Параболический трансформируемый рефлектор

Полезная модель относится к области космической техники, в частности к проектированию трансформируемых рефлекторов.
Известен патент на параболическую разворачивающуюся антенну (US 2016/0352022 А1), трансформируемая конструкция которой включает в себя сетеполотно, прикрепленное к складным спицам, облучатель и контррефлектор. Установка контррефлектора выполнена по схеме Кассеграна.
Основными недостатками этого устройства являются наличие транспортировочного контейнера, что увеличивает массу выводимого спутника, развертывание сетеполотна происходит путем раскрытия спиц после их вывода из транспортного контейнера, что повышает вероятность зацепления сетеполотна за элементы антенны.
-6
Также известен патент на развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата (RU 2382453 С1, МПК H01Q 15/16, B64G 1/22). Рефлектор включает в себя стойки силового кольца, соседние концы которых с обеих сторон торца силового кольца соединены упруго эластичными периферийными силовыми шнурами, расположенный в центральной зоне силового кольца центральный узел, имеющий два фланца, каждый из которых радиальными эластичными шнурами соединен со стойками силового кольца в зоне их торцов, расположенных со стороны раскрыва рефлектора, и присоединенные к радиальным шнурам перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие две сетки с требуемыми ячейками, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность, к которой прикреплено сетеполотно, а другая -поддерживающей, при этом обе сетки упруго соединены между собой по противолежащим узловым точкам в местах перекрещивания шнуров параллельными эластичными стяжными нитями, фланец центрального узла, соединенный с поддерживающей сеткой, выполнен подвижным без закручивания относительно продольной оси, проходящей через оба фланца, и механически соединен с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора, основание которого расположено на плоскости, проходящей через торцы стоек силового кольца со стороны поддерживающей сетки, и выходные элементы вышеуказанного устройства соединены со спицами, каждая из которых выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных в прямолинейном положении пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем другой конец каждой спицы присоединен и зафиксирован с L-образным концом противостоящей стойки. Сетеполотно изготовлено из шнуров и нитей из размеростабильного (с коэффициентом термического расширения менее 1⋅10 1/град) материала, например, из полиимида (из кевлара). Экраны изготовлены из неэлектропроводной пленки.
К недостаткам данного устройства-аналога относятся: высокий удельный вес конструкции для использования на малых спутниках, сложность в обеспечении жесткости спиц и требуемой точности отражающей поверхности, включение в конструкцию электродвигателей основного и резервного, что также увеличивает вес конструкции.
В качестве ближайшего аналога выбран крупногабаритный трансформируемый рефлектор по патенту US 6,243,053 В1, который принят за прототип полезной модели.
Разворачивающаяся конструкция рефлектора состоит из трансформируемого обода, который, в свою очередь, состоит из множества одинаковых S-образных элементов, а также из механизма раскрытия, который включает в себя параллельно-поворотные оси для перехода из транспортного положения в рабочее, параболической радиоотражающей поверхности, которая управляет антенными сигналами, входящими либо исходящими, когда структура находится в рабочем положении; и электромеханического привода для раскрытия рефлектора. Электромеханический привод определяет момент времени, когда параллельные оси вращаются, обеспечивая перевод антенны из транспортного положения в рабочее.
Основными недостатками прототипа являются: низкая жесткость ободной конструкции обода; низкая надежность и сложность конструкции рефлектора из-за введения большого количества подвижных механических элементов, что, в свою очередь, увеличивает массу конструкции рефлектора, повышает вероятность несрабатывания механизма раскрытия.
Технической проблемой полезной модели является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Для разрабатываемой конструкции рефлектора и для ближайшего прототипа рефлектора - крупногабаритного трансформируемого рефлектора US 6,243,053 В1 выявлены основные общие существенные признаки, такие как: трансформируемая конструкция обода рефлектора, параболическая радиоотражающая поверхность, закрепленная на ободе рефлектора, механизм раскрытия рефлектора, электромеханический привод для раскрытия обода рефлектора.
Указанная техническая проблема решается благодаря следующему исполнению силовой конструкции рефлектора.
Рефлектор содержит следующие признаки отличительные от прототипа: трансформируемый полый обод рефлектора представляет собой круглое сечение, протянутое вдоль эллиптического профиля, механизм раскрытия которого состоит из гибких шарниров, представляющих собой сквозные отверстия по ободу рефлектора. Радиоотражающая поверхность, закрепленная на ободе посредством клеевого соединения представляет собой параболическую офсетную мембрану. Раскрытие осуществляется запасенной энергией деформации обода, в то время как обод сдерживается посредством устройства сдерживания, состоящего из троса, расположенного внутри полого обода, обеспечивающего раскрытие рефлектора посредством стравливания со шкива электромеханического привода.
Кроме того, предложенный рефлектор отличается отсутствием крепежных соединений за счет отсутствия жестких шарнирных связей и наличия клеевого соединения. Отсутствует необходимость армирования сетчатой структуры отражающей поверхности за счет использования гибкой мембраны с удержанием параболической формы без существенных отклонений. Во избежание ударных нагрузок и повреждения отражающей части в процессе перевода рефлектора из транспортного положения в рабочее используется сдерживающее устройство, представляющее собой трос, расположенный внутри обода и стравливающийся со шкива электромеханического привода (ЭМП) в процессе раскрытия.
Кроме того, использование офсетной мембраны позволяет достичь бОльшего коэффициента усиления антенны, благодаря отсутствию затенения раскрыва зеркала облучателем.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - вид сверху на обод рефлектора в рабочем положении;
на фиг. 2 - общий вид рефлектора в рабочем положении;
на фиг. 3 - общий вид части рефлектора с гибким шарниром с приклеенным элементом мембраны;
на фиг. 4 - общий вид обода рефлектора в транспортировочном положении внутри виртуального цилиндрического пространства;
на фиг. 5 - общий вид на элементы обода в сложенном положении с указанием расположения троса сдерживающего устройства;
на фиг. 6 - общий вид на элемент обода, где трос закреплен с одной стороны и выходит на шкив привода с другой стороны;
на фиг. 7 - вид сверху на обод рефлектора в транспортировочном положении внутри виртуального цилиндрического пространства.
На вышеуказанных фигурах изображена конструкция предлагаемого рефлектора с использованием следующих элементов: 1 - радиоотражающая параболическая поверхность (мембрана); 2 - трансформируемый обод; 3 - гибкий шарнир, представленный сквозным отверстием; сдерживающее устройство, состоящее из: 4 - троса (расположен внутри трансформируемого обода, согласно фиг. 5), обеспечивающего раскрытие рефлектора посредством стравливания со шкива ЭМП 5.
Предложенное устройство конструкции параболического трансформируемого рефлектора, представленное на фигурах, состоит из следующих элементов:
- офсетной мембранной радиоотражающей параболической поверхности 1, образованной вырезкой параболоидной формы, элементы которой 3.1 закреплены при помощи клеевого соединения 3.2 вокруг трансформируемого обода (фиг. 3);
- трансформируемого полого торового обода (круглое сечение, протянутое вдоль эллиптического профиля) рефлектора 2, например, из композитного углепластика, форма которого определяется мембранной поверхностью;
- гибких шарниров в виде сквозных отверстий 3, которые переводят рефлектор из транспортного положения в рабочее за счет действия упругих сил;
- сдерживающего устройства, состоящего из троса 4, который расположен внутри обода 2 и в сложенном положении рефлектора при помощи собственного натяжения создает усилие в радиальном направлении для удержания рефлектора в сложенном положении и шкива ЭМП 5. Трос 4 действует на элементы обода 2 в точках касания 5.1 и 5.2 согласно фиг. 5. В точке 6.1 фиг. 6 трос 4 жестко закреплен на ободе 2. Трос 4 выходит из обода 2 на шкив ЭМП 5, на которую наматывается трос 4 и обеспечивает приемлемую скорость стравливания троса 4 в процессе раскрытия рефлектора.
Описанная выше конструкция ободного рефлектора с гибким шарниром 3 переводится из транспортировочное положение в рабочее следующим образом:
После вывода целевого спутника на орбиту, трос 4 устройства сдерживания начинает стравливаться со шкива ЭМП 5, постепенно уменьшая сдерживающее усилие для обода 2 рефлектора. Гибкие шарниры 3 приводятся в действие, благодаря упругой силе, мгновенное раскрытие рефлектора с ударными нагрузками блокируется тросом 4. Радиоотражающая параболическая поверхность (мембрана) 1 переводится из транспортного положение в рабочее, благодаря своему закреплению на ободе 2.
Таким образом, проблема низкой надежности решается путем введения в конструкцию параболического трансформируемого рефлектора механизма раскрытия рефлектора, состоящего из гибких шарниров, представляющих собой сквозные отверстия по ободу рефлекторна из-за чего уменьшается вероятность несрабатывания механизма раскрытия (устранение большого количества механических элементов устройства раскрытия рефлектора); проблема большой массы рефлектора устраняется за счет использования сверхлегких материалов для трансформируемой конструкции обода, например, композитного углепластика, в совокупности с отсутствием большого числа механических элементов; низкая жесткость повышается путем введения трансформируемого полого обода и радиоотражающей параболической поверхности (параболической мембраны), закрепленной на ободе посредством клеевого соединения.
Техническим результатом полезной модели является создание конструкции рефлектора с небольшим удельным весом и простым исполнением механического устройства раскрытия, повышенной надежностью и жесткостью конструкции.
Для заявленного параболического трансформируемого рефлектора был изготовлен опытный образец, который подтвердил возможность осуществления предполагаемого технического решения с получением вышеуказанного технического результата.