В устройстве по патенту США №5,446,474 (опубл. 29.08.1995 [3]) тоже применен зонтичный принцип. К средней части рефлектора, выполненной в виде катушки, на шарнирах под небольшим углом к фокальной оси установлены профилированные радиальные ребра, изготовленные из пружинящего материала. На профилированную часть ребер крепится сетка с радиоотражающим элементом антенны. Поворотом вокруг оси шарнира и изгибом ребра в транспортном состоянии наматываются на среднюю часть. Благодаря этому уменьшаются размеры рефлектора в транспортном состоянии. Однако достигаемая точность воспроизведения формы отражающей поверхности, как и в рефлекторах по патенту [1] и авторскому свидетельству [2], определяется количеством ребер. Кроме того, из-за использования гибких ребер она ухудшается по мере удаления от центра.
В патенте Российской Федерации №2019009 (опубл. 30.08.1994 [4]) описана надувная конструкция, содержащая несколько примыкающих друг к другу тороидальных камер, диаметр образующих окружностей которых уменьшается, а радиус вращения этих окружностей увеличивается к периферии рефлектора. Камеры соединены с гибким отражающим полотном. Полости между парами соседних камер и полотном герметичны и тоже предназначены для заполнения газом, причем каждая из них соединена вентилем с окружающей средой. Форма отражающей поверхности в этом рефлекторе задается при изготовлении гибкого отражающего полотна, а надувные камеры выполняют роль основания рефлектора, обеспечивающего расправление гибкого полотна в рабочее положение. Размер такого рефлектора в транспортном состоянии может быть небольшим, так как определяется фактически суммарным объемом незаполненных газом тороидальных оболочек и гибкого отражающего полотна. Однако точность воспроизведения формы отражающей поверхности невелика, так как в промежутках между соседними тороидальными камерами могут возникать гофры, для устранения которых необходимо индивидуально регулировать давление в каждой из упомянутых полостей. Это, кроме того, усложняет процесс приведения рефлектора в рабочее положение.
Из патента США №5,680,125 (опубл. 21.10.1997 [5]) известен рефлектор, содержащий развертываемый силовой замкнутый стержневой каркас, на торцах которого по периферии зеркально закреплены две профилированные сетки, которые в развернутом состоянии имеют зеркально симметричную форму. Для обеспечения заданной формы отражающей поверхности обе сетки соединены между собой по узлам параллельными нитями, а радиоотражающий элемент крепится к одной из сеток.
В космическом рефлекторе по патенту Российской Федерации №2262784 (опубл. 20.10.2005 [6]) профилированной является только одна из сеток, а другая (поддерживающая) сетка в развернутом состоянии должна быть плоской. При этом в данном устройстве профилированная сетка крепится своей периферийной частью к развертываемому силовому кольцу, к телескопическим стойкам которого крепятся опорные радиальные элементы, а к последним и к указанному кольцу крепится поддерживающая сетка. Противолежащие узловые точки обеих сеток соединены гибкими параллельными элементами, обеспечивающими заданную форму отражающей поверхности. Благодаря тому что в этом устройстве используется только одна профилированная сетка, размер рефлектора в транспортном состоянии может быть уменьшен, так как в устройстве по патенту [5] он равен, как минимум, удвоенной величине прогиба профиля отражающей поверхности из-за наличия двух зеркально симметричных профилированных сеток.
Достигаемая точность воспроизведения формы поверхности в обоих рефлекторах по патентам [5] и [6] определяется размером ячеек сеток и может быть значительно выше, чем в названных выше устройствах по патентам и авторскому свидетельству [1]-[4]. Однако наличие в конструкции по патенту [5] стержневого каркаса, для сворачивания и развертывания которого необходимо большое количество подвижных соединений, уменьшает надежность работы в условиях космоса. В конструкции по патенту [6] необходимо обеспечить достаточно большую изгибную жесткость радиальных элементов, которые должны создавать базирующую поверхность для закрепления поддерживающей сетки (в противном случае не может быть достигнута требуемая точность воспроизведения формы поверхности рефлектора). Кроме того, наличие развертываемого силового кольца в виде стержневой системы с телескопическими стойками, как и в устройстве по патенту [5], существенно снижает надежность конструкции.
К предлагаемому изобретению по обоим вариантам наиболее близко техническое решение по патенту [5]. Изобретение по обоим вариантам направлено на достижение технического результата, заключающегося в сохранении высокой геометрической точности рефлектора при его развертывании и эксплуатации в условиях космоса при одновременном повышении надежности благодаря тому, что в предлагаемой конструкции не требуется использование подвижных механических элементов и их соединений. Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый развертываемый космический рефлектор по первому варианту, как и указанный наиболее близкий к нему известный рефлектор по патенту [5], содержит средство для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее, а также две зеркально симметричные профилированные сетки, по меньшей мере на одной из которых закреплен гибкий радиоотражающий элемент, образующий рабочую поверхность рефлектора. Указанные две профилированные сетки соединены между собой по их узлам параллельными нитями и прикреплены своими краями к указанному средству для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом рефлекторе по первому варианту, в отличие от наиболее близкого к нему известного, средство для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее выполнено в виде герметичной надувной оболочки из гибкой радиопрозрачной пленки, снабженной армирующими элементами для придания ей в наполненном газом состоянии изотензоидной формы. Указанные армирующие элементы выполнены в виде нитей, проложенных с наружной стороны оболочки с постоянным шагом по меридиональным линиям между двумя противоположными полярными точками. При этом внутри указанной оболочки в меридиональных плоскостях, проходящих через указанные меридиональные линии, расположены пары одинаковых растяжек, обе растяжки каждой пары своими концам прикреплены в точке, расположенной на экваториальной линии оболочки, к армирующему элементу в виде нити, к другим концам растяжек каждой пары прикреплена своими концами жесткая стойка, а указанное крепление краев двух профилированных сеток осуществлено к противоположным концам таких стоек.
Таким образом, в предлагаемом рефлекторе по первому варианту одинаковое с устройством по патенту [5] выполнение и взаимное расположение профилированных сеток обеспечивается без использования каких бы то ни было подвижных механических частей и вообще без использования жестких элементов, за исключением указанных стоек, являющихся простейшими пассивными высоконадежными элементами. Армирующие нити, расположенные снаружи надувной оболочки, создают силовой каркас, определяющий изотензоидную форму оболочки при действии внутреннего давления, а герметичная пленка, из которой изготовлена эта оболочка, собирает и передает на армирующие нити распределенные поперечные поверхностные нагрузки от внутреннего давления.
Для усиления жесткости армирующий элемент в виде нити может быть проложен также по экваториальной линии оболочки.
Предлагаемый развертываемый космический рефлектор по второму варианту, как и указанный наиболее близкий к нему известный рефлектор по патенту [5], содержит средство для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее, а также две зеркально симметричные профилированные сетки, по меньшей мере на одной из которых закреплен гибкий радиоотражающий элемент, образующий рабочую поверхность рефлектора. Указанные две профилированные сетки соединены между собой по их узлам параллельными нитями и прикреплены своими краями к указанному средству для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом рефлекторе по второму варианту, в отличие от наиболее близкого к нему известного, средство для обеспечения развертывания из транспортного положения в рабочее выполнено в виде герметичной надувной оболочки из гибкой радиопрозрачной пленки, снабженной армирующими элементами для придания ей в наполненном газом состоянии изотензоидной формы. Указанные армирующие элементы выполнены в виде нитей, проложенных с ее наружной стороны с постоянным шагом по меридиональным линиям между двумя противоположными полярными точками. При этом указанное крепление краев двух профилированных сеток осуществлено к армирующим элементам в виде нитей в точках, находящихся на одинаковых для обеих профилированных сеток расстояниях по разные стороны от экваториальной плоскости указанной оболочки.
Таким образом, в предлагаемом рефлекторе по второму варианту, как и в рефлекторе по первому варианту, одинаковое с устройством по патенту [5] выполнение и взаимное расположение профилированных сеток обеспечивается без использования каких бы то ни было подвижных механических частей и вообще без использования жестких элементов. Армирующие нити, расположенные снаружи надувной оболочки, создают силовой каркас, определяющий изотензоидную форму оболочки при действии внутреннего давления, а герметичная пленка, из которой изготовлена эта оболочка, собирает и передает на армирующие нити распределенные поперечные поверхностные нагрузки от внутреннего давления. По сравнению с первым вариантом, в котором минимальный размер рефлектора в транспортном состоянии определяется длиной стоек для крепления растяжки, для устройства по второму варианту минимальный размер в транспортном положении не имеет такого ограничения и зависит только от суммарного объема гибких частей (оболочки с находящимися внутри нее сетками и другими элементами и наружных армирующих нитей).
Для усиления жесткости армирующие элементы в виде нитей могут быть проложены также по двум линиям, проходящим на одинаковом расстоянии от экваториальной плоскости указанной оболочки через точки крепления краев профилированных сеток.
Крепление краев профилированных сеток к армирующим элементам может быть осуществлено как непосредственно, так и через растяжки, в зависимости от технологических предпочтений изготовителя.
Ввиду простоты и высокой надежности элементов сеток, соединяющих их параллельных нитей, элементов их крепления и армирующих нитей, надежность предлагаемого рефлектора по обоим вариантам определяется фактически надежностью надувной оболочки, которая при современном технологическом уровне весьма высока.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - вид устройства по первому варианту в продольном разрезе;
на фиг.2 - вид устройства по первому варианту в поперечном разрезе;
на фиг.3 - вид устройства по первому варианту снаружи;
на фиг.4, фиг.5 и фиг.6 соответственно - то же, что на фиг.1, фиг.2 и фиг.3, для устройства по второму варианту.
Предлагаемое устройство - развертываемая крупногабаритная конструкция рефлектора в случае его выполнения по первому варианту, иллюстрируемому фигурами 1-3, содержит наружную герметичную тонкостенную оболочку 1 из гибкой радиопрозрачной пленки, имеющую в показанном на чертежах наполненном газом состоянии изотензоидную форму, т.е. форму с постоянным уровнем напряжения в армирующих элементах.
По наружной поверхности оболочки 1 с постоянным шагом по меридиональным линиям между двумя противоположными полярными точками проложены армирующие элементы в виде нитей 2. Нити 2 зафиксированы вблизи полярных точек с помощью узлов крепления в виде фланцев 3, 4. В частном случае выполнения устройства по экваториальной линии оболочки 2 также может быть проложен армирующий элемент в виде нити 12 (на фиг.3 показан именно этот случай). В данном случае меридиональные и экваториальный армирующие элементы в местах их пересечения могут быть скреплены друг с другом.
Внутри оболочки 1 размещены две зеркально симметричные профилированные сетки 5, 6. Сетки 5, 6 соединены между собой по их узлам параллельными нитями 7 и жесткими стойками 8, к которым сетки 5, 6 прикреплены их краями. Каждая из стоек 8 своими концами прикреплена к двум растяжкам 9. Каждая пара растяжек 9 расположена в меридиональной плоскости, проходящей через одну из меридиональных линий, по которым проложены армирующие нити 2. Другие концы растяжек 8 закреплены на армирующих нитях в узлах 10, расположенных в экваториальной плоскости оболочки 1. Все растяжки 9 имеют одинаковую длину, поэтому прикрепленные к их концам жесткие стойки 8 параллельны друг другу и прямой, проходящей через полярные точки, в которых сходятся указанные меридиональные линии. Крепление растяжек к армирующим нитям, находящимся на внешней поверхности оболочки 1, осуществлено без нарушения ее герметичности. Упомянутые нити 7, соединяющие сетки 5, 6, параллельны стойкам 8.
На каждой из профилированных сеток или только на одной из них закреплен гибкий радиоотражающий элемент, образующий рабочую поверхность рефлектора. На фиг.1 его проекция соответствует проекции сеток 5, 6.
Устройство имеет также не показанный на чертежах элемент для подачи газа в оболочку 1 для ее наддува.
В случае выполнения по второму варианту, который иллюстрируется фигурами 4-6, предлагаемое устройство, как и при выполнении по первому варианту, содержит наружную тонкостенную оболочку 11 из гибкой газонепроницаемой радиопрозрачной пленки, имеющую в показанном на чертежах наполненном газом состоянии изотензоидную форму. По наружной поверхности оболочки 11 с постоянным шагом по меридиональным линиям между двумя противоположными полярными точками проложены армирующие элементы в виде нитей 12. В указанных полярных точках нити 12 зафиксированы с помощью узлов крепления в виде фланцев 13, 14. В частном случае выполнения устройства по внешней поверхности оболочки 11 могут быть проложены дополнительные армирующие элементы в виде нитей 22, 23 по двум линиям, находящимся на одинаковом расстоянии от экваториальной линии оболочки 11 (на фиг.6 показан именно этот случай). В данном случае меридиональные и указанные дополнительные армирующие элементы в местах их пересечения могут быть скреплены друг с другом.
Внутри оболочки 11 размещены две зеркально симметричные профилированные сетки 15, 16. Сетки 15, 16 соединены между собой по их узлам параллельными нитями 17. Каждая из двух профилированных сеток своими краями прикреплена к армирующим нитям оболочки 11 таким образом, что все точки крепления 20, 21 любой из сеток находятся на одном и том же расстоянии, одинаковом для обеих сеток, от экваториальной плоскости оболочки 11. С армирующими нитями края профилированных сеток 15, 16 могут быть соединены как непосредственно, так и через не показанные на чертежах одинаковые короткие растяжки. Указанное крепление к армирующим нитям, находящимся на внешней поверхности оболочки 11, осуществлено без нарушения ее герметичности.
На каждой из профилированных сеток или только на одной из них закреплен гибкий радиоотражающий элемент, образующий рабочую поверхность рефлектора. На фиг.4 его проекция соответствует проекции сеток 15, 16.
Устройство имеет также не показанный на чертежах элемент для подачи газа в оболочку 11 для ее наддува.
Как уже отмечалось, описанное устройство по второму варианту по сравнению с первым (а также по сравнению с известными устройствами [1]-[6]) имеет меньший объем в транспортном положении при одинаковых размерах радиоотражающей поверхности. Кроме того, при одинаковых размерах оболочки в развернутом состоянии в устройстве по второму варианту рабочая радиоотражающая поверхность может быть больше, чем в устройстве по первому варианту, благодаря непосредственному (или через короткие растяжки) креплению краев профилированных сеток к армирующим нитям.
Предлагаемое устройство в обоих вариантах его выполнения используется и работает следующим образом.
При подаче газа в оболочку 1 или 11 происходит ее развертывание.
Одновременно развертываются сетки 5, 6 или 15, 16. В равновесном состоянии оболочка принимает форму по фиг.1-3 или фиг.4-6. При этом усилия в армирующих нитях от наддува оболочки передаются к узлам 10 крепления растяжек 8, 9 (фиг.1, 2) или к узлам 20, 21, в которых непосредственно или через короткие растяжки крепятся края сеток 15, 16.
Толщины всех силовых элементов конструкции подбираются таким образом, чтобы при действии в широких пределах избыточного давления на оболочку 1, 11 обеспечивалась достаточная прочность конструкции, а изменение всех геометрических размеров элементов было в пределах необходимых допусков. Кроме того, все элементы конструкции выполняются из материалов с малым коэффициентом температурного расширения, что обеспечивает стабильную форму рефлектора при значительном перепаде температур. Большие габариты рассматриваемой конструкции (диаметр рефлектора от 10 до нескольких десятков и даже сотен метров) позволяют обеспечить ее функционирование при очень малом избыточном внутреннем давлении. Так, при максимальном диаметре оболочки 10 м и избыточном давлении 0,001 атмосферы суммарные усилия в армирующих элементах составляют величину порядка 7850 Н. Эти усилия имеют квадратичную зависимость от максимального диаметра оболочки (чем больше диаметр, тем они выше). Возможность получения значительных усилий в армирующих элементах оболочки при малых величинах избыточного давления позволяет надежно развертывать конструкцию в рабочее положение и эксплуатировать ее. При действии внутреннего давления армирующие элементы имеют стабильную форму и размеры, которые мало отклоняется при возникновении дополнительных возмущающих силовых воздействий. Это обеспечивает фиксацию формы рабочей отражающей поверхности рефлектора с высокой точностью.
Источники информации
1. Патент США №2,945,234, опубл. 12.07.1960.
2. Авторское свидетельство СССР №1054854, опубл. 15.11.1983.
3. Патент США №5,446,474, опубл. 29.08.1995.
4. Патент Российской Федерации №2019009, опубл. 30.08.1994.
5. Патент США №5,680,125, опубл. 21.10.1997.
6. Патент Российской Федерации №2262784, опубл. 20.10.2005.