ФЕРМЕННАЯ ПРИВОДНАЯ КОНСТРУКЦИЯ Российский патент 1998 года по МПК B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике, в частности к строительству в космосе крупногабаритных сооружений, монтируемых из ферменных конструкций.

Известны разработки ферменных конструкций развертываемого и собираемого типа. В настоящее время накоплен некоторый практический опыт в сооружении ферменных крупногабаритных конструкций в условиях космического пространства.

Известна крупногабаритная ферменная конструкция собираемого типа, которая была смонтирована на наружной поверхности модуля "Квант" орбитальной станции "МИР" в июле 1991 года во время проведения космического эксперимента "Софора". Сборка фермы, состоящей из стержневых элементов, проводилась вручную двумя космонавтами А. Арцебарским и С. Крикалевым [1] На сооружение фермы длиной 1,5 м потребовалось 4 выхода космонавтов в космос с общим временем 28 ч. Время фактическое оказалось больше, чем планируемое. Эксперимент показал, что ручная сборка имеет существенный недостаток: процесс сборки трудоемок и требует довольно больших физических усилий космонавтов, из чего был сделан вывод, что ручная сборка крупных сооружений потребует длительных экспедиций и больших эргонометрических затрат.

Известная приводная ферменная конструкция развертываемого типа представлена конструкцией, испытанной при проведении эксперимента "Рапана" в сентябре 1993 года [2] Конструкция пятиметровой фермы развертывалась проволочным приводом из материала с эффектом памяти формы, смонтированном на стержневых диагоналях. Ручными операциями в эксперименте являлись: подготовительные действия внутри обитаемого отсека, вынос транспортной упаковки конструкции на поверхность отсека, соединение электрокабелей с пультом управления приводом. Развертывание осуществлялось путем нагрева проволочных приводов. Время непосредственного развертывания фермы составило 5 мин, общее время, включающее подготовительные действия, 2 ч.

Общим для всех развертываемых конструкций недостатком является то, что невозможно использовать такие ферменные конструкции при их неполном раскрытии. Нельзя также в произвольном порядке производить наращивание ферм дополнительными секциями и монтировать дополнительные модули в разных направлениях.

В настоящее время в космической технике перспективными являются ферменные конструкции так называемого "гибридного" типа, которые сбираются из развертываемых модулей, доставляемых на орбиту в виде транспортных упаковок.

Ферменные сооружения "гибридного" типа предполагается использовать на международной космической станции "Альфа", создаваемой по российско-американскому проекту.

Основным моментом проектирования конструкции "гибридного" типа является создание приводной развертываемой конструкции, которую можно будет легко разворачивать и собирать в условиях космического пространства.

Наиболее близким аналогом изобретения является ферменная проводная конструкция [3] которая может использоваться для космического строительства, так как легко приспосабливается к условиям ручной сборки с помощью несложных приводных устройств и имеет довольно высокий коэффициент складываемости.

Развертываемая приводная ферменная конструкция собирается из модулей, каждый из которых образован двумя призматическими ячейками треугольного сечения, собранными из продольных, поперечных и диагональных элементов, выполненных в виде стержней. Продольные и поперечные стержни шарнирно связаны между собой. Диагональные стержни в смежных ячейках модуля установлены разнонаправленно. Причем расходящиеся концы диагоналей шарнирно связаны с вершинами модуля, а сходящиеся концы диагоналей шарнирно соединены с ползуном. На общих (средних) для двух ячеек каждого модуля поперечных стержнях имеется добавочный поперечный стержень, являющийся направляющим элементом, по которому в возвратно-поступательном направлении перемещается ползун.

Развертывание каждого модуля из сложенного положения в рабочее осуществляется приводом, исполнительные части которого взаимодействуют с ползуном через элементы связи. В результате диагонали, поворачиваясь в шарнирах ползуна при его перемещении вдоль направляющего элемента, передают угловое движение продольным и поперечным стержнем, разворачивая модуль в вертикальное положение.

К недостаткам конструкции относится то, что с введением направляющих и ползунов ферменная конструкция становится более сложной и менее технологичной, так как дополнительные детали требуют своего местоположения в конструкции и новых связей, что усложняет и утяжеляет конструкцию, а также накладывает ограничения на плотность укладки конструкции в сложенном состоянии.

Кроме того, одновременное вращательное движение стержней в шарнирах и поступательное движение ползуна при развертывании может вызвать заклинивание в поступательно движущихся парах "ползун направляющий элемент". Это связано с тем, что люфты в подвижных узлах, даже самой незначительной величины, при пространственном перемещении стержней конструкции вызывают некоторое искажение геометрической формы. В нормальных земных условиях этими искажениями можно пренебречь. Но в условиях космического полета, когда ферма подвержена динамическим воздействиям со стороны работающего двигателя, а также температурным перепадам, вероятность заклинивания в подвижных парах становится очень высока.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание фермы, в которой диагонали имели бы меньшее число шарнирных связей с продольно-поперечным набором элементов фермы, и в которой элементы связи с приводами развертывания были бы выполнены таким образом, чтобы обеспечить развертывание фермы практически без явлений заклинивания конструкции и решить задачу обеспечения максимальной плотности транспортной укладки конструкции и ее облегчения.

Указанный технический результат достигается тем, что в ферменную приводную конструкцию, состоящую из модулей, каждый из которых образован двумя призматическими ячейками, содержащими продольные и поперечные элементы, шарнирно связанные между собой, диагональные элементы связи с исполнительными частями привода, при этом диагонали в смежных ячейках расположены разнонаправленно, их расходящиеся концы шарнирно связаны с вершинами модулей, а сходящиеся концы объединены шарнирным соединением, введены промежуточные звенья, каждое из которых связано с шарнирным соединением сходящихся концов диагоналей, а элементы связи с исполнительными частями привода имеют вид посадочных гнезд, выполненных на промежуточных звеньях и на общих для двух ячеек каждого модуля поперечных элементов в зонах их шарнирной связи с продольными элементами, причем посадочные гнезда на введенных промежуточных звеньях через ответные элементы взаимодействуют с поступательно перемещающимися частями привода, а посадочные гнезда на общих поперечных элементах взаимодействуют через ответные элементы с неподвижными частями привода.

На фиг. 1 показан общий вид ферменной приводной конструкции; на фиг. 2, 3 вид спереди и сбоку на один модуль ферменной конструкции (изображение выносного элемента I); на фиг. 4 транспортная укладка ферменной конструкции; на фиг. 5 вид на сложенное положение одной пары диагоналей (изображение выносного элемента II); на фиг. 6, 7 вид сверху и сбоку на транспортную упаковку с условным изображением привода, развертывающего конструкцию; на фиг. 8 модифицированное исполнение ферменной конструкции и варианты ее возможного трансформирования в пространстве.

Изобретение поясняется на примере ферменной приводной конструкции прямоугольного сечения (фиг. 1).

Ферма собрана из четырех модулей (фиг. 1, 2, 3), каждый из которых образован двумя призматическими ячейками 1 и 2, имеющими форму параллелепипеда. Ячейки состоят из продольных стержней 2, поперечных стержней 4 и диагональных стержней 5. Поперечные стержни 4 жестко скреплены между собой фитингами 6, образуя жесткие рамы. Продольные и поперечные стержни 3 и 4 соединены между собой шарнирно с помощью осей вращения 7. В каждом модуле (фиг. 1, 2, 3) диагональные стержни 5 установлены разнонаправленно, причем расходящиеся концы пары диагоналей 5 связаны шарнирами 8 с вершинами модуля, а сходящиеся концы диагоналей 5 расположены на введенном промежуточном звене, выполненным, например, в виде трапециевидной планки 9 (фиг. 5).

Особенностью конструкции является то, что трапециевидная планка 9 служит только для соединения диагональных стержней 5 и не имеет связи ни с продольными стержнями 3, ни с поперечными стержнями 4, что выражено установочным зазором Δ (фиг. 4, 6, 7) между трапециевидной планкой 9 и продольно-поперечным набором стержней конструкции. Соединение диагоналей 5 с трапециевидной планкой 9 производится с помощью шарниров 10, которые выполнены в зоне большего основания трапециевидной планки 9.

В сложенном состоянии (фиг. 4, 5) диагонали 5 располагаются параллельно друг другу. На трапециевидной планке 9 в зоне меньшего основания на той части, которая выступает по другую сторону от сложенных диагоналей 5 (фиг. 5), выполнены элементы связи с исполнительными частями привода 11, представляющие собой два посадочных гнезда 12 и 13 круглой и овальной формы.

На общих для двух ячеек каждого модуля поперечных элементов 4 (фиг. 2, 3, 5) также имеются элементы связи с исполнительными частями привода 11, выполненные на фитингах 6 в виде посадочных гнезд 1. При этом посадочные гнезда 12 и 13 на трапециевидной планке 9 выполнены по оси, ориентированной в поперечном направлении конструкции, а посадочные гнезда 14 на фитинге 6 расположены по оси, ориентированной вдоль продольных стержней, т.е. оси расположения посадочных гнезд на планке 9 и фитинге 6 перпендикулярны друг другу.

Посадочные гнезда 12, 13, 14 через ответные элементы взаимодействуют с соответствующими частями привода 11. Ответные элементы могут быть принадлежностью ферменной конструкции или могут быть исполнены на приводе 11.

На фиг. 6 и 7 изображена схема взаимодействия посадочных гнезд и ответных элементов, которые выполнены на приводе 11 в виде штырей 15 и 16. Штыри 15 связаны с поступательно перемещающимися исполнительными частями привода 11, которые на изображенном примере (фиг. 6, 7) выполнены в виде гильзы 17, перемещающейся по корпусу привода 11. Штыри 16 связаны с неподвижными частями привода 11, которые на изображенном примере выполнены в виде рукоятки 18, жестко связанной с приводом 11. Один из штырей 16 снабжен шариковым замком (не показан), механизм действия которого смонтирован в рукоятке 18.

Работа по развертыванию приводной ферменной конструкции производится двумя космонавтами в следующем порядке.

Транспортная укладка ферменной конструкции вносится на поверхность станции, закрепляется переходником 19 на соответствующей рабочей площадке, и космонавты приступают к процессу развертывания фермы.

Сначала расфиксируется транспортная укладка конструкции. Затем каждый космонавт с обеих сторон первого (верхнего) модуля подстыковывает свой привод 11, чего штыри 15 и 16 заводятся в соответствующие посадочные гнезда 12 и 13 трапециевидной планки 9 и в посадочные гнезда 14 фитингов 6. Шариковый замок одного штыря 16 фиксирует положение привода 11 на ферменной конструкции. В таком состоянии привод 11 приобретает устойчивое положение относительно продольно-поперечного набора стержней фермы.

После установки приводов 11 каждый космонавт передвигает гильзу 17 вдоль корпуса привода 11, сообщая поступательное движение промежуточному элементу
трапециевидной планке 9. Диагональные стержни 5, проворачиваясь в шарнирах 8 и 10, начинают раздвигаться, приводя в движение продольные стержни 3 ферменной конструкции, которые, в свою очередь, поворачиваясь в осях вращения 7, связывающих продольные стержни 3 и поперечные стержни 4, развертывают конструкцию. При этом фиксированное положение привода 11 позволяет планке 9 совершать поступательное движение независимо от угловых пространственных перемещений продольных стержней 3 и диагоналей 5 в шарнирных узлах и сохранять зазор D между диагоналями 5 и продольно-поперечным набором стержней фермы. Такое независимое движение трапециевидной планки 9 относительно продольных стержней 3 и диагоналей 5 практически исключают явления заклинивания в подвижных узлах конструкции.

По завершению развертывания модуля трапециевидная планка 9 занимает положение, при котором гнездо 12 располагается над отверстием 20, выполненным на фитинге 6, общих поперечных стержней 4. Космонавты снимают, каждый, свой привод 11 и фиксируют положение планки 9 относительно общих поперечных стержней 4 фиксатором 21, устанавливая его в совмещенные гнездо 12 и отверстие 20.

Аналогичным образом раскрывается каждый следующий модуль. При таком движении элементов ферменной конструкции практически исключено явление заклинивая. Трапециевидная планка 9, перемещаемая приводом 11 и не связанная с продольными и поперечными стержнями 3 и 4 модуля, свободно совершает поступательное движение в пространстве, позволяя диагоналям 5 поворачиваться в шарнирах 10. Жесткая связь штырей 16 с посадочными гнездами 14, обеспечиваемая шариковым замком в одном из штырей 18, позволяет выдерживать зазор между диагоналями и продольно-поперечными набором стержней ферменной конструкции, тем самым организуя устойчивое положение трапециевидной планке 9 в одном направлении.

Следует отметить важный фактор ввиду отсутствия конструктивной связи трапециевидной планки 9 с продольно-поперечным набором стержней фермы, от космонавтов не требуется строгой согласованности в действиях с приводом, что значительно облегчает их работу, вариант ферменной конструкции позволяет осуществить процесс развертывания даже одному космонавту.

Ферменная конструкция может доставляться на борт станции в виде транспортных упаковок каждого модуля или нескольких модулей. В этом случае в ферменной конструкции предусматриваются узлы жесткого соединения развернутых модулей между собой, выполненные, например, в виде механических замков или обжимающих муфт из материала с эффектом памяти формы.

Ферменная приводная конструкция прошла успешные испытания по отработке технологии монтажа и развертывания в условиях, имитирующих космическое пространство, а именно в условиях гидроневесомости.

Конструкция приводного механизма может иметь самые разнообразные варианты исполнения, поскольку связь ферменной конструкции с приводом организована очень просто через посадочные гнезда.

Предложенное исполнение элементов ферменной конструкции позволяет смонтировать ферму сколь угодно большой длины, наращивая ее развертываемыми модулями. Кроме того, открываются широкие возможности в создании сооружений различной пространственной конфигурации, так как модули легко монтировать между собой в различных направлениях. Причем преобразование конструкции ее "доращивание" или разборка возможно производить последовательно, доставляя необходимые модули или возвращая их разными экспедициями.

Преимуществом предлагаемого технического решения является достижение максимальной плотности укладки. Так как конструкция содержит подвижные узлы одного вида шарниры, плотность укладки будет ограничиваться только их конструктивными исполнением. В приведенном примере исполнения конструкция четыре диагонали каждого модуля имеют только четыре точки шарнирной связи с продольно-поперечными стержнями фермы (в не восемь, как это было бы, если четырехгранную форму исполнять по схеме прототипа: с двумя направляющими и ползунами), что позволяет очень просто организовать из разъем и соединение. В связи с таким исполнением диагонали проще доставлять на борт станции отдельной укладкой. Каркас модуля (без диагоналей) в этом случае будет складываться с еще большей плотностью. Диагонали в этом случае будут соединяться с каркасом модуля внутри обитаемого отсека. Смонтированные с диагоналями модули нужно будет складывать лишь для выноса наружу станции, что снимает строгие требования к плотности укладки.

Кроме того, благодаря "развязанному" положению диагоналей ферменная конструкция может легко преобразовываться. Например, если удалить общие поперечные стержни 4 в каждом модуле, то это позволит придавать ферменной конструкции иную пространственную форму, путем "подлома" продольных стержней модуля в шарнирных узлах (фиг. 8), освобожденных от связи с общими поперечными стержнями 4. При этом появляется возможность смещать положение верхних модулей относительно стационарно закрепленного на рабочей площадке нижнего модуля на величину, равную высоте h отдельного модуля. Кроме того, конструкция модулей без общих диафрагм позволяет увеличить объем внутреннего пространства фермы, уменьшить вес и упростить конструкцию.

Использование: в космической технике, в строительстве крупногабаритных орбитальных сооружений из ферменных конструкций. Сущность изобретения: конструкция состоит из модулей, каждый из которых образован двумя призматическими ячейками, содержащими продольные, поперечные и диагональные элементы, а также элементы связи с исполнительными частями привода; диагонали в смежных ячейках расположены разнонаправленно, их расходящиеся концы шарнирно связаны с вершинами модулей, а сходящиеся концы объединены шарнирным соединением. При этом элементы связи с приводами выполнены на промежуточных звеньях и на поперечных элементах, что обеспечивает развертывание фермы практически без заклинивания и дает максимальную плотность ее транспортной укладки. Введение в каждый модуль промежуточного звена для шарнирной связи сходящихся концов диагоналей, не связанного с продольно-поперечным набором, обеспечивает меньшее число шарнирных узлов ферменной конструкции. 8 ил.

Ферменная приводная конструкция, состоящая из модулей, каждый из которых образован двумя призматическими ячейками, содержащими продольные и поперечные элементы, шарнирно связанные между собой, диагональные элементы и элементы связи с исполнительными частями привода, при этом диагонали в смежных ячейках расположены разнонаправленно, их расходящиеся концы шарнирно связаны с вершинами модулей, а сходящиеся концы объединены шарнирным соединением, отличающаяся тем, что в нее введены промежуточные звенья, каждое из которых связано с шарнирным соединением сходящихся концов диагоналей, а элементы связи с исполнительными частями привода имеют вид посадочных гнезд, выполненных на промежуточных звеньях и на общих для двух ячеек каждого модуля поперечных элементах в зонах их шарнирной связи с продольными элементами, причем посадочные гнезда на введенных промежуточных звеньях через ответные элементы взаимодействуют с поступательно перемещающимися исполнительными частями привода, а посадочные гнезда на общих поперечных элементах взаимодействуют через ответные элементы с неподвижными исполнительными частями привода.