Уравновешенное опорно-поворотное устройство
BALANCED SWING APPARATUS

Изобретение относится к области антенных сооружений, а более конкретно, к опорно-поворотным устройствам (ОПУ), и может быть использовано при динамическом наведении остронаправленных наземных антенн для связи с низкоорбитальными космическими аппаратами.
Для обеспечения связи с низкоорбитальными космическими аппаратами необходимо осуществлять высокоточное антенное наведение и отслеживание их астродинамических траекторий. Астродинамические траектории низкоорбитальных космических аппаратов требуют поворота антенного ОПУ, управляемого по крайней мере по двум осям, в полном диапазоне углов места и азимутов. Остронаправленные наземные зеркальные антенны спутниковой связи могут быть до 12-17 метров в диаметре с массой зеркальной системы до нескольких тонн. Например, масса параболического зеркала диаметром 12 (4.8) м составляет 4800 (900) кг, соответственно. В условиях динамического наведения и отслеживания, требования к ОПУ для таких тяжелых зеркал значительно усложняются в части прецизионной механической подвижности. Подвижность тяжелых зеркал, особенно при повороте по углу места, приводит к напряженно-деформированному состоянию поворотного механизма. В свою очередь, напряженно-деформированное состояние поворотного механизма вызывает дополнительные люфты, и его быстрый износ, что в конечном итоге приводит к возникновению значительных угловых ошибок и критическим неисправностям ОПУ. Поэтому для удовлетворения требованию прецизионной подвижности, конструкция ОПУ должна предпочтительно обеспечивать максимально достижимое уравновешивание антенного сооружения в целом.
Известно ОПУ для наведения антенны по азимуту и углу места, содержащее опорную конструкцию, шарнирный узел крепления антенны, расположенный на вершине опорной конструкции, два толкающих привода, каждый из которых закреплен шарнирно одним концом на опорной конструкции, а другим с эксцентриситетом относительно оси вращения - на антенне [1 - патент RU 2242826 C1. Опорно-поворотное устройство антенны с ограниченным сектором наведения / Похабов Ю.П., Наговицин В.Н., Халиманович В.И., Климов В.Л., Ямашев В.М. - Опубл. 20.12.2004].
Первым недостатком приведенного ОПУ [1] является ограниченность сектора наведения с исключением возможности поворота зеркала антенны в секторе углов места, примыкающих к зениту. Вторым недостатком приведенного ОПУ [1] является неуравновешенность его конструкции с постоянно действующим на поворотный механизм гравитационным крутящим моментом.
Известно ОПУ для полноповоротной зеркальной антенны, содержащее в основании опорно-юстировочный узел, на верхней торцевой поверхности опорного корпуса которого закреплена подвеска перемещения антенны по азимуту, на которой установлена подвеска перемещения антенны по углу места, при этом последняя соединена с зеркальной системой, которая содержит узел облучателя, рефлектор и систему противовесов, закрепленную на ступице рефлектора [2 - патент RU 113878 U1. Полноповоротная приемная зеркальная антенна / Бугаев Ю.Н., Суетенко А.В., Графов А.Ф., Петровский С.С, Сергеев М.В., Докучаев Д.Н., Чивилев А.Д. - Опубл. в Бюл. №6, 2012]. ОПУ [2] обеспечивает поворот зеркала антенны в секторе углов места, примыкающих к зениту.
Недостатком приведенного ОПУ [2] является ограниченность возможных размеров устанавливаемых антенн с зеркалом диаметром до 7 м. Ограниченность размера устанавливаемых на ОПУ [2] антенн обусловлена, в частности, конструкцией противовеса с креплением груза посредством кронштейна фиксированной длины.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного изобретения является трехосное ОПУ, содержащее азимутальный поворотный механизм, осуществляющий поворот антенны вокруг первой оси вращения, угломестный поворотный механизм с противовесом, осуществляющий поворот антенны и противовеса вокруг второй оси вращения, и поворотный механизм, осуществляющий поворот антенны вокруг третьей оси вращения [3 - патент RU 2524838 C2. Трехосное опорно-поворотное устройство / Воробьев Н.Ю., Демченко В.И., Коваленко Е.А., Попов Ю.А. - Опубл. в Бюл. №22, 2014]. Введение в конструкцию ОПУ [3] третьей оси вращения позволило обеспечить наведение антенны в полном диапазоне углов места и азимутов без ограничения сектора наведения. Конструкция ОПУ [3] позволяет устанавливать антенны с диаметром до 17 м для связи с низкоорбитальными космическими аппаратами.
Первым недостатком прототипа ОПУ [3] является то, что полная уравновешенность гравитационного воздействия достигается с помощью противовеса лишь при ограниченных углах наклона антенны к горизонту. В полном диапазоне углов наклона антенны прототип ОПУ [3] неуравновешен. Вторым недостатком прототипа ОПУ [3] являются его ограниченные динамические характеристики, особенно в режимах ускорения и торможения вращательного движения.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение полной уравновешенности гравитационного воздействия на ОПУ тяжелых антенн с диаметром до 17 м, динамически управляемого в полном диапазоне углов места и азимутов без ограничения сектора наведения, а также улучшение динамических характеристик ОПУ, особенно в режимах ускорения и торможения вращательного движения.
Для решения указанной технической проблемы предлагается уравновешенное опорно-поворотное устройство, содержащее, по крайней мере, два поворотных механизма, каждый из которых со своей осью вращения, и противовес, закрепленный противоположно антенне на угломестной оси вращения.
Согласно изобретению, указанный противовес конструктивно включается трансформируемым таким образом, что длина плеча рычага груза изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны к горизонту, и возможны следующие частные случаи исполнения уравновешенного опорно-поворотного устройства:
- указанный противовес, содержащий груз и телескопический рычаг, исполняется так, что груз движется на телескопическом рычаге таким образом, что длина плеча рычага груза изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны к горизонту;
- указанный противовес, содержащий балку и груз, исполняется в ползунковом виде так, что груз движется по балке таким образом, что длина плеча рычага груза изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны к горизонту.
Техническим результатом изобретения является конструктивное включение трансформируемого противовеса, уравновешивающего гравитационное воздействие на ОПУ тяжелых антенн с диаметром до 17 м, динамически управляемого в полном диапазоне углов места и азимутов без ограничения сектора наведения, а также улучшение динамических характеристик ОПУ, особенно в режимах ускорения и торможения вращательного движения.
Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого устройства из доступной литературы не известно, и предлагаемое устройство соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Изобретение поясняется на фигурах 1-5:
На фиг. 1 показан общий компоновочный вид заявляемого уравновешенного опорно-поворотного устройства с антенной.
На фиг. 2 показано заявляемое уравновешенное опорно-поворотное устройство с антенной, ориентированной в зенит.
На фиг. 3 показано заявляемое уравновешенное опорно-поворотное устройство с антенной, ориентированной на горизонт.
Фиг. 4 иллюстрирует уравновешивающее действие телескопического противовеса согласно частному случаю осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 иллюстрирует уравновешивающее действие ползункового противовеса согласно частному случаю осуществления настоящего изобретения.
Заявляемое уравновешенное ОПУ, показанное на фиг. 1 (не в масштабе), содержит опорную колонну 1, устанавливаемую на фундаменте (не показан на фиг. 1), на вершине которой крепится азимутальный поворотный механизм 2, на вращающейся верхней части азимутального поворотного механизма 2 размещается опорная конструкция 3, на вершине которой устанавливается угломестный поворотный механизм 4, на котором, с одной стороны, предпочтительно посредством третьего поворотного механизма 5, закрепляется антенна 6, а с противоположной стороны закрепляется противовес 7. ОПУ с антенной 6, ориентированной в зенит (угол места 90°), показано на фиг. 2 в ортогональной проекции относительно проекции фиг. 1, а ОПУ с антенной 6, ориентированной на горизонт (угол места 0° или 180°) - на фиг. 3 в проекции фиг. 1.
Рассмотрим действие заявляемого уравновешенного ОПУ. Каждый из трех поворотных механизмов ОПУ поворачивает антенну вокруг своей независимой оси вращения - азимутальной, угломестной и третьей.
Азимутальный поворотный механизм 2 поворачивает антенну 6 по всем требуемым азимутам ±270° вокруг азимутальной оси вращения. При максимальном угле места астродинамической траектории низкоорбитального космического аппарата, не превышающем 80°, предпочтительно применяют азимутально-угломестный режим работы ОПУ. При более высоких углах места астродинамической траектории, превышающих 80°, предпочтительно применяют угломестно-угломестный режим работы ОПУ, при котором угломестный поворотный механизм 4 совместно с третьим поворотным механизмом 5 позволяют поворачивать антенну 6 в полном диапазоне углов места от 0° до 180°. Поворот антенны 6 третьим поворотным механизмом 5 вокруг третьей оси вращения предпочтительно осуществляют в пределах ±10°. Существо и особенности конструкций указанных поворотных механизмов 2, 4, 5 не входят в объем настоящего изобретения.
Для идеального уравновешивания центр тяжести антенны 6 было бы желательно совместить с угломестной осью вращения. Однако на практике всегда имеет место рычаг от угломестной оси вращения до центра тяжести антенны 6. Рычаг обуславливается конструкцией антенны 6 и наличием третьего поворотного механизма 5. Основное предназначение противовеса 7 заключается в исключении опрокидывания ОПУ под весом антенны 6. В случае полного уравновешивания, противовес 7 также исключает воздействие гравитационного крутящего момента на угломестный поворотный механизм 4. Исключение гравитационного крутящего момента минимизирует напряженно-деформационное воздействие, вызывающее дополнительные люфты, и быстрый износ угломестного поворотного механизма 4, что в конечном итоге приводило бы к возникновению значительных угловых ошибок и критическим неисправностям ОПУ.
Поворот антенны 6 третьим поворотным механизмом 5 вокруг третьей оси вращения приводит к изменению длины плеча рычага от угломестной оси вращения до центра тяжести антенны 6. Для того чтобы ОПУ с антенной 6 постоянно находилось в уравновешенном состоянии, должна равняться нулю не только сумма всех сил, но и сумма моментов всех сил относительно оси вращения. Поэтому в условиях изменчивости длины плеча рычага до антенны 6 целесообразно включать противовес 7 с изменяемой длиной плеча рычага до груза соответственно. Момент гравитационных сил, приложенных к антенне 6, увеличивается с наклоном антенны 6 к горизонту, поэтому длина плеча рычага до груза должна изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны к горизонту. Трансформация противовеса 7 с изменением длины плеча рычага до груза осуществляется по командам блока управления. Существо и особенности указанного блока управления трансформацией противовеса 7 не входят в объем настоящего изобретения.
Конструкция противовеса 7 с изменяемой длиной плеча рычага до груза позволяет также динамически регулировать осевой момент инерции ОПУ с антенной в целом, не только относительно угломестной оси вращения, но и относительно азимутальной оси вращения. Что улучшает динамические характеристики ОПУ при работе как угломестного поворотного механизма 4, так и азимутального поворотного механизма 2, особенно в режимах ускорения и торможения. Осевой момент инерции является мерой инертности ОПУ с антенной при вращательном движении и зависит от распределения массы относительно оси вращения.
Поскольку массу противовеса 7 предпочтительно уменьшать, максимальную длину плеча рычага со стороны противовеса 7 увеличивают насколько это возможно. При этом возможность динамического изменения длины плеча рычага до груза противовеса 7 позволяет размещать противовес 7 целиком в пределах опорной конструкции 3, при ориентированной в зенит антенне 6, как показано на фиг. 2. В положении ОПУ с ориентированной в зенит антенной 6, длину плеча рычага до груза можно минимизировать, поскольку гравитационное поле всегда направленно к земле и суммарный момент гравитационных сил, приложенных к антенне 6 симметрично, стремится к нулю. Конструктив заявляемого ОПУ, также как и прототипа ОПУ [3], позволяет устанавливать тяжелые антенны с зеркалом диаметром до 17 м.
Возможны частные случаи исполнения трансформируемого противовеса 7. Первый частный случай исполнения противовеса 7 показан на фиг.4. Противовес 7, содержащий груз 8 и телескопический рычаг 9, исполняется так, что груз 8 движется на телескопическом рычаге 9 таким образом, что длина плеча рычага груза 8 изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны 6 к горизонту в соответствии с алгоритмом, реализованным в блоке управления. Второй частный случай исполнения противовеса 7 показан на фиг.5. Противовес 7, содержащий груз 10 и балку 11, исполняется в ползунковом виде так, что груз 10 движется по балке 11 таким образом, что длина плеча рычага груза 10 изменяется прямо пропорционально углу наклона антенны 6 к горизонту в соответствии с алгоритмом, реализованным в блоке управления. Возможны и иные частные случаи исполнения трансформируемого противовеса 7 с изменяемой длиной плеча рычага до груза, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.
В примерах частных случаев исполнения заявляемого уравновешенного ОПУ угол наклона антенны 6 к горизонту задается угломестным поворотным механизмом 4 совместно с третьим поворотным механизмом 5. Другими словами, совместно с азимутальным поворотным механизмом 2, угломестный поворотный механизм 4 и третий поворотный механизм 5 формируют трехосное ОПУ. Однако возможно использование отличного от трех количества осей вращения ОПУ, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.