ГИБКИЙ ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ
FLEXIBLE HINGE ASSEMBLY

Изобретение относится к устройствам космической техники, в частности к шарнирным соединениям и устройствам раскрытия рефлекторных антенн космического аппарата, батарей солнечных и иных конструкций, требующих раскрытия из свернутого положения в рабочее.
Из современного уровня техники известна конструкция гибкого шарнирного узла, описанная в патенте «HINGE ASSEMBLY FOR A SPACE STRUCTURE» (US 10443648 B2, 15.10.2019). Данный шарнирный узел может использоваться для раскрытия штанги батареи солнечной космического аппарата. Шарнирный узел содержит две ленточные пружины, скрепляющие условные элементы конструкции, данные ленточные пружины пространственно разнесены относительно друг друга в рабочем состоянии. Ленточные пружинные элементы перемещаются из сложенного состояния в рабочее состояние путем высвобождения накопленной энергии деформации.
К недостаткам данной конструкции можно отнести небольшую жесткость в рабочем положении; низкий первый тон механических колебаний; отсутствие жесткости на кручение и, следовательно, непредсказуемая траектория раскрытия, что недопустимо для элементов космического аппарата.
Из современного уровня техники известна конструкция гибкого шарнирного узла, описанная в патенте «Раскладная конструкция для систем сверхмалого космического аппарата» (RU 186809 U1, 04.02.2019). Данный шарнирный узел может быть использован в космической технике для таких операций, как раскрытие панелей солнечных батарей, антенн, штанг и иных трансформируемых конструкций космического аппарата. Конструкция данного шарнирного узла состоит из многослойной гибко-жесткой печатной платы, совмещающей в себе функции шарнирного соединения и электрического проводника между жесткими частями раскладных панелей, при этом в качестве привода раскрытия использована пружина кручения, размещенная в месте изгиба и концами жестко закрепленная в печатной плате, фиксация в крайнем положении подвижной части раскладной панели достигается конфигурацией пружины.
К недостаткам данной конструкции можно отнести крайне небольшую жесткость в рабочем положении, которая является следствием того, что пружины кручения не обеспечивают стопорение конструкции независимо от своей жесткости; низкий первый тон механических колебаний; необходимость применять различные устройства фиксации шарнирного узла, такие как показаны, например, в патенте «Устройство фиксации шарнирного узла» (RU 2657811 C1, 15.06.2018).
Из современного уровня техники известна конструкция гибкого шарнирного узла, описанная в патенте «Шарнирный узел складного рефлектора космической антенны» (RU 197645 U1, 19.05.2020) данный шарнирный узел может быть использован в космической технике для таких операций, как раскрытие панелей солнечных батарей, антенн, штанг и иных трансформируемых конструкций космического аппарата. Конструкция данного шарнирного узла состоит из упругого элемента, соединённого с жестким каркасом с двух сторон. Данный элемент представляет из себя тонкостенную трубу с двумя отверстиями W-образной формы, что позволяет шарнирному узлу изгибаться и восстанавливать форму без разрушения.
К недостаткам данной конструкции можно отнести то, что жесткость в рабочем положении зависит от размеров выреза в стенке трубы; низкий первый тон механических колебаний; непредсказуемая траектория раскрытия, что не допустимо для элементов космического аппарата.
Наиболее близким (прототипом) к заявленному техническому решению является конструкция гибкого шарнирного узла, показанная в патенте «SELF-ACTUATING, SELF-LOCKING HINGE» (US 3386128A, 04.06.1968). Данный шарнирный узел может использоваться в космической технике для таких операций, как раскрытие панелей солнечных батарей, антенн, стрел и тому подобного. Шарнирный узел содержит три и более ленточных пружины, скрепляющие условные элементы конструкции, данные ленточные пружины пространственно разнесены относительно друг друга в рабочем состоянии и чередуются на нижней и верхней поверхности условных элементов конструкции в шахматном порядке. Ленточные пружинные элементы перемещаются из сложенного состояния в рабочее состояние путем высвобождения накопленной энергии деформации.
К недостаткам данной конструкции можно отнести небольшую жесткость в рабочем положении; низкий первый тон механических колебаний; применение данного шарнира только на плоских элементах конструкции в виду большого количества гибких элементов, разнесенных в шахматном порядке.
Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: гибкий шарнирный узел, содержащий две ленточные пружины, пространственно разнесенные и закрепленные на двух элементах трансформируемой конструкции.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является недостаточная жесткость конструкции, низкая частота собственных колебаний и непредсказуемая траектория раскрытия.
Поставленная техническая проблема решается тем, что гибкий шарнирный узел содержит две основные ленточные пружины, пространственно разнесенные и закрепленные на двух элементах конструкции, способных крепится к различным элементам трансформируемой конструкции, например, трансформируемым штангам, панелям батарей солнечных и иным конструкциям, дополнительные ленточные пружины, которые по диагонали соединяют упомянутые элементы конструкции и обладают меньшей кривизной и меньшим сечением.
Техническим результатом является создание гибкого шарнирного узла, в конструкции которого заложены решения, обеспечивающие повышение жесткости конструкции и исключение изгибных усилий в местах крепления ленточных пружин к элементам конструкции и, как следствие, значительное повышение первого тона собственных колебаний.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг.1 представлен гибкий шарнирный узел в рабочем положении;
На фиг.2 представлен гибкий шарнирный узел в свернутом положении.
Заявленный гибкий шарнирный узел состоит из двух основных ленточных пружин 1, пространственно разнесенных и закрепленных на двух элементах трансформируемой конструкции 2, например, трансформируемых элементах штанг солнечных батарей космического аппарата. В узел по диагонали вмонтированы две дополнительные ленточные пружины 3 меньшей кривизны и меньшего сечения, по сравнению с основными пружинами. Это в значительной степени повысило жесткость шарнирного узла и его первый тон собственных колебаний, а также придало траектории раскрытия большую стабильность за счет того, что диагонально расположенные элементы делают конструкцию в рабочем положении подобием фермы где жесткость, обеспечивается тем, что в узлах конструкции отсутствуют изгибные усилия, а присутствуют только растяжение и сжатие.
Переход из состояния, представленного на фиг.2 в состояние, представленное на фиг.1 происходит только за счет собственной энергии деформации.
Шарнирный узел работает следующим образом: из рабочего положения фиг. 1, путем локального изгиба основных ленточных пружин, шарнир выводится из своего состояния «равновесия» (состояния минимальной энергии), затем происходит взведение условных элементов конструкции, они подводятся друг к другу, а ленточные пружины приобретают изгиб и, как следствие, запасают энергию деформации, в этом положении элементы конструкции зачековываются. При расчековки энергия деформации пружин переходит в кинетическую энергию расчекованного элемента конструкции, постепенно его ускоряя, при достижении равновесного положения шарнира, элементы конструкции зачековываются путем вновь приобретаемой радиальной кривизны ленточных пружин, так как локальный изгиб, приобретённый в момент складывания, устраняется. В своем рабочем положении основные ленточные пружины разнесены, жёсткость конструкции условно пропорциональна кубу расстояния между пружинами (именуется строительная высота), при параллельном сдвиге одного элемента конструкции относительно другого, жесткость всего шарнира не играла роли, так как происходил излом основных ленточных пружин в четырех точках ближайших к элементам конструкции. Чтобы исключить этот эффект были введены дополнительные ленточные пружины, исключающие данный эффект. При добавлении дополнительных ленточных пружин, по диагонали соединяющие элементы конструкции, конструкция становится статически определимой, и исключаются изгибные усилия в ленточных пружинах. Условно введение дополнительных ленточных пружин в конструкцию превращает схему шарнира из рамной в ферменную.