ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ Российский патент 2001 года по МПК B64G1/22 B64G4/00 

Изобретение относится к области трансформируемых конструкций и может быть использовано в тех областях народного хозяйства, где есть необходимость оперативной сборки и разборки несущей конструкции (НК). Например, в области космической техники при установке и экспонировании на поверхности космического объекта (КО) образцов технологического и научного оборудования, требующего сборки и установки в заданных местах КО несущих конструкций, снабженных посадочными местами для размещения указанных образцов.

Вместе с тем, ограниченные размеры грузовых отсеков КО для доставки элементов НК с Земли на орбиту, равно как и размеры загрузочных люков транспортных КО, требуют от НК минимальных размеров в транспортном положении, при том, что в собранном или раскрытом виде эти несущие конструкции должны представлять собой жесткие и прочные опорные системы.

Известна трансформируемая конструкция (ТК), описанная в материалах [1].

ТК содержит основание, на котором установлены барабаны, размещенные по углам треугольника, с намотанными на них упругими профилями. В состав ТК входят также поперечные рамки, связанные между собой растяжками, а также замки фиксации.

В транспортном положении рамки уложены друг на друга стопкой.

При раскрытии ТК упругие профили сматываются с барабанов, увлекая за собой поперечные рамки с растяжками. При этом в раскрытом состоянии поперечные рамки крепятся на профилях замками фиксации.

Недостатком описанной ТК является сложность конструкции при незначительной несущей способности.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению, взятой в качестве прототипа, является трансформируемая конструкция, описанная в [2]. Она содержит набор несущих элементов (стержней), шарнирно соединенных между собой по принципу пантографа.

В развернутом состоянии ТК образует трехгранную призму, каждая "грань" которой суть многозвенный пантограф. Причем "грани" ТК также соединены между собой дополнительными многозвенными пантографами.

Недостатком прототипа являются:
1. Конструкция прототипа структурно чрезвычайно сложна. Наличие большого числа подвижных (шарнирных) соединений затрудняет задачу создания жесткой (без люфтов) несущей конструкции.

2. В транспортном положении элементы ТК-прототипа располагаются на периферии конструкции, образуя уложенные в стопку, полые шестигранники. При этом центральная зона остается незанятой элементами ТК. Указанная особенность приводит к тому, что ТК-прототип занимает в транспортном положении максимально возможную (при прочих равных условиях) площадь. Это обстоятельство не позволяет рассматривать прототип как трансформируемую конструкцию, отвечающую требованиям компактности в транспортном положении.

3. В силу известных свойств пантографа (см., например, [3]) раскрытие и складывание ТК-прототипа, при достаточно большом числе звеньев шести пантографов, составляющих ТК, сопряжено с необходимостью приложения значительных усилий к несущим элементам (штангам), расположенным в основании ТК. В силу указанных причин практическое использование ТК-прототипа представляется проблематичным.

4. С позиций возможных (виртуальных) перемещений ТК-прототип, будучи многозвенным механизмом, в то же время является системой с одной степенью свободы - вдоль продольной оси ТК, при том, что прототип составлен из шести многозвенных пантографов, каждый из которых обладает своей индивидуальной степенью свободы. Причем каждый пантограф шарнирно связан с двумя ближайшими (смежными) пантографами. Такое устройство может выполнять свои функции, в том числе - складывания и раскрытия, только при условии прецизионной точности выполнения и сборки элементов устройства.

Учитывая обилие звеньев и шарниров у ТК-прототипа, добиться этого чрезвычайно трудно.

Задачей настоящего изобретения является достижение максимальной плотности упаковки трансформируемой конструкции в транспортном положении. Кроме того, задачей изобретения является обеспечение жесткости конструкции при любых комбинациях внешних нагрузок и минимальной массе.

Задачей изобретения также является достижение высокой адаптивности конструкции к посадочным местам ее установки на объекте, а также упрощение операции перевода конструкции из транспортного в рабочее положение.

Указанные задачи достигаются тем, что трансформируемая конструкция, содержащая стержни и шарнирные узлы, содержит также n стоек. При этом n = 4, 8, 12, ..., а количество стержней к = 2, 4, 6, 8,... Также введен по крайней мере один соединительный элемент. Причем каждый стержень одним концом шарнирно соединен со смежным ему соединительным элементом, а другим - также шарнирно - с другим стержнем. При этом стойки попарно с одного конца шарнирно соединены между собой по крайней мере с помощью двух шарнирных узлов с замками. Другой конец первой из i-ой пары (i = 1, 2, ..., n/2) стоек соединен с помощью шарнирного узла с замком, а другой конец второй из той же пары стоек соединен с помощью шарнирного узла с соединительным элементом. При этом замок первой стойки i-ой пары установлен подвижно на соответствующем стержне. Каждая пара стоек соединена со стержнем, а соседние стержни снабжены одностепенными шарнирными узлами и фиксаторами их горизонтального положения.

Стойки выполнены в виде плоских треугольных стержневых конструкций.

При раскрытии ТК стержни поворачиваются таким образом, что их оси образуют одну линию. В этом положении замок каждого первого из i-ой пары стоек закрепляется на своей штанге. При этом остальные замки стоек закрепляются на ответных элементах космического объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой трансформируемой конструкции в рабочем (раскрытом) положении;
- на фиг. 2 представлен вид на предлагаемую ТК в транспортном положении;
- на фиг. 3 представлен вид предлагаемой ТК в рабочем положении с установленными на ней образцами технологического и научного оборудования.

На чертежах представлены следующие позиции:
1, 2, 3, 4 - стойки;
5, 6, 7, 8, 13, 15, 17, 18 - шарнирные узлы;
9, 10, 11, 12, 14, 16 - замки;
19 - соединительный элемент;
20, 21 - стержни;
22, 23 - шарниры;
24, 25 - фиксаторы;
26, 27 - ответные элементы космического объекта.

Предлагаемая трансформируемая конструкция, фиг. 1, 2, 3, содержит жесткие треугольной формы стойки 1, 2, 3, 4. При этом с одного конца смежные стойки 1 и 2 связаны между собой посредством шарнирных узлов 5, 6, а стойки 3, 4 - посредством шарнирных узлов 7, 8. Причем ось шарнирного узла 5 установлена на корпусе замка 9, а шарнирного узла 6 - на корпусе замка 10. Ось шарнирного узла 7 установлена на корпусе замка 11, а ось шарнирного узла 8 - на корпусе замка 12.

Противоположный конец стойки 1 через шарнирный узел 13 связан с замком 14. Аналогично, противоположный конец стойки 4 через шарнирный узел 15 связан с замком 16.

Противоположные концы стоек 2 и 3 через шарнирные узлы 17, 18 связаны с соединительным элементом (СЭ) 19.

В состав ТК входят также стержни 20, 21, которые через шарниры 22, 23 соединены с СЭ 19.

В состав ТК входят также фиксаторы 24, 25.

Рассмотрим функционирование предлагаемого технического решения на примере использования трансформируемой конструкции, являющейся несущей для полезной нагрузки (например, приборов или оборудования), устанавливаемой космонавтами на КО.

В транспортном положении предлагаемая ТК имеет вид, представленный на фиг. 2. При этом фиксаторы 24, 25, а также замки 9, 10, 11, 12, 14, 16 расфиксированы. В таком виде ТК доставляется на орбиту, на поверхность космического объекта (например, орбитальной станции). Затем космонавт (астронавт), удалив транспортные держатели, перемещает замки 14, 16 вдоль стержней 20, 21 (например, взявшись за замки 14, 16, космонавт разводит руки в стороны). При этом стержни 20, 21 поворачиваются вокруг осей шарниров 22, 23 до тех пор, пока сработают фиксаторы 24, 25. При этом оси штанг 20, 21 и соединительного элемента 19 образуют прямую линию, а сами элементы 19, 20, 21 образуют несущую балку.

Затем космонавт фиксирует замки 9, 10, 11, 12 на ответных элементах 26, 27 космического объекта, а замки 14, 16 - на стержнях 20, 21.

В результате конструктивные элементы 20, 19, 21, 1, 2, 3, 4 вместе с задействованными элементами КО образуют жесткую несущую конструкцию, установленную на поверхности КО.

На балке, образованной конструктивными элементами 19, 20, 21, устанавливаются так называемые полезные нагрузки (см. фиг. 3) - образцы технологического и научного оборудования. При необходимости полезные нагрузки могут устанавливаться также на несущих элементах 1, 2, 3, 4. Изложенное позволяет утверждать следующее.

1. Предлагаемое техническое решение позволяет создать несущую конструкцию с максимально достижимой в транспортном положении плотностью упаковки - путем плотной, "в стопку", укладки конструктивных элементов.

2. В рабочем положении элементы ТК образуют систему замкнутых треугольников с шарнирным соединением смежных элементов. Как известно, это, с одной стороны, обеспечивает безусловную жесткость сформированной конструкции, а с другой - обеспечивает оптимальное нагружение самих элементов ТК - только на растяжение и сжатие - при любых комбинациях внешних нагрузок.

Указанное обстоятельство позволяет создавать ТК минимальной (при прочих равных условиях) массы.

3. Конструктивные особенности предлагаемой ТК обусловливают адаптивность ТК к возможным неточностям положения ответных элементов крепления на корпусе КО, равно как и возможность крепления на корпусе КО в широком диапазоне расстояний между указанными элементами крепления. Это позволяет, например, устанавливать (в разное время) одну и ту же ТК в различных местах КО при различных условиях крепления. При этом во всех случаях линейность составной несущей балки ТК сохраняется.

4. Использование предлагаемого технического решения позволяет заменить операцию сборки на операцию раскрытия (развертывания) ТК. Дело в том, что проведение космонавтом (астронавтом) операций сборки в условиях открытого космоса относится к числу сложных продолжительных процедур, требующих от космонавта повышенного внимания и времени, тогда как раскрытие (развертывание) ТК требует от космонавта буквально одного движения рук, чтобы привести ТК из исходного (транспортного) положения в рабочее.

Литература
1. Академия наук УССР, Институт проблем машиностроения. Изделие "Тополь". Техническое описание. Т1758.00.00.ТО, 1985 г.

2. ЕПВ (ЕР), заявка N 0136985, МПК B 64 G 9/00; H 01 Q 1/12.

3. С. Тимошенко, Д. Юнг. Инженерная механика, 1960 г. Государственное издательство машиностроительной литературы.

Изобретение относится преимущественно к космической технике и может применяться при экспонировании на поверхности космического объекта элементов технологического и научного оборудования, а также и в других областях народного хозяйства. Предлагаемая конструкция содержит стержни и шарнирные узлы. Число стержней выбрано четным, и для каждой пары стержней введены две пары стоек и по меньшей мере один соединительный элемент. Каждый стержень пары шарнирно соединен одним концом с данным элементом. Стойки, выполненные в виде плоских треугольных рам, одними концами попарно шарнирно соединены между собой и при помощи по меньшей мере двух шарнирных узлов - с замками. Другие концы первой и второй стоек пары соединены при помощи шарнирных узлов соответственно с замком и с соединительным элементом. Указанный замок установлен подвижно на соответствующем стержне, а стержни в паре снабжены фиксаторами их горизонтального положения. Изобретение обеспечивает компактность конструкции при транспортировке, повышение ее жесткости в рабочем положении и адаптируемости к устанавливаемому на ней оборудованию, а также упрощение ее эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Трансформируемая конструкция, содержащая стержни и шарнирные узлы, отличающаяся тем, что в нее введены замки, число стержней выбрано четным, и для каждого стержня введена пара стоек и по меньшей мере один соединительный элемент, с которым с помощью одностепенного шарнира соединен указанный стержень, при этом стойки одними концами попарно шарнирно соединены между собой и при помощи по меньшей мере двух шарнирных узлов - с замками, другие концы первой и второй стоек пары соединены при помощи шарнирных узлов соответственно с замком и с соединительным элементом, причем указанный замок установлен подвижно на соответствующем стержне, а стержни снабжены фиксаторами их горизонтального положения. 2. Трансформируемая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что стойки выполнены в виде плоских треугольных стержневых конструкций.