КРУПНОГАБАРИТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ СКЛАДНОЙ РЕФЛЕКТОР Российский патент 1998 года по МПК H01Q15/20 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и радиотехнике и в первую очередь может быть использовано при разработке применяемых в космосе крупногабаритных складных конструкций следующего назначения:
параболические и плоские антенны;
плоские отражатели солнечного света для освещения отдельных участков поверхности Земли в ночное время;
плоские отражателей солнечной энергии для передачи ее на Землю как дополнительные экологически безвредные энергоисточники;
солнечные паруса для обеспечения перемещения космических аппаратов (КА) при их межпланетных путешествиях.

Когда говорится о крупногабаритных рефлекторах, то имеются ввиду такие, у которых габаритный диаметр зеркала экрана составляет десятки метров.

Спецификой крупногабаритных конструкций, применяемых в космосе, является необходимость их складывания в транспортное положение, чтобы в таком виде обеспечить размещение в грузовом отсеке ракеты-носителя и выведение на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).

Другой специфической особенностью предлагаемой конструкции является тривиальное, но при применении в космической технике важное требование получения минимальных затрат массы при максимальных габаритах и достаточно высокой жесткости конструкции.

Аналогами предлагаемого устройства можно представить значительное число получивших широкое распространение конструкций. В качестве примера параболических антенн могут быть приведены антенны, установленные на борту таких КА, как "Марс-1", "Маринер", "Молния-1", "Пионер-10" [1]
Для перечисленных бортовых антенн характерны сравнительно малые диаметральные размеры зеркала, конструкция которого выполняется без каких-либо попыток членения на части для уменьшения габаритных размеров в транспортном (при выведении на орбиту) положении. Можно также привести примеры конструкции параболических антенн, применяемых в наземных комплексах для связи с КА, находящимися на орбите. Для антенн наземных систем отличительными особенностями являются значительно большие диаметральные габариты (так у системы "Орбита" диаметр рефлектора составляет 12 м). Применение антенн с еще большими габаритами зеркала в особенности становится необходимым при создании радиотелескопов для изучения радиогалактик. Например, при разработке радиотелескопа Крымской астрофизической обсерватории АН в Симеизе и радиотелескопа Хайстекской обсерватории в США достигнуты величины диаметров зеркала антенн в 22 и 37 м соответственно.

Значительные габариты наземных антенн приводят к столь же большим их массам, что в совокупности делает их непригодными для выведения на орбиту в космос из-за ограниченных возможностей современных ракет-носителей по грузоподъемности и размерам грузовых отсеков, хотя потребность в такой операции имеется.

Дело в том, что при массовом всеобъемлющем использовании космической радиосвязи (телевидение, телефон, телеграф и т.п.) экономически более выгодно иметь крупногабаритные антенны в космосе, а не наоборот. Крупногабаритная техника на космической орбите позволяет уменьшить габариты наземной приемно-передающей аппаратуры, сделать ее портативной.

Стремление к увеличению габаритных размеров антенн прослеживается и в патентной литературе [4]
Определенный интерес представляют соображения в источнике [10] в части обоснования целесообразности применения крупногабаритных антенн, а именно: для приема низкочастотного радиоизлучения необходимы орбитальные антенны чрезвычайно больших размеров. В левой части фиг. 5 показана кривая зависимости диаметра антенны от частоты принимаемого излучения. Видно, что с уменьшением частоты диаметр антенны увеличивается и для приема радиоволн с частотой, менее 10 МГц нужны антенны диаметром более 1,5 км.

Максимизация габаритов антенн диктуется тем обстоятельством, что она значительно увеличивает их чувствительность. Что касается других применений крупногабаритной космической техники (отражатели солнечного света и энергии, солнечные паруса), то в этом случае увеличение габаритов напрямую ведет к увеличению эффективности упомянутых устройств.

Помимо максимизации габаритов рефлектора (о получением при этом достаточной жесткости),не менее важным является соблюдение требования по получению и сохранению при работе заданной формы экрана рефлектора. Чаще всего, для антенн это параболоид вращения. Точность исполнения формы позволяет получить более высокую избирательность антенны.

В ряде случаев бывает целесообразным применение антенн с рефлектором, имеющим плоский экран [3] Использование плоского экрана становится совершенно необходимым при применении рефлектора в качестве отражателя солнечного света или солнечной волновой энергии для передачи ее на землю. В этих случаях с целью уменьшения рассеивания формируемого луча к экрану рефлектора предъявляются соответствующие требования к его плоскостности. В определенной но меньшей степени это требование необходимо выполнять в отношении к рефлекторам, используемым в качестве солнечного паруса [2]
Анализ патентной и иной технической литературы позволил выявить ряд тенденций, присущих развитию крупногабаритных космических конструкции в указанных выше направлениях:
1. Стремление выполнять конструкцию отдельными секциями, позволяющими различными способами трансформировать ее из транспортного в рабочее развернутое положение [8][3][2][5] [7]
2. Применение для экрана рефлектора гибких легко складывающихся материалов в виде пленок, сеток, тонкостенных конструкций, что преследует две цели: во-первых, получить облегченную и, во-вторых, просто трансформируемую конструкцию [2] [3][5][8]
3. Применение для развертывания и поддержания в рабочем положении центробежных сил, развиваемых за счет придания рефлектору вращения [2][3]
4. Применение такого способа для укладки в транспортное положение элементов конструкции рефлектора, как наматывание (сматывание) на барабан [3] [5]
5. В части общей компоновки рефлектора применение центрально расположенного корпуса с радиально отходящими от него ребрами, поддерживающими экран рефлектора [3][5][6] [7] [8]
Разобранные особенности конструкции рефлекторов аналогов наряду с достоинствами обладают и существенными недостатками, не позволяющими реализовать в полной мере возможности конструкции.

Основными из них являются:
сравнительно малые соотношения габаритов (площадей экрана) в развернутом и транспортном положении [7][8]
недостаточное раскрытие устройства рефлекторов, что не позволяет без дополнительного конструирования реализовать идеи, заложенные в конструкцию. [6]
сравнительно малые габариты экрана из-за отсутствия предложений по трансформированию антенн (см. ссылку на источник [1] в части бортовых антенн на листе 2 настоящей заявки);
не раскрыты возможности, заложенные в автоматизацию процесса развертывания рефлектора на орбите [6][8]
сравнительно большие затраты массы конструкции в расч те на единицу площади экрана рефлектора [7][8]
почти все аналоги (исключая [2][3][5] [8]) ориентированы на применение плоских экранов, что намного сужает область их применения.

Из всех рассмотренных аналогов наиболее приближена к предлагаемой конструкции антенна в соответствии с патентом [8] которую и следует принять за прототип, т.к. она имеет центральный корпус, экран в виде секций с радиально отходящими ребрами и закрепленной на них эластичной электропроводящей сеткой, поверхность которой выполнена сложной формы.

Целью изобретения является стремление получить такую конструкцию рефлектора, которая при максимальной площади экрана и максимальной жесткости имела бы минимальную массу конструкции, а также максимальную степень трансформируемости рефлектора из транспортного сложенного положения в развернутое рабочее, что выражается максимальным соотношением площади экрана к поперечному сечению рефлектора в транспортном положения.

Отмеченных выше недостатков аналогов и прототипа можно избежать и можно реализовать намеченные цели, если применить рефлектор, который содержит корпус, экран в виде секций, имеющих радиальные ребра с закрепленным на них эластичным электропроводным или светоотражающим материалом, привод раскрытия с тем отличием, что в каждую секцию введена пара изогнутых ребер, один конец радиального ребра пропущен в щель, выполненную на внешней цилиндрической поверхности корпуса и закреплен на натяжном барабане, установленном внутри корпуса и соосно с ним. Барабан кинематически связан о приводом, закрепленным на корпусе, один конец каждого изогнутого ребра шарнирно закреплен на корпусе, а периферийные концы всех ребер секции связаны расчалками, при этом на каждом радиальном ребре с двух его противоположных сторон одним концом шарнирно закреплены две рамки, вторые концы которых шарнирно соединены с изогнутыми ребрами той же секции, при этом все секции изогнутыми ребрами, уперты друг в друга в месте присоединения к ним рамок, а периферийные концы изогнутых ребер соседних секций соединены расчалками, кроме того, все ребра выполнены в виде гибких профилированных пластин.

На фиг.1 изображен рефлектор в рабочем положении, поперечное сечение; на фиг. 2 то же, в транспортном (свернутом) положении, поперечное сечение, вид на торец рулона, образованного из скрученных пластин; на фиг. 3 то же,в одном из промежуточных положений в процессе развертывания (или свертывания), поперечное сечение; на фиг. 4 то же,в рабочем положении, продольное сечение; на фиг. 5 и 6 соответственно радиальная и изогнутая пластины, развертка на плоскость; на фиг. 7 схема построения профиля изогнутой пластины; на фиг. 8 пример выполнения изогнутой пластины по е толщине; на фиг. 9 секция, состоящая из изогнутых и радиальной пластин, рамок и расчалок, рабочее положение; на фиг. 10 пример выполнения соединения законцовки с радиальной пластиной и расчалками; на фиг. 11 пример выполнения соединения законцовки с изогнутой пластиной и расчалками; на фиг. 12 пример выполнения шарнирного соединения рамок с радиальной пластиной; на фиг. 13 рефлектор в рабочем положении при применении искривленных рамок, поперечное сечение; на фиг. 14 - фрагмент внутреннего силового пояса при применении частично вынесенных за торец рулона рамок, транспортное положение; на фиг. 15 пример выполнения крепления экрана к пластинам; на фиг. 16 пример выполнения крепления экрана к расчалкам; на фиг. 17 кинематическая схема связи привода с натяжным барабаном; на фиг. 18 пример расстановки точек крепления экрана.

На фигурах приняты следующие обозначения: корпус 1,натяжной барабан 2, радиальная пластина 3, изогнутая пластина 4,рамка 5,расчалки, соединяющие изогнутые и радиальную пластины 7,расчалка, соединяющая изогнутые пластины 8, шарнир, соединяющий расчалку с изогнутой пластиной 9, шарнир, соединяющий рамку с радиальной пластиной 10,шарнир, соединяющий изогнутую пластину с корпусом 11, экран 12,стяжная лента 13,замок 14, периферийный и внутренний концы изогнутой пластины соответственно 15, 16,периферийный и внутренний концы радиальной пластины соответственно 17, 18, рабочий профиль радиальной пластины (парабола) для крепления на нем экрана 19, рабочий профиль изогнутой пластины (искаж нная парабола) для крепления на н м экрана 20, привод 21, редуктор 22, храповой механизм 23, искривленная рамка 24, внутренний силовой пояс 25, периферийный силовой пояс 26, законцовка для изогнутой и радиальной пластины 27, крепежные детали для присоединения экрана к пластинам 28,29, шайбы и проволочное кольцо для присоединения экрана к расчалкам 30, 31,тросик 32, приборный (фокальный) контейнер 33, вспомогательный профиль изогнутой и радиальной пластин 34, стойка 35, выдавки на изогнутой пластине 36, сотовый пластик 37, сварная точка 38, ось и вершина параболы соответственно (ось параболы совпадает с продольной осью рефлектора) 39, 40, нитяной шов 41, штифт 42, щель 6 в корпусе.

Предлагаемый рефлектор может быть выполнен как с параболическим экраном, так и с плоским.

Пример выполнения рефлектора с параболическим экраном. В центре рефлектора (фиг. 1,2) помещен корпус 1, у которого на наружной цилиндрической поверхности вдоль образующей выполнены щели 6, через них в корпус 1 пропущены радиальные пластины 3. Внутри корпуса 1 соосно с ним установлен на оси натяжной барабан 2, на котором равномерно по периметру закреплены внутренние концы 18 радиальных пластин 3. Там же расположены: привод 21, например электромотор, редуктор 22 в виде, например, набора шестерен, понижающих число оборотов привода 21, и храповой механизм 23, которые все вместе кинематически связаны с натяжным барабаном 2 (фиг. 17). При вращении привода 21 радиальные пластины 3 плавно наматываются на натяжной барабан 2.

На наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 с помощью цилиндрических шарниров 11 закреплены вдоль образующей по обе стороны каждой щели 6 внутренние концы 16 изогнутых пластин 4.

Радиальные и изогнутые пластины 3 и 4 представляют собой удлиненные тонкие упругие полосы, выполненные из материалов, имеющих высокие прочность и модуль упругости, например, на стальных или титановых сплавов, из композиционных материалов, имеющих в своей основе высокопрочные нити с высоким модулем упругости. Удлиненные стороны всех пластин спрофилированы (фиг. 4, 5 и 6). Профиль рабочей стороны 19 (стороны, обращенной к экрану 12) выполнен по параболе (для радиальной пластины), вершина 40 и ось 39 которой совпадают с центром и продольной осью рефлектора, и по искаженной параболе 20 (для изогнутой пластины). Принцип построения искаженной параболы 20 поясняется на фиг. 5, 6 и 7 все ординаты профиля радиальных и изогнутых пластин должны быть одинаковыми, если они отстоят на одинаковом расстоянии R от продольной оси 39 рефлектора. Назначение профиля рабочей стороны пластин 19 и 20 -создать после закрепления на нем экрана 12 поверхность параболоида вращения.

Профиль 34 стороны пластин, противоположной рабочей (фиг.4, 5, 6), выполнен произвольно, например, набором отрезков прямых линий. Назначение этого профиля 34 придать некоторую симметрию пластинам 3 и 4 относительно продольной их оси Z-Z (фиг. 5 и 6) для исключения возможной закрутки пластин 3 и 4 и потери устойчивости при их нагружении. В процессе работы рефлектора радиальная пластина 3 испытывает в основном растягивающую нагрузку.

Назначение изогнутой пластины 4 создавать при ее деформации по возможности максимальное усилие изгиба на своих концах 15 или 16, поэтому ей придана форма двухконсольной балки с защемлением примерно посередине ее длины в месте упора рамки 5, а для уменьшения затрат массы на конструкцию она выполняется переменной толщины с увеличением последней от концов к месту защемления. Например, изогнутая пластина 4 может быть выполнена на концах тонкой однослойной (фиг. 8), затем по мере приближения к заделке - двухслойной, схваченной сварными точками 38, двухслойной с выдавками 36 (для увеличения суммарной толщины), двухслойной с прокладкой между слоями сотового пластика 37 или с применением тому подобных способов увеличения момента сопротивления изгибу. Ограничение на увеличение толщины изогнутой пластины накладывается только возможностью обеспечить отсутствие остаточных деформаций в процессе намотки изогнутой пластины 4 на корпус 1 при приведении рефлектора в транспортное положение (фиг. 2).

Экран 12 представляет собой металлическую (или металлизированную) сетку трикотажного плетения, что должно обеспечивать возможность значительного во все стороны удлинения экрана 12. Сетка может быть заменена на упругую эластичную пленку, металлизированную напылением с одной стороны. Экран 12 присоединяется с рабочей стороны к профилированным краям радиальных 3 и изогнутых 4 пластин, а также к корпусу 1 и расчалкам 7 и 8 в точках, которые расположены на поверхности параболоида вращения (фиг. 1, 18 ).

По краю экрана 12 для его упрочнения прокладывается тросик 32, край экрана 12 подрубается (подшивается) нитяным швом 41 (фиг. 16).

Рамки 5 представляют собой прямоугольную стержневую конструкцию, работающую в основном на сжатие, закреплены они с помощью цилиндрических шарниров 10 с двух сторон каждой радиальной пластины 3 (фиг. 12), а с помощью цилиндрических шарниров 9 к двум изогнутым пластинам 4, примыкающим к радиальной, с образованием секции (совокупность упомянутых пластин, двух рамок 5 и двух пар расчалок 7 (фиг. 9). Расчалки 7 и 8 представляют собой мерные отрезки гибкого троса или его аналога (ремень, цепь и т. п.).

Все расчалки 7 имеют одинаковую длину, присоединены к периферийным концам радиальной и изогнутой пластин 3 и 4. Расчалки 8 также выполнены одинаковой длины и присоединены к периферийным концам 15 изогнутых пластин 4 (фиг. 1).

Для обеспечения равномерной передачи усилий от расчалок 7 и 8 к пластинам 3 и 4 на, торцах периферийных концов 15, 17 упомянутых пластин предусмотрены законцовки 27 в виде утолщений (например, стержней, присоедин нных к пластинам 3 и 4 как показано на фиг. 10, 11). Натяжение расчалок 7 и 8 осуществляется изогнутыми и радиальными пластинами 3 и 4, при этом образуется периферийный силовой пояс 26, к которому присоединяется периферийная часть экрана 12 Примеры выполнения такого крепления, а также крепления экрана 12 к пластинам 3, 4 (аналогично крепится экран 12 к корпусу 1) представлены на фиг. 15. Оно производится с помощью деталей 28, 29 грибообразной формы с возможностью регулирования высоты закрепления экрана 12 относительно теоретической поверхности параболоида.

К расчалкам 7 и 8 экран 12 крепится посредством колец 31, которые пропущены через шайбы 30, прикрепленные (например, приклеенные) с двух сторон к периферийной части экрана 12, и которые охватывают соответствующую расчалку (фиг. 16).

Операции сборки рефлектора не представляют больших трудностей за исключением установки экрана 12, которая ввиду больших габаритов и особенностей конструкции рефлектора имеет свою специфику. Установка экрана 12 должна производиться в последнюю очередь на выставленном горизонтально и приведенном в рабочее положение рефлекторе (фиг. 1, но без экрана). Экран 12 накладывают сверху на рефлектор и закрепляют его с помощью крепежных деталей 28 и 29 с применением клеевого и штифтового 42 соединения (фиг. 15) последовательно от центра к периферии, при этом осуществляют необходимое натяжение сетеполотна (или пленки) 12. Затем после выключения храпового механизма 23 вытягивают радиальные пластины 3 из корпуса 1, сматывая их с натяжного барабана 2 до положения, когда рамки 5 сблизятся с теми радиальными пластинами, с которыми они скреплены, образовав между собой некоторый острый угол А. В каждой секции изогнутые пластины 4, увлекаемые рамками 5, приблизятся к радиальной пластине 3 почти до упора. Это промежуточное положение в процессе перевода рефлектора из рабочего положения в транспортное показано на фиг. 3. Одновременно с вытягиванием радиальных пластин 3 начинают все пластины 3 и 4 накручивать на корпус 1, при этом образуется рулон, который скрепляют по наружной поверхности стяжной лентой 13, концы ее закрепляют замком 14 (фиг. 2, где условно показан больший зазор между лентой 13 и рулоном).

Как видно из фиг. 2, и присутствие прямолинейных рамок 5 не способствует плотной намотке рулона, от которой зависит в определенной степени эффективность рефлектора. Чем плотнее рулон, чем большее число слоев в нем, тем больше предельная длина пластины и соответственно больше габаритный диаметр рефлектора в рабочем положении (фиг. 1). Поскольку для современных ракет-носителей, как правило, определяющим в их эффективности является непредельная грузоподъемность, а предельная средняя плотность космического аппарата, которую можно достигнуть в пределах имеющихся габаритов грузового отсека, то можно сделать соответствующие выводы о важности плотной упаковки конструкции КА. Поэтому целесообразно для повышения эффективности рефлектора проведение ряда мероприятий.

Во-первых, можно выполнить рамки 5(24) искривленными по радиусу, приближающемуся к средней двух величин радиуса рулона и радиуса цилиндрической поверхности корпуса 1:
R_рамки 0,5•(R_рул + R_цил).

Такое выполнение рамки несколько снижает ее жесткость при продольном сжатии, но существенно повышает плотность рулона, и вместе с тем дает возможность при имеющихся габаритах грузового отсека ракеты-носителя увеличить предельные диаметральные габариты рефлектора в его рабочем положении (фиг. 1, 13).

Во-вторых, для увеличения плотности рулона можно вынести стержни рамок, лежащие в плоскостях, параллельных поперечному сечению рулона (торцевые стержни), за пределы рулона, оставив в нем только стержни рамок, перпендикулярные поперечному сечению рулона (продольные стержни), что существенным образом уменьшает его габарит по диаметру.

Для этого необходимо (фиг. 12, 14):
в каждой секции ширину рамок предусмотреть различной (l₂, l₃);
у меньшей рамки ширина окна (l_2-d) должна быть такой, чтобы в него свободно входила часть рулона, которая по ширине равна ширине пластин 3, 4 в месте закрепления к ним рамок, т.е. должно быть:
l_2-d ≥l₁;
большая по ширине рамка должна охватывать меньшую, обеспечивая свободное движение рамок относительно друг друга, т.е. необходимо, чтобы
l_2+d ≤l_3-d;
крепление рамок 5 (24) к радиальной пластине 3 следует предусмотреть с помощью одного общего цилиндрического шарнира, ось которого должна выступать за габарит пластин 3 и 4 по ширине.

Второе мероприятие обеспечивает наибольшее сокращение диаметрального габарита рулона (увеличение габарита составит всего на величину от 4 до 6 d) и поэтому наиболее рационально (фиг.2, 14).

Для достижения возможности восстановления натяжения экрана 12 при длительной эксплуатации рефлектора торцевые стержни могут быть выполнены искривленными (фиг. 13).

Пример рефлектора с плоским экраном. Этот вариант отличается от предыдущего варианта (с параболическим экраном) более простым выполнением конструкции пластин 3 и 4. Все профилированные стороны 19, 20, 34 пластин должны выполняться по прямой, перпендикулярной продольной оси рефлектора. Соответственно этому форма экрана 12 становится плоской, упрощается способ крепления экрана, постольку число точек его крепления может быть существенно снижено. В остальном, в том числе и в порядке функционирования рефлектора, изменений не имеется.

Функционирование рефлектора происходит следующим образом. После его выведения на ОИСЗ по команде системы управления раскрывается замок 14, стяжная лента 13 освобождает свернутый рулон. Под действием сил упругости рулон начинает разматываться и в результате этого рефлектор займет некоторое промежуточное положение между транспортным и рабочим положением (фиг. 3), характеризуемое тем, что пластины 3 и 4 занимают положение, близкое к радиальному, рамки 5 станут под некоторым острым углом А относительно друг друга, расчалки 7 окажутся в некотором расслабленном положении (не в натянутом), расчалки 8 будут, как правило, натянуты. Экран 12 из свернутого положения частично расправится. Основное назначение расчалок 8 состоит в том, чтобы в процессе развертывания рефлектора предотвратить динамический удар на экран, т. к. на участке между секциями при отсутствии расчалок 8 возможно было бы чрезмерное натяжение экрана 12 и его разрыв.

После перевода рефлектора в промежуточное положение по команде системы управления начинает работать привод 21, вращением которого обеспечивается через систему шестерен (редуктор 22) поворот натяжного барабана 2 и плавное наматывание радиальных пластин 3 на него, в результате этого радиальные пластины 3 втягиваются через щели 6 внутрь корпуса 1, уменьшается их вылет, благодаря чему происходит натяжение расчалок 7 и раздвигание в разные стороны в поперечном направлении рамок 5, упертых в пластины 4 до тех пор, пока последние не упрутся друг в друга. Рамки 5 станут под некоторым тупым углом В относительно друг друга, взаимно упрутся и образуют внутренний силовой пояс 25 (фиг. 1).

Натяжение расчалок 7 сопровождается изгибом пластин 4, которому способствует также передвижение в разные стороны рамок 5. В итоге достигается ситуация, когда все пластины 3 растянуты, все пластины 4 изогнуты, экран 12 натянут, все расчалки 7, 8 растянуты, все рамки 5 сжаты, зазоры в шарнирах (люфты) выбраны, таким образом все элементы конструкции соответствующим образом напряжены, чем обеспечивается их устойчивость, несмотря на применение тонкостенных достаточно протяженных пластин. Устойчивость радиальных пластин 3 обеспечена за счет их растяжения на участке от корпуса 1 до силового пояса 25 в большей степени, а на участке от силового пояса 25 к периферии в меньшей степени. Устойчивость пластин 4 обеспечивается приданием им искривленной формы, близкой к цилиндрической, устойчивость рамок соответствующим подбором (расчетом) их конструкции. Степень напряжения (натяга) в элементах конструкции рефлектора регулируется за счет выбора момента прекращения вращения привода, что может быть получено срабатыванием конечного выключателя, встроенного в кинематическую цепь привод радиальная пластина и реагирующего либо на достижение соответствующего угла поворота, либо на величину втягивания радиальной пластины 3. Чтобы после развертывания рефлектора не происходило расслабления его натяжения, в кинематическую цепь привод 21 натяжной барабан 2 должен быть включен храповой механизм 23, препятствующий самопроизвольному вращению натяжного барабана в сторону, обратную вращению при натяжении рефлектора. Наиболее жестким необходимо считать участок рефлектора между корпусом 1 и внутренним силовым поясом 25. Он может быть использован для крепления элементов антенны, в которую составной частью входит рефлектор, например стойки для фиксации формального контейнера 33, аппаратура(фиг. 4). Помимо внутреннего силового пояса 25, при разв ртывании рефлектора образуется периферийный силовой пояс 26, состоящий из совокупности расчалок 7, 8 и законцовок 27. Несущая способность этого пояса меньше, чем у пояса 25, она зависит от степени натяжения расчалок 7, 8, определяемой усилием изгиба на периферийном конце 15 пластины 4, которое может быть рассчитано по конструктивным параметрам пластины 4 (толщине, ширине, вылету, приклоняемым материалам).

Учитывая специфику условий эксплуатации в космосе (невесомость, незначительные инерционные силы, фактическое отсутствие аэродинамических сил, малость сил давлений солнечного света), натяжение рефлектору может быть дано не слишком большим, а таким, чтобы оно не позволяло деформировать конструкцию при действии сил, управляющих ориентацией рефлектора в пространстве. Как правило, эти силы невелики, поскольку требуемые скорости поворота рефлектора вокруг центра масс незначительны.

Во время длительной (годы) эксплуатации, рефлектора возможно расслабление натяжения материала, из которого выполнен экран 12. Для устранения последствий этого нежелательного (из-за искажения формы экрана) явления может быть использовано некоторое избыточное натяжение рефлектора с последующим по мере необходимости его расслаблением за счет выпуска радиальных пластин 3 из корпуса 1 (при предварительном расстопорении храпового механизма 23). При этом может быть использован эффект податливости искривленных рамок 24, об атом искривлении упоминалось выше как о средстве увеличения плотности намотки рулона. Распрямляясь, рамки 24 действуют как пружины, расталкивают секции и вызывают увеличение диаметров силовых поясов 25, 26 и габаритного диаметра рефлектора, благодаря чему натяжение экрана 12 в некоторой степени будет восстановлено.

Ниже приводятся некоторые рекомендации, которые могут быть использованы при конструировании рефлектора. Для обеспечения точности формы экрана 12 необходимо уменьшать расстояние между точками его крепления на профильной части 19, 20 пластин 3, 4. При этом в поперечном сечении рефлектора следует стремиться аппроксимировать прямыми линиями окружность, а в продольном (меридиональном) сечении параболу. Считается, что между двумя соседними точками крепления экран, будучи натянут, простирается по прямой. Допустимое максимальное отклонение прямых от теоретической линии достаточно мало и зависит от применяемой частоты разноволн, выбранной для антенны допустимой минимальной избирательности. Чтобы уменьшить отклонение отрезков прямых, соединяющих соседние точки крепления, необходимо в случае приближения к окружности (т.е. в поперечном сечении) или увеличить число секций рефлектора или уменьшить габаритный диаметр рефлектора. Однако увеличение числа секций ведет к увеличению массы рефлектора и уменьшает степень изгиба изогнутых пластин 4, что приведет к уменьшению натяга периферийной части рефлектора. Компенсировать уменьшение усилия изгиба можно лишь увеличением толщины и ширины изогнутых пластин, что нежелательно из-за роста массы. В каждом конкретном случае необходим поиск оптимальной конструкции, при котором определяется минимальная масса конструкции в зависимости от принятого как допустимое отклонение от заданного профиля. По-видимому, наиболее оптимальное число секций составит от 8 до 12.

Что касается выбора расстояния между точками крепления в меридиональном сечении, то оно может быть принято сколь угодно малым. Однако при этом необходимо иметь в виду, что в процессе намотки пластин 3, 4 на корпус 1 при переводе в транспортное положение, а также при резком размазывании пластин 3, 4 в космосе для приведения рефлектора в рабочее положение могут произойти разрывы экрана 12, если на некоторых участках расположить точки крепления 28, 29 слишком часто. Эти участки характерны тем, что там наблюдается значительные перемещения точек крепления 28, 29 относительно друг друга. Например, участки, где радиальные и изогнутые пластины 3, 4 находятся вблизи щелей 6 корпуса 1 и где имеют место упомянутые перемещения. При наматывании пластин 3, 4 на корпус 1 радиальные пластины 3 вытягиваются из корпуса 1, а изогнутые пластины 4 остаются практически неподвижны относительно корпуса 1 вблизи шарниров 11 (фиг. 18, участок С). Здесь следует избегать установки точек крепления 28, 29 на радиальные пластины 3, ограничившись размещением их только на изогнутых пластинах 4. Другой участок, на который необходимо обратить внимание, место, где смыкаются соседние секции и где изогнутые пластины 4 опираются друг на друга (участок D на фиг. 18). В этом случае следует устанавливать точки крепления 28, 29 только на одной из двух примыкающих друг к другу пластин 4.

Одним словом, при проектировании рефлектора следует обращать внимание для всех этапов эксплуатации рефлектора на величину растяжения материала, из которого выполнен экран 12, и выбирать ее сообразно возможностям материала к удлинению. В конструкции рефлектора необходимо предусмотреть отсутствие всякого рода острых выступающих элементов, чтобы избежать в процессе развертывания рефлектора возможности зацепов материала, из которого выполнен экран 12.

Оценивая в целом предлагаемое устройство с точки зрения его технико-экономических достоинств, следует отметить следующее.

Предлагаемая конструктивная схема с применением пленочных или сеточных материалов также тонкостенных материалов позволяет рациональным способом нагрузить конструкцию, получить минимум затрат массы при достаточно больших габаритах рефлектора. При этом в полной мере используются специфические факторы космического пространства невесомость, малые внешние нагрузки, а также рациональная организация секций в виде растянутых или изогнутых пластин, что даст возможность получить в целом жесткую конструкцию. Напряженное состояние рефлектора, выборка имеющихся люфтов, создание внутренних напряжений в конструкции, превышающих возможные внешние нагрузки, даст основание утверждать, что возможно получение достаточно высокой собственной частоты колебаний конструкции, упрощающей управление ориентацией рефлектора в пространстве.

Способность трансформации конструкции от транспортного сложенного в развернутое рабочее положение за счет свертывания в рулон и последующего развертывания его достаточно велика. Предварительные проработки показывают возможность получения соотношения рабочей площади экрана к площади поперечного сечения сврнутого в рулон рефлектора, равного 100-400 и более, что несравнимо больше возможностей конструкции, принятой за прототип, у которого такая возможность получения больших габаритов и большой степени трансформации экрана не превышает нескольких значений общей габаритной площади КА.

Следует отметить, как достоинство универсальность конструкции в части возможности получения как плоского, так и параболического (либо другой желаемой формы) экрана.

Предложенная конструкция обладает определенной автоматичностью действия, для ее функционирования достаточно выдачи от системы управления только трех команд:
на раскрытие замка 14 стяжной ленты 13 и освобождение рулона;
на включение привода 21;
на выключение привода 21;
причем первые две команды могут быть совмещены в одну.

Высокие требования по надежности, всегда предъявляемые к любому КА, обеспечиваются тем, что в основном работа рефлектора сводится к работе механических систем (рамки, движимые пластинами, которые в свою очередь перемещаются под действием упругих сил, созданных в них при сборке, а также привода).

Как фактор, повышающий надежность конструкции, необходимо рассматривать свойство конструкции рефлектора раскрываться синхронно и симметрично, чему способствует наличие одного общего для всех пластин 3 привода 21 с редуктором 22, плавно приводящего рефлектор в рабочее положение.

При необходимости можно повысить надежность га счет дублирования, установив второй комплект привода 21 с редуктором 22 на второй терец корпуса 1. Возможно также продублировать экран 12, установив его в два слоя со стороны рабочего профиля 19, 20. Если рассматривается рефлектор с плоским экраном, то можно продублировать экран, организовав установку второго экрана с тыльной (противоположной рабочей) стороны 34 рефлектора. В случае параболического экрана такое дублирование (размещение о тыльной стороны) становится возможныи, если принять решение о дублировании так же таких атрибутов антенны, как стойки 35 и фокальный контейнер 33 (фиг. 4), т.е. о создании двух антенн с одним общим рефлектором.

Ценным свойством конструкции рефлектора является отмеченная в описании возможность восстановления натяга экрана в случае его расслабления со временем при длительной эксплуатации.

Большой эффект следует ожидать при применении рефлектора в отмеченных выше технических направлениях. Способность к трансформации в широких пределах делает возможным уже в современных условиях выведение в космос крупногабаритных конструкций с использованием их как отражателей солнечного света и солнечной энергии и делает реально осуществимым такие проекты. Система из нескольких отражателей солнечного света дает возможность оперативной организации освещения ночью (или в условиях полярной ночи) мест катастроф или любых других аварийных ситуаций, прочих мест, где возникает необходимость временного или постоянного (в зависимости от обстоятельств) освещения и где из-за удаленности от цивилизации нет других источников освещения.

Система отражателей с использованием предлагаемой конструкции рефлектора может быть также использована для передачи из космоса в пустынные районы Земли солнечной энергии, что позволит освоить еще один экологически чистый источник энергии, несомненным достоинством которого является возможность использования его в труднодоступных районах.

Стремление человечества к дальнейшему изучению космического пространства может быть удовлетворено применением еще одним способом преодоления космических пространств созданием космических аппаратов с солнечным парусом. Поскольку у предлагаемого устройства большое соотношение площади экрана к массе конструкции, оно может быть положено в основу таких аппаратов. Примеры разработки таких конструкций имеются (см. проект солнечной регаты в ознаменование 500-летия открытия Америки).

Наконец, значительного экономического эффекта можно ожидать, используя предлагаемый рефлектор как составную часть крупногабаритной параболической космической антенны. Система из нескольких таких антенн, выведенных на ОИСЗ и находящихся в пределах радиовидимости друг с другом, позволяет охватить большую часть поверхности Земли, обеспечив ее глобальной радиосвязью (телевидение, радиовещание, телефон, телеграф и т.п.). Большие габариты антенн делают их весьма чувствительными, достаточно точное воспроизведение заданной формы экрана гарантирует высокую избирательность и в целом позволяет работать с портативной малогабаритной приемно-передающей аппаратурой на Земле. Это обстоятельство упрощает и удешевляет организации глобальной радиосвязи. Появляется возможность связи со многими движущимися объектами, организации большого числа разнообразных каналов связи, в том числе с труднодоступными районами Земли (тайга, пустыня, Арктика, океаны и т. п.). Применение в Космосе крупногабаритной антенны для организации глобальной радиосвязи (а не наоборот, размещение крупногабаритных антенн на Земле с системой малогабаритных ретрансляторов в космосе) основа удешевления системы глобальной радиосвязи.

Говоря о возможности промышленного применения рефлектора, необходимо отметить значительную степень подготовленности к реализации изобретения, т. к. применяемые материалы (тонкостенные пластины толщиной в доли миллиметров, соответствующий сортамент необходимых металлических сплавов, металлические сетки трикотажного плетения, пленки с металлическими напылением, композитные материалы), требуемые технологии (точечная сварка, лазерная сварка, штамповка выдавок и т.п.) в значительной степени уже освоены в ракетно-космической технике.

Источники информации:
1. Космонавтика "Энциклопедия". Советская энциклопедия, 1985.

2. Патент России N 475668, 01.09.93.

3. Патент США N 3423755.

4. Патент США N 3699581.

5. Патент США N 445121.

5. Краффт А. Эрике. Будущее космической индустрии.-М. Машиностроение, 1979, с. 160, рис. 55.

7. Патент США N 4314253.

8. Патент США N 4613870. Антенный рефлектор космического корабля.

9.Л.Матвиенко.Наука и жизнь, 1973, N 10, с. 25-32.

10. Сборник докладов, прочитанных на IV симпозиуме Американского астронавтического общества. Пер. с англ.под ред. чл.-кор. В.С.Емельянова.Космическая эра. Прогнозы на 2001 год.-М,Мир, 1970, с. 60-61.

Предложено устройство крупногабаритного космического складного рефлектора с плоским или параболическим экраном диаметром несколько десятков метров. Рефлектор может применяться в качестве антенны, отражателя солнечного света для освещения поверхности Земли в ночное время, в качестве отражателя волновой энергии, излучаемой Солнцем, и как солнечный парус. Рефлектор способен автоматически трансформироваться из свернутого транспортного положения в развернутое рабочее положение, включает в себя центральный корпус с натяжным барабаном, радиальные пластины, скрепленные с барабаном, изогнутые пластины, соединенные с корпусом, расчалки, скрепляющие пластины, систему рамок, раздвигающих изогнутые пластины для натяжения рефлектора совместно с приводом, редуктором, вращающими натяжной барабан. Совокупность тонких упругих удлиненных профилированных радиальных и изогнутых пластин служит для закрепления на них гибкого эластичного экрана из свето- или радиоотражающего материала. Большие габариты, достаточная жесткость, возможность точного воспроизведения заданной формы экрана - основа эффективного применения рефлектора в системе глобальной радиосвязи и других отмеченных областях техники. 2 з.п.ф-лы, 18 ил.

1. Крупногабаритный космический складной рефлектор, содержащий корпус, экран в виде секций, в которых имеются радиальные ребра с закрепленным на них эластичным электропроводным или светоотражающим материалом, привод раскрытия, отличающийся тем, что в каждую секцию введена пара изогнутых ребер, один конец радиального ребра пропущен в щель, выполненную на внешней цилиндрической поверхности корпуса, и закреплен на натяжном барабане, установленном внутри корпуса соосно ему и кинематически связанном с приводом, располагаемым на корпусе, один конец каждого изогнутого ребра шарнирно закреплен на корпусе, периферийные концы всех ребер секции связаны расчалками, при этом на каждом радиальном ребре с двух его противоположных сторон одним концом шарнирно закреплены две рамки, вторые концы которых шарнирно соединены с изогнутыми ребрами той же секции, при этом все секции изогнутыми ребрами уперты друг в друга в месте присоединения к ним рамок, а периферийные концы изогнутых ребер соседних секций соединены расчалками, все ребра выполнены в виде гибких профилированных пластин. 2. Рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что в каждой секции обе рамки выполнены по ширине большими, чем ширина радиальной и изогнутой пластины в месте крепления рамок, а одна из рамок выполнена шире другой, причем обе рамки прикреплены к радиальной пластине с помощью одного общего шарнира. 3. Рефлектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что стержни рамок, лежащие в плоскостях, параллельных поперечной плоскости рефлектора, выполнены изогнутыми.