ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ
TRANSFORMABLE STRUCTURE

Изобретение относится преимущественно к космической технике и может применяться для перевода различных конструкций, например, антенн или солнечных батарей и т.п., именуемых в общем случае грузом, из сложенного положения на требуемое расстояние от корпуса аппарата.
Известна трансформируемая конструкция (ТК), описанная в материалах изобретения US4557083 (A). Она содержит набор несущих элементов (стержней), шарнирно соединенных между собой по принципу пантографа.
В развернутом состоянии ТК образует трехгранную призму, каждая "грань" которой является многозвенным пантографом (первые кинематические цепи пантографа). Перевод граней из сложенного положения в раскрытое осуществляется также пантографами, расположенными по ребрам трехгранной призмы (вторые кинематические цепи пантографа).
Недостатки устройства
1. В сложенном положении ТК расстояние между вершинами треугольника, которые представляют собой торцы ТК, больше, чем в развернутом состоянии. Это приводит к проблеме закрепления ТК на корпусе космического аппарата и закреплении полезного груза на ТК, так как точки закрепления при этом должны быть подвижными.
2. Поперечное сечение ТК в процессе развертывания уменьшается и становится минимальным в развернутом положении. Таким образом, жесткость развернутой ТК ниже, чем могла бы быть при сохранении поперечного сечения ТК, которое удалось вписать в зону полезного груза.
3. В результате наличия в ТК вторых кинематических цепей пантографа, общее количество пар трения в сочленениях звеньев пантографов значительно увеличивается, уменьшая тем самым надежность развертывания ТК.
Известна также трансформируемая конструкция (прототип), описанная в материалах изобретения EP 1593597 A1. В ней ТК в развернутом состоянии образована жесткими кольцеобразными опорными элементами, расположенными параллельно друг другу. В сложенном положении ТК они опираются друг на друга. Развертывание ТК производится при помощи гибких лонжеронов, скручиваемых вокруг ТК. Лонжероны в развернутом положении ТК становятся частью силовой структуры, придавая ТК определенную жесткость на изгиб, кручение и сдвиг. Крепление гибких лонжеронов к кольцеобразным опорным элементам - шарнирное.
Недостатки устройства
1. При развертывании ТК ее основания совершают взаимный разворот вокруг направления развертывания, тем самым придавая выдвигаемому грузу определенную угловую скорость. Для гашения этой угловой скорости в конце развертывания нужно предусматривать специальные конструктивные средства, иначе груз будет совершать бесконтрольные крутильные колебания до погашения энергии. Это будет создавать на конструкцию динамические нагрузки, которые могут ее повредить. Кроме того, разворот груза в процессе развертывания ТК в ряде случаев в принципе недопустим из-за особенностей окружающей конструкции и требования положения груза после развертывания.
2. В процессе развертывания ТК на нее действуют динамические нагрузки, вызванные такими факторами, как несовпадение центра масс груза с продольной осью ТК, непостоянство скорости развертывания, взаимный разворот оснований ТК. Одним из видов динамических нагрузок является изгибающий момент. Этот момент будет стремиться изогнуть продольную ось ТК, вдоль которой производится развертывание ТК, которая теоретически должна быть прямой линией. Нежесткие лонжероны могут потерять устойчивость, при этом нарушится параллельность оснований ТК, произойдет боковой сдвиг груза, изменится направление дальнейшего развертывания. В результате груз может столкнуться с окружающей конструкцией.
Задачами изобретения являются:
повышение надежности развертывания ТК,
обеспечение максимально возможной жесткости ТК.
Поставленные задачи решаются за счет того, что продольно раскладываемая и складываемая ТК, содержащая N количество жестких опорных элементов, расположенных перпендикулярно направлению развертывания ТК, и жесткие створки, построена так, что между n и n+1 опорными элементами имеется как минимум две пары створок, причем одна из створок пары шарнирно соединена с опорным элементом n, вторая створка пары шарнирно соединена с опорным элементом n+1, а сами створки в паре шарнирно соединены друг с другом так, что оси вращения между n опорным элементом и сопряженными створками лежат в одной плоскости, перпендикулярной направлению развертывания, оси вращения между n+1 опорным элементом и сопряженными створками лежат во второй плоскости, перпендикулярной направлению развертывания, оси вращения между створками, расположенными между n и n+1 опорными элементами, лежат в третьей плоскости, перпендикулярной направлению развертывания и содержащей в себе хотя бы две не параллельные друг другу оси вращения между створками.
Сущность изобретения поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображен общий вид ТК в сложенном положении; на фиг.2 - общий вид ТК в процессе развертывания; на фиг.3 - общий вид ТК в развернутом положении; на фиг.4 - пара створок в трех положениях: в сложенном положении ТК, в одном из промежуточных положениях при развертывании ТК и в раскрытом положении ТК; на фиг.5 - фронтальный вид ТК с указанным направлением развертывания В и разрезом по плоскости Б, в которой лежат оси вращения «створка -створка», и показана непараллельность двух осей через угол α; на фиг.6 - фронтальный вид ТК с указанным направлением развертывания В и разрезом по плоскости Д, в которой лежат оси вращения «кольцеобразный опорный элемент - створка»; на фиг.7 - жесткий опорный элемент: а) - основание ТК с дополнительным силовым набором; б) - внутренний жесткий опорный элемент; на фиг.8 - створка.
ТК состоит из жестких опорных элементов (далее по тексту -опорные элементы) 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.5, фиг.6, фиг.7), которые в данном примере выполнены в виде плоских стержневых конструкций в форме равностороннего многоугольника, и жестких створок (далее по тексту - створки) 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.8), которые в данном примере выполнены в виде плоских прямоугольных стержневых конструкций. Створки объединены в пары, равномерно расположенные вокруг продольной оси ТК между опорными элементами. Пары створок в развернутом положении ТК выполняют роль продольного силового набора ТК и расположены максимально близко к периметру опорных элементов для обеспечения максимально возможной жесткости ТК. В каждой паре жесткие створки соединены шарнирно. Оси вращения «створка - створка» (фиг.4, фиг.5) пар створок, расположенных между n и n+1 опорными элементами 1, лежат в плоскости Б (фиг.5), перпендикулярной направлению развертывания В (фиг.5, фиг.6), а две оси из них по отношению друг к другу не параллельны (расположены под углом α, фиг.5). Створки с опорными элементами также соединены шарнирно. Оси вращения «опорный элемент - створка» (фиг.4, фиг.6) лежат в плоскости Д (фиг.6), перпендикулярной направлению развертывания В. В предлагаемом конструктивном исполнении ТК плоскость Д совпадает с плоскостью симметрии опорного элемента. В сложенном положении ТК опорные элементы уложены друг на друга, опираясь через разъемные втулки 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), а створки развернуты вовнутрь ТК перпендикулярно продольной оси ТК (фиг.4, фиг.5). Если требуется освободить пространство внутри ТК, то створки могут быть развернуты наружу, в зависимости от окружающей конструкции. В развернутом положении ТК пары створок зачекованы в раскрытом положении (фиг.4). Способ раскрытия не принципиален и может быть любым, например с помощью пружинных приводов, создающих раскрываемый момент вокруг оси вращения «створка - створка» (фиг.4). Способ зачековки также не принципиален и может быть любым, например с помощью тех же пружинных приводов, или используя устройство фиксации шарнирного узла, описанное в патенте №2368544 Российской Федерации.
Вообще, опорные элементы не обязательно должны быть выполнены в виде плоских стержневых конструкций в форме равностороннего многоугольника. Они могут быть какой угодно геометрической формы и быть сплошными, например, в виде панели. Пары створок также не обязательно должны быть расположены максимально близко к периметру ТК, они могут быть смещены вовнутрь. Кинематика развертывания и в этом случае сохраняется, уменьшится лишь жесткость ТК.
Технический эффект от реализации заявленной конструкции заключается в отсутствии взаимного поворота оснований ТК в процессе развертывания, параллельном перемещении одного основания ТК относительно другого, направление развертывания всегда остается прямолинейным и перпендикулярным основанию ТК, за счет чего решается задача по увеличению надежности развертывания. Задача по обеспечению максимально возможной жесткости ТК решается за счет максимально близкого расположения жестких створок к периметру жестких опорных элементов, образуя в развернутом положении ТК ферму с продольным и поперечным силовым набором.
Отсутствие взаимного поворота всех кольцеобразных опорных элементов вокруг направления развертывания ТК при их перемещении в процессе развертывания ТК обеспечивается параллельностью между осью вращения «створка - створка» и осями вращения «кольцеобразный опорный элемент - створка» в пределах каждой пары створок на всем участке развертывания ТК.
Взаимная параллельность и отсутствие боковых сдвигов всех кольцеобразных опорных элементов относительно друг друга при их перемещении в процессе развертывания ТК обеспечивается не параллельным взаимным положением двух осей в каждой плоскости Б.
Сохранение поперечного сечения ТК в процессе развертывания обеспечивается жесткой конструкцией опорных элементов и максимально близким расположением створок к периметру ТК. Таким образом, основание, на котором закреплен груз, имеет лишь одну степень свободы - вдоль направления развертывания.