ЗОНТИЧНАЯ АНТЕННА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
UMBRELLA ANTENNA FOR SPACECRAFT

Изобретение относится к космической технике, в частности, к зеркальным антеннам со складным рефлектором зонтичного типа.
В настоящее время на телекоммуникационных спутниках широко используются зеркальные антенны со складным рефлектором (например, с диаметром раскрыва от 4 до 12 м) зонтичного типа - см. конструкции таких антенн: первый и второй абзацы на стр.7, второй абзац сверху на стр.9 в монографии «Гряник М.В., Ломан В.И.. Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа. М.: «Радио и связь», 1987» [1] и антенна на основе патента US №4642652 [2], рефлекторы которых в общем виде конструктивно представляют из себя жесткие несущие ребра, шарнирно присоединенные к центральной ступице, вдоль которых прикреплено сетеполотно с радиоотражающей поверхностью с образованием, например, параболической формы; с обеспечением натяжения сетеполотна по контуру между ребрами контурными шнурами.
Из данных стр.19 (последний абзац снизу), 20 (первый абзац сверху) источника [1] и из данных источника [2], а также из опыта изготовления подобных антенн следует, что профиль радиоотражающей поверхности соответствует заданному параболоиду вращения только на несущих ребрах, а отклонение профиля радиоотражающей поверхности от параболоида из-за подушечного эффекта постепенно увеличивается:
- между несущими ребрами до центральной зоны между ними;
- от вершины рефлектора до контурных шнуров между ребрами, т.е. обеспечивается недостаточно высокая точность формы радиоотражающей поверхности, приводящая к повышенным потерям усиления антенны, недопустимому росту уровня боковых лепестков диаграммы направленности.
В [2] для уменьшения вышеизложенного отрицательного фактора (см. в [2] фиг.1а; 16; 2а; 2в; 2с; 4), в конструкции рефлектора между несущими ребрами на радиоотражающей поверхности сетки в радиальном направлении установлены по одному или более вспомогательных ребер. Вспомогательные ребра прикреплены к соседним несущим ребрам с помощью натяжных нитей с возможностью регулирования - при этом количество этих нитей тем больше, чем больше диаметр раскрыва рефлектора, и к тому же их количество кратно увеличивается на величину, равную числу вспомогательных ребер между каждыми соседними несущими ребрами. Например, согласно фиг.1а, помещенной в [2], когда установлено одно вспомогательное ребро между соседними несущими ребрами, потребуется шесть таких натяжных нитей только между двумя соседними ребрами; а если необходимо для обеспечения требуемой величины среднеквадратичного отклонения (СКО) профиля радиоотражающей поверхности установить между каждыми соседними несущими ребрами, например, семь вспомогательных ребер, то потребуется, как минимум, 30 натяжных нитей регулирования: как показывает опыт, при таком их большом количестве очень сложно и невозможно практически высокоточно и стабильно регулировать положения вспомогательных ребер, предназначенных для обеспечения требуемой рабочей формы радиоотражающей поверхности как в отдельно взятом секторе между двумя несущими ребрами, так и по всему рефлектору. К этому следует дополнительно указать на то, что положение конца каждого вспомогательного ребра, обращенного в сторону вершины рефлектора, при регулировании его натяжных нитей свободно перемещается и в зоне указанного конца отклонение поверхности сетеполотна от требуемой формы не устраняется даже при абсолютно отрегулированных всех натяжных нитях.
Кроме того, такое большое количество перекрещивающихся между собой натяжных нитей (см. фиг.2а; 2в; 2с; 4в [2]) сложно качественно сложить, а затем раскрыть на орбите, следовательно, низка надежность обеспечения стабильности рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора на орбите.
Таким образом известное техническое решение [2] в конструкции антенны, выполненной согласно [1], с точки зрения высокоточной регулировки (юстировки) требуемой рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора в процессе изготовления сложна и обладает низкой надежностью обеспечения стабильности рабочей формы радиоотражающей поверхности его при эксплуатации антенны на орбите.
Анализ источников информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предложенной авторами зонтичной антенны космического аппарата является техническое решение согласно [2].
Вышеуказанная известная антенна, включающая в себя облучающую систему и рефлектор на основе [2], содержит следующие основные элементы (см. фиг.1, 2, 3), где: 2 - рефлектор, который включает в себя: жесткие несущие ребра 2.1, расположенные радиально относительно центральной ступицы 2.2 и шарнирно соединенные с ней; эти ребра 2.1 образуют каркас, поддерживающий радиоотражающую поверхность, образованную с применением сетеполотна 2.3 из металлического материала, сформированную в виде клиньев, упруго натянутых по их радиальным границам между ребрами 2.1; контурные шнуры 2.4, соединенные с клиньями и натянутые между концами ребер 2.1, вспомогательные ребра 2.5 (например, см. фиг.2: 2.5.1; 2.5.1, 2.5.2; 2.5.1, 2.5.2, 2.5.3) одинакового количества, расположенные в каждом секторе между соседними несущими ребрами 2.1, каждое из которых в различных сечениях соединено с несколькими натяжными нитями 2.6 (например, см. фиг.1 и 2: 2.6.1; 2.6.1, 2.6.2; 2.6.1, 2.6.2, 2.6.3), концы которых прикреплены к соседним несущим ребрам 2.1 При свертывании рефлектора ребра 2.1 складываются к оси симметрии зеркала (например, механизм раскрытия рефлектора - пружинный).
Как было показано выше, указанное известное техническое решение обладает существенными недостатками, а именно: с точки зрения высокоточной регулировки (юстировки) требуемой рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора в процессе его изготовления сложна и обладает низкой надежностью обеспечения стабильности рабочей формы радиоотражающей поверхности его при эксплуатации антенны на орбите.
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.
Поставленная цель достигается выполнением конструкции зонтичной антенны космического аппарата, содержащей облучающую систему и рефлектор, включающий в себя жесткие несущие ребра, расположенные радиально относительно центральной ступицы и шарнирно соединенные с ней, радиоотражающую поверхность, образованную с применением сетеполотна из металлического материала, сформированную в виде клиньев, упруго натянутых по их радиальным границам между ребрами, контурные шнуры, соединенные с клиньями и упруго натянутые между концами ребер, вспомогательные ребра одинакового количества, расположенные в каждом секторе между соседними несущими ребрами, каждое из вспомогательных ребер соединено с натяжной нитью для регулирования его положения, концы которой прикреплены к соседним несущим ребрам, и механизм раскрытия рефлектора из транспортировочного положения в рабочее положение, таким образом, что вспомогательные жесткие ребра, каждое из которых соединено с тыльной стороной радиоотражающего сетеполотна (и выполнено с соответствующим профилем по месту установки - с профилем, совпадающим по месту соединения их с тыльной стороной радиоотражающей поверхности), расположены в каждом секторе между соседними несущими ребрами равномерно, при этом осевые линии указанных вспомогательных ребер находятся во взаимно параллельно расположенных плоскостях, причем центральные вспомогательные ребра, расположенные в средней зоне между соседними несущими ребрами, с одного конца шарнирно соединены со ступицей, а остальные вспомогательные ребра со стороны вершины рефлектора шарнирно присоединены с возможностью регулирования (до рабочего положения) этих концов к соответствующим соседним несущим ребрам на различных уровнях, а в периферийной зоне каждое вспомогательное ребро одинаково соединено с контурным шнуром между соседними несущими ребрами и с вблизи расположенной с контурным шнуром натяжной нитью для регулирования положения периферийного конца каждого вспомогательного ребра до рабочего положения (до достижения им теоретической формы радиоотражающей поверхности рефлектора, например, параболоида вращения), что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.
В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой зонтичной антенне космического аппарата.
Сущность предложенного авторами изобретения поясняется фиг.4-9, где в качестве примера изображена антенна со складываемым осесимметричным параболическим рефлектором (например, с диаметром раскрыва от 4 м до 12 м) зонтичного типа.
Фиг.4 - изображен общий вид предложенной авторами зонтичной антенны в рабочем положении (на орбите, а также при наземных испытаниях), где 1 - облучающая система с радиопрозрачной (диэлектрической) стойкой; 2 - рефлектор; 2.1 - жесткие несущие ребра с требуемым параболическим профилем (например, 16 шт, изготовленные из высокомодульного углеродного волокна); 2.2 -центральная ступица, изготовленная из трехслойной сотовой панели с обшивками из углепластика или органопластика; 2.3 - сетеполотно из металлического материала (например, золоченое сетеполотно трикотажного плетения из молибденовой проволоки); 2.4 - упруго натянутые между концами несущих ребер контурные шнуры (например, изготовленные из полиимидных ниток); 2.5 - жесткие вспомогательные ребра, имеющие требуемые профили по месту установки, - расположены в каждом секторе между соседними несущими ребрами 2.1, равномерно, например, по семь штук: выполнены, например, из углепластика в виде изогридной конструкции и имеют небольшую массу (в 15-25 раз легче несущих ребер 2.1); 2.6 - натяжные нити, например, изготовленные из полиимидных ниток: каждая натяжная нить 2.6, имеющая два конца, соединена с конкретным вспомогательным ребром 2.5 в его периферийной зоне (вблизи расположения конкретных шнуров 2.4 и каждый из концов конкретной нити 2.6 упруго прикреплен к соседнему несущему ребру 2.1; 2.7 - механизм раскрытия для перевода рефлектора из транспортировочного положения в рабочее положение с фиксацией несущих ребер в рабочем положении; 2.8 - элементы системы зачековки (для фиксации несущих ребер и вспомогательных ребер в транспортировочном положении антенны).
Фиг.5 - изображена схема расположения антенны в транспортировочном положении, где 2.1 - несущие ребра; 2.2 - центральная ступица; 2.8 - элементы системы зачековки.
Фиг.6 - общий вид рефлектора 2 сверху, где 2.1 - несущие ребра; 2.3 - сетеполотно; 2.4 - контурные шнуры; 2.5 - вспомогательные ребра.
Фиг.7 - изображена схема расположения между двумя соседними несущими ребрами 2.1 семи вспомогательных ребер 2.5 (2.5.1 - 2.5.7), одного контурного шнура 2.4 и семи натяжных нитей 2.6; 2.3 - сетеполотно; 2.5.8 - осевая линия вспомогательного ребра.
Фиг.8 - изображен фрагмент общего вида центральной зоны несущего ребра 2.1 (ферменно-стержневой конструкции) с сетеполотном 2.3, где 2.1.1 - рабочая поверхность несущего ребра 2.1; 2.3 - сетеполотно.
Фиг.9 - изображен фрагмент общего вида одного из семи вспомогательных ребер 2.5 изогридной конструкции (расположенных в каждом секторе между двумя соседними несущими ребрами) с сетеполотном 2.3, где 2.5.9 - рабочая поверхность (по месту установки) вспомогательного ребра 2.5; 2.3 - сетеполотно; 2.5.10 - полиимидная нитка, примененная для пришивки сетеполотна 2.3 к поверхности 2.5.9 вспомогательного ребра 2.5.
В предложенной антенне (согласно фиг.4-9) жесткие несущие ребра 2.1 относительно центральной ступицы 2.2 расположены радиально и шарнирно соединены с ней. Сетеполотно 2.3 сформировано в виде клиньев и они упруго натянуты по их радиальным границам между несущими ребрами 2.1. Сетеполотно также упруго соединено с контурными шнурами 2.4 и вспомогательными ребрами 2.5. В свою очередь контурные шнуры 2.4 упруго натянуты между концами соседних несущих ребер 2.1. Вспомогательные ребра 2.5, одинакового количества в каждом секторе между соседними несущими ребрами, выполнены с требуемыми профилями по месту установки и они соединены с тыльной стороной радиоотражающего сетеполотна. При этом в каждом секторе между двумя несущими ребрами 2.1 вспомогательные ребра 2.5 расположены равномерно и взаимно параллельно (как показал анализ, это обеспечивает упрощение технологии изготовления их с требуемым профилем по месту установки, т.к. фактически при изготовлении любого вспомогательного ребра используется известный закон изменения профиля), причем центральное вспомогательное ребро 2.5.4, расположенное в середине между соседними несущими ребрами 2.1, с одного конца шарнирно соединено со ступицей 2.2, а остальные вспомогательные ребра 2.5 со стороны вершины рефлектора шарнирно присоединены с возможностью регулирования до требуемого рабочего положения этих концов к соответствующим соседним несущим ребрам 2.1 на различных уровнях, а в периферийной зоне каждое вспомогательное ребро 2.5 одинаково соединено с контурным шнуром 2.4 между соседними несущими ребрами 2.1 и с вблизи расположенной с контурным шнуром 2.4 натяжной нитью контурным шнуром 2.4 натяжной нитью регулирования 2.6, концы которой упруго прикреплены к соседним несущим ребрам 2.1. Механизм раскрытия 2.7, например, пружинный, функционирует с момента начала раскрытия и до конца раскрытия и зачековки несущих ребер 2.1 в рабочем положении.
Конструктивные особенности предложенной антенны, обеспечивающие выполнение целей изобретения: существенное упрощение высокоточной регулировки (юстировки) требуемой рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора в процессе изготовления и повышение надежности обеспечения стабильности рабочей формы радиоотражающей поверхности его при эксплуатации антенны на орбите, следующие:
- в процессе изготовления антенны высокоточная юстировка требуемой рабочей формы профиля радиоотражающей поверхности между несущими ребрами осуществляется с помощью вспомогательных ребер, изготовленных с требуемыми высокоточными профилями по месту установки, причем при этом юстировка формы профиля рабочей поверхности рефлектора проводится регулировкой положения каждого вспомогательного ребра только по двум точкам: в зоне шарнирного соединения вспомогательного ребра с несущим ребром и в зоне точки соединения его с одной натяжной нитью вблизи расположения с контурным шнуром (с одновременным требуемым изменением соответствующей точки контурного шнура);
- в результате шарнирного крепления вспомогательных ребер к несущим ребрам обеспечивается высоконадежное раскрытие рефлектора в рабочее положение с обеспечением стабильной формы радиоотражающей поверхности рефлектора при эксплуатации антенны на орбите.
Кроме того, следует отметить, что:
- вспомогательные ребра имеют относительно небольшую массу по сравнению с несущими ребрами;
- в конструкции рефлектора максимально возможно применяют композиционные материалы с малыми коэффициентами линейного термического расширения, что обеспечивает минимальные температурные деформации профиля предложенного рефлектора;
- фиксация несущих ребер в рабочем положении на жесткой ступице с большой базой обеспечивает большую жесткость рефлектора.
Развертывание рефлектора антенны в рабочее положение на орбите производится следующим образом.
В исходном положении антенна установлена на космическом аппарате и находится в свернутом (транспортировочном) положении (см. фиг.5). После выведения космического аппарата на рабочую орбиту и раскрытия солнечных батарей раскрытие антенны осуществляется следующим образом.
Блок управления космического аппарата подает команду на срабатывание замка системы зачековки рефлектора и включает в работу механизм раскрытия его и начинается одновременное одинаковое раскрытие всех несущих ребер и вспомогательных ребер с сетеполотном в рабочее положение. При подходе несущих и вспомогательных ребер с сетеполотном к раскрытому - рабочему положению происходит зачековка несущих ребер, после чего отключается механизм раскрытия.
Анализ данных испытаний антенны с опытно изготовленными рефлекторами (например, с диаметрами раскрыва из диапазона от 4 до 12 м), выполненными согласно предложенному техническому решению, показал, что в результате реализации предложенной конструкции рефлектора упрощается высокоточная юстировка требуемой рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора и обеспечивается стабильность рабочей формы радиоотражающей поверхности рефлектора после его раскрытия, при и после воздействии эксплуатационных факторов в процессе проведения ресурсных испытаний, т.е. достигается цель изобретения.