ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ АНТЕННА ЗОНТИЧНОГО ТИПА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
TRANSFORMABLE UMBRELLA-TYPE ANTENNA OF SPACE VEHICLE

Изобретение относится к космической технике, в частности к развертываемым рефлекторам космических антенн, выполненным на основе крупногабаритных стержневых конструкций.
В настоящее время для КА производства ОАО «ИСС» в качестве перспективных крупногабаритных трансформируемых антенн предполагается использование антенн зонтичного типа с радиальными профилированными спицами, на которых закреплена отражающая поверхность из металлического трикотажного сетеполотна. Данная конструкция по габаритно-массовым характеристикам является наиболее приемлемой для антенн с апертурой 3-5 м.
На этапе вывода КА на целевую орбиту антенна находится в сложенной (транспортировочной) конфигурации. После вывода аппарата на орбиту антенна переводится в раскрытую (орбитальную) конфигурацию. Для выполнения этой задачи в состав антенны входит механизм прецизионного позиционирования (МПП).
Основной составной частью МПП, обеспечивающей раскрытие антенны из стартового положения в орбитальное, является приводное устройство. Приводное устройство обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к МПП, а именно:
- обеспечение заданных параметров по кинематике и динамике раскрытия антенны, а также юстировки зеркала антенны в обеспечении заданной надежности работы в процессе ее эксплуатации на орбите при жестких условиях больших перепадов по температурам;
- обеспечение размещения антенны в стартовом положении в заданном объеме зоны полезного груза КА;
- обеспечение требуемых массовых характеристик;
- обеспечение заданной надежности раскрытия антенны.
Типичный вариант приводного устройства - пружинный привод для поворота каждой силовой спицы антенны.
Основной недостаток в процессе разработки и изготовления крупногабаритных трансформируемых антенн зонтичного типа - это проблема синхронизации раскрытия особенно противоположных мачт или спиц. Если одна из противоположных мачт или спиц запаздывает при раскрытии, а другая, наоборот опережает, то вантовая сеть, поддерживающая радиоотражающую сетку, и сама сетка запутываются об не успевшую начать раскрытие вантовую сеть с радиоотражающей сеткой.
Известна антенна для HALCA (AIAA 2003-1629 Optimal Design of Tension Truss Antennas. A.G.Tibert Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden) с гибридной фермой натяжения. Шесть выдвигаемых мачт поддерживают ферму натяжения с пятью поясами. Для повышения точности поверхности каждый треугольник фермы натяжения разбит на девять более мелких треугольников с помощью вантовой сети, которая поддерживает радиоотражающую сетку. Форма вантовой сети контролируется регулировочными растяжками, соединенными с задней фермой натяжения (не идентичной с верхней фермой натяжения).
Недостатки указанной антенны заключаются в сложности, в недостаточной надежности работы, в ограниченных возможностях данного решения в создании антенн с большими диаметрами, 24-50 м и более.
В качестве прототипа выбрана трансформируемая антенна (А.В.Иванов. Выбор приводного устройства механизма прецизионного позиционирования трансформируемой антенны космического аппарата. Решетневские чтения: материалы Х Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф.Решетнева (8-10 ноября 2006, г.Красноярск) / Сибирский государственный аэрокосмический университет. - Красноярск, 2006. - 414 с., стр.47 и 48).
Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата (КА) с апертурой (диаметром раскрытия поверхности антенны) 3-5 м содержит: радиальные профилированные спицы (например, 18 спиц), шарнирно закрепленные на ступице рефлектора антенны, приводной механизм для раскрытия радиальных профилированных спиц, выполненный в виде механизма прецизионного позиционирования (МПП) с применением пружин в качестве приводов для поворота (раскрытия) каждой спицы антенны.
В процессе вывода КА на целевую орбиту антенна находится в сложенной конфигурации, а после вывода КА на целевую орбиту она переводится в раскрытую орбитальную конфигурацию с помощью пружинных приводов.
Недостатки указанной антенны заключаются в низкой надежности ее работы из-за раскрытия каждой спицы с помощью пружинных приводов, каждый из которых необходимо расстопорить (расчековать) перед раскрытием антенны и застопорить (зачековывать) после раскрытия антенны, в отсутствии в ней возможности юстировки (настройки) зеркала антенны в процессе ее эксплуатации в переменных температурных условиях космического пространства, что снижает точность работы антенны, в ограниченных возможностях ее использования для крупногабаритных антенн диаметром, например, более 5 м и до 50 м (так как ее конструкция выполнена для применения одноколенных спиц длиной не более 2,5 м, иначе не будут выполнены условия компактности в сложенном ее состоянии при выведении КА на орбиту).
Задача изобретения - повышение надежности и точности работы антенн, в том числе крупногабаритных диаметром до 50 м.
Решение поставленной задачи достигнуто за счет того, что трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата, содержащая раскрывающиеся с помощью приводов силовые спицы, закрепленные с помощью шарниров на ступице рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух колен, соединенных с помощью промежуточных шарниров, зеркало антенны, выполненное из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах; соединения шарниров спиц со ступицей рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, оси шарнир и их приводов выполнены соосными.
Предложенная трансформируемая антенна зонтичного типа иллюстрируется фиг.1, 2 и 3, на которых она показана соответственно в раскрытом, сложенном и полураскрытом положениях. Предложенная трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата содержит: раскрывающиеся с помощью приводов 1 силовые спицы, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух колен 2 и 3, соединенных с помощью промежуточных шарниров 4, закрепленные с помощью шарниров 5 на ступице 6 рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру, зеркало 7 антенны, выполненное из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах; соединения шарниров 5 спиц со ступицей 6 рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры 8, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, все шарниры антенны выполнены со своими приводами 1, причем оси вращения каждой пары шарнир-привод компланарны; ступица 6 рефлектора антенны выполнена из углепластика, как и спицы.
Предложенная антенна работает следующим образом. Во время выведения КА на орбиту антенна находится в сложенном состоянии под обтекателем ракеты-носителя (фиг.2). После выведения КА на орбиту подается команда на раскрытие антенны, по которой подается команда на приводы 1 шарниров 4, 5 и 8, спицы разворачиваются до принятия зеркалом 7 антенны (радиотражающей сеткой) заданной параболической формы (фиг.3). Как правило, на трансформируемых антеннах большого диаметра имеется система юстировки зеркала 7 антенны, чтобы в процессе работы она соответствовала заданным требованиям по среднеквадратичной величине отклонения участков поверхности от идеальной теоретической поверхности параболы. Эта система, например, путем сканирования (радио, оптического, лазерного и т.д.) поверхности зеркала 7 вносит данные о реальной поверхности зеркала в бортовой компьютер, который определяет участки с отклонениями с превышением их положения от заданных, после чего вырабатывается и подается команда на ближайший привод шарнира спицы с целью устранения недопустимого отклонения участка поверхности зеркала 7. Система юстировки антенны работает с заданной периодичностью контроля за поверхностью зеркала 7 антенны или по каким-либо другим сигналам отклонения работы антенны от заданной точности ее работы.
Введение дополнительных шарниров 8 с приводами 1 позволило обеспечить дополнительное регулирование положения каждой спицы в отдельности и совместно в направлениях, ортогональных оси рефлектора, и тем самым повысить степень точности регулирования.
Так как на точность настройки поверхности зеркала антенны влияют факторы воздействия космического пространства, например, резкие перепады температур в диапазоне ±150°С, то для повышения точности настройки зеркала 7 антенны дополнительную ее регулировку выполняют с помощью вантовой системы растяжек (на чертежах не показана), отладку работы которой с учетом действия упругости радиоотражающей сетки зеркала 7 осуществляют при изготовлении антенны.
Ступица рефлектора 6 антенны выполнена из углепластика, как и спицы. Это позволило снизить влияние отрицательных факторов космического пространства, в том числе на участке выведения КА на орбиту с большими перегрузками, при обеспечении заданной точности юстировки зеркала антенны, точности ее работы путем выбора материала с улучшенными теплофизическими и массовыми характеристиками (углепластика).
Таким образом, за счет того, что соединения шарниров 5 спиц со ступицей 6 рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры 8, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, все шарниры антенны выполнены со своими приводами, причем оси вращения каждой пары шарнир-привод совпадают, ступица 6 рефлектора антенны выполнена из углепластика, как и спицы, достигнуто повышение надежности работы антенны, повышение точности юстировки антенны в процессе эксплуатации, обеспечение возможности по созданию антенн с большими диаметрами.
Предложенная антенна рассматривается как альтернативный вариант проектирования перспективных антенн КА разработки предприятия.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного решения.