РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ АНТЕНН
DEPLOYABLE ANTENNA ASSEMBLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к развертываемому узлу для антенн, главным образом, используемых в космических системах, в частности, к развертываемому узлу, чтобы разворачивать большие параболические отражатели. Узел подходит для множества целей, не только для развертывания больших отражателей, но также для построения больших антенн для наблюдения за Землей и телекоммуникаций, для построения складных групп спутников и даже для построения систем захвата космического мусора.
Уровень техники
Существует множество конструкций антенн с развертываемым отражателем, уже известных на уровне техники.
US 4030102 A, упоминаемый по ссылке для "Конструкции развертываемого отражателя", раскрывает поддерживающую конструкцию, которая в развернутом состоянии напоминает колесо со спицами, которое является убираемым в компактный объем посредством шарнирного обода и разматывающихся спиц, которое является эффективной и устойчивой конструкцией для хранения, развертывания и поддержки поверхностей, таких как радар и телекоммуникационные антенны, экранирования, зондирования земли, панелей солнечных элементов и отражателей солнечной энергии.
US 3617113 A раскрывает узел развертываемого отражателя, содержащий развертываемый отражатель, последовательность развертываемых панелей, окружающих и функционально соединенных с упомянутым развертываемым отражателем, упомянутая последовательность развертываемых панелей содержит первый развертываемый массив панелей, взаимосвязанных, чтобы формировать практически открытый цилиндр при развертывании, и второй развертываемый массив панелей, функционально соединенных с упомянутым первым развертываемым массивом панелей, упомянутый второй массив панелей является взаимосвязанным, чтобы формировать практически плоское кольцо при развертывании, которое лежит в плоскости, которая является практически перпендикулярной центральной оси упомянутого цилиндра, сформированного упомянутым развернутым первым массивом панелей, и средство развертывания, функционально соединенное с упомянутой последовательностью развертываемых панелей для развертывания упомянутой последовательности развертываемых панелей.
WO 2009153454 A2 раскрывает шарнирную складывающуюся конструкцию, состоящую из узла элементов, шарнирно соединенных вместе шарнирным средством, где каждый из элементов имеет на каждом конце шарнир, предоставляющий возможность ему соединяться с концом другого элемента поперек оси шарнира (X, Y), все оси поворота шарниров конструируются так, что конструкция может принимать два крайних положения, а именно, разложенное положение, когда элементы являются более или менее непрерывными друг с другом, чтобы формировать эллипс, и сложенное положение, когда элементы приводятся вместе и являются приблизительно параллельными друг другу. Элементы и шарниры соединяются со средством для регулирования раскладывания элементов и с вспомогательным средством для обеспечения одновременности раскладывания или складывания элементов.
EP 2482378 A1 раскрывает развертываемую антенну, которая имеет больший диаметр апертуры посредством четырехсторонних тяг, предусмотренных, по меньшей мере, на трех стадиях, и которая включает в себя: шесть рычажных механизмов развертывания, размещенных радиально от центрального вала таким образом, чтобы поддерживать внешний крайний фрагмент гибкой поверхности зеркала отражателя; и один приводящий механизм развертывания, размещенный в нижнем фрагменте от центра размещения шести рычажных механизмов развертывания, для раскладывания шести рычажных механизмов развертывания. Каждый из шести рычажных механизмов развертывания включает в себя первую четырехстороннюю тягу, вторую четырехстороннюю тягу и третью четырехстороннюю тягу, размещенные по порядку от позиции центрального вала, вокруг которого шесть рычажных механизмов развертывания размещаются, по направлению к внешней стороне каждого из шести рычажных механизмов развертывания, так что каждый из шести рычажных механизмов развертывания конструируется, чтобы быть складываемым в три стадии.
WO 2013135298 A1 раскрывает конструкцию механического опорного кольца для поддержки развертываемой космической антенны с отражателем. Конструкция механического опорного кольца является трансформируемой из сложенного состояния в развернутое состояние и содержит кольцеобразный пантограф, имеющий множество размещенных по кругу секций пантографа, которые являются развертываемыми для трансформации конструкции механического опорного кольца из сложенного состояния в развернутое состояние, и множество размещенных по кругу опорных стержней, каждая секция пантографа размещается между соответствующей парой опорных стержней, при этом каждая секция пантографа содержит одну или более пар стержней пантографа, которые пересекаются поперек друг с другом в соответствующей позиции пересечения.
EP 2768077 A1 раскрывает космическую развертываемую конструкцию, способную переходить из практически цилиндрической конфигурации в практически плоскостную многоугольную конфигурацию, имеющую n сторон, содержащую: n пар сегментов, каждая пара сегментов формируется посредством двух отдельных сегментов, формируя одну сторону многоугольника развернутой конструкции, так что отдельные сегменты имеют нижнее основание, практически вертикальное, имеющее призматическую форму, сегменты являются практически симметричными между собой относительно упомянутого нижнего основания, имеют свое наибольшее направление, параллельное стороне многоугольника, сформированного в развернутой конфигурации конструкции; 2n соединений, которые соединяют сегменты между собой на их краях; и систему развертывания, основанную на одновременном складывании всех сегментов, формирующих конструкцию, относительно их прилегающих сегментов, поверх соответствующих соединений, таким образом, что ось шарнира и ось конуса остаются параллельными в плоскости многоугольника в развернутой конфигурации, углы развертывания всегда поддерживаются одинаковыми между одинаковыми типами соединений.
Эти конфигурации предшествующего уровня техники предоставляют развертываемые конструкции, способные работать удовлетворительно. Однако, они имеют некоторые недостатки, типа большого числа устройств, необходимых для поддержания конструкции сложенной во время запуска, большого числа сочленений и подвижных узлов и очень ограниченного числа компоновок летательного аппарата и применений.
Сущность изобретения
Таким образом, целью изобретения является предоставление развертываемого узла для отражателей, используемых в космических системах, который способен преодолевать упомянутые недостатки.
Изобретение предоставляет развертываемый узел для антенн, содержащий:
- конструкцию, содержащую:
- n пар сегментов, каждая пара сегментов соответствует одной стороне развернутой многоугольной формы,
- n шарнирных соединений между двумя сегментами стороны, и
- n шарнирных угловых тяг между каждыми двумя соседними сторонами,
так что конструкция сконфигурирована переходить из сложенного положения практически с цилиндрической формой в развернутое положение практически с плоскостной многоугольной формой с n сторонами, и
- отражающую поверхность,
которая дополнительно содержит:
- развертываемую штангу между двумя сегментами, при этом развертываемая штанга лежит сложенной между двумя сегментами в сложенном положении,
- фидер на конце развертываемой штанги (3), фидер сконфигурирован снабжать электромагнитным образом антенну и содержит зажимной элемент для удерживания конструкции закрытой, когда сложена, так что фидер играет роль конструктивного опорного элемента, когда уложен, и электромагнитного фидера для антенны, когда развернут,
- набор натяжных элементов, выступающих из тыльной стороны сегментов, и
- сеть тросов, которая может формировать отражающую поверхность, так что соответствующие тросы удерживаются натяжными элементами.
Главными преимуществами конфигурации изобретения в сравнении с известными конфигурациями являются:
- Упрощенная геометрическая конфигурация для развертываемого параболического отражателя.
- Она предоставляет уменьшенный объем уложенного узла в конфигурации запуска, совместимую с существующими ракетами-носителями, в то же время максимизируя относительный размер апертуры.
- Она предоставляет возможность размещения в сегментах шестиугольной конструкции некоторых из подсистем платформы, в конечном счете добиваясь конструктивного решения, в котором все подсистемы спутниковой платформы и инструмент включены в шестиугольную конструкцию.
- Устойчивая конструкция, несмотря на ее размер, которая гарантирует, что ошибки вследствие, например, колебаний, вызванных маневрами спутника, являются минимальными.
- Большие секции сегментов и соединений шарниров и конусов, предоставляющие возможность получать высокую угловую точность между сегментами в развернутой конфигурации.
- Способность легко удовлетворять широкий диапазон рабочих характеристик с минимальными модификациями в системе (больший диаметр отражателя может быть удовлетворен всего лишь посредством изменения длины сегментов, и круглый до эллиптического контур отражателя может быть осуществлен посредством всего лишь изменения углов между сегментами).
- Кинематические схемы сегментов во время развертывания вынуждают их центры тяжести следовать линейному прямому шаблону, облегчающему приемочные испытания посредством испытания с устройством компенсации силы тяжести. Глобальный центр масс не движется во время развертывания, он может быть зафиксирован или быть развертываемым.
- Конструктивная опора фидера является неотъемлемой частью уложенной конструкции, и, когда изобретение разворачивается и используется в качестве антенны с отражателем, она играет роль фидера в фокусном положении.
- Размещение всего далеко от зоны обслуживания инструмента, за отражателем, чтобы улучшать характеристики миссии.
- Гарантия точности отражающей развертываемой поверхности относительно целевого параболоида.
- Она предоставляет оптимальную геометрическую конфигурацию для интерферометрического радиометра, улучшающую радиочастотные помехи (RFI) и разрешение и уменьшающую шум.
Развертываемый узел изобретения предоставляет превосходные рабочие характеристики по сравнению с встреченными до сих пор в традиционных системах, известных на уровне техники.
Два зажимных механизма (могут быть замковыми лентами) удерживают сложенный узел во время запуска и до развертывания.
Сложенный узел является очень компактным и надежным, предоставляющим возможность небольшого размера системы внутри доступного объема ракеты-носителя.
Дизайн развернутой конструкции может быть легко приспособлен к различным размерам для больших или меньших отражателей и спутников.
Хотя описание выполняется для шестиугольной конфигурации, оно может быть применено к различному числу сторон.
Эта конструкция подходит для множества целей, не только для развертывания больших отражателей, но также для построения больших антенн для наблюдения за Землей и телекоммуникаций, построения групп складных спутников, координируемых и запускаемых вместе, и даже построения систем захвата космического мусора.
Развертываемая конструкция изобретения также является самоподдерживающей, таким образом, вспомогательные элементы не нужны для того, чтобы получать жесткость, направление и форму во время развертывания.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из последующего подробного описания иллюстративного варианта осуществления и не ограничивающего его цель в соединении с сопровождающими чертежами.
Описание чертежей
Фиг. 1 является изометрическим видом большого развертываемого отражателя предшествующего уровня техники, прикрепляемого к спутнику.
Фиг. 2A, 2B и 2C являются схематичными общими представлениями объекта изобретения в сложенном, разворачивающемся и полностью развернутом (рабочем) положениях, соответственно.
Фиг. 3 является более подробным видом сложенного узла, в конфигурации запуска в доступном объеме обтекателя.
Фиг. 4 показывает развернутый узел в рабочей компоновке.
Фиг. 5 является упрощенным видом сложенного и развернутого узла (фидер, штанга, тросовая сеть и отражающая поверхность не представлена).
Фиг. 6A-6F показывают основные этапы развертывания конструкции и узла.
Фиг. 7 показывает развертываемый узел изобретения в промежуточном положении процесса развертывания.
Подробное описание изобретения
Фиг. 2A, 2B и 2C показывают развертываемый узел для антенн изобретения на нескольких стадиях. Фиг. 2A показывает сложенное положение, фиг. 2B показывает промежуточное положение, в котором узел развертывается, и фиг. 2C показывает полностью развернутое положение.
Фиг. 6A-6F также показывают развертываемый узел для антенн изобретения на нескольких стадиях, с большим количеством промежуточных положений.
Фиг. 7 является подробным видом развертываемого узла изобретения в промежуточном положении процесса развертывания, в котором все его элементы могут быть видны.
Развертываемый узел для антенн, показанный на этих чертежах, содержит:
- конструкцию, содержащую:
- n пар сегментов 4, 5, каждая пара сегментов 4, 5 соответствует одной стороне развернутой многоугольной формы,
- n шарнирных соединений между двумя сегментами 4, 5 стороны, и
- n шарнирных угловых тяг 6 между каждыми двумя соседними сторонами, и
- отражающую поверхность 9.
Конструкция сконфигурирована переходить из сложенного положения практически с цилиндрической формой в развернутое положение практически с плоскостной многоугольной формой с n сторонами, как может быть видно на фиг. 5.
Развертываемый узел для антенн также содержит:
- развертываемую штангу 3 между двумя сегментами 4, 5, при этом развертываемая штанга 3 лежит сложенной между двумя сегментами 4, 5 в сложенном положении,
- фидер 1 на конце развертываемой штанги 3, фидер сконфигурирован снабжать электромагнитным образом антенну и содержит зажимной элемент 2 для удерживания конструкции закрытой, когда сложена, так что фидер 1 играет роль конструктивного опорного элемента, когда уложен, и электромагнитного фидера для антенны, когда развернут,
- набор натяжных элементов 8, выступающих из тыльной стороны сегментов 4, 5, и
- сеть 7 тросов, которая может формировать отражающую поверхность 9, так что соответствующие тросы удерживаются натяжными элементами 8.
Предпочтительно, развертываемая штанга 3 размещается между двумя сегментами 4, 5 одной стороны многоугольной формы, как может быть видно, например, на фиг. 6B-6F. Развертываемая штанга 3 лежит сложенной, зажатой и защищенной между двумя сегментами 4, 5 перед развертыванием, чтобы удовлетворять фокусному расстоянию. Фиг. 6A-6D показывают последовательные этапы формирования многоугольной формы с n сторонами, а фиг. 6D-6F показывают развертывание штанги 3. На фиг. 6F развертываемый узел для антенн изобретения является полностью развернутым.
Фиг. 5 является упрощенным видом развертываемого узла изобретения, главным образом, показывающим конструкцию, где фидер 1, штанга 3, сеть 7 тросов и отражающая поверхность 9 не представлены.
Как указано, фидер 1 может играть роль:
- крепежного элемента для сегментов 4, 5, когда уложен, посредством зажимного элемента 2 (см. фиг. 3, например), и
- электромагнитного фидера для антенны, когда фидер 1 развернут.
Зажимной элемент 2 может быть, например, замковой лентой, аналогичной замковым лентам, используемым в аналогичных применениях в системах космических аппаратов.
Развернутая многоугольная форма имеет n сторон, соответствующих n парам сегментов 4, 5. На чертежах, которые показывают вариант осуществления изобретения, шестиугольная форма была выбрана (см., например, фиг. 5). Каждая пара сегментов формируется посредством двух симметричных сегментов 4, 5 с шарнирным соединением в качестве связующего элемента между ними.
Конструкция развертываемого кольца изобретения имеет достаточно пространства внутри, чтобы удерживать необходимые подсистемы космического аппарата. Она может содержать все необходимое для формирования законченного спутника, типа систем электропитания, управления полетом и пространственным положением и связи с Землей, хотя она может также быть задумана как полезная нагрузка, прикрепленная к более крупному спутнику.
Фиг. 5 и 7 также показывают n шарнирных угловых тяг 6 между каждыми двумя соседними сторонами многоугольной формы, таким образом, размещенных в каждом углу многоугольной формы. Форма может быть определена как правильный или неправильный многоугольник, для того, чтобы добиваться круглого или эллиптического контура отражающей поверхности 9. Фиг. 5 и 7 также показывают набор кронштейнов 15, выступающих из тыльной стороны сегментов 4, 5, чтобы формировать контур отражающей поверхности 9.
Движение для развертывания конструкции осуществляется посредством моторов на каждой шарнирной угловой тяге 6. Координация может гарантироваться механическим средством и/или датчиками положения в качестве сигналов обратной связи, когда необходимо. Окончательное положение может быть гарантировано концевыми стопорами, а необратимость окончательной развернутой конфигурации может быть обеспечена с помощью защелок, если желательно.
Сеть 7 тросов содержит несколько натяжных тросов, чтобы гарантировать, что отражающая поверхность 9 соответствует ее желаемой форме, когда развернута. Как может быть видно на фиг. 7, натяжные тросы могут удерживаться посредством натяжных элементов 8, выступающих из тыльной стороны сегментов 4, 5, приспособленных для натяжения натяжных тросов.
Посредством этой конфигурации получается сеть 7 натянутых тросов. Предпочтительно отражающая поверхность 9 является параболоидом, сформированным посредством тросов, которые работают посредством тягового усилия, как ранее описано.
Что до контура отражающей поверхности 9, она может быть круглой или эллиптической.
Отражающая поверхность 9 является сложенной, ограниченной и защищенной внутри уложенной конструкции во время запуска (см. фиг. 3 и 6A). Уложенная конструкция защищает отражающую поверхность 9 от контактирования и повреждения фидера 1.
Фиг. 3 также показывает нижний зажимной элемент 10 (например, замковую ленту), которая остается с ракетой-носителем после отделения. Она также показывает доступный диапазон 14 высоты для укладки в ракете-носителе, который определяет диаметр отражающей поверхности 9.
Фиг. 5 также показывает малую ось 11 и большую ось 12 контура отражающей поверхности 9, когда она является эллиптической. Она также показывает диаметр 13 конструкции в уложенном положении.
Настоящее изобретение представляет космический развертываемый узел с замкнутым контуром с конструкцией, приспособленной переходить из практически цилиндрической конфигурации практически в плоскостную многоугольную конфигурацию, имеющую n сторон:
- Плотно удерживающей все системы от запуска до развертывания, с необходимостью всего лишь двух зажимных элементов 2, 10 (могут быть замковые ленты).
- Развертывающей широкий диапазон антенн с отражателем, поддерживающих одинаковое минимальное количество механизмов.
- Размещающей все системы, традиционно содержащиеся в сервисном модуле (такие как двигательная установка, система генерации мощности, система навигации и т.д.) внутри своих развертываемых сегментов.
- Облегчающей задачи проектирования, анализа, производства и комплексного испытания узла (AIT).
- Подходящей для множества целей:
- Наблюдения за Землей (большие развертываемые отражатели, радиометры, радары)
- Телекоммуникаций
- Захвата космического мусора
- Группы координируемых спутников, запущенных вместе, чтобы снижать затраты и последующий космический мусор в конце срока эксплуатации.
- Построения сегментов для более крупных космических структур, собираемых в космосе
Хотя настоящее изобретение было полностью описано в соединении с предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что модификации могут быть выполнены в его рамках, не рассматривая его, как ограниченное этими вариантами осуществления, но содержимым последующей формулы.