РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК G02B5/08 H01Q15/16 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, используемым для изучения космических лучей, в антеннах и т.п., выводимых на космическую орбиту в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя, затем развертываемых до больших размеров. Такие развертываемые зеркальные отражатели (РЗО) могут использоваться для изучения солнечных и галактических излучений и как важнейший элемент радиотехнических измерительно-информационных систем СВЧ-диапазона.

Известны зеркальные отражатели для СВЧ-антенн, в которых в качестве отражающей поверхности используют вырезку из параболического тела вращения [1].

Известны также зеркальные отражатели [2, 3], в которых имеются механизмы поворота составляющих зеркальных элементов, например, для концентрации солнечной энергии. Такие отражатели невозможно с помощью существующих ракет-носителей вывести на космическую орбиту, т.к. в них не предусмотрены устройства для их развертывания.

Известны развертываемые зеркальные отражатели для антенн [4], снабженные механизмом развертывания, шарнирами и фиксаторами, взятые за прототип. Рассмотренное в этой книге решение может быть использовано для создания больших РЗО диаметром до 100 м при изучении солнечных и галактических излучений и в космических антеннах. РЗО зонтичного типа используются на космических ретрансляторах типа “Молния”. РЗО зонтичного типа имеют достаточно жесткую конструкцию и наиболее устойчивы к ветровым нагрузкам. Поэтому они чаще используются для антенн подвижных и переносных радиотехнических станций. В сложенном виде они имеют размеры, приемлемые для космической техники. В РЗО зонтичного типа ячейки в виде зеркальных элементов закрепляются на рамках, образованных либо жесткими, либо складными ребрами и имеющих форму трапеции или треугольника. Рамки устанавливаются на шарнирах и снабжены фиксаторами. Поверхность зеркала выполняется из металлической сетки или металлизированной ткани. При развертывании РЗО возможны ударные нагрузки, величина которых может привести к деформациям зеркала или частичному сбою юстировки зеркальных элементов.

Такие РЗО не удовлетворяют требованиям по точности установки зеркальных поверхностей для исследования космических излучений различных энергий. Большой РЗО можно построить из зеркальных элементов относительно небольших размеров, пакет которых удобно компонуется в объемах полезной нагрузки имеющихся ракет-носителей, таких как “Союз”. Однако такие РЗО требуют настройки и юстировки в наземных условиях, затем укладки в пакет и развертывания пакета после выведения на космическую орбиту с сохранением характеристик, настроенных на Земле.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является образование отражающей поверхности, например плоской, больших размеров при обеспечении развертывания РЗО и сохранения юстировки зеркальных элементов, выполненной на Земле.

Указанный технический результат достигается тем, что в развертываемом зеркальном отражателе, содержащем отражающую поверхность из ячеек в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, в отличие от известного ячейки выполнены шестигранной формы, одинаковых размеров и примыкают к ячейке, расположенной в центре, и другим ячейкам по граням, образуя расположенные по кругу периферийные зоны с общим центром, а шарниры и механизмы развертывания расположены на одной из граней ячейки, расположенной в центре, кроме примыкающих граней первой и замыкающей периферийную зону ячеек, на гранях ячеек первой периферийной зоны, имеющих общую вершину с примыкающими гранями ячейки, расположенной в центре, и на одной из граней ячейки последующей периферийной зоны, примыкающей к замыкающей ячейке первой периферийной зоны, а также к одной из граней ячеек последующих периферийных зон, имеющих общие вершины с примыкающими гранями ячейки предшествующей периферийной зоны, фиксаторы расположены на гранях, примыкающих к граням ячейки, расположенной в центре, и к граням ячеек каждой последующей периферийной зоны, а также на гранях ячеек, замыкающих каждую последующую периферийную зону, при этом ячейка, расположенная в центре, снабжена элементами крепления развертываемого зеркального отражателя. Ячейка, расположенная в центре, и ячейки периферийных зон установлены в одной плоскости. Фиксаторы предлагается выполнить магнитными из двух установленных на примыкающих гранях ячеек частей, одна из которых имеет сферическую рабочую поверхность, а другая установлена с возможностью перемещения в плоскости развертываемого зеркального отражателя.

Существенные преимущества по точности и стабильности характеристик имеют РЗО, развертываемые в плоскости. В космическом пространстве ветровые нагрузки отсутствуют, и требования по жесткости развернутых РЗО могут быть существенно снижены. Предлагаемое решение позволит решить задачу доставки РЗО требуемых габаритов и точности в объемах полезной нагрузки имеющихся ракет-носителей, таких как “Союз”. Выполнение ячеек шестигранной формы одинаковых размеров позволит в сложенном положении пакет ячеек с зеркальными элементами доставить на орбиту вместе с космическим аппаратом и создать в космосе большие РЗО высокой эффективности, для транспортировки которых на космическую орбиту и предлагается их складывать в пакет, представляющий правильную шестигранную призму. Величина общей площади РЗО определяется числом и размерами ячеек. Число ячеек может быть семь, девятнадцать, тридцать семь и т.д. Развертывание РЗО должно происходить плавно, без ударов, с образованием замкнутых периферийных зон, расположенных в одной плоскости, что обеспечивается введением в механизмы развертывания электропривода, позволяющего устранить удары при развертывании и автоматизировать процесс развертывания РЗО. Применение магнитных фиксаторов со сферической рабочей поверхностью и установка одного из элементов фиксатора с возможностью перемещения в плоскости развертываемого зеркального отражателя повышает качество и надежность фиксации ячеек друг с другом и в целом плоскости РЗО. Развертывание зеркального отражателя в плоскости повышает надежность сохранения точности юстировки зеркальных элементов, выполненную на Земле.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 - 8, на которых изображены:

на фиг.1 - главный вид развернутого зеркального отражателя, состоящего из семи ячеек;

на фиг.2 - выносной элемент I в увеличенном масштабе;

на фиг.3 - разрез по Е-Е фиг.2;

на фиг.4 - разрез по В-В фиг.2;

на фиг.5 - разрез по Б-Б фиг.2;

на фиг.6 - разрез по Д-Д фиг.2;

на фиг.7 - схема развернутого зеркального отражателя, расположение шарниров и фиксаторов развертываемого зеркального отражателя. состоящего из девятнадцати ячеек;

на фиг.8 - вид развертываемого зеркального отражателя, состоящего из семи ячеек, в сложенном (транспортном) положении.

Развернутый зеркальный отражатель (фиг.1) содержит отражающую поверхность из ячейки 1, расположенной в центре, и ячеек 2₁...2₆, расположенных по периферии и примыкающих своими гранями в первой периферийной зоне друг к другу, к граням ячейки 1, расположенной в центре, и к граням ячеек последующей периферийной зоны и т.д. Все ячейки выполнены в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках. В предлагаемом изобретении крепление и юстировка зеркальных элементов не рассматриваются. В выемке одной из граней 3 ячейки 1 установлен механизм развертывания 4₁, в выемке грани ячейки 2₁ установлен механизм развертывания 4₂, в выемке грани ячейки 2₃ установлены механизмы развертывания 4₃ и 4₄, в выемках грани ячейки 2₅ установлены механизмы развертывания 4₅ и 4₆. Выемки в гранях 3 выполняются для обеспечения более компактной конструкции сложенных в пакет ячеек РЗО для транспортировки, а также уменьшения величины зазора между примыкающими гранями раскрытого зеркального отражателя. Между гранями ячеек 1 и 2₁, 2₁ и 2₂, 2₂ и 2₃, 2₃ и 2₄, 2₄ и 2₅, 2₅ и 2₆ установлены соответственно шарниры 5₁ и 5₂, 5₃ и 5₄, 5₅ и 5₆,_{57 и 58, 59 и 510, 511 и 512. Каждая пара шарниров образует ось соответствующего механизма развертывания. На примыкающих гранях ячеек 1 и 22, 1 и 23, 1 и 24, 1 и 25, 25 и 26 установлены соответственно фиксаторы 61, 62, 63, 64, 65 и 66.}

На фиг.2 изображена часть главного вида РЗО (выносной элемент I), где показаны секущие плоскости разрезов Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д.

На фиг.3 изображена установка механизмов развертывания 4₄ и 4₅. Механизм развертывания 4₅ включает в себя электропривод 7, закрепленный с помощью винтов 8. На выходной оси электропривода 7 закреплена шестерня 9, зацепляющаяся с зубчатым сектором 10, закрепленным на грани 3 ячейки 2₄. На другой грани ячейки 2₄ аналогично закреплен зубчатый сектор 12, зацепляющийся с шестерней 13 электропривода 14 ячейки 2₃. Вблизи электропривода 7 расположены концевые электрические выключатели и механические упоры, которые на приведенных рисунках не показаны.

На фиг.4 показана конфигурация верхней части кронштейна 15 шарнира 5₆. На грани ячейки 2₂ установлены шарниры 5₅ и 5₆ (фиг.5), первый из которых установлен на кронштейне 15, второй - на кронштейне 16. В отверстии кронштейна 15 на шарикоподшипнике 17 установлена полуось 18, на которой закреплена ответная петля 19 первого шарнира. Петля 19 закреплена также к грани зеркального элемента 2₃. Конструкция второго шарнира аналогична конструкции первого за исключением того, что подшипник 17 во втором шарнире установлен без осевого люфта, а в первом он “плавающий” для компенсации возможных тепловых деформаций ячеек. Шарниры установлены строго соосно. Общая ось - прямая, соединяющая центры полуосей 18 и 20 - параллельна как грани ячейки 2₂, так и грани ячейки 2₃. Аналогично устроены и остальные шарниры РЗО.

Фиксаторы развернутого положения РЗО выполнены магнитными. На фиг.6 показана конструкция и установка одного из возможных магнитных фиксаторов, выполненных из двух частей. Одна часть фиксатора состоит из якоря 21 со сферической рабочей поверхностью 22 и закреплена с помощью болтовых соединений и кронштейна 23 на грани ячейки 2₃. Вторая (ответная) часть фиксатора размещается на ячейке 1 и состоит из корпуса 24, в котором установлены постоянный магнит 25, магнитопроводы 26 и 27 и закреплены кольцевой гайкой 28. Корпус 24 установлен в отверстие ребра ячейки 1 с обеспечением кольцевого зазора Δ. Возможность перемещения ответной части фиксатора обеспечена с помощью прокладки 29 и крепления кольцевой гайкой 30, положение которой фиксируется контровочной гайкой 31.

Аналогично устанавливаются и остальные фиксаторы РЗО.

Разворот РЗО производиться следующим образом. От бортового компьютера или контроллера космического аппарата включается первый электропривод, расположенный между ячейками 1 и 2₁. Ячейка 1 своим основанием закреплена на корпусе космического аппарата. Поэтому относительно ячейки 1 начинает поворачиваться вокруг оси первого и второго шарниров пакет из ячеек 2₁...2₆ на угол, равный 180 угловых градусов. Когда электропривод дойдет до упора, ячейка 2₁ установится в плоскости ячейки 1, концевые контакты выключат первый электропривод и контроллер включит второй электропривод, расположенный между ячейками 2₁ и 2₂. Затем начнется разворот пакета ячеек 2₂...2₆ вокруг оси второй пары шарниров, установленных между примыкающими гранями ячеек 2₁ и 2₂, также на угол, равный 180 угловым градусам. Когда ячейка 2₂ расположится в плоскости ячейки 1, привод выключится и первый фиксатор зафиксирует ячейку 2₂ с ячейкой 1. После выполнения этой операции включится третий электропривод и начнется разворот на 180 угловых градусов относительно плоскости ячейки 1, собранных в пакет ячеек 2₃...2₆, вокруг оси второй пары шарниров, установленных между элементами 2₂...2₃. После выполнения этой операции второй фиксатор зафиксирует ячейку 2₃, с ячейкой 1 и включится четвертый электропривод, начнется разворот на 180 угловых градусов относительно плоскости ячейки 1 собранных в пакет ячеек 2₄...2₆ вокруг оси третьей пары шарниров, установленных между элементами пары 2₃...2₄. Когда ячейка 2₄ расположится в плоскости ячейки 1, привод выключится и третий фиксатор зафиксирует ячейку 2₄ с ячейкой 1. После выполнения этой операции включится пятый электропривод и начнется разворот на 180 угловых градусов относительно плоскости зеркального элемента 1 сложенных в пакет ячеек 2₅-2₆ вокруг оси второй пары шарниров, установленных между ячейками 2₄...2₅. Когда ячейка 2₅ расположится в плоскости элемента 1, привод выключится и четвертый фиксатор зафиксирует ячейку 2₅ с ячейкой 1. После выполнения этой операции включится шестой электропривод и начнется разворот на 180 угловых градусов относительно плоскости ячейки 1 ячейки 2₆ вокруг оси шестой пары шарниров, установленных между элементами 2₅ и 2₆. Когда ячейка 2₆ расположится в плоскости элемента 1, привод выключится, пятый и шестой фиксаторы зафиксируют ячейку 2₅ с зеркальным элементом 2₁. С выполнением этой операции образована замкнутая периферийная зона из ячеек 2₁...2₅, соединенная фиксаторами с центральным зеркальным элементом 1. Развертываемый зеркальный отражатель, состоящий из семи ячеек, развернут в плоскость, относительно которой на Земле зеркальные элементы юстированы. Развернутый зеркальный отражатель готов к работе.

Аналогично происходит развертывание зеркального отражателя, состоящего из девятнадцати ячеек (см. фиг.7).

В настоящее время внедрены технологии создания зеркал на основе углепластиков, сохраняющих свои характеристики в условиях открытого космоса. Рамки зеркальных элементов, изготовленные из углепластика, обладают повышенной жесткостью, стабильностью формы и размеров, уменьшенной массой.

Современная наука, техника ставят новые задачи в космосе, связанные с расширением возможностей РЗО космических лучей для околоземных и межпланетных станций. Так, в частности, создание РЗО излучений в ультрафиолетовом диапазоне площадью более 10 кв. метров космического базирования позволяет решить ряд актуальных задач фундаментальной физики: собрать статистику концентрации и регистрации космических лучей предельно высокой энергии (>10²⁰ эВ), определить возможные источники такой энергии, причины их возникновения и т.д.

Предлагаемое исполнение конструкции развертываемого зеркального отражателя обеспечивает возможность создания РЗО для изучения космических лучей непосредственно в космосе. Для выведения РЗО практически любых требуемых площадей совместно с аппаратом-спутником на космическую орбиту можно использовать существующие ракеты-носители типа “Союз”.

Необходимо также отметить, что сборка таких РЗО производится из унифицированных ячеек, а юстировка их зеркальных элементов производится в земных условиях. Юстировки после развертывания зеркального отражателя в космосе не требуется.

Литература

1. Большая советская энциклопедия, т.2, 1970, ст. 175, рис. 15.

2.Пaтeнт PФ №2153132, MПK⁷ F 24 J 2/10, 1998.

3. Патент РФ №2183002, МПК⁷ G 01 V 8/14, 2002.

4. М.В.Гряник, В.И.Ломан. “Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа”. М.: Радио и связь, 1987, с. 7-12 - прототип.

5. Патент РФ №2147758, МПК⁷ F 24 J 2/10, 1998.

6. Белоперковский Г.Б. Антенны. М.: Оборонгиз, 1962, с. 355, рис.9.26.

Изобретение относится к устройствам, используемым для изучения космических лучей, в антеннах и т.п., выводимых на космическую орбиту в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя, затем развертываемых до больших размеров. Техническим результатом является образование отражающей поверхности больших размеров и сохранение юстировки зеркальных элементов, выполненной на Земле. Указанный технический результат достигается тем, что в развертываемом зеркальном отражателе, содержащем отражающую поверхность из ячеек в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, ячейки выполнены шестигранной формы одинаковых размеров и примыкают к ячейке, расположенной в центре, и другим ячейкам по граням, образуя расположенные по кругу периферийные зоны с общим центром. На определенных примыкающих гранях ячеек расположены шарниры, механизмы развертывания и фиксаторы. Ячейка, расположенная в центре, снабжена элементами крепления развертываемого зеркального отражателя. Ячейка, расположенная в центре, и ячейки периферийных зон установлены в одной плоскости. Фиксаторы предлагается выполнить магнитными из двух установленных на примыкающих гранях ячеек частей, одна из которых имеет сферическую рабочую поверхностью, а другая установлена с возможностью перемещения в плоскости развертываемого зеркального отражателя. 3 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Развертываемый зеркальный отражатель, содержащий отражающую поверхность из ячеек в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, отличающийся тем, что ячейки выполнены шестигранной формы одинаковых размеров и примыкают друг к другу по граням, образуя расположенные по кругу периферийные зоны с общим центром, при этом ячейки в первой периферийной зоне примыкают к граням ячейки, расположенной в центре, а шарниры и механизмы развертывания расположены на одной из граней ячейки, расположенной в центре, на гранях ячеек первой периферийной зоны, имеющих общую вершину с примыкающими гранями ячейки, расположенной в центре, кроме примыкающих граней первой и замыкающей первую периферийную зону ячеек, на примыкающих гранях первой ячейки последующей периферийной зоны, и замыкающей ячейке первой периферийной зоны, а также на примыкающих гранях ячеек в каждой последующей периферийной зоне, кроме примыкающих граней первой и замыкающей каждую периферийную зону ячеек, фиксаторы расположены на гранях, примыкающих к граням ячейки, расположенной в центре, кроме грани, на которой расположены шарнир и механизм развертывания, а также к граням ячеек последующей периферийной зоны, кроме граней, на которых расположены шарниры и механизмы развертывания, при этом ячейка, расположенная в центре, снабжена элементами крепления развертываемого зеркального отражателя.2. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что ячейка, расположенная в центре, и ячейки периферийных зон установлены в одной плоскости.3. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что фиксаторы выполнены магнитными из двух установленных на примыкающих гранях ячеек частей, одна из которых имеет сферическую рабочую поверхность, а другая установлена с возможностью перемещения в плоскости развертываемого зеркального отражателя.