ОТРАЖАТЕЛЬ И РАМКА Российский патент 1998 года по МПК B64G1/22 B64G9/00 

Изобретение относится к космической технике, а более конкретно - к крупногабаритным трансформируемым орбитальным отражателям.

Известен орбитальный отражатель солнечного света, в частности, для проектирования солнечного пятна на Землю, в котором имеется кольцевая рамка с кольцевыми линейными электродвигателями вдоль рамки и маховики, вращаемые этими двигателями во взаимно противоположные стороны [1].

Недостатком этого отражателя являются его чрезмерные габариты.

Наиболее близким аналогом изобретения является отражатель, содержащий торообразное устройство с кольцевыми соосными соленоидами по периметру и двумя кольцевыми маховиками в указанных соленоидах, с натянутой в отверстии тора зеркальной пленочной основой, при этом маховики выполнены из материала со свойством, термомеханической памяти формы для зигзагообразного складывания под обтекатель ракеты, а соленоиды снабжены стыковочными узлами [2].

Недостатком этого устройства является необходимость подбора негнущихся пленок с зеркальной поверхностью, так как пленка между отрезками рамки произвольно складывается, образуя невыпрямляемые складки, которые сложно устранить.

Техническим результатом изобретения является уменьшение неровностей плоскости пленочного зеркала, во-вторых, устранение просветов между состыкованными кольцевыми частями отражателя, а также, в-третьих, возможность локальных изменений натяжения пленки, в-четвертых, упрощение разматывания пленки, включая покрытие ею нескольких состыкованных элементов (рамок), в-пятых, создание средств для управления солнечным пленочным парусом.

Указанный технический результат достигается тем, что отражатель снабжен по меньшей мере одной дополняющей до многоугольника рамкой из шарнирно складывающихся стержней с пружинами раскрытия и фиксаторами, с узлами крепления к кольцевым соленоидам и устройствами перестановки стыковочных узлов с указанных соленоидов на рамку, пленочная основа сформирована в виде нескольких полос, концы которых прикреплены к стержням рамки посредством промежуточных формозадающих жестких элементов, причем между указанными элементами и стержнями рамки установлены устройства натяжения полос.

При этом, отражатель может содержать несколько дополняющих до многоугольника рамок с периметрами различной длины, связанных друг с другом соосно оптической оси отражателя с возможностью регулирования взаимных расстояний вдоль этой оси, а в качестве указанных формозадающих элементов использованы кольцевые соленоиды, закрепленные в промежуточных, между передней и задней, рамках, при этом полосы пленочной основы расположены вдоль образующих поверхности вращения отражателя.

Кроме того, пленочная основа отражателя может быть выполнена из материала со свойством термической релаксации.

Наконец, к кромкам полос пленочной основы отражателя может быть прикреплен эластичный материал.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 в плане показан отражатель квадратной формы; на фиг. 2 - восмигранной формы отражатель в плане; на фиг. 3 - рулон сложенной продольно и пополам зеркальной пленки с механизмом ее выпрямления; на фиг.4 - параболический отражатель с зеркалом из полос металлической пленки; на фиг.5 - наложение рулонной пленки на плоскость состыкованных вместе колец с маховиками; на фиг.6 - состыкованные солнечные паруса с концентраторами; на фиг.7 - жалюзи солнечного паруса; на фиг.8 - узел складывания многогранной рамки; на фиг.9 - крепления пленочного зеркала; на фиг. 10 - замки многоугольной рамки; на фиг. 11 - стыковочный узел кольцевой и многоугольной рамки; на фиг.12 - узел раскрытия кольцевой рамки; на фиг.13 - вариант исполнения маховиков (в поперечном разрезе); на фиг.14 - то же исполнение (в продольном разрезе); на фиг.15 - другой вариант исполнения маховиков; на фиг.16 - третий частный вариант маховиков с индукторным приводом; на фиг.17 показан параболический изгиб пленки; на фиг.18 поясняется способ регулирования центробежных сил, создаваемых маховиками.

На прилагаемых чертежах показано кольцо 1 с маховиками в рабочем положении, внутри расплавленного квадрата-рамки 2 для рулонной пленки 3 со стыковочными узлами и приводами поворотов 4, где "рамки" 1 и 2 соединены друг с другом радиальными приводами 5 с тягами жесткой конструкции 6 для создания локальных радиальных регулируемых натяжений пленки 3, при этом показано возможное место расположения элементов солнечной электростанции 7.

Разворачиваемая в разные стороны из рулона 3 (фиг.3) пленка 8 имеет изгибы 9 или подклеенные гибкие полоски (ткань и др. материалы) на продольных разрезах вдоль изгибов 9 крепления боковых полос 10 и 11 пленки 8, причем части 10, 11 пленки 8 прикреплены к стержням 12 с подпружиненными шарнирами и фиксаторами 13 разворачивания пленочных полос 10, 11 в одну плоскость.

На фиг. 4 к кольцу 1 с маховиками прикреплены такие же кольца 14, 15 с помощью ферм (трубчатых конструкций и т.п.) 16 с полосками 17 зеркальной пленки.

На фиг.6 концентратор 18 по фиг.4 прикреплен к конструкции 19 с помощью привода его поворота 20, при этом конструкция 19 с противоположной стороны оканчивается солнечным парусом 21 с жалюзи из пленочных полосок, причем направление расположения жалюзи каждого паруса иное, чем у других парусов 21, что необходимо для движения отражателя в различных направлениях.

На фиг. 7 жесткие держатели 22 пленочных жалюзи (не показаны) соединены по несколько штук друг с другом тросиком с приводом 23 для открытия и закрытия нескольких пленочных жалюзи в направлении солнечного "ветра" 14 - для движения, прекращения движения и смещения парусов под углом в стороны (смещающая сила обозначена как F).

На фиг. 8 показано устройство раскрытия рамки 2( стержней 12) в шарнире 13 вместе с держателем 25 частей пленки, выполненным также в виде рамки, параллельной рамке 2, причем рамки 2 и 25 соединены приводами 26 регулирования расстояния между ними в процессе раскрытия рамки, осуществляемого с помощью пружины 27 и ограничителя 28 раскрытия.

На фиг.9 представлена рамка-держатель 25 пленки 8 с шарнирными планками 29 и выступами 30 закрепления концов пленки 8, что необходимо в случае, если будет затруднительно использование намагниченных краев пленки 8 и поверхности рамки 25 из-за преждевременного притягивания пленки 8 к рамке 25 с образованием складок и разрывов пленки 8 во время протягивания пленки вдоль магнитной рамки 25 для выпрямления. Возможны варианты с электростатическим, клеевым притягиванием, исключая использование облегченных пленочных электромагнитов с включением и выключением их с помощью обратной связи или после натяжения пленки.

На фиг. 10 изображено устройство замыкания частей рамки 2 вокруг кольцевого соленоида или внутри него, причем в пазообразных вырезах предусмотрено по несколько фиксаторов 31. Если рамки 1 и 2 не скреплены друг с другом до разворачивания рулона 3, то участки рамок 1 и 12 выполнены с самостыкуемыми замками 32, выполненными как развилки захвата с винтом 33 для их соединения, при этом в рамке 1 возможны тросовые или иные направляющие 34 участка 12 рамки 2 (фиг.11).

На фиг. 12 показан вариант механизма раскрытия кольцевой рамки 1, где имеется не менее трех направляющих 35 и 36 с шарниром 37, пружиной раскрытия 38 и фиксатором (не показан) развернутых пружиной в рабочее положение направляющих 35, а другие направляющие 36, установленные со скольжением в пазах секций соленоидов 39, выполнены укорачиваемыми в пазах 40 и с ограничителями 41 выдвижения из них, причем шарнир изгиба направляющих 36 выполнен выдвигаемым из муфты 42, прикрепленной полужестким соединением к направляющей 40.

Магнитные шары 43 маховика рамки движутся вдоль направляющих 35, 36.

Возможны различные варианты выполнения основания рамки 1 отражателя. В частности, секции 44 маховиков (фиг.13) могут быть выполнены (вместо шаров 43) в виде электромагнитов с двумя колесами 45 и рельсами 46 снизу и сверху со скользящими электрическими контактами (шинопроводами со съемниками) включения электромагнитов 44 и переключения их полюсов для взаимного притяжения и отталкивания на параллельных путях 46 - без использования более тяжелых секций соленоидов 39 (фиг.12), причем перемычки 48 обеспечивают прочное взаимное расположение внешних внутренних (верхних и нижних) рельс 46.

Вместо электромагнита 44 в качестве дискретной массы 43 маховика применим индуктор 49 в ложеобразных направляющих из электропроводящего материала 50, от которого индуктор 50 отталкивается, при этом на фиг.15 показан пример расположения маховиков не только параллельно друг другу (в параллельных плоскостях), но и в одной плоскости.

Возможен более совершенный вариант (фиг.16), где индуктор 49 расположен на одном уровне с индуктором 51 противоположного направления вращения - как свободно летящие навстречу друг другу соленоид и его сердечник.

В данном варианте индуктор 51 имеет П-образную в сечении форму, и движется по кругу вдоль ограничителей направляющих 52 из электропроводящих материалов. Индукторы 49, 51 работают на вращение в режиме отталкивания - друг от друга, или секций (изолированных) 48, 52.

На фиг. 17 показано, что пленка 8 (с параллельными ей полосами 53) за счет ее большего диаметра относительно диаметра рамки 1 может быть изогнута параболически. Возможно применение панцирной легко изгибающейся сетки для достижения параболической формы основы зеркала, которое может быть выполнено в виде "чешуи рыбы", гибких сотовых конструкций, полосок и т.д. С изменением диаметра рамки 1 сотовые ячейки меняют направление оптической оси, направляя сфокусированнный или параллельный поток света или тепла.

На фиг.18 поясняются средства для локального изменения возбуждаемой маховиками центробежной силы: с помощью стрелок 54 рельсов 46, которыми секции 44 перемещаются из маховика в запасник 55 для исправлений радиальных деформаций.

Функционирование отражателя и рамок осуществляется следующим образом.

На орбиту выводится отражатель (концентратор) в сложенном зигзагообразном положении, с параллельным расположением под обтекателем отрезков кольца с маховиками 1 и стержней 12 рамки 2, как и рулона 3 майларовой или иной пленки 8 с зеркальным покрытием. На орбите, после освобождения от обтекателя ракеты-носителя, пружинами 38 (фиг. 12) направляющие 35, 36 разгибаются в процессе поворота вокруг шарнира 37 и фиксируются в кольцевом положении с помощью защелок или ввода направляющей 36 в паз 42 для устранения изгиба. Одновременно раздвигаются половинки (или четверти) рамки 2 с раскрытием стержней 12 во время раздвижения или после него, при этом с помощью винтовых замков 33 рамки 1, 2 могут быть скреплены во время их нахождения в пакете под обтекателем ракеты-носителя, или рамки 2 с пленкой 8 (частями 10, 11) может смещаться в радиальном направлении для стыковки с рамкой 1 после ее раскрытия, для чего применимы тросовые направляющие 34, предназначенные для скольжения вдоль них среднего стержня 12 рамки 2 (для чего стержень 12 может иметь сквозные отверстия или боковые петли-кольца).

Раздвижение рамки 2 можно осуществить с помощью электролебедки или сразу воспользоваться вращением раскрытой рамки 1 за счет движения в ней по направляющим 35, 36 шаров 43. Полученная при таком вращении маховика рамки 1 центробежная сила, посредством рамки 2, разворачивает пленочный рулон 3, например, в противоположные стороны.

Во время раскручивания (что надежней) или после раскручивания рулона 3, пружинами 27 (фиг. 8) части 12 рамки 2 раскрываются и фиксируются в форме прямоугольника (фиг.10) со стыковой половинок (или четвертей) рамки 2 замками 31 или стопорами 28 (фиг.8). При этом разматываемая с рулона 3 пленка 8 разворачивается в виде параллельных полос 10, 11 в сплошную поверхность 21 (фиг. 6), так что края этого листа пленки 8 из полос 10, 11 укладываются на рейку 25 (фиг.9), вдоль которой могут беспрепятственно скользить.

Последующее крепление краев пленочных полос 10, 11 может осуществляться к включаемым плоским электромагнитам, к клеевой поверхности рейки 25 и т.п.

Для надежного развертывания полос пленки имеется поворотная рейка 29 (фиг.9) с фасонной фиксацией края пленки 8 от поперечного и продольного смещения ее края.

В таком варианте раскрытия пленки 8 она должна опуститься на рейки 25 рамки 2, когда рамка будет сложена в многоугольник 2 (фиг.1, 2). После этого маховиками 43 (фиг.12), при вращении их с одинаковыми скоростями во взаимно противоположные стороны, пленка 8 (полосы 10, 11) одинаково растягивается во всех радиальных направлениях, а в случае неравномерного натяжения (что устанавливается с помощью приклеенных к пленке датчиков) подается сигнал приводам 5 или 26 на исправления дефектных натяжения.

С помощью стыковочных узлов 4 (фиг. 1, 2) несколько рамок 2 соединяются друг с другом. С помощью приводного узла 4 рамки 2 ориентируют относительно друг друга, например, фокусируя отраженный от них солнечный свет в одно пятно на Земле или на орбите в космосе.

Натяжения пленки в различных направлениях могут постоянно контролироваться и исправляться. В соответствии со свойством релаксации, возможно выправление образовавшихся на пленке складок, например, в случае, когда пленку складывают "навалом". Для этого производят нагрев этих складок или всей пленки до восстановления первоначальной плоской формы. Если подобрать пленку, складки на которой, как на ткани, выправляются (не образуются после снимания), то необходимость в рулоне 3 с пленкой может отпасть.

Имеется возможность доставленные несколькими ракетами-носителями и состыкованные вместе рамки (фиг.5) покрывать с одного рулона пленкой большой площади, поднятой на орбиту еще одной ракетой-носителем.

Более перспективны отражатели параболической формы, которые применимы и в качестве концентраторов (фиг.4). Для этого используются несколько соединенных вместе кольцевых рамок 1, 14, 15, к которым удобней (для некоторых вариантов) крепить полоски 17 зеркал из пленки, металлической фольги, причем применимы и веерообразно разворачиваемые полоски зеркального материала.

Каждая рамка за счет изменения ее диаметра позволяла бы изменять фокусное расстояние зеркала этой рамки, причем конструкция из рамок параболической формы обеспечивала бы фокусировку совокупности зеркал.

Для переходов отражателя (концентратора) на разные по высоте орбиты, по его оптической оси управляют расположенным на боковых креплениях 19 солнечным парусом 21, или несколькими парусами, как показано на фиг. 6, при этом отражатель 18 с помощью приводного шарнира 20 может быть расположен боком к потоку солнечного "ветра", чтобы не мешать работе паруса 21. Благодаря секционным жалюзи 22 (фиг.7), на отдельные части паруса солнечный "ветер" не оказывает давления, позволяя разворачивать отражатель поперек траектории полета. При неполном раскрытии всех жалюзи 22 (или из части) происходит смещение всей конструкции с парусами в сторону, а поворот парусов в их плоскости осуществим за счет вращения масс маховиков только в одну сторону. Этим достигается поворот конструкции вокруг центра масс и выбирается вариант расположения параллельных жалюзи в заданном направлении, что позволяет отражателю смещаться с помощью парусов в любых направлениях и как угодно ориентироваться в пространстве.

Свет на Землю можно направлять с орбиты, участок которой расположен с противоположной стороны от Солнца, располагать наклонно отражатель Землей и Солнцем, направлять предварительно поток света от одного зеркала к другому для сохранения ширины светового пучка и направления его под большими углами, чем с помощью одного зеркала. Размер концентратора может быть сделан большим, чем у солнечного паруса - путем стыковки нескольких концентраторов вместе. Соединенные вместе концентраторы и ответвления из них позволяют, например, окружать расплавляемый в космосе образец со всех сторон. Две и более круговых или многогранных стенок (с маховиками между отражателями 18, 21) могут ограждать рабочее помещение для орбитальных лабораторий и производств.

Отражатель, согласно изобретению, имеет гладкую поверхность, которая при ее контроле постоянно поддерживается. Рамка имеет форму, обеспечивающую, при стыковке нескольких отражателей, отсутствие существенных просветов между частями пленки. Конструкция является хорошо управляемой и обеспечивает переходы на орбиты разной высоты в режиме движения с солнечным парусом. Каждый отражатель может стыковаться в сложенном состоянии с другими отражателями, с последующим перестроением в рабочее положение всей системы, а несколько состыкованных отражателей обеспечивают направление сфокусированного света в любых направлениях.

Использование: в космической технике, а более конкретно, в области создания и эксплуатации крупногабаритных трансформируемых орбитальных отражателей. Сущность изобретения: отражатель содержит трансформируемый каркас в виде кольцевых соленоидов (КС) с установленными в них кольцевыми маховиками (КМ), выполненными из материала с термомеханической памятью формы, а также раскладных стержневых многоугольных рамок, соединяемых с КС при помощи стыковочных узлов. Зеркальная пленочная основа отражателя выполнена в виде полос, прикрепляемых к рамкам через формозадающие элементы и регуляторы натяжения пленки; указанные элементы могут быть выполнены в виде КС с КМ, несущих на себе полосы пленки и придающих отражателю сложную, например, параболическую форму. Часть полос пленки может соединяться с рамками по схеме управляемых жалюзи, при использовании поверхностей отражателя в качестве солнечного паруса. На орбите конструкция отражателя раскрывается за счет эффекта памяти формы КМ, посредством пружинных приводов и фиксаторов стержней рамок, а окончательная форма поверхности пленки и управление ориентацией отражателя осуществляются раскруткой КМ внутри КС и перераспределением суммарного кинетического момента системы между различными КМ. 3 з.п. ф-лы. 18 ил.

1. Отражатель, содержащий торообразное устройство с кольцевыми соосными соленоидами по периметру и двумя кольцевыми маховиками в указанных соленоидах, с натянутой в отверстии тора зеркальной пленочной основой, при этом маховики выполнены из материала со свойством термомеханической памяти формы для зигзагообразного складывания под обтекатель ракеты, а соленоиды снабжены стыковочными узлами, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной дополняющей до многоугольника рамкой из шарнирно складывающихся стержней с пружинами раскрытия и фиксаторами, с узлами крепления к кольцевым соленоидам и устройствами перестановки стыковочных узлов с указанных соленоидов на рамку, пленочная основа сформирована в виде нескольких полос, концы которых прикреплены к стержням рамки посредством промежуточных формозадающих жестких элементов, причем между указанными элементами и стержнями рамки установлены устройства натяжения полос. 2. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит несколько дополняющих до многоугольника рамок с периметрами различной длины, связанных друг с другом соосно оптической оси отражателя, с возможностью регулирования взаимных расстояний вдоль этой оси, а в качестве указанных формозадающих элементов использованы кольцевые соленоиды, закрепленные в промежуточных, между передней и задней, рамках, при этом полосы пленочной основы расположены вдоль образующих поверхности вращения отражателя. 3. Отражатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что пленочная основа выполнена из материала со свойством термической релаксации. 4. Отражатель по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что к кромкам полос пленочной основы прикреплен эластичный материал.