Развертываемый рефлектор

Полезная модель относится к антенной технике, а именно к складным самораскрывающимся рефлекторам большого размера, которые могут быть использованы в космических и наземных антеннах.
В известных конструкциях ферменных рефлекторов с тетраэдрной ячейкой каркаса [1, 2] точность отражающей поверхности определяется размером аппроксимирующего плоского треугольника (фацеты) с прямыми стержнями или [3] треугольника с подсложенными для увеличения точности поверхности стержнями.
Недостатками данных рефлекторов является низкая точность отражающей поверхности и невозможность ее увеличения из-за возрастания массы и габаритов укладки при увеличении числа плоских фацет.
В конструкциях [1], [2] применен привод развертывания в виде цилиндрических пружин растяжения и шарнирных механизмов, расталкивающих диагональные стержни до момента фиксации формы рефлектора.
Недостатками данных рефлекторов является большая длина пружин, что негативно сказывается на участке вывода на орбиту и требует специальных мер по ограничению величины поперечных колебаний пружин, и уменьшение движущего момента по мере раскрытия рефлектора, что также ограничивает возможности управляемого развертывания.
В известных конструкциях [4, 5] применен распределенный пружинный привод развертывания в виде пружин кручения, размещенных в узловых и стержневых шарнирах сетей. В патенте [6] привод развертывания в виде пружины растяжения, расположенного внутри стержня.
Недостатками этих рефлекторов является уменьшение движущего момента по мере раскрытия рефлектора и большая сложность реализации управляемого развертывания.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является рефлектор [7], где для развертывания используется пружинный привод, расталкивающий диагональные стержни, а для управления развертыванием пружинный привод сдерживает система шнуров, охватывающая снаружи сложенный рефлектор по поясам верхних и нижних узловых шарниров. При развертывании шнуры, намотанные на барабаны, сматываются с барабанов под управлением мотор-редуктора с электрическим электродвигателем и позволяют сложенному рефлектору развертываться.
Недостатками наиболее близкого по технической сущности рефлектора являются низкая точность формируемой при развертывании отражающей поверхности, а также относительно низкая надежность вследствие уменьшения движущего момента в процессе развертывания, что делает проблематичным управление развертыванием.
Задачей полезной модели является создание легкого раскрываемого рефлектора с возможностью формирования с большей надежностью отражающей поверхности большей точности.
Требуемый технический результат заключается в повышении надежности управляемого развертывания.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что развертываемый рефлектор выполнен в виде складного каркаса, состоящего из тетраэдров из узловых шарниров и складывающихся стержней, образующих в двух уровнях лицевую и тыльную сети, соединенных диагональными стержнями, с закрепленным на лицевой сети радиоотражающим сетеполотном, согласно полезной модели, развертывание рефлектора производится пружинным приводом, состоящим из узловых пружин сжатия и стержневых гибких шарниров.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, стержни лицевой сети профилированы по основному радиусу.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, отклонения оставшиеся после профилирования поверхности рефлектора уменьшают с помощью гибких шнуров и оттяжек внутри каждой фацеты.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, при развертывании применен привод удержания, состоящий их мотор-редуктора, барабанов и намотанных на барабаны тросов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, мотор-редуктор и барабаны расположены в штанге, являющейся элементом крепления к отводной штанге крепления на космический аппарат.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, диагональные стержни связаны между собой рычагами, через которые передается усилие от пружин сжатия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлен заявленный развертываемый рефлектор, представляющий собой ферменный рефлектор с тетраэдральной пространственной структурой с треугольной фацетой аппроксимирующей поверхности:
на фиг. 1 показан ферменный каркас рефлектора с закрепленной на нем сетчатой отражающей поверхностью;
на фиг. 2 показан способ уменьшения остаточных отклонений от заданной поверхности с помощью корректирующей вставки;
на фиг. 3 показан распределенный пружинный привод, состоящий из пружин сжатия, размещенных в шарнирных узлах, и гибких стержневых шарниров для увеличения движущего момента в предлагаемой конструкции;
на фиг. 4 показана пружина гибких стержневых шарниров, которая может быть выполнена из металлической желобчатой ленты, или из полимерных пластин или жгутов;
на фиг. 5 показан вариант конструктивной реализации тросовой системы, где сдерживающие тросы охватывают сложенный рефлектор по поясам нижних и верхних узловых шарниров;
на фиг. 6 показаны элементы конструктивной реализации тросовой системы, где штанга является элементом крепления к отводной штанге космического аппарата;
на фиг. 7 показаны элементы первого варианта конструктивной реализации тросовой системы, где используется ролик с Г-образным ограничителем, по которому проходит сдерживающий трос;
на фиг. 8 показаны элементы второго варианта конструктивной реализации тросовой системы, где сдерживающие тросы проходят поверх узловых шарниров лицевой сети по радиусам от штанги (лицевая сеть);
на фиг. 9 показаны элементы второго варианта конструктивной реализации тросовой системы, где сдерживающие тросы проходят поверх узловых шарниров лицевой сети по радиусам от штанги (тыльная сеть);
на фиг. 10 показаны элементы первого варианта конструктивной реализации тросовой системы, где используется стойка для прохождения тросов;
на фиг. 11 показаны элементы третьего варианта конструктивной реализации тросовой системы, где сдерживающий трос воздействует непосредственно на пружину основного привода и соединяет систему управляемых пружин через систему роликов, проходя от пружины к пружине внутри диагональных стержней (трос, как и в первых двух вариантах намотан на барабан и приводится в движение мотор-редуктором, который располагается в штанге).
На чертежах обозначены: 1 - каркас раскрываемого рефлектора (его шарнирно-стержневой структуры, образующей повторяющиеся в пространстве тетраэдры; 2 - диагональные стержни; 3 - узлы лицевой сети; 4 - узлы тыльной сети; 5 - профилированные стержни лицевой сети; 6 - стержни тыльной сети; 7 - отражающая поверхность; 8 - гибкие шнуры; 9 - оттяжки; 10 - пружины сжатия; 11 - ползуны; 12 - рычаги; 13 - гибкий стержневой шарнир; 14 - сдерживающий трос; 15 - мотор-редуктор; 16 - барабан; 17 - штанга; 18 - ролик; 19 - Г-образный ограничитель; 20 - стойка с отверстием; 21 - система роликов.
Развертываемый рефлектор используется следующим образом.
Развертываемый рефлектор представляет собой ферменный каркас с закрепленной на нем сетчатой отражающей поверхностью из трикотажного металлического сетеполотна. Каркас, в свою очередь, представляет собой шарнирно-стержневую структуру (фиг. 1), образующую повторяющиеся в пространстве тетраэдры 1, состоящий из диагональных стержней 2, соединенных узлами лицевой сети 3 и тыльной сети 4. Профилированные стержни 5 лицевой сети вместе с узлами 3 образуют фацеты отражающей поверхности 7. Прямые стержни 6 вместе с узлами 4 образуют тыльную сеть. Сети соединены диагональными стержнями 2.
Развертываемый рефлектор состоит из узловых шарниров 3,4, соединенных складывающимися стержнями 5,6. Шарниры 3, соединенные стержнями 5 образуют лицевую сеть, шарниры 4, соединенные стержнями 6 - тыльную сеть. Сети соединены между собой диагональными стержнями 2 и образуют единую пространственную структуру. К верхней сети, шарниры которой находятся на заданной поверхности, прикрепляется радиоотражающее сетеполотно. Поверхность сетеполотна аппроксимирует таким образом заданную поверхность треугольными элементами (фацетами), вершины которых (шарниры 3) находятся на теоретической поверхности.
Точность аппроксимации теоретической поверхности обратно пропорциональна отношению квадрата размера фацеты и радиуса кривизны теоретической поверхности (фокусного расстояния в случае параболоида). В предлагаемой конструкции точность аппроксимации поверхности увеличивается за счет профилирования стержней фацет по основному радиусу кривизны, равному двойному фокусному расстоянию, и за счет применения системы гибких сетей и оттяжек внутри фацет.
Складывание рефлектора обеспечивается складывающимися стержнями сетей. Развертывание обеспечивается пружинами сжатия 10, находящимися в узлах сетей, и гибкими пружинами 13 складывающихся стержней.
Управление развертыванием производится с помощью тросовой системы, сдерживающей раскрытие рефлектора под воздействием пружин. Тросовая система может быть выполнена в трех вариантах. В первом варианте она опоясывает сложенный рефлектор по линиям сложенных узловых шарниров, во втором варианте тросы системы накладываются на сети и удерживают крайние шарниры по выбранным радиусам, в третьем варианте тросы системы воздействуют непосредственно на пружины узловых шарниров в выбранных точках, проходя при этом от узла к узлу в диагональных стержнях. Тросовая система при сложенном рефлекторе намотана на барабаны, приводимые во вращение мотор-редуктором. Мотор-редуктор и барабаны во всех вариантах находятся внутри силовой штанги, являющейся одновременно переходным элементом крепления к отводной штанге КА.
При раскрытии рефлектора по выбранному алгоритму включается электрический двигатель мотор-редуктора, барабаны начинают вращаться, тросы обвязки удлиняются и под воздействием пружинного привода рефлектор, подобно расширяясь, раскрывается. После достижения заданной формы двигатель выключается.
Пружины сжатия 10 основного привода, воздействуя на ползуны 11, передают свои усилия через рычаги 12 на диагональные стержни 2, расталкивая их.
Дополнительно на узлы 3, 4 воздействуют пружины гибких стержневых шарниров 13, Узлы 3, 4, соединяющие диагональные стержни 2, создают тем самым дополнительные раздвигающие усилия диагональных стержней. Особенностью стержневых шарниров является возрастающий в процессе развертывания движущий момент, что позволяет фиксировать форму рефлектора даже при наличии сдерживающего привода управления развертыванием. Пружины гибких стержневых шарниров 13 (фиг. 4) могут быть выполнены из металлической желобчатой ленты, или из композитных пластин или жгутов.
Кроме того, управляемость развертывания достигается с помощью привода управления развертыванием, состоящим из мотор-редуктора, барабанов и тросовой системы, намотанной на эти барабаны. Возможны три варианта конструктивной реализации тросовой системы. Два варианта предполагают внешнее расположение тросов поверх элементов конструкции рефлектора, третий внутри диагональных стержней.
В первом варианте (фиг. 5) сдерживающие тросы 14 охватывают сложенный рефлектор по поясам нижних и верхних узловых шарниров. Мотор-редуктор 15 и барабаны 16, на которые наматываются тросы, расположены в штанге 17 (фиг. 6), которая является элементом крепления к отводной штанге космического аппарата. В каждый периферийный узловой шарнир 3а, 4а встроены ролики 18 с Г-образным ограничителем 19 (фиг. 7), по которым проходят сдерживающие тросы 14. Такая конструкция обеспечивает надежное движение тросов с минимальным трением.
Во втором варианте сдерживающие тросы 14 проходят поверх узловых шарниров 3, 4 по радиусам от штанги 17: (фиг. 8) - лицевая сеть и (фиг. 9) - тыльная сеть. На шарнирах для прохождения тросов закрепляются стойки с отверстиями 20 (фиг. 10). Трос закрепляется только на крайних шарнирах 3а, 4а, через промежуточные шарниры трос проходит насквозь.
В третьем варианте (фиг. 11) сдерживающий трос 14 воздействует непосредственно на пружину основного привода 10. Трос соединяет систему управляемых пружин 10 через систему роликов 21, проходя от пружины к пружине внутри диагональных стержней 2. Трос, как и в первых двух вариантах, намотан на барабан и приводится в движение мотор-редуктором, который располагается в штанге 17. Количество и расположение управляемых шарниров на основной и тыльной сетях выбирается минимально достаточным для осуществления функции управления развертыванием. Конструкция отличается минимальным удлинением тросов при развертывании, обусловленным только рабочим ходом пружин основного привода, и тем самым позволяет минимизировать размеры барабанов и количество намотанного на них троса.
Поставленная техническая задача в части повышения точности формирования поверхности рефлектора достигается двумя способами:
а) профилированием сторон треугольной фацеты (профилированных стержней 5 лицевой сети) по основному радиусу;
б) уменьшением остаточных отклонений с помощью корректирующей вставки, состоящей из гибких шнуров 8, связанных с сетчатой поверхностью внутри треугольника, и оттяжек 9, выводящих узловые точки системы шнуров на поверхность заданного параболоида (фиг. 2).
Профилированием можно увеличить точность в два раза, а с помощью профилирования и корректирующих вставок более чем в 10 относительно плоского треугольника.
-4
Таким образом, применение системы профилирование-корректирующая вставка позволяет получить на ферменном рефлекторе размером 1-30÷50 метров относительную точность поверхности (отношение среднеквадратичного отклонения к размеру апертуры) менее 10.
Кроме того, увеличение надежности развертывания достигается увеличением движущего момента с помощью распределенного пружинного привода, состоящего из пружин сжатия, размещенных в шарнирных узлах, и гибких стержневых шарниров (фиг. 3).
Таким образом, в предложенном техническом решении достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении надежности управляемого развертывания.
Источники информации, принятые во внимание
1. RU 502431.
2. US 3618111.
3. RU 2480386.
4. RU 502430.
5. RU 469998.
6. RU 2087059.
7. US 4578920.