РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ КРУПНОГАБАРИТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОР И СПОСОБ ЕГО НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ
UNFOLDING LARGE DIMENSIONED COSMIC REFLECTORS AND THE METHOD OF PERFORMANCE OF TERRESTRIAL TESTS

Изобретение относится к космической технике, к развертываемым крупногабаритным конструкциям, в частности, может быть использовано для рефлекторов космических антенн, выполненных, например, на основе стержневых конструкций.
Известна складывающаяся конструкция рефлектора "зонтичного типа", например патент США №2945234 от 12.07.1960 года, в которой к центральному узлу рефлектора крепятся радиальные профилированные ребра. Параллелограммный механизм позволяет складывать ребра поворотом к оси рефлектора. К профилированной кромке ребер крепится радиоотражающая поверхность - "экран" из сетеполотна. Заданная точность профиля и формы рефлектора обеспечиваются количеством и профилем ребер.
Недостатком конструкции, при транспортировочном положении, является необходимость наличия головных обтекателей с большими зонами полезного груза. Это приводит к росту размеров головных обтекателей и, следовательно, массы и нагрузок на ракету-носитель и к ужесточению требований к системе управления ракеты-носителя, кроме того, точность воспроизведения заданной формы радиоотражающей поверхности у такого рода конструкций уменьшается к периферии, а также они требуют разработки и изготовления дорогостоящего стендового оборудования в виде стендов обезвешивания, которое по стоимости сопоставимо со стоимостью самих рефлекторов.
Известно также техническое решение конструкции раскрываемых крупногабаритных рефлекторов, например по патенту США №3286259 от 30.04.1964 года, где к жесткой профилированной средней части рефлектора шарнирно по периферии закреплены складываемые силовые элементы конструкции. Шарнирное устройство позволяет силовым элементам вращаться в плоскости, перпендикулярной оси рефлектора, производя складывание. Силовой элемент изогнут так, что при складывании он укладывается на боковую поверхность средней части рефлектора рядом с предыдущим силовым элементом. При этом в раскрытом положении они совместно образуют профильную поверхность заданной формы, формируя профиль средней части рефлектора. К силовым элементам крепится радиоотражающая поверхность из сетеполотна, которая натягивается при раскрытии силовых элементов, принимая заданную форму.
В техническом решении по патенту США №5446474 от 29.08.1995 года предлагается конструкция рефлектора, в которой к средней части рефлектора, выполненной в виде катушки, на шарнирах, установленных под углом к оси рефлектора, крепятся профилированные со стороны рабочей части радиальные ребра. Ребра изготовлены из пружинящего материала. На профилированную поверхность ребер крепится радиоотражающая поверхность из сетеполотна. Укладка рефлектора в транспортировочное положение производится вращением вокруг оси шарнирных соединений и намоткой ребер с сетеполотном на центральную часть. Точность формы радиоотражающей поверхности обеспечивается количеством формообразующих ребер.
Недостатки конструкций по указанным двум патентам повторяют недостатки по патенту США №2945234 от 12.07.1960 года.
Известно развертываемое антенное устройство по патенту США №4482900 от 13.11.1984 года, в котором рефлектор имеет силовые элементы форменной конструкции, которые образуют базовые ячейки в виде параллелепипедов. Вертикальные ребра параллелепипедов состоят из одинаковых стержней. Эти стержни соединены сверху и снизу так называемыми поверхностными складывающимися стержнями. Складывающиеся стержни состоят из двух элементов, соединенных шарниром, обеспечивающих их складывание. Образование и подержание формы параллелепипеда осуществляется складываемыми диагоналями. Для складывания каждого параллелепипеда необходимо сверху и снизу сложить пополам поверхностные стержни и диагонали. При этом вертикальные стержни сближаются, а поверхностные стержни и диагонали складываются таким образом, что они остаются между вертикальными стержнями. Заданная форма рефлектора обеспечивается подбором длин диагональных элементов для каждого параллелепипеда. Радиоотражающая поверхность крепится к вертикальным стержням со стороны рабочей поверхности. Требуемая точность отражающей поверхности и форма обеспечиваются размером параллелепипедов.
Недостатком конструкции является то, что для достижения заданной точности радиоотражающей поверхности и формы рефлектора необходимо увеличивать количество элементов конструкции и, следовательно, ее массу. Кроме того, при увеличении количества формообразующих элементов (параллелепипедов) возрастает количество разворачиваемых сочленений конструкции и конструкция также требует для своей наземной отработки разработки и изготовления дорогостоящего стенда обезвешивания, существенно повышая стоимость конечного продукта - космического рефлектора.

Известен развертываемый рефлектор AstroMeshфирмы AstroAerospace (патент №5680125 от 21.10.1997 года).
Рефлектор содержит разворачиваемый силовой замкнутый стержневой каркас, на торцах которого по периферии зеркально закреплены две одинаково профилированные сетки. Для обеспечения заданной формы обе сетки соединены между собой по узлам параллельными растяжками. К одной из сетей крепится радиоотражающая поверхность. Заданная точность и форма обеспечивается размером и шагом установки параллельных растяжек.
Существенным недостатком конструкции является большая высота каркаса рефлектора в сложенном состоянии, обусловленная необходимостью обеспечения высоты силового кольца рефлектора, как минимум, равной двойной величине глубины кривизны отражающей поверхности рефлектора из-за наличия двух зеркально профилированных сеток и также требуется для наземной отработки проектирование и изготовление дорогостоящего стенда обезвешивания, что значительно увеличивает стоимость космического рефлектора.
В патенте США №6028570 от 22.02.2000 года предложено техническое решение по конструкции силового кольца раскрывающегося рефлектора, отличающееся от заявленного в патенте №5680125 от 21.10.1997 года схемой раскрытия стержневого каркаса силового кольца.
Известна также конструкция развертываемого крупногабаритного рефлектора, разработанного грузинским институтом космических сооружений совместно с РКК «Энергия» (журнал «Аэрокосмический курьер», 1999 год, №6, стр.58-61).
Рефлектор содержит центральный узел, силовое кольцо, электромеханические приводы развертывания, радиоотражающую поверхность, профилированные радиальные лепестки. Силовое кольцо представляет собой стержневую конструкцию в виде кольцевого пантографа. Каждый лепесток имеет симметричную трапециевидную форму и спрофилирован по длине в соответствии с кривизной параболической поверхности.
Недостатком конструкции является ее сложность и, как следствие, недостаточная надежность раскрытия.
Прототипом заявляемого изобретения является развертываемый крупногабаритный рефлектор (патент №2214659 от 05.09.01, МПК 7 Н01Q 15/16, 1/28).
Рефлектор содержит силовое кольцо, собранное из стержней, центральный узел, опорные радиальные лепестки, в нижней части которых установлена тросовая система растяжек, рычаги и подкосы, электромеханические приводы раскрытия, отражающую поверхность рефлектора из металлического сетеполотна, формообразующие штанги с гибкой системой аппроксимации, центральный узел, узлы крепления сетеполотна.
Силовое кольцо в развернутом положении представляет собой пантографный механизм, замкнутый в кольцо. Центральный узел расположен в геометрическом центре силового кольца, опорные лепестки шарнирно соединены с корпусом центрального узла и с наружными телескопическими стойками силового кольца.
Формирование отражающей поверхности рефлектора обеспечивается путем закрепления сетеполотна на концах штанг расчетной длины, определяемой заданным профилем отражающей поверхности, установленных на опорных лепестках и рычагах. Проекция отражающей поверхности рефлектора в плане имеет форму эллипса, что обеспечивается за счет использования стержневых элементов различной длины и подкосов. Необходимая точность отражающей поверхности рефлектора обеспечивается выбором необходимого количества опорных лепестков и шага установки на них штанг.
При транспортировочной укладке силовое кольцо имеет цилиндрическую форму, при этом стержни и телескопические стойки силового кольца, рычаги и подкосы расположены вдоль образующей цилиндра. Высота транспортной укладки рефлектора превышает высоту сложенного силового кольца и определяется максимальной расчетной длиной рычагов.
Недостатком конструкции является увеличение отклонения от расчетной формы отражающей поверхности рефлектора от центра к периферии рефлектора вследствие установки формообразующих штанг только в радиальном направлении на опорных лепестках и рычагах, что требует расчетного количества опорных лепестков и рычагов в конструкции рефлекторов заданных размеров и необходимой расчетной точности отражающей поверхности, она может быть избыточной из соображений жесткости, устойчивости конструкции и приводит к усложнению и увеличению массы рефлекторов.
Также существенным недостатком конструкции рефлектора является отсутствие одинаковой укладки радиоотражающей поверхности из сетеполотна при многократных складываниях и раскрытиях и его зацепы за штанги, рычаги, а с увеличением размера рефлектора происходит пропорциональное увеличение габаритов транспортной укладки под обтекателем ракетоносителя. Способ отработки кинематики многократного раскрытия и складывания космического рефлектора требует разработки и изготовления дорогостоящего стенда обезвешивания, что значительно увеличивает стоимость космического рефлектора. Прототипом способа для отработки кинематики многократного раскрытия и складывания рефлектора является стенд обезвешивания приведенный в книге «Э.Медмариашвили. «Трансформируемые конструкции в космосе и на земле». Издательство Германия-Грузия-Лихтенштейн. 1995 г.». Способ отработки кинематики многократного раскрытия и складывания рефлектора предусматривает обязательное наличие стенда обезвешивания, состоящего из форменных опорных конструкций, на которых закреплена несущая рамная конструкция с закрепленными на ней направляющими, по которым перемещаются тележки с установленными на них трособлочной системой к которой крепятся узлы подвеса каркаса рефлектора. Недостатком способа отработки кинематики раскрытия и складывания рефлектора является: наличие специально подготовленного термостатированного помещения, наличие специального стенда обезвешивания, имеющего большие габаритные размеры, большие трудозатраты на его изготовление и, как следствие, высокая стоимость, в разы превосходящая стоимость основного изделия.
Задачей настоящего изобретения является: снижение массы рефлектора, уменьшение поперечных габаритов укладки под головным обтекателем и обеспечение минимизации высоты укладки рефлектора в транспортном положении, что позволит расширить диапазон компоновочных решений при размещении космических аппаратов под головным обтекателем ракеты-носителя. Задачей изобретения также является обеспечение требуемой точности отражающей поверхности рефлектора при уменьшении конструктивных элементов рефлектора, ведущего к упрощению конструкции, уменьшению массы, увеличению надежности раскрытия и складывания рефлектора, а также исключению дорогостоящего стенда обезвешивания из состава необходимой стендовой оснастки и разработки иного способа отработки кинематики раскрытия и складывания космического рефлектора, что приводит к значительному снижению стоимости конечного продукта - космического рефлектора.
Техническим результатом настоящего изобретения является: снижение массы рефлектора, уменьшение поперечных габаритов укладки под головной обтекатель, повышение точности поверхности рефлектора и надежности раскрытия и складывания космического рефлектора, а также низкая стоимость отработки космического рефлектора.
Технический результат достигается тем, что в развертываемом крупногабаритном космическом рефлекторе, содержащем центральный узел, силовое кольцо, образованное горизонтальными складывающимися несущими силовыми стержнями и вертикальными несущими силовыми стойками силового кольца, соединенными с основными и промежуточными гибкими опорными лепестками, тросо-блочную систему раскрытия, взаимодействующую с приводом раскрытия, силовым кольцом и центральным узлом, радиоотражающей поверхности из сетеполотна, закрепленная на гибких основных и промежуточных опорных лепестках на вертикальных стержневых элементах опорных лепестков, задающих профиль радиоотражающей поверхности из сетеполотна космического рефлектора, введены в радиальных направлениях между основных гибких опорных лепестков промежуточные гибкие опорные лепестки, в виде вантово-стержневых лепестков, в плоскости которых лежит продольная ось центрального узла, причем основные гибкие опорные лепестки закреплены за вертикальные несущие силовые стойки силового кольца, а промежуточные гибкие опорные лепестки - за гибкие растяжки, соединенные с узлами крепления основных гибких опорных лепестков, за вертикальные несущие силовые стойки по верхнему и нижнему поясам силового кольца, а основные и промежуточные гибкие опорные лепестки включают с шагом установленные вертикальные жесткие стержневые элементы различной длины, формирующие параболическую поверхность рефлектора, и содержат узлы крепления сетеполотна, и располагаются концентрически от центра к периферии с шагом, равным шагу установки вертикальных жестких стержневых элементов.
Вертикальные несущие силовые стойки силового кольца снабжены ползунами и шарнирно с ними соединенными подкосами, взаимодействующими с роликовой тросо-блочной системой раскрытия с приводом раскрытия, устанавливаемой с внешней стороны вертикальных несущих силовых стоек и горизонтальных складывающихся несущих силовых стержней силового пояса.
Верхний и нижний ползуны содержат кронштейны с подпружиненными толкателями с роликами, взаимодействующими с тросо-блочной системой раскрытия, проходящей по внешней поверхности верхнего и нижнего поясов несущих горизонтальных силовых складывающихся стержней, а ползуны при раскрытии и складывании перемещаются во взаимно противоположных направлениях.
Рефлектор содержит узлы подвеса для крепления сетеполотна - типа «гардина», которые при складывании направлены радиально к центру рефлектора, параллельно направлению траектории расположения гибким опорным лепесткам в виде гибких вантово-стержневых лепестков.
Шарнирные подкосы ползунов, взаимодействующих с вертикальными несущими силовыми стойками и горизонтальными складывающимися несущими силовыми стержневыми элементами, выполнены «П»-образной формы, внутрь полости которых при складывании входят горизонтальные складывающиеся несущие силовые стержни.
На вертикальных несущих силовых стойках силового кольца расположены элементы фиксации и расфиксации узлов подвеса, взаимодействующие с радиоотражающей поверхностью из сетеполотна и разделения силового каркаса рефлектора.
Для осуществления наземной отработки кинематики раскрытия и складывания космического рефлектора, без участия в наземных испытаниях стенда обезвешивания, вертикальные несущие силовые стойки силового кольца в нижней своей части содержат съемные шарнирные роликовые узлы, которые при включении привода, взаимодействуя с отгоризонтированной напольной поверхностью, осуществляют плавное перемещение в радиальных направлениях вертикально несущих стоек силового кольца, а при включении привода на реверс производится плавное сближение вертикальных несущих стоек силового кольца, по радиальным направлениям, осуществляя складывание космического рефлектора.
Сущность изобретения пояснена чертежами:
На фигуре 1 изображен общий вид развертываемого крупногабаритного рефлектора.
На фигуре 2 изображен развертываемый крупногабаритный рефлектор в сложенном (транспортном) положении и сечение А-А, показывающее внутреннюю компоновку конструктивных элементов.
На фигуре 3 изображены сечения развертываемого крупногабаритного рефлектора в радиальном направлении для раскрытого и транспортировочного положений.
На фигурах 4, 5, 6 изображены виды фрагментов крупногабаритного рефлектора.
На фигуре 7 изображен вид рефлектора в нижней его части.
1 - силовое кольцо;
2 - центральный узел;
3 - основные гибкие опорные лепестки;
4 - промежуточные гибкие опорные лепестки;
5 - радиоотражающая поверхность из сетеполотна;
6 - узлы крепления радиоотражающей поверхности из сетеполотна;
7 - вертикальные стержневые элементы;
8 - вертикальные несущие силовые стойки;
9 - горизонтальные складывающиеся несущие силовые стержни;
10 - подкос;
11 - ползун;
12 - подпружиненный толкатель;
13 - узел подвеса;
14 - элемент фиксации и расфиксации улов подвеса;
15 - гибкие растяжки;
16 - тросо-блочная система раскрытия;
17 - ролики;
18 - привод раскрытия (складывания);
19 - аппроксимирующие шнуры;
20 - съемный шарнирный узел;
21 - гибкие ванты.
Предлагаемый развертываемый крупногабаритный космический рефлектор содержит силовое кольцо (1), центральный узел (2), основные гибкие опорные лепестки, например в виде вантово-стержневых лепестков (3), промежуточные гибкие опорные лепестки (4), радиоотражающую поверхность рефлектора из металлического сетеполотна (5), узлы крепления радиоотражающей поверхности из металлического сетеполотна (6) содержат вертикальные стержневые элементы (7) гибких опорных лепестков (3) и (4) различной длины, формирующие параболическую поверхность. Силовое кольцо (1) крупногабаритного космического рефлектора содержит вертикальные несущие силовые стойки (8), объединяемые в силовое кольцо (1) горизонтальными складывающимися несущими силовыми стержнями (9), соединяемыми с подкосами (10) и ползунами (11) с установленными на них подпружиненными толкателями (12) и с роликами (17). Вертикальные несущие силовые стойки (8) силового кольца (1) в своих окончаниях содержат узлы подвеса (13) типа «гардина» для крепления основных и промежуточных гибких опорных лепестков (3) и (4), а также включают элементы фиксации и расфиксации узлов подвеса (14) - для установки пиросредств, используемых при расчековке радиоотражающей поверхности из сетеполотна (5) - при раскрытии рефлектора из транспортировочного положения. Узлы подвеса (13) используются для крепления гибких растяжек (15). На внешних поверхностях вертикальных несущих силовых стоек (8) и горизонтальных складывающихся несущих силовых стержнях (9) установлена тросо-блочная система раскрытия (16) взаимодействующая с подпружиненными толкателями (12) с роликами (17) и приводом раскрытия (складывания) (18) крупногабаритного космического рефлектора. Для повышения точности радиоотражающей поверхности вертикальные стержневые элементы (7) гибких опорных лепестков (3) и (4) от центра рефлектора к периферии, по радиусу, соединены между собой аппроксимирующими шнурами (19) в соответствующих узлах крепления радиоотражающей поверхности из сетеполотна (6).
Для осуществления способа наземной отработки кинематики раскрытия и складывания космического рефлектора, без участия в наземных испытаниях стенда обезвешивания, вертикальные несущие силовые стойки (8) силового кольца (1), в нижней своей части, снабжены съемными шарнирными узлами (20), например роликовыми, которые при включении привода раскрытия (складывания) (18) взаимодействуют-перемещаются по радиальным направлениям, по отгоризонтированной напольной поверхности, осуществляя плавное перемещение вертикальных несущих стоек (8) силового кольца (1) в радиальных направлениях.
Возможность гибкости вантово-стержневых лепестков (3) и (4) осуществляется гибкими вантами (21), выполненными, например, из аримидных шнуров.
Функционирование устройства
При раскрытии крупногабаритного космического рефлектора вначале происходит расчековка радиоотражающей поверхности из сетеполотна (5) посредством пиросредств, закрепляемых на элементах фиксации и расфиксации узлов подвеса (14), далее осуществляется раскрытие силового кольца (1) (фиг.1), при включении привода раскрытия (складывания) (18), воздействующего через тросо-блочную систему раскрытия (16) (фиг.5) и подпружиненные толкатели с роликами (12) и роликами (17) (фиг.4) на ползуны (11), установленные на вертикальных несущих силовых стойках (8) и горизонтальных складывающихся несущих силовых стержнях (9) силового кольца (1). При этом ползуны (11) (фиг.5) под воздействием тросо-блочной системы раскрытия (16) начинают перемещаться по поверхности вертикальных несущих силовых стоек (8) в противоположных направлениях. Установленные на них подкосы (10) посредством своих шарнирных соединений взаимодействуют с горизонтальными складывающимися несущими силовыми стержнями (9), производя их раскрытие. При этом основные и промежуточные гибкие опорные лепестки (3) и (4) в виде вантово-стержневых лепестков (фиг.1) в транспортном положении сложены в радиальном направлении и установлены на узлах подвеса (13) (фиг.2, сечение А-А) и при раскрытии рефлектора последовательно, посекционно сходят с соответствующих узлов подвеса (13), осуществляя раскрытие и натяжение радиоотражающего покрытия из сетеполотна и гибких вант (21), принимая при этом в конечной фазе раскрытия заданную расчетную форму, например параболическую.
Для осуществления способа наземной отработки кинематики раскрытия и складывания космического рефлектора (без участия в наземных испытаниях стенда обезвешивания) вертикальные несущие силовые стойки (8) силового кольца (1) в нижней своей части содержат съемные шарнирные узлы (20), которые при включении привода раскрытия (складывания) (18) взаимодействуют-перемещаются по отгоризонтированной напольной поверхностью и осуществляют плавное перемещение в радиальных направлениях вертикально несущих стоек (8) силового кольца (1), а при включении привода раскрытия (складывания) (18) на реверс производится плавное перемещение-сближение вертикальных несущих стоек (7) силового кольца (1) по радиальным направлениям, осуществляя складывание космического рефлектора.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить поперечные габариты транспортной укладки космического рефлектора под существующими головными обтекателями и массу космического рефлектора за счет уменьшения конструктивных элементов, что позволяет более компактно размещать космические аппараты, оснащенные крупногабаритными антеннами на средствах выведения, упростить конструкцию за счет исключения из состава конструкции тросовой системы растяжек, повысить точность и надежность за счет включения между основными гибкими опорными лепестками промежуточных, снизить трудоемкость и стоимость изготовления рефлектора за счет отказа от использования при наземных испытаниях и отработке стенда обезвешивания и, следовательно, сроков изготовления рефлектора, упростить технологию изготовления и крепления формообразующей поверхности, повысить надежность раскрытия при штатной работе.