УСТРОЙСТВО РАСКРЫТИЯ ПЛОСКИХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR UNFOLDING OF SPACECRAFT FLAT LARGE-SIZE STRUCTURES

Изобретение относится к космической технике и предназначено для одноразового раскрытия плоских крупногабаритных конструкций космического аппарата (КА), например радиолокационных антенн (РЛА), батарей солнечных (БС) и т.п.
Известно, что в устройствах одноразового раскрытия конструкций с помощью пружинного привода возникают динамические нагрузки в момент останова раскрываемого звена.
Причиной их возникновения является то, что составляющие суммарного момента сопротивления раскрытию ΣМсопр. (от инерционных сил, от сил трения в узлах вращения, от сил сопротивления кабелей электрической связи звеньев и пр.) имеют, в основном, постоянную величину на всем угле раскрытия звеньевφ, т.е. ΣМсопр.нач.=ΣМсопр.конеч., а пружинный привод располагает «падающей» характеристикой Мпр.расп.=F(φ), т.е. начальный момент пружинного привода Мпр.нач. больше момента в конце раскрытия звеньев Мпр.кон, кроме того, обязательно должно выполняться условие Мпр.кон.>ΣМсопр., чтобы обеспечить удержание (фиксацию) раскрываемого звена в конечном положении.
Разница между энергией пружинного привода и работой, необходимой для преодоления сопротивления раскрытию, идет на ускорение раскрываемого звена, угловая скорость которого на момент его останова достигает максимальной величины.
Для исключения негативного влияния динамических нагрузок на конструкцию существуют два пути: либо увеличение жесткости конструкции (массы), либо снижение уровня нагрузок до приемлемой величины.
В космической технике существуют жесткие ограничения по массе, поэтому воздействие больших динамических нагрузок способно привести к деформациям или разрушению элементов конструкции, что, в конечном итоге, снижает надежность КА.
Известно «Устройство раскрытия звеньев бортовых систем космических аппаратов» по патенту на изобретение RU №2424952, содержащее неподвижное звено, закрепленное на КА и шарнирно связанное с подпружиненным кронштейном раскрываемого звена, закрепленного на КА в исходном положении, кронштейн раскрываемого звена подпружинен пружиной кручения, которая связана с КА посредством регулятора натяжения, зубчатые венцы которого взаимодействуют с зубчатым сектором, выполненным на оси, жестко связанной с неподвижным звеном, причем на кронштейне раскрываемого звена закреплен узел торможения, подпружиненный шток которого взаимодействует с контактором, шарнирно закрепленным на опорной втулке, установленной в пазах кронштейна раскрываемого звена, при этом контактор также взаимодействует с поверхностью втулки-кулачка, выполненной с переменным радиусом, а в конце поворота раскрываемого звена - с выемкой во втулке-кулачке, установленной в пазы оси, причем опорная втулка и втулка-кулачок имеют стойки, взаимодействующие с элементами крепления.
В описанном устройстве снижение уровня динамических нагрузок на раскрываемое звено достигается за счет того, что характеристика ΣМсопр.=F(φ) суммарного момента сопротивления пружинного привода настраивается эквидистантной располагаемой характеристике пружинного привода Мпр.расп.=F(φ) с минимальной разницей между энергией пружинного привода и работой сил сопротивления.
Устройство имеет следующие недостатки:
- способ снижения динамических нагрузок на раскрываемое звено сложен, т.к. требует изготовления специального профилированного кулачка;
- отсутствие дублирования пружины кручения, поломка пружины приводит к отказу устройства;
- возможная нестабильность коэффициента трения в паре «контактор втулка-кулачок», при этом при увеличении силы трения может произойти остановка раскрываемого звена, при уменьшении - разгон;
- при фиксации раскрываемого звена за счет взаимодействия контактора с выемкой во втулке-кулачке при раскрытии крупногабаритных плоских конструкций КА, например РЛА, трудно обеспечить жесткое требование совпадения плоскостей рабочих поверхностей неподвижной и подвижной секций РЛА после ее раскрытия;
- концентрация крутящего момента в одном месте может вызвать при использовании устройства для раскрытия плоских крупногабаритных конструкций нежелательные дополнительные нагрузки;
Все перечисленные недостатки в конечном счете приводят к усложнению конструкции и снижению надежности устройства, а значит, и КА в целом.
Задачами настоящего изобретения являются упрощение конструкции и повышение надежности КА.
Задачи решаются тем, что в заявляемом устройстве раскрытия плоских крупногабаритных конструкций космического аппарата» (в дальнейшем «Устройство»), содержащем установленную на раме, закрепленной на КА, неподвижную секцию (НС), шарнирно связанные с ней поворотные секции (ПС), узлы вращения, пружинные приводы, при этом пружинные приводы (ПП) и вновь введенные дублирующие пружинные приводы (ДПП) посредством кронштейнов закреплены соответственно на периферии ПС и НС симметрично относительно осей вращения ПС, пружины приводов размещены в трубчатых корпусах и взаимодействуют с одной стороны с крышками этих корпусов, с другой - с тросами посредством поршней, снабженных регуляторами натяжения тросов, а сами тросы взаимодействуют с опорными роликами, установленными на НС и ПС ниже плоскости стыка секций и симметрично относительно осей вращения ПС, и с пазами, выполненными в принадлежащих ПС кронштейнах узлов вращения, причем оси вращения ПС лежат в плоскостях стыка секций, расстояния от осей вращения ПС до осей опорных роликов L и от осей вращения ПС до пазов в кронштейнах r определяются по зависимостям:
где ΣМсопр. - суммарный момент сопротивления раскрытию каждой из ПС;
ΣFнач., ΣFконеч. - суммарные начальные и конечные усилия пружин, установленных в ОПП (ΣFнач. и ΣFконеч. пружин, установленных в ДПП, одинаковы с усилиями пружин, установленных в ОПП);
R - радиус опорных роликов;
кроме того, в кронштейны узлов вращения, принадлежащие ПС, установлены с эксцентриситетом относительно осей вращения ПС втулки, взаимодействующие с валами узлов вращения, а ДПП снабжены механизмами зачековки, которые жестко закреплены на раме и разноплечие рычаги которых одними концами взаимодействуют с поршнями, а другими - со штоками пирочек механизмов зачековки, на раме также установлены фиксаторы-прижимы, при этом подпружиненные поворотные защелки, установленные в фиксаторах-прижимах, взаимодействуют с крючками, закрепленными на кронштейнах, установленных на нерабочих поверхностях ПС в районах центров масс ПС, причем на кронштейнах размещены также регулируемые упоры, взаимодействующие со штоками-пускателями, которые установлены в фиксаторах-прижимах, оснащенных шариковыми замками и контактными датчиками;
Конструкция устройства приведена на чертежах.
Фиг.1 - Общий вид устройства;
Фиг.2 - Вид А на фиг.1;
Фиг.3 - Выноска Б на фиг.1;
Фиг.4 - Выноска В на фиг.1;
Фиг.5 - Выноска Г на фиг.1;
Фиг.6 - Выноска Д на фиг.1;
Фиг.7 - Вид Ж на фиг.5;
Фиг.8 - Выноска И на фиг.3;
Фиг.9 - Вид К на фиг.8;
Фиг.10 - Выноска Е на фиг.1;
Устройство содержит установленную на раме 1, закрепленной на КА, НС 2, шарнирно связанные с ней (на этапах сборки, транспортирования и выведения КА на орбиту) узлами связи 3 (показаны условно) ПС 4, 5, узлы вращения 6, включающие в свой состав опорные кронштейны 7, принадлежащие НС 2, валы 8, подшипники 9 и кронштейны 10 с выполненными в них пазами 11, принадлежащие поворотным секциям 4, 5, ПП 12 и ДПП 13, посредством кронштейнов 14 закреплены соответственно на периферии ПС и НС симметрично относительно осей вращения ПС, пружины приводов 15, размещены в трубчатых корпусах 16 и взаимодействуют с одной стороны с крышками 17 этих корпусов, обеспечивающими настройку начальных усилий пружин 15, с другой - с тросами 18 посредством поршней 19, снабженных гайками-регуляторами 20 натяжения тросов 18, а сами тросы 18 взаимодействуют с опорными роликами 21, установленными на НС и ПС ниже плоскости стыка секций и симметрично относительно осей вращения ПС, и с пазами 11, при этом оси вращения ПС 4, 5 лежат в плоскостях стыка секций, а расстояния от осей вращения ПС до осей опорных роликов 21 (L) и от осей вращения ПС до пазов 11 в кронштейнах 10 (r) определяются по зависимостям:
где ΣМсопр. - суммарный момент сопротивления раскрытию каждой из ПС;
ΣFнач., ΣFконеч. - суммарные начальные и конечные усилия пружин, установленных в ОПП (ΣFнач. и ΣFконеч. пружин, установленных в ДПП, одинаковы с усилиями пружин, установленных в ОПП);
R - радиус опорных роликов;
в кронштейнах 10 узлов вращения 6 содержатся втулки 21, установленные с эксцентриситетом ε относительно осей вращения ПС, которые взаимодействуют с валами 8;
ДПП 13 снабжены механизмами зачековки 23, включающими в свой состав кронштейны 24, закрепленные к раме 1, пирочеки 25 и шарнирно установленные на кронштейнах 24 разноплечие подпружиненные рычаги 26, взаимодействующие одними концами с поршнями 19, другими - со штоками пирочек 25, при этом в механизмах предусмотрена установка технологических стопоров 27; на раме 1 закреплены и фиксаторы-прижимы 28, подпружиненные поворотные защелки 29 которых взаимодействуют с крючками 30, закрепленными на кронштейнах 31, установленных на нерабочих поверхностях ПС 4,5 в районах центров масс ПС, причем на кронштейнах 31 размещены также регулируемые упоры 32, взаимодействующие со штоками-пускателями 33, которые установлены в фиксаторах-прижимах 28, оснащенных пружинами 34, 35, 36, стопорами 37, ограничителями 38, поршнями 39 со штоками 40, прижимами 41, шариковыми замками 42 и контактными датчиками 43,
Работа устройства осуществляется следующим образом:
по команде от системы управления КА срабатывают узлы связи 3 и под действием пружин 15, входящих в состав ПП 12, поворотные секции 4,5 начинают раскрываться; на конечном этапе раскрытия регулируемые упоры 32 и крючки 30 взаимодействуют со штоками-пускателями 33 и подпружиненными защелками 29 фиксаторов-прижимов 28 соответственно, при этом штоки-пускатели 33 сжимают пружины 34, раскрывают шариковые замки 42 и становятся на стопоры 37, а защелки 29, поворачиваясь, входят в зацепление с крючками 30 и после срабатывания шариковых замков 42 с помощью пружин 35 прижимают регулируемые упоры 32 к застопоренным штокам-пускателям 33 и одновременно с помощью поршней 39, штоков 40 и прижимов 41 взаимодействуют с контактными датчиками 43, которые выдают в систему управления КА сигнал о срабатывании устройства;
в случае отсутствия сигнала от контактных датчиков 43 система управления КА выдает команду на срабатывание пирочек 25 механизмов зачековки 23, при срабатывании которых освобождаются разноплечие рычаги 26, которые выходят из зацепления с поршнями 19 ДПП 13, и срабатывание устройства происходит от пружин приводов 15, входящих в состав ДПП 13.
Таким образом, упрощение конструкции и повышение надежности КА достигается:
исключением из конструкции сложного в изготовлении специального профилированного кулачка;
установкой в устройство дублирующих пружинных приводов, которые срабатывают по команде от системы управления КА при отказе пружинных приводов;
снижением динамических нагрузок на ПС, без изготовления специального профилированного кулачка, за счет конструктивной реализации увеличения радиуса действия пружин приводов от значения r до значения (L+R), при которых на всем угле раскрытия суммарный момент от приводов сохраняется практически постоянным и лишь незначительно больше суммарного момента сопротивления раскрытию;
обеспечением строгого соответствия плоскостей рабочих поверхностей ПС и НС в рабочем положении устройства за счет того, что в процессе сборки устройства производится настройка положения втулок, установленных с эксцентриситетом относительно валов в кронштейнах узлов вращения ПС, и регулируемых упоров, установленных в центрах масс ПС и взаимодействующих с фиксаторами-прижимами, закрепленными на раме;
исключением концентрации крутящего момента в одном месте путем закрепления ПП и ДПП посредством кронштейнов на периферии ПС и НС симметрично относительно осей вращения ПС;
установкой механизмов зачековки на раме и использованием в механизмах зачековки пиропатронов малой мощности (за счет разноплечих рычагов), что уменьшает уровень ударной нагрузки на аппаратуру, например элементы РЛА, устанавливаемую на НС и ПС.
установкой технологических стопоров, позволяющих для выполнения правил противопожарной безопасности транспортировать КА к месту старта без установки в устройство пиросредств.