РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ КРУПНОГАБАРИТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОР Российский патент 2005 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение относится к космической технике, к развертываемым крупногабаритным космическим конструкциям, в частности, может быть использовано для рефлекторов космических антенн, выполненных, например, на основе крупногабаритных стержневых конструкций.

Известна складывающаяся конструкция рефлектора "зонтичного типа", например патент США №2945234 от 12.07.1960 года, в которой к средней части рефлектора крепятся профилированные ребра. Параллелограммный механизм позволяет складывать ребра поворотом к оси рефлектора антенны. К профилированной кромке ребер крепится поддерживающая сетка, на которую монтируется радиоотражающий элемент антенны. Достигаемая точность формы обеспечивается количеством ребер.

Существенным недостатком конструкции является ограничение размеров рефлектора в раскрытом состоянии. Для крупногабаритных конструкций, например, раскрываемых на орбите антенн это техническое решение неприемлемо, так как в транспортном положении они требуют наличия головных обтекателей с чрезмерно большими зонами полезного груза. Это приводит к росту размеров головных обтекателей и, следовательно, массы и нагрузок на ракету-носитель и к ужесточению требований к системе управления ракеты-носителя, кроме того, точность воспроизведения формы отражающей поверхности у этих конструкций уменьшается к периферии.

Известно также техническое решение конструкции раскрываемых рефлекторов, например, по патенту США №3286259 от 30.04.1964 года, где к жесткой профилированной средней части рефлектора шарнирно по периферии закреплены складываемые силовые элементы конструкции. Шарнир позволяет элементу вращаться в плоскости, перпендикулярной оси рефлектора, обеспечивая складывание. Силовой элемент изогнут так, что при складывании он укладывается на боковую поверхность средней части рефлектора рядом с предыдущим аналогичным элементом. При этом в раскрытом состоянии они вместе образуют профилированную поверхность, дополняя профилированную среднюю часть рефлектора. К силовым элементам крепится радиоотражающий элемент антенны, который натягивается при раскрытии рефлектора.

В техническом решении по патенту США №5446474 от 29.08.1995 года предлагается конструкция рефлектора "зонтичного" типа. К средней части рефлектора, выполненного в виде катушки, на шарнирах, установленных под набольшим углом к оси рефлектора, крепятся профилированные со стороны рабочей части радиальные ребра. Ребра изготовлены из пружинящего материала. На профилированную часть ребер крепится сетка с радиоотражающим элементом антенны. Поворотом вокруг оси шарнира и изгибом ребра в транспортном положении наматываются на среднюю часть. Достигаемая точность формы обеспечивается количеством ребер.

Недостатки конструкций по указанным двум патентам повторяют недостатки по патенту США №2945234 от 12.07.1960 года.

Известно развертываемое антенное устройство по патенту США №4482900 от 13.11.1984 года, в котором рефлектор содержит силовой элемент ферменной конструкции, набранный из параллелепипедов. Вертикальные ребра параллелепипедов состоят из одинаковых стержней. Эти стержни соединены сверху и снизу так называемыми поверхностными стержнями. Поверхностные стержни состоят из двух элементов, соединенных шарниром, обеспечивающим их складывание. Поддержание формы параллелепипеда обеспечивается складываемыми диагоналями. Для складывания каждого параллелепипеда необходимо сверху и снизу сложить пополам поверхностные стержни и диагонали. При этом вертикальные стержни сближаются, а поверхностные стержни и диагонали складываются таким образом, что они остаются между вертикальными стержнями. Заданная форма рефлектора обеспечивается подбором длин диагональных элементов для каждого параллелепипеда. Сетка крепится к вертикальным стержням со стороны рабочей поверхности рефлектора.

Достигаемая точность формы обеспечивается размером параллелепипедов. К сети крепится радиоотражающий элемент.

Существенным недостатком конструкции является то, что для достижения приемлемой точности формы рефлектора приходится увеличивать количество элементов конструкции и, следовательно, ее массу. Кроме того, при увеличении количества элементов (параллелепипедов) будет возрастать отклонение формы рефлектора от требуемой.

В патенте США №5864324 от 26.01.1999 года предложена телескопически развертываемая антенна и метод ее развертывания.

Силовая пространственная конструкция рефлектора образована двойными шарнирно соединенными телескопическими штангами, устанавливаемыми в радиальных плоскостях. Одним концом штанги крепятся к верхнему торцу средней части рефлектора. К другим концам штанг и в районе шарнира консольно на шарнирах крепятся вертикальные стойки. Жесткость конструкции достигается системой тросовых расчалок, связывающих телескопические штанги, вертикальные стойки и второй торец центральной части рефлектора. К выступающим концам периферийных вертикальных стоек и к торцу центральной части крепятся радиальные нити. Профилирование радиальных нитей осуществляется вертикальными натяжными нитями соответствующей длины, закрепленными на телескопических штангах. На радиальные нити крепится сеть. Формообразование между радиальными нитями осуществляется концентрическими нитями, соединяющими радиальные нити, которые также оттягиваются вертикальными натяжными нитями соответствующей длины, закрепленными к расчалкам, лежащим на противоположных поверхностях. Достигаемая точность формы обеспечивается размером ячеек, образуемых радиальными и концентрическими нитями. К сети крепится радиоотражающий элемент.

Существенным недостатком конструкции является ограничение максимальных размеров рефлектора, большое количество разворачиваемых сочленений конструкции в радиальном направлении и, следовательно, недостаточная точность формообразования.

Известен развертываемый рефлектор AstroMesh фирмы AstroAerospace (патент №5680125 от 21. 10.1997 года).

Рефлектор содержит разворачиваемый силовой замкнутый стержневой каркас, на торцах которого по периферии зеркально закреплены две одинаково профилированные сетки. Для обеспечения заданной формы обе сетки соединены между собой по узлам параллельными нитями. К одной из сетей крепится радиоотражающий элемент. Достигаемая точность формы обеспечивается размером ячеек сеток.

Существенным недостатком конструкции является большая высота каркаса рефлектора в сложенном состоянии, обусловленная необходимостью обеспечения высоты силового кольца рефлектора, как минимум равной двойной величине расчетного прогиба профиля отражающей поверхности из-за наличия двух зеркально профилированных сеток.

В патенте США №6028570 от 22.02.2000 года предложено техническое решение по конструкции силового кольца раскрываемого рефлектора, отличающееся от заявленного в патенте №5680125 от 21.10.1997 года схемой раскрытия стержневого каркаса силового кольца.

Известна также конструкция развертываемого крупногабаритного рефлектора, разработанного грузинским институтом космических сооружений совместно с РКК "Энергия" (Журнал "Аэрокосмический курьер" №6 1999 года, страницы 58-61).

Рефлектор содержит центральный узел, силовое кольцо, электромеханические приводы развертывания, радиоотражающий элемент, опорные радиальные лепестки. Силовое кольцо представляет собой стержневую конструкцию в виде кольцевого пантографа. Каждый лепесток имеет трапециевидную форму и профилирован по контуру в соответствии с кривизной параболической поверхности.

Основной недостаток конструкции - ее сложность и, как следствие, недостаточная надежность развертывания.

Прототипом заявляемого изобретения является развертываемый рефлектор компании НПО ЭГС (патент №2214659 от 05.09.01. МПК7 Н 01 Q 15/16, 1/28).

Рефлектор содержит разворачиваемое силовое кольцо пантографной конструкции, в раскрытом положении обеспечивающее необходимое натяжение радиальных опорных лепестков прямоугольной формы. На опорных лепестках жестко закреплены вертикальные штанги. На концах вертикальных штанг закрепляется радиоотражающий элемент. Достигаемая точность формы обеспечивается выбором необходимого количества опорных лепестков и штанг расчетной длины, закрепленных на них.

Существенным недостатком конструкции является позиционирование профилеобразующих элементов (штанг) только на радиальных лепестках, что при повышении требований к точности профиля рефлектора потребует увеличения количества радиальных опорных лепестков и приведет, соответственно, к усложнению конструкции и увеличению массы рефлектора, при этом точность формы отражающей поверхности снижается к периферии рефлектора.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и технологии сборки, а также обеспечение одинаковой точности формы по всей рабочей поверхности рефлектора без увеличения массы конструкции.

Решение задачи достигается тем, что в развертываемом крупногабаритном космическом рефлекторе, содержащем силовое кольцо, формообразующий рабочую поверхность элемент, опорные радиальные элементы и радиоотражающий элемент, формообразующий рабочую поверхность элемент выполняется в виде двух сетей, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность и закреплена по периферии одного торца силового кольца, а другая является поддерживающей и закреплена как по периферии другого торца силового кольца, так и на опорных радиальных элементах, при этом обе сети стянуты между собой по узловым точкам гибкими параллельными элементами, работающими на растяжение.

Достигаемая точность формы обеспечивается выбором размера ячеек сетей.

На фигуре 1 изображен общий вид рефлектора.

На фигуре 2 изображен вид рефлектора в плане.

На фигуре 3 изображен вид рефлектора сбоку.

На фигуре 4 изображен вид рефлектора в разрезе.

1 - силовое кольцо;

2 - телескопические стойки силового кольца;

3 - рычажные звенья силового кольца;

4 - центральный узел;

5 - опорные радиальные элементы;

6 - сеть, профилирующая рабочую поверхность;

7 - поддерживающая сеть;

8 - гибкие параллельные элементы;

9 - узловые точки.

Описание устройства.

Предлагаемый развертываемый крупногабаритный космический рефлектор представляет собой разворачиваемое силовое кольцо (1), к телескопическим стойкам (2) которого и к центральному узлу (4) крепятся опорные радиальные элементы (5). На опорные радиальные элементы (5) и силовое кольцо (1), по его периферии, крепится поддерживающая сеть (7). С противоположного торца силового кольца (1) крепится сеть, профилирующая рабочую поверхность (6). Противолежащие узловые точки (9) профилирующей сети (6) и поддерживающей сети (7) соединены между собой гибкими параллельными элементами (8), что обеспечивает заданную форму отражающего элемента рефлектора. Достигаемая точность формы обеспечивается выбором размера ячеек сетей.

Функционирование устройства.

В процессе развертывания рефлектора происходит раскрытие силового кольца (1). Радиальные опорные элементы (5) в транспортном положении намотаны на барабан центрального узла (4) и в ходе раскрытия силового кольца (1) разматываются с барабана, при этом происходит вращение центрального узла (4) относительно силового кольца (1). На завершающей стадии раскрытия силового кольца (1) происходит натяжение опорных радиальных элементов (5), а также профилирующей (6) и поддерживающей (7) сетей, соединенных между собой гибкими параллельными элементами (8).

Точность формы рабочей части рефлектора у прототипа зависит от количества формообразующих элементов (штанг) на радиальных опорных элементах и уменьшается от центра к периферии. Предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить количество опорных радиальных элементов и, следовательно, массу рефлектора, упростить его сборку, а также обеспечить одинаковую точность формы рабочей поверхности рефлектора за счет равномерного распределения узловых точек профилирующей сети по всей площади рабочей поверхности.

Изобретение относится к космической технике, к развертываемым крупногабаритным космическим конструкциям, в частности, может быть использовано для рефлекторов космических антенн. Техническим результатом является упрощение конструкции и технологии сборки, обеспечение одинаковой точности формы по всей рабочей поверхности рефлектора без увеличения массы конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что в конструкцию дополнительно введены поддерживающая сеть, закрепленная в узловых точках на опорных радиальных лепестках и по периметру на силовом кольце, и сеть, профилирующая рабочую поверхность и закрепленная по периметру на противоположном торце силового кольца. Эти сети связаны между собой гибкими параллельными элементами, работающими на растяжение. 4 ил.

Развертываемый крупногабаритный космический рефлектор, содержащий силовое кольцо, формообразующий рабочую поверхность элемент, опорные радиальные элементы и радиоотражающий элемент, отличающийся тем, что формообразующий рабочую поверхность элемент выполнен в виде двух сетей, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность и закреплена с одного торца силового кольца по его периферии, а другая является поддерживающей и закреплена как по периферии другого торца кольца, так и на опорных радиальных элементах, при этом обе сети стянуты между собой по узловым точкам параллельными гибкими элементами, работающими на растяжение.