РАЗВЕРТЫВАЕМАЯ КОЛЬЦЕОБРАЗНАЯ КОНСТРУКЦИЯ Российский патент 1998 года по МПК B64G1/10 H01Q15/16 

Изобретение относится к трансформируемым, преимущественно крупногабаритным космическим конструкциям, которые могут применяться при развертывании орбитальных антенн, отражателей электромагнитных излучений и иных объектов, доставляемых к местам функционирования в компактном состоянии.

Известны разнообразные типы развертываемых кольцеобразных конструкций (РКК), используемых по вышеупомянутому назначению. В частности, известна РКК центробежного типа, содержащая гибкий (кабельно-тросовый) несущий каркас и связанную с ним тонкопленочную поверхность отражателя; РКК формируется путем закрутки вокруг некоторой оси и управляемого роспуска каркаса и элементов тонкопленочной поверхности (см. С.Ю.Зайцев, В.А.Кошелев и др. Свет из космоса//"Наука в России", 1994, N 2).

Как показывают теоретические исследования и практический опыт (по результатам отечественного космического эксперимента "Знамя"), РКК данного типа могут иметь габариты (диаметр) от 20 м до нескольких сотен метров. Однако недостатком таких РКК является необходимость их постоянного вращения и трудность обеспечения удовлетворительного качества развернутой пленочной поверхности.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения служит РКК, преимущественно космического назначения, содержащая выдвижные трансформируемые стержневые элементы, направляющие средства и формируемый с помощью указанных элементов и средств гибкий структурный элемент (см. Патент США N 3 582020; B 64 G 1/10; 1971). В качестве стержневых элементов использованы так называемые выдвижные упруготрансформируемые элементы (ВУТЭ), изготовленные из предварительно напряженных пружинящих лент, наматываемых на катушки и принимающих при освобождении трубчатую форму. В качестве гибкого структурного элемента (ГСЭ) выступает трос, несущий полезную нагрузку (спутниковый модуль).

Недостатками известной РКК являются ограниченные возможности ГСЭ как несущего и/или функционального элемента каркаса, а также трудность обеспечения строго круговой формы осей ВУТЭ значительной длины, согласно принятой структурно-силовой схеме данной РКК.

Техническим результатом изобретения является создание РКК стационарного типа, свободной от указанных недостатков и применимой как в качестве несущего каркаса (например, для пленочного отражателя), так и активного элемента (например, спирально-кольцевой антенны) - с типичными размерами до нескольких десятков метров.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной развертываемой кольцевой конструкции гибкий структурный элемент выполнен в виде упруго разворачивающейся спирали, указанные стержневые элементы в выдвинутом состоянии расположены радиально, а указанные направляющие средства установлены на трансформируемых стержневых элементах и выполнены в виде ограничителей радиальных смещений витков спирали.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемой РКК указанные стержневые элементы снабжены приводами трансформации и выдвижения, установленными вблизи центра радиального расхождения данных элементов, внутренний конец указанной спирали связан с узлом вращения, размещенным в указанном центре радиального расхождения стержневых элементов, а указанные приводы трансформации и выдвижения и узел вращения кинематически синхронизированы друг с другом.

При этом, в предпочтительном частном варианте реализации РКК гибкий структурный элемент выполнен из стальной упругой полосы, а направляющие средства в виде закрепленных на указанных стержневых элементах держателей с роликами, через которые свободно пропущена указанная полоса, снабженная на внешнем конце стопором протяжки через ролики.

С целью увеличения диаметра РКК и управления геометрией ГСЭ внутренний конец указанной спирали связан с узлом вращения посредством выдвижного элемента, снабженного управляемым приводом выдвижения в радиальном направлении при его совместном вращении с указанным узлом.

В данной модификации РКК возможно исполнение, при котором указанный привод выдвижения кинематически синхронизирован с указанным узлом вращения и снабжен средством настройки данной синхронизации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны: на фиг.1 - вид предлагаемой РКК в плане; на фиг.2 - разрез А-А РКК по фиг.1; на фиг.3 - вариант РКК с выдвижным элементом узла вращения; на фиг.4 - развернутая РКК с частично выпущенным выдвижным элементом узла вращения; на фиг.5 - то же при полном выпуске выдвижного элемента.

РКК согласно изобретению в предпочтительном варианте ее реализации, содержит ГСЭ в виде стальной упругой (пружинной) полосы 1, свернутой в спираль, стержневые элементы типа ВУТЭ 2, наматываемые на барабаны 3, приводимые во вращение от вала 4, связанного, например, с электродвигателем (не показан), и направляющие средства в виде державок 5 с роликами 6, через которые свободно пропущена полоса 1 (фиг.1).

Синхронность вращения барабанов 3 обеспечивается, например, коническими зубчатыми передачами 7. Механизм выдвижения и трансформации ВУТЭ 2 выполнен известным образом, включая в себя, например, установленные на корпусе (основании) 8 ограничительные подшипники 9 (фиг.2).

Узел вращения содержит валик (стакан) 10, установленный на корпусе 8 с возможностью осевого вращения и кинематически связанный, например, через редуктор (не показан) с валом 4 или одной из осей барабанов 3. Внутренний конец спирали 1, в данном варианте РКК, закреплен на валике 10, а внешний ее конец имеет стопор полосы 1 через ролики 6 соответствующей державки 5 (фиг. 1). Возможно и простое закрепление конца 11 на державке.

В более частом варианте исполнения внутренний конец спирали 1 связан с валиком 10 узла вращения через выдвижной элемент 12, установленный на валике 10. Этот элемент может быть выполнен аналогично выдвижным стержням 2 - т.е. в виде ВУТЭ с приводом 13 трансформации и выдвижения, закрепленным на валике (внутри стакана) 10. Данный привод 13 (фиг.3) может быть независимым, либо представлять собой механизм (редуктор) кинематической связи, например, с корпусом 8, относительно которого вращается валик (стакан) 10. В частности, на корпусе 8 может быть закреплен зубчатый венец, коаксиальный валику 10, а входное звено упомянутого редуктора может иметь шестерню-сателлит, взаимодействующую с указанным венцом; при этом выходное звено редуктора будет представлять собой вал привода 13 (данный пример исполнения механизма, как вполне понятый специалисту, на чертеже не показан).

Привод 13 трансформации и выдвижения элемента 12 управляется по независимому каналу, либо вышеупомянутый редуктор имеет блок настройки передаточного отношения.

РКК согласно изобретению работает следующим образом.

В исходном положении, например, при доставке РКК но околоземную орбиту, спираль 1 сжата до минимального диаметра (фиг.2) и удерживается в этом состоянии держателями 5 на концах невыпущенных ВУТЭ 2.

Развертывание конструкции производится вращением барабанов 3 от приводного вала 4 и синхронным поворотом вала 10 при посредстве соответствующего редуктора (не показан). В процессе выдвижения ВУТЭ 2 спираль 1 разворачивается благодаря собственной упругости, увеличивая диаметры витков. Ограничительные ролики 6 держателей 5 стабилизируют процесс формирования рабочей конфигурации спирали 1' с максимальным диаметром внешнего кругового витка (фиг. 1). Синхронный поворот валика 10 (в примере по фиг.1 - против часовой стрелки) обеспечивает свободно-упругий роспуск спирали, без появления крутящего усилия, вызывающего изгиб ВУТЭ 2.

Сформированный вследствие развертывания спирально-круговой каркас РКК может быть использован в качестве несущего для некоторого сооружения, например - экрана или отражателя света. В этом случае на каркас натягивается пленка (пленка может быть заранее, например посекторно, прикреплена к участкам ВУТЭ 2 по схеме "штор с кольцами" и сложена с образованием системы поперечных и радиальных складок), либо укладываются тонкие панели (могут быть предусмотрены дополнительные элементы, например, "паутинка" нитей или проволок между ВУТЭ 2) и т.д. На каркасе РКК могут устанавливаться и панели солнечных батарей (в том числе - пленочные).

Наряду, или одновременно, с этим ГСЭ в виде развернутой спирали 1' (фиг. 1) может применяться в качестве антенны. В этом случае на упругую полосу 1 должно быть нанесено электропроводное покрытие, либо на этой полосе следует выполнить, как на основе, некоторую проводящую структуру более сложного вида: с распределенными приемниками/излучателями и т.п. Подобным же образом в качестве антенн могут применяться и ВУТЭ 2.

Как видно из описанного примера реализации РКК (фиг.1, 2), после ее развертывания остается спиральный участок (виток), который, во-первых, не позволяет использовать всю длину упругой полосы 1 для создания чисто кольцевой конструкции - существенно большего диаметра, а во-вторых, "провисает" и не дает ощутимого вклада в жесткость рабочей формы РКК (скорее, способствуя появлению нежелательных возмущений колебательного характера). Кроме того, ограничено управление геометрией ГСЭ (в части, при желании иметь перенастраиваемую антенну).

В этой связи, предлагаемая модификация РКК, свободная от отмеченного недостатка (фиг.3-5), имеет следующие особенности функционирования.

Внутренний конец спирали 1 в процессе развертывания РКК с помощью выдвижного элемента 12 отводится от центра каркаса на значительное расстояние, позволяющее уменьшить относительную длину "остаточного" витка (фиг.4), либо вовсе практически исключить его (фиг.5), увеличив тем самым диаметр кольцевой конструкции. При этом могут быть сформированы РКК различного диаметра и с различным соотношением кольцевого и спирального участков ГСЭ.

Синхронизация выдвижения элемента 12 с его вращением (вместе с валиком, или сканом 10), вообще говоря, требует специального управления - так, чтобы в любой из реализуемых конфигураций ГСЭ 1" исключить изгибающее действие упругой спирали на ВУТЭ 2 и 12. Такое управление можно осуществить независимым приводом выдвижения 13, либо путем поднастройки вышеупомянутого редуктора, связывающего вал привода 13 с корпусом 8 (не показан).

Следует отметить, что в данной модификации РКК механизм синхронизации вращения барабанов 3 (фиг.1) и валика (стакана) 10 - также может быть выполнен с переменным или регулируемым передаточным отношением.

Все регулирования (поднастройки) могут осуществляться оператором и/или задаваться программно, при возможности использовании следящей системы (например, с датчиками изгиба ВУТЭ) - методами, известными из уровня техники.

Анализ известных аналогов изобретения позволяет заключить о соответствии данного изобретения критерию новизны. Отдельные конструктивные решения, известные из уровня техники, в предлагаемой совокупности существенных признаков дают неочевидный результат, свидетельствующий о наличии изобретательского уровня предложения. Промышленная применимость изобретения доказывается вышеприведенными примерами его конкретной реализации - на базе существующих технических средств и технологий.

Используется преимущественно для крупногабаритных космических конструкций, используемых в качестве антенн, отражателей электромагнитных излучений и других объектов, транспортируемых в компактном состоянии. Конструкция содержит выдвижные, радиально ориентируемые стержни с закрепленными на их концах держателями, снабженными направляющими роликами, через которые пропущена упруго разворачивающая стальная полоса в форме спирали. Внутренний конец спирали связан с центральным узлом вращения через выдвижной элемент. Приводы узла вращения и выдвижения внутреннего конца спирали синхронизированы с приводом выдвижения радиальных стержней. В результате увеличивается несущая способность каркаса. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Развертываемая кольцеобразная конструкция для формирования несущего каркаса, содержащая трансформируемые стержневые элементы, которые в выдвинутом состоянии расположены радиально, упруго разворачивающуюся спиральную ленту, направляющие средства, выполненные в виде ограничителей радиальных смещений витков спиральной ленты, приводы трансформации и выдвижения стержневых элементов, узел вращения спиральной ленты, размещенный в центре радиального расхождения стержневых элементов, при этом внутренний конец указанной спиральной ленты связан с узлом ее вращения, отличающаяся тем, что внутренний конец спиральной ленты связан с узлом вращения посредством выдвижного элемента, вращающегося совместно с указанным узлом и снабженного управляемым приводом выдвижения в радиальном направлении. 2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что приводы трансформации и выдвижения стержневых элементов установлены вблизи центра расхождения и кинематически синхронизированы друг с другом. 3. Конструкция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанная упруго разворачивающаяся спиральная лента выполнена из стальной упругой полосы, а ограничители радиальных смещений витков спирали - в виде закрепленной на указанных стержневых элементах держателей с роликами, через которые свободно пропущена указанная полоса, снабженная на внешнем конце стопором протяжки ее через ролики. 4. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что привод выдвижения внутреннего конца спиральной ленты кинематически синхронизирован с узлом вращения и снабжен средством настройки данной синхронизации.