Устройство раскрытия подвижных узлов космического аппарата

Полезная модель относится к космической технике и может быть использована для развертывания из транспортного в рабочее положение различных узлов космического аппарата (КА), таких как: панели солнечных батарей (СБ), штанги и т.п. Устройство может применяться также в наземных условиях в механизмах для обеспечения плавного поворота их вращательных элементов и для удержания вращательных элементов в определенном положении.
Известна конструкция узла крепления панелей СБ, где панели уложены в виде многоярусной конструкции, на крайней пластине панели закреплено тяговое устройство, на корпусе КА разблокирующее устройство, в состав узла входят металлические ленты со свойствами пружины (заявка Японии №63-59920, МПК B64G 1/44. Узел крепления панели солнечных батарей, 1988).
Недостатком данного устройства является то, что скорость раскрытия панелей СБ напрямую зависит от свойств металлических лент, выполняющих роль пружин, и в данном устройстве скорость ничем не регулируется.
Известно также устройство раскрытия панели солнечных батарей, состоящее из панели в виде нескольких шарнирно соединенных пластин с размещенными на них солнечными элементами, сложенных в транспортном положении в многоярусную конструкцию замка, фиксаторов раскрытой панели, упругих пластин-шторок, механически контактирующих между собой, которые закреплены на соседних пластинах панели СБ вблизи места их сочленения. При необходимости перевода панели СБ в раскрытое положение из транспортного - замок расцепляется, происходит развертывание панели СБ за счет поворота пластин в шарнирах относительно друг друга, поворот происходит под действием сил упругости первоначально деформированных пластин-шторок, восстанавливающих свое недеформированное состояние (заявка РФ №94037584, МПК B64G 1/44. Устройство раскрытия панели солнечных батарей, 1996).
Недостатком известного устройства является то, что на конечной стадии раскрытия панелей происходит удар, который приводит к деформации в конструкции панелей, что обусловлено тем, что в устройстве не обеспечивается регулирование скорости раскрытия в пределах, требуемых для безопасного развертывания.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является пружинный механизм для раскрытия подвижных узлов КА. Известное устройство содержит пружинный двигатель, имеющий плоскую пружину, редуктор, замок, фиксаторы раскрытых узлов космического аппарата и спусковой регулятор скорости, на валу пружинного двигателя с одной стороны установлен спусковой регулятор скорости, а с другой стороны - редуктор, на выходе которого закреплен выходной вал, при этом корпус устройства крепится на корпусе КА, а выходной вал крепится к подвижному узлу КА. В известном устройстве пружинный двигатель состоит из барабана с плоской пружиной, а спусковой регулятор скорости выполнен в виде анкерного механизма. Подвижный узел КА приводится в транспортное состояние, взводится пружина пружинного двигателя, фиксируется замком. При необходимости перевода подвижного узла КА в раскрытое положение из транспортного - замок расцепляется, подвижный узел освобождается от удерживающей связи замка. Происходит развертывание подвижного узла КА за счет передачи крутящего момента, создаваемого заведенной пружиной, от пружинного двигателя через редуктор к выходному валу, закрепленному на подвижном узле КА. Требуемая скорость раскрытия подвижного узла КА обеспечивается за счет спускового регулятора скорости, выполненного в виде анкерного механизма. При раскрытии подвижного узла КА на требуемый угол ϕ срабатывает фиксатор, который удерживает подвижный узел КА в раскрытом состоянии. Это устройство принято за прототип (патент на полезную модель РФ №96360, МПК B64G 1/44. Пружинный механизм для раскрытия подвижных узлов КА, 2010).
Недостатком известного устройства является то, что скорость раскрытия остается постоянной, отсутствует возможность ее изменения в процессе развертывания, временного останова с возможностью дальнейшего раскрытия подвижных узлов КА.
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в раскрытии подвижного узла КА с изменением скорости раскрытия в процессе развертывания, включая временный останов и возобновление раскрытия.
Решение задачи достигается тем, что в устройстве раскрытия подвижных узлов КА, содержащем пружинный двигатель, имеющий плоскую пружину, редуктор, замок, фиксаторы раскрытых узлов космического аппарата и спусковой регулятор скорости, в котором на валу пружинного двигателя с одной стороны установлен спусковой регулятор скорости, а с другой стороны - редуктор, на выходе которого закреплен выходной вал, при этом корпус устройства крепится на корпусе КА, а выходной вал крепится к подвижному узлу КА, согласно полезной модели, спусковой регулятор скорости выполнен в виде управляемого электромеханического спускового регулятора скорости, в который введен электронный блок управления спусковым регулятором, при этом электромеханический спусковой регулятор скорости выполнен в виде спускового колеса со штифтами и двух симметрично размещенных, идентичных спусковых механизмов, каждый из которых содержит электромагнит, спусковой рычаг, фиксирующую лопатку с паллетой, возвратную пружину и пружину спускового рычага, при этом спусковой рычаг одним плечом фрикционно взаимодействует с фиксирующей лопаткой, пружина спускового рычага обеспечивает прижим его второго плеча к якорю электромагнита, возвратная пружина обеспечивает прижим паллеты фиксирующей лопатки к спусковому колесу, спусковые механизмы расположены диаметрально противоположно относительно спускового колеса с возможностью взаимодействия паллет фиксирующих лопаток с его штифтами, а электромагниты подключены к выходам электронного блока управления спусковым регулятором.
Технический результат заключается в обеспечении регулируемой скорости раскрытия подвижных узлов КА, возможности временного останова в процессе раскрытия и последующего дальнейшего раскрытия, что способствует снижению силы удара в конце раскрытия и уменьшает усилие на конструкцию подвижных узлов.
Общий вид устройства раскрытия подвижных узлов КА показан на фиг. 1, конструкция управляемого электромеханического спускового регулятора представлена на фиг. 2, процесс работы устройства раскрытия подвижных узлов КА поясняется фиг. 3 и временными диаграммами управляющих сигналов, поступающих от электронного блока управления спусковым регулятором скорости на электромагниты электромеханического спускового регулятора скорости, представленными на фиг. 4.
В состав заявляемого устройства входит пружинный двигатель 1 (фиг. 1) с плоской пружиной, на валу которого с одной стороны установлен электромеханический спусковой регулятор скорости 2, а с другой стороны - редуктор 3, на выходе которого закреплен выходной вал 4 с вилкой.
Электромеханический спусковой регулятор скорости 2 выполнен в виде установленного на валу пружинного двигателя 1 спускового колеса 5 (фиг. 2) со штифтами и двух идентичных спусковых механизмов, каждый из которых содержит электромагнит 6, спусковой рычаг 7, фиксирующую лопатку 8 с паллетой, возвратную пружину 9 и пружину спускового рычага 10. Для управления работой электромеханического спускового регулятора введен электронный блок управления спусковым регулятором 11. При этом спусковой рычаг 7 одним плечом фрикционно взаимодействует с фиксирующей лопаткой 8, пружина спускового рычага 10 обеспечивает прижим второго плеча спускового рычага 7 к якорю электромагнита 6, возвратная пружина 9 обеспечивает прижим паллеты фиксирующей лопатки 8 к спусковому колесу 5. Спусковые механизмы расположены диаметрально противоположно относительно спускового колеса 5 с возможностью взаимодействия паллет фиксирующих лопаток 8 с его штифтами. Каждый из электромагнитов 6 подключен к соответствующему выходу электронного блока управления спусковым регулятором 11.
Устройство работает следующим образом. Корпус 12 устройства раскрытия подвижных узлов КА (фиг. 3) крепится на корпусе 13 КА, выходной вал 4 с вилкой крепится к подвижному узлу 14 КА. Подвижный узел 14 КА приводится в транспортное состояние, взводится пружина пружинного двигателя 1, фиксируется замком (условно не показан). При необходимости перевода подвижного узла 14 КА в раскрытое положение из транспортного - замок расцепляется, подвижный узел КА освобождается. Происходит развертывание подвижного узла 14 КА за счет передачи крутящего момента, создаваемого взведенной пружиной пружинного двигателя 1 (фиг. 1) через редуктор 3 к выходному валу 4 с вилкой, закрепленному на подвижном узле 14 КА. Редуктор 3 увеличивает крутящий момент, передаваемый от пружинного двигателя 1, который ограничивается допустимой нагрузкой на электромеханический спусковой регулятор скорости 2. При раскрытии подвижного узла 14 КА (фиг. 3) на требуемый угол ϕ срабатывает фиксатор (условно не показан), который удерживает подвижный узел 14 КА в раскрытом состоянии.
Требуемая скорость раскрытия подвижного узла 14 КА обеспечивается управляемым электромеханическим спусковым регулятором скорости 2 (фиг. 1), который работает следующим образом. Установленное на валу пружинного двигателя 1 спусковое колесо 5 (фиг. 2) электромеханического спускового регулятора скорости имеет штифты. Со штифтами контактируют паллеты фиксирующих лопаток 8, которые удерживают спусковое колесо 5 от поворота. Это обусловлено соответствующим расположением спусковых механизмов, усилиями возвратных пружин 9, пружин спускового рычага 10 и усилиями электромагнитов 6. При подаче на электромагниты 6 напряжения от электронного блока управления спусковым регулятором 11 усилие на паллетах фиксирующих лопаток 8 оказывается достаточным для надежного удерживания спускового колеса 5 в неподвижном состоянии (при положении элементов электромеханического спускового регулятора, указанном на фиг. 2, удерживающей является паллета верхнего спускового механизма). Пружина спускового рычага 10 обеспечивает плотное прилегание плеча спускового рычага 7 к якорю электромагнита 6 и, соответственно, максимальное усилие электромагнита 6. Таким образом, при подаче напряжения на электромагниты 6 происходит стопорение фиксирующих лопаток 8 и удержание спускового колеса 5 в неподвижном состоянии.
в
н
Для раскрытия подвижных узлов КА с помощью электронного блока управления спусковым регулятором 11 на электромагниты подаются управляющие периодические импульсные сигналы в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг. 4, где U соответствует напряжению на электромагните верхнего спускового механизма, a U соответствует напряжению на электромагните нижнего спускового механизма.
1
и
ск
ск
ск
ск
2
и
ск
При отключении напряжения от электромагнита 6 (фиг. 2) верхнего спускового механизма (время t на фиг. 4) на некоторое время τ, при наличии напряжения на электромагните нижнего спускового механизма, момент на фиксирующую лопатку 8, создаваемый усилием от штифта 15 спускового колеса 5, становится больше момента, создаваемого пружинами 9 и 10, что приводит к повороту фиксирующей лопатки 8, выходу штифта 15 из зацепления с ее паллетой и освобождению спускового колеса 5, которое начинает проворачиваться. Расположение спусковых механизмов обеспечивает то, что при контакте паллеты одной из фиксирующих лопаток со штифтом колеса 5 (штифт 15 на фиг. 2), паллета другой лопатки находится в положении ожидания контакта с другим штифтом (штифт 16 на фиг. 2). Поэтому спусковое колесо поворачивается лишь на некоторый угол ϕ и стопорится штифтом 16. Значение ϕ определяется количеством штифтов n на спусковом колесе 5: ϕ=π/n. После поворота колеса 5 на угол ϕ возвратная пружина 9 перемещает фиксирующую лопатку 8 верхнего спускового механизма в исходное положение, при котором ее паллета ожидает контакта со следующим штифтом спускового колеса 5. При отключении напряжения от электромагнита 6 нижнего спускового механизма (время t на фиг. 4) на время τ, при наличии напряжения на электромагните верхнего спускового механизма, происходят события такие же, как описанные выше, только с нижним спусковым механизмом, приводящие к последующему повороту спускового колеса 5 на угол ϕ.
п
ск
ск
п
Таким образом, при подаче от электронного блока управления спусковым регулятором 11 на электромагниты 6 последовательности импульсных сигналов с некоторым периодом Т и сдвигом фаз, определяемым задержкой между началом отключения электромагнитов Т, иллюстрируемым временными диаграммами на фиг. 4, спусковое колесо 5 осуществляет прерывистое вращение с угловым шагом ϕ и с угловой скоростью ω=2π/Т⋅n.
ред
в
ред
п
в
ск
ред
ред
С учетом передаточного отношения редуктора 3 К, угловая скорость поворота подвижного узла КА ω=2π/(К⋅Т⋅n), а угол единичного шага поворота ϕ=ϕ/К=π/К⋅n.
в
п
и
и
и
Задание сдвига фаз импульсных сигналов, подаваемых на электромагниты, равным π (фиг. 4), обеспечивает раскрытие подвижного узла КА с угловым шагом ϕ и с постоянным периодом Т=Т/2. При этом выполнение условия τ<Т обеспечивает наличие напряжения на одном из электромагнитов при отсутствии напряжения на другом электромагните, необходимое для работы электромеханического спускового регулятора скорости. Длительность отключения электромагнита τ должна обеспечивать прохождение одиночного шагового поворота спускового колеса 5, а за время, равное (Т-τ), должно произойти полное возвращение этого спускового механизма в исходное положение за счет пружин 9 и 10 с его фиксацией электромагнитом 6.
и
п
п
в
имп
имп
ред
В качестве электронного блока управления спусковым регулятором может использоваться двухканальный генератор последовательности прямоугольных импульсов напряжения с регулируемыми длительностью τ и периодом импульсов Т, одинаковыми для обоих каналов, при постоянном сдвиге фаз сигналов по каналам равном π, а также с регулируемым числом подаваемых импульсов. При этом период импульсов Т обеспечивает заданную скорость раскрытия подвижного узла КА ω, а число импульсов N обеспечивает заданный угол раскрытия. Так, например, для раскрытия подвижного узла 14 КА (фиг. 3) на требуемый угол ϕ электронный блок управления спусковым регулятором подает на электромагниты N=ϕ/ϕ=ϕ⋅К⋅n/π импульсов.
п
Таким образом, путем изменения по заданному алгоритму периода импульсного сигнала Т, подаваемого с электронного блока управления спусковым регулятором 11 (фиг. 2) на электромагниты 6, обеспечивается возможность задания необходимого закона изменения скорости вращения спускового колеса 5 и, соответственно, скорости раскрытия подвижных узлов КА, включая их временную остановку и возобновление раскрытия. Это свидетельствует о решении поставленной технической задачи полезной модели.
В случае нарушения работы электронного блока управления спусковым регулятором 11 (фиг. 2) (при отсутствии напряжения на обоих электромагнитах 6) спусковое колесо 5 будет проворачиваться с некоторой нерегулируемой скоростью, попеременно взаимодействуя своими штифтами с паллетами фиксирующих лопаток 8 верхнего и нижнего спусковых механизмов и встречая сопротивление только от пружин 9 и 10 (обеспечивается соответствующим расположением спусковых механизмов, геометрией поверхностей паллет фиксирующих лопаток), что обеспечит процесс раскрытия подвижного узла КА в случае аварийного отключения питания.