РЕФЛЕКТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01Q15/20 

Изобретения относятся к космическим антеннам большой площади, применяемым для связных спутников, космических радиотелескопов, радиолокаторов бокового обзора, а также к трансформируемым конструкциям большого размера, устанавливаемым на космических аппаратах и используемым в солнечных батареях, концентраторах солнечной энергии и других развертываемых элементах конструкции аппаратов.

Известен развертываемый рефлектор (см. патент США N4608571, НКИ/ США 343-781Р), содержащий центральную отражающую поверхность ребра, одним концом соединенными с центральной отражающей поверхностью, и периферийную отражающую поверхность, закрепленную на упругих ребрах.

Основной недостаток этого технического решения невозможность изготовления рефлектора диаметром более 4,5 м.

Известен рефлектор (см. авт. свид. СССР N1832351, H 01 Q 15/20 1993), выбранный в качестве прототипа для заявляемых вариантов технического решения "Рефлектор" и содержащий центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные ребра, гибкие нерастяжимые оттяжки, первые концы которых соединены со снабженным приводом механизмом натягивания, и периферийную отражающую поверхность, закрепленную на ребрах. Радиальные ребра подпружинены на свертывание и расположены по радиальным направлениям. Механизм натягивания размещен на тыльной стороне центральной отражающей поверхности. Оттяжки, первые концы которых соединены с механизмом натягивания, расположены с тыльной стороной ребер и пропущены через блоки. Посредством механизма подтягивания происходит укорачивание оттяжек и выпрямление ребер до соприкосновения торцевых поверхностей блоков. Периферийная отражающая поверхность выполнена из гибкого полотна.

Основным недостатком этого технического решения является невозможность применения его в развертываемых рефлекторах большого размера из-за значительной строительной высоты ребер. Кроме того, это техническое решение нельзя использовать для создания крупногабаритных антенн, работающих в высокочастотной области спектра, и требующих высокой точности отражающей поверхности.

Технической задачей, решаемой предлагаемыми вариантами рефлектора является разработка рефлектора больших габаритов, допускающего компактное свертывание его в транспортном положении и надежное развертывание в рабочее положение, отличающегося небольшой массой и простотой конструкции, с обеспечением высокой точности отражающей поверхности. При этом технической задачей, решаемой первым вариантом рефлектора, является разработка рефлектора, отвечающего приведенным требованиям, с жесткой отражающей поверхностью для работы в высокочастотном диапазоне спектра излучения. Технической задачей, решаемой вторым вариантом рефлектора, является разработка рефлектора, отвечающего приведенным требованиям с гибкой периферийной отражающей поверхностью для работы в низкочастотном диапазоне спектра излучения.

Техническая задача решается предложенными вариантами рефлектора принципиально одним и тем же техническим путем.

Согласно первому варианту, в рефлекторе, содержащем центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные ребра, гибкие нерастяжимые оттяжки, первые концы которых соединены со снабженным приводом механизмом натягивания, и периферийную отражающую поверхность, закрепленную на ребрах, новым является то, что рефлектор снабжен фокальной конструкцией, установленной на центральной отражающей поверхности, при этом механизм натягивания закреплен на фокальной конструкции. Ребра расположены параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях и подпружинены на развертывание. Периферийная окружающая поверхность выполнена из отдельных жестких прямоугольных профилированных щитов, расположенных последовательно друг за другом и закрепленных на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них. Оттяжки оттарированы по длине, а их вторые концы соединены с ребрами через щиты периферийной отражающей поверхности, причем с каждым щитом соединено по крайней мере две оттяжки.

Согласно второму варианту, в рефлекторе, содержащем центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные ребра, гибкие нерастяжимые оттяжки, первые концы которых соединены со снабженным приводом механизмом натягивания, и периферийную отражающую поверхность, выполненную из гибкого полотна и закрепленную на ребрах, новым является то, что рефлектор снабжен фокальной конструкцией, установленной на центральной отражающей поверхности, при этом механизм натягивания закреплен на фокальной конструкции. Ребра расположены параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях и подпружинены на развертывание. Периферийная отражающая поверхность снабжена соединенными с ребрами и полотном профилированными перемычками, размещенными перпендикулярно ребрам. Оттяжки оттарированы по длине, а их вторые концы соединены с ребрами через перемычки, причем каждая перемычка соединена не менее, чем с двумя оттяжками.

Кроме того, в рефлекторе по первому и второму вариантам первые концы оттяжек, прилегающих к одному ребру, могут быть соединены в узел.

В рефлекторе по первому и второму вариантам периферийная отражающая поверхность в транспортном положении рефлектора может быть свернута в два рулона, закрепленные на центральной отражающая поверхности.

Кроме того, в рефлекторе по первому и второму вариантам первые концы оттяжек могут быть соединены в узлы, а механизм натягивания снабжен дополнительными эластичными звеньями, стопорами и упорами. Число дополнительных эластичных звеньев, стопоров и упоров выбрано равным числу узлов, при этом узлы закреплены на стопорах, каждый из которых дополнительным эластичным звеном связан с приводом. В упорах выполнены отверстия, сквозь которые пропущены дополнительные эластичные звенья, при этом размер отверстий выбран меньшим, чем размер стопоров.

Совокупность сформулированных признаков позволяет создать рефлектор больших габаритов, допускающий компактное свертывание его в транспортное положение и надежное развертывание в рабочее положение, отличающийся небольшой массой и простотой конструкции с высокой точностью отражающей поверхности. При этом первый вариант рефлектора решает эту задачу с использованием жесткой отражающей поверхности, а второй с использованием гибкой отражающей поверхности.

Размещение упругих, подпружиненных ребер, одним концом соединенных с центральной отражающей поверхностью, параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях обеспечивает создание рефлекторов больших габаритов, допускающих свертывание их периферийных отражающих поверхностей и развертывание. При этом подпружиненные на развертывание ребра обеспечивают не только развертывание рефлектора из сложенного на лицевой стороне рефлектора положения, но и в сочетании с гибкими нерастяжимыми оттяжками, оттарированными по длине, первые концы которых соединены с механизмом натягивания, а вторые с ребрами, обеспечивают высокую точность и заданную форму отражающей поверхности после развертывания рефлектора.

Выполнение по первому варианту периферийной отражающей поверхности в виде отдельных жестких прямоугольных профилированных щитов, расположенных последовательно друг за другом и закрепленных на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них, позволяет решить поставленные задачи для рефлекторов с жесткой отражающей поверхностью.

Соединение с каждым щитом по крайней мере двух оттяжек в сочетании со стопорами и упорами и соединением в узлы первых концов оттяжек, прилегающих к одному ребру, обеспечивает, кроме того, высокую надежность успешного развертывания рефлектора. Соединение вторых концов оттяжек с ребрами через щиты периферийной отражательной поверхности исключает, кроме того, необходимость применения дополнительного привода для совмещения кромок щитов друг с другом, так как совмещение происходит автоматически за счет силы, возникающей при натяжении оттяжек.

Выполнение по второму варианту периферийной отражающей поверхности из гибкого полотна, прикрепленного к ребрам и перемычкам, размещенным перпендикулярно ребрам, позволяет решить поставленные задачи для рефлекторов с гибкой отражающей периферийной поверхностью.

Соединение с каждой перемычкой по крайней мере двух оттяжек в сочетании со стопорами и упорами и соединением в узлы первых концов оттяжек, соединенных с одним ребром, обеспечивает точность отражающей поверхности.

При этом выполнение периферийной отражающей поверхности из отдельных профилированных жестких щитов, которые закреплены на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них, по первому варианту и выполнение гибкой отражающей периферийной поверхности по второму варианту с поперечными перемычками, соединенными с ребрами и расположенными им перпендикулярно, дает возможность свернуть периферийную отражающую поверхность рефлектора в рулоны и разместить в объеме, ограниченном головным обтекателем ракеты, рефлектор большой эффективной площади.

Сущность предлагаемых технических решений иллюстрируется следующими чертежами:
фиг. 1 изометрическое изображение первого варианта рефлектора,
фиг. 2 изометрическое изображение второго варианта рефлектора,
фиг. 3 узел крепления жесткого щита периферийной отражающей поверхности к ребру,
фиг. 4, 5 узел крепления оттяжки к ребру рефлектора с гибкой отражающей поверхностью (вид с тыльной стороны отражающей поверхности),
фиг. 6 схематическое изображение первого варианта рефлектора в свернутом положении (поперечный разрез),
фиг. 7 схематическое изображение механизма натягивания,
фиг. 8 схематическое изображение соединения первых концов оттяжек в узел.

Первый вариант предлагаемого рефлектора устроен следующим образом.

Рефлектор по первому варианту содержит центральную отражающую поверхность 1 и периферийную отражающую поверхность 2, упругие подпружиненные ребра 3, гибкие нерастяжимые оттяжки 4, фокальную конструкцию 5, механизм натягивания.

Центральная отражающая поверхность представляет собой силовой элемент, воспринимающий инерционные нагрузки при выведении рефлектора на ОИСЗ. Как показано на фиг. 1 она может быть выполнена в виде жесткого углепластикового или металлического щита, выполненного в форме прямоугольника необходимого профиля.

Ребра могут быть выполнены из высокопрочной стали. По сути ребра представляют собой плоские пружины, в общем случае прямолинейные в свободном ненагруженном состоянии. Ребра выполнены подпружиненными на развертывании, то есть в рабочем положении ребер и при их свертывании в спиралеобразное положение в упругих ребрах-пружинах появляются силы, стремящиеся вернуть ребро в свободное прямолинейное состояние. Одним концом ребра закреплены на центральной отражающей поверхности. Они расположены параллельно друг другу двумя группами в диаметрально противоположных направлениях. На фиг. 1 представлен рефлектор, содержащий четыре ребра, при этом в двух диаметрально противоположных направлениях направлено по два ребра, которые соединены с центральной отражающей поверхностью по двум ее противоположным торцам.

Гибкие нерастяжимые оттяжки целесообразно выполнять из материала с низким коэффициентом линейного теплового расширения, например из инвара. Оттяжки оттарированы по длине. Это обеспечивается при изготовлении рефлектора точным подбором длины оттяжек в соответствии с заданным профилем рефлектора. Первые концы 6 оттяжек соединены с механизмом натягивания.

Фокальная конструкция может быть закреплена на центральной отражающей поверхности с помощью опор 7.

Механизм натягивания целесообразно разместить на фокальной конструкции.

В соответствии с первым вариантом рефлектора периферийная отражательная поверхность выполняется в виде отдельных жестких прямоугольных профилированных щитов 8, установленных на ребрах каркаса. Щиты могут быть выполнены из металла или композиционных материалов. Каждому щиту при изготовлении придана форма, соответствующая необходимому профилю рефлектора. На фиг. 1 представлен пример выполнения рефлектора с отражающей поверхностью в форме цилиндрической параболы, возможно выполнение поверхности и в виде прямоугольной вырезки параболоида вращения с соответствующим профилированием центральной отражающей поверхности и щитов. Щиты установлены на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них. Это может быть обеспечено, например, как показано на фиг. 3, размещением на тыльных сторонах жестких щитов ушков 9, сквозь которые пропущены ребра. Зазор между ушками и ребрами выбирается с учетом обеспечения возможности перемещения щитов относительно ребер. Прямоугольные щиты расположены на ребрах последовательно друг за другом. В соответствии с тем, что ребра размещены двумя группами в двух диаметрально противоположных направлениях, размещение последовательно друг за другом щитов обеспечивает двухлепестковую конструкцию рефлектора.

Вторые концы 10 оттяжек соединены с ребрами через щиты периферийной отражающей поверхности. Вторые концы оттяжек целесообразно закрепить на коротком торце щита, а ребро пропустить в непосредственной близости от этого торца. При этом с каждым щитом целесообразно соединить по крайней мере две оттяжки, расположив их по противоположным торцам щитов.

Первые концы оттяжек, прилегающих к одному ребру, как показано на фиг. 1, могут быть соединены друг с другом в узлы. Таким образом в один узел соединяются концы оттяжек, другие концы которых закреплены в непосредственной близости от одного и того же ребра.

Второй вариант предлагаемого рефлектора устроен следующим образом.

Устройство и соединение друг с другом центральной отражающей поверхности, ребер, оттяжек и размещение механизма натяжения по второму варианту аналогично устройству центральной отражающей поверхности, ребер, оттяжек и размещению механизма натягивания по первому варианту рефлектора.

По второму варианту рефлектора периферийная отражающей поверхность выполнена из гибкого полотна, например из металлической сетки, металлизированной пленки, либо из металлической фольги. Периферийная отражающей поверхность закреплена на ребрах и перемычках 11. Перемычки могут быть выполнены из металла. На фиг. 2 предсталвен пример выполнения рефлектора с отражающей поверхностью в виде цилиндрической параболы, возможно выполнение поверхности в виде прямоугольной вырезки параболоида вращения, в этом случае перемычки имеют соответствующий профиль. Перемычки размещены перпендикулярно ребрам и соединены с ребрами рефлектора. По второму варианту рефлектора вторые концы оттяжек соединены с ребрами через перемычки, как показано на фиг. 4, 5. Узел соединения второго конца оттяжки с ребром может включать основание 12, валик 13 и зажим с винтом 14. Основание может быть соединено с ребрами точечной сваркой 15 или заклепками. Каждое ребро соединено не менее, чем с двумя оттяжками.

Первые концы оттяжек, прилегающих к одному ребру, могут быть соединены друг с другом, как показано на фиг. 2, в узел. Таким образом в один узел соединяются концы оттяжек, другие концы которых закреплены в непосредственной близости от одного и того же ребра.

В транспортном положении рефлектора по обоим предлагаемым вариантам периферийная отражающая поверхность может быть свернута в два рулона 16, закрепленные на центральной отражающей поверхности, как показано на фиг. 6. При этом ребра вместе с периферийной отражающей поверхностью свертываются в цилиндрическую спираль. Рефлектор может быть снабжен стяжными лентами 17, с помощью которых рулоны закрепляются на центральной отражающей поверхности. Ленты охватывают рулоны, одни концы лент закреплены на центральной отражающей поверхности. Вторые концы лент через систему блоков могут быть подсоединены к устройству фиксации 18 рулонов в транспортном положении, обеспечивающему освобождение лент и регулировку скорости раскрытия ребер.

Механизм натягивания с приводом целесообразно разместить на фокальной конструкции. Кроме привода 19 он может содержать намоточный барабан 20, соединенный механической передачей с приводом, с которым через систему блоков 21 соединены первые концы оттяжек. Кроме этого первые концы оттяжек могут быть соединены в узлы, а механизм натягивания снабжен дополнительными эластичными звеньями 22, стопорами 23 и упорами 24. Число дополнительных эластичных звеньев, стопоров и упоров выбрано равным числу узлов. Узлы закреплены на стопорах, которые дополнительными эластичными звеньями связаны с приводом, причем в упорах выполнены отверстия 25, сквозь которые пропущены дополнительные эластичные звенья. Размер отверстий выбран меньшим, чем размер стопоров. Дополнительные эластичные звенья могут быть изготовлены из капронового шнура. Как показано на фиг. 8 стопор может быть выполнен в форме наконечника копья, внутри которого размещен узел, а упор в форме воронки, угол конуса которой равен углу конуса воронки. Дополнительное эластичное звено одним концом связано со стопором и пропущено в отверстие, размещенное в основании воронки. Через систему блоков другой конец звена закрепляется на намоточном барабане. Упор целесообразно разместить на фокальной конструкции.

Предлагаемые варианты рефлектора работают следующим образом.

При изготовлении рефлектора первые концы оттяжек соединяются в узлы, заделываются в стопоры, которые устанавливаются в упоры. Затем каждая оттяжка регулируется на длину, при которой периферийная отражающая поверхность принимает заданную форму рефлектора. Это может быть осуществлено, например, вращением валиков и последующим фиксированием их с помощью винтов.

В транспортном положении ребра вместе с прикрепленной к ним периферийной отражающей поверхностью свертываются в два рулона и закрепляются на центральной отражающей поверхности. Перед свертыванием рефлектора дополнительные звенья вытравливаются на необходимую длину, оттяжки и вытравленные концы дополнительных звеньев укладываются по поверхности рефлектора и опорам фокальной конструкции. В этом положении рулоны могут удерживаться от разворачивания с помощью стяжных лент.

В свернутом положении рефлектор выводится на орбиту искусственного спутника. После выведения на орбиту проводится операция развертывания рефлектора. При расчековке лент производится освобождение рулонов и за счет сил упругости ребер рулоны начинают развертываться. Скорость развертывания рулонов ограничивается стяжными лентами и регулятором. После развертывания ребер заданная форма рефлектора обеспечивается подтягиванием приводом узлов до соприкосновения стопоров с упорами. В этом положении длина оттяжек и форма рефлектора будут соответствовать таковым при изготовлении.

В первом варианте щиты периферийной отражающей поверхности при изготовлении профилируются в соответствии с заданным профилем параболоида. В свободном состоянии ребер и при сворачивании в рулоны щиты периферийной отражающей поверхности располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В процессе подтягивания щиты двигаются друг к другу с образованием сплошной двухлепестковой периферийной отражающей поверхности.

Во втором варианте периферийная отражающая поверхность изготавливается сплошной. Таким образом заданная форма отражающей поверхности рефлектора обеспечивается соответствующим профилированием центральной отражающей поверхности, каждого щита, или, для второго варианта, перемычки, отрегулированными при изготовлении длинами оттяжек и упругими силами ребер, что в сочетании позволяет восстановить в космосе форму рефлектора, аналогичную изготовленной.

Предлагаемые изобретения могут быть использованы в космической технике при разработке антенн радиолокаторов бокового обзора, космических радиотелескопов и антенн спутников связи размахом лепестков до десяти метров с минимальными для данных размеров массой и габаритами в транспортном положении. Предлагаемые конструкции могут быть изготовлены на предприятиях, специализирующихся на изготовлении космической техники.

Изобретения относятся к космическим антеннам большой площади, применяемым для связных спутников, космических радиотелескопов, радиолокаторов бокового обзора, а также концентраторам солнечной энергии. Технической задачей является разработка рефлектора больших габаритов, допускающего компактное свертывание его в транспортном положении и надежное развертывание в рабочее положение, отличающегося небольшой массой и простотой конструкции, с обеспечением высокой точности отражающей поверхности как с жесткой отражающей поверхностью для работы в высокочастотном диапазоне спектра излучения (первый вариант), так и с гибкой отражающей поверхностью для работы в низкочастотном диапазоне спектра.

При этом в рефлекторе, содержащем центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные на развертывание ребра и гибкие нерастяжимые оттарированные по длине оттяжки, первые концы оттяжек соединены с механизмом натягивания, а вторые их концы с ребрами. Ребра расположены параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях. Периферийная отражающая поверхность по первому варианту рефлектора выполнена из отдельных жестких прямоугольных профилированных щитов, расположенных последовательно друг за другом и закрепленных на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них. Периферийная отражающая поверхность по второму варианту рефлектора снабжена соединенными с ребрами и полотном профилированными перемычками, размещенными перпендикулярно ребрам. В транспортном положении периферийная отражающая поверхность смотана в два рулона, закрепленных на центральной отражающей поверхности.

Предлагаемое изобретение дают возможность создать антенны космических аппаратов с размахом в десятки метров с минимальными для данных размеров массой и габаритами в транспортном положении. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Рефлектор, содержащий центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные ребра, гибкие нерастяжимые оттяжки, первые концы которых соединены со снабженным приводом механизмом натягивания, и периферийную отражающую поверхность, закрепленную на ребрах, отличающийся тем, что рефлектор снабжен фокальной конструкцией, установленной на центральной отражающей поверхности, при этом механизм натягивания закреплен на фокальной конструкции, а ребра расположены параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях и подпружинены на развертывание, при этом периферийная отражающая поверхность выполнена из отдельных жестких прямоугольных профилированных щитов, расположенных последовательно друг за другом и закрепленных на ребрах с обеспечением возможности перемещения вдоль них, при этом оттяжки оттарированы по длине, а их вторые концы соединены с ребрами через щиты периферийной отражающей поверхности, причем с каждым щитом соединено по крайней мере две оттяжки. 2. Рефлектор, содержащий центральную отражающую поверхность, одним концом соединенные с ней упругие, подпружиненные ребра, гибкие нерастяжимые оттяжки, первые концы которых соединены со снабженным приводом механизмом натягивания, и периферийную отражающую поверхность, выполненную из гибкого полотна и закрепленную на ребрах, отличающийся тем, что рефлектор снабжен фокальной конструкцией, установленной на центральной отражающей поверхности, при этом механизм натягивания закреплен на фокальной конструкции, а ребра расположены параллельно друг другу в двух диаметрально противоположных направлениях и подпружинены на развертывание, а периферийная отражающая поверхность снабжена соединенными с ребрами и полотном профилированными перемычками, размещенными перпендикулярно ребрам, при этом оттяжки оттарированы по длине, а их вторые концы соединены с ребрами через перемычки, причем каждая перемычка соединена не менее чем с двумя оттяжками. 3. Рефлектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что первые концы оттяжек, прилегающих к одному ребру, соединены в узел. 4. Рефлектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что периферийная отражающая поверхность в транспортном положении рефлектора свернута в два рулона, закрепленные на центральной отражающей поверхности. 5. Рефлектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что первые концы оттяжек соединены в узлы, а механизм натягивания снабжен дополнительными эластичными звеньями, стопорами и упорами, причем число дополнительных эластичных звеньев, стопоров и упоров выбрано равным числу узлов, при этом узлы закреплены на стопорах, каждый из которых дополнительным эластичным звеном связан с приводом, причем в упорах выполнены отверстия, сквозь которые пропущены дополнительные эластичные звенья, при этом размер отверстий выбран меньшим, чем размер стопоров.