РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК G02B5/136 H01Q15/16 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам, используемым для изучения космических лучей и выводимым на целевую орбиту в сложенном состоянии в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя. Такие развертываемые зеркальные отражатели (РЗО) могут использоваться для изучения галактического излучения, а также как концентраторы солнечного излучения.

Известен развертываемый зеркальный отражатель для антенн [1], снабженный механизмом развертывания, шарнирами и фиксаторами. Рассмотренное в этой книге решение может быть использовано для создания больших РЗО диаметром до 100 м при изучении галактических излучений и в космических антеннах. РЗО зонтичного типа используются на космических ретрансляторах типа «Молния». В РЗО зонтичного типа ячейки выполнены в виде зеркальных элементов и 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 такого типа 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.

Известен зеркальный отражатель [2], состоящий из ячеек, снабженный механизмами развертывания, шарнирами и фиксаторами и взятый за прототип. Ячейки такого РЗО выполнены в виде несущих металлических сварных рамок, имеющих технологические выборки материала, необходимые для обеспечения компактности РЗО в транспортном (сложенном) положении. На металлические рамки устанавливаются и жестко фиксируются на них отражающие поверхности.

Такое конструктивное исполнение ячеек существенно снижает жесткость конструкции РЗО в развернутом состоянии как в нормальных условиях эксплуатационных требований, так и в предельных режимах, а также влияет на образование отражающей поверхности с минимальным отклонением от заданной плоскостности. При этом значительная часть нагрузки, воспринимаемой металлическими рамками, перераспределяется за счет низкой жесткости на отражающую поверхность, делая ее тем самым нестабильной. Юстирование отражающей поверхности РЗО такого типа производится за счет высокоточной установки шарниров и фиксаторов и не может быть изменено после сборки всей конструкции, что, в свою очередь, приводит к существенному удорожанию изготовления всего РЗО.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение жесткости отражающей поверхности РЗО с образованием профиля отражающей поверхности с минимально возможными отклонениями от эталонного, увеличение стабильности отражающей поверхности, уменьшение массы РЗО, а также уменьшение стоимости его изготовления.

Указанный технический результат достигается тем, что в развертываемом зеркальном отражателе, содержащем отражающую поверхность из ячеек, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, в отличие от известного каждая из ячеек выполнена из фокусирующей поверхности в виде поверхности Френеля и плоской установочной поверхности, при этом фокусирующие поверхности образуют концентрические окружности с единым фокусом, причем ячейки снабжены механизмами юстировки поверхности Френеля, выполненными из регулирующей части, закрепленной на поверхности Френеля и связанной посредством шарнира с установочной частью механизма юстировки, закрепленной на установочной поверхности.

При этом механизм юстировки выполнен в виде регулировочной сферы, закрепленной посредством накидной гайки во втулке, установленной на фокусирующей поверхности и размещенной в резьбовой направляющей втулке соосно ей с возможностью перемещения по резьбовому соединению, при этом направляющая втулка закреплена посредством гайки в установочной втулке, закрепленной на установочной поверхности.

При этом фокусирующая поверхность и плоская установочная поверхность выполнены в виде несущих слоев из листовых материалов, заполненных металлическими сотами, скрепленными клеем.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4, на которых изображены:

на фиг.1 - главный вид развертываемого зеркального отражателя;

на фиг.2 - вид сбоку на ячейку периферийной зоны фиг.1;

на фиг.3 - вид сзади ячейки периферийной зоны фиг.1;

на фиг.4 - механизм юстировки ячейки периферийной зоны по разрезу А-А фиг.3.

Развертываемый 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. Ячейки выполнены из двух поверхностей, одна из которых выполнена в виде фокусирующей поверхности Френеля 7 и образует концентрические окружности вокруг вертикальной оси РЗО с одним центром с обеспечением образования единого фокуса отраженного излучения, а другая 8 является плоской установочной для первой.

В выемке одной из граней 3 ячейки 1 установлен механизм развертывания 4₁, в выемке грани ячейки 2₁ установлен механизм развертывания 4₂, в выемках грани ячейки 2₃ установлены механизмы развертывания 4₃ и 4₄, в выемках грани ячейки 2₅ установлены механизмы развертывания 4₅ и 4₆, 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, 2₆ и 2₁ установлены соответственно фиксаторы 6₁, 6₂, 6₃, 6₄, 6₅ и 6₆.

На фиг.2 изображен вид сбоку ячейки периферийной зоны. Фокусирующая поверхность 7 и плоская установочная 8 ячеек РЗО изготовлены на основании многослойной конструкции и содержат внешние несущие слои 9 из тонких листовых материалов с заполнителем 10 из металлических сот и клея.

Для юстирования отражающей поверхности РЗО в конструкции применяются механизмы юстировки. Расположение механизмов юстировки 11 (фиг.3) определяется исходя из возможности точного соблюдения требуемого теоретического профиля отражающей поверхности в любой его зоне, включая свободные края.

На фиг.4 изображен узел юстировки 11 ячейки периферийной зоны, который включает в себя две регулировочные части, первая состоит из втулки 17, устанавливаемой на фокусирующей поверхности 7, в которой размещается регулировочная сфера 12, фиксируемая накидной гайкой 13, а во вторую часть входят установочная втулка 14, устанавливаемая на установочной поверхности 8 соосно со втулкой 17, при этом на установочной втулке 14 устанавливается резьбовая направляющая 15, в которую ввинчивается резьбовая часть регулировочной сферы 12. Резьбовая направляющая 15 зафиксирована от продольного перемещения гайкой 16.

Юстирование фокусирующей поверхности и разворот РЗО производится следующим образом. В условиях сборочного цеха и испытательной базы РЗО разворачивают в плоскость. После чего каждую из фокусирующих поверхностей ячеек 2₁-2₆ юстируют путем перемещения регулировочной сферы 12 в резьбовой направляющей 15 по часовой или против часовой стрелки на соответствующую величину, обеспечивая фокус РЗО. Юстирование начинают с центрального юстировочного узла каждой из ячеек 2₁-2₆. После юстирования РЗО складывают и готовят к установке на космический аппарат. После вывода космического аппарата с РЗО на целевую орбиту 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 первой пары 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, а 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 третьей 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 четвертой пары шарниров, установленных меду 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 пятой 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 2₆ с ячейкой 2₁. С выполнением этой операции образована замкнутая периферийная зона из ячеек 2₁-2₆, соединенная фиксаторами с центральным элементом 1. Развертываемый зеркальный отражатель, состоящий из семи ячеек, развернут в плоскость, относительно которой на Земле фокусирующие поверхности 7 юстированы. Развернутый зеркальный отражатель готов к работе.

Создание РЗО с ячейками, выполненными из двух поверхностей, повышает жесткость и стабильность конструкции, так как нагрузки, возникающие в процессе транспортировки, развертывании и эксплуатации РЗО, воспринимает плоская установочная поверхность по всей своей плоскости, тем самым производя моментную разгрузку фокусирующей поверхности. При этом фокусирующая поверхность служит для отражения и концентрации космических лучей различного диапазона волн. Плоская установочная поверхность служит для закрепления фокусирующей поверхности РЗО, позволяет установить механизмы развертывания, шарниры, фиксаторы и механизмы юстировки в нескольких точках по поверхности.

Создание РЗО с ячейками, выполненными из двух поверхностей, делает РЗО универсальной конструкцией, в которой фокусирующая поверхность может быть легко заменена любой другой рабочей поверхностью, необходимой для применения отражателя в конкретных практических задачах.

Применение в составе РЗО отдельных механизмов юстировки позволит упростить и удешевить изготовление всей конструкции за счет упрощения схемы сборки, а также уменьшить трудоемкость при изготовлении шарниров и фиксаторов. Механизм юстировки позволяет производить независимую настройку и при необходимости перенастройку фокусирующей поверхности РЗО после сборки всей конструкции, а также обеспечивает угловые подвороты фокусирующей поверхности в процессе его юстировки и соответствующую силомоментную разгрузку. При этом юстировка фокусирующей поверхности РЗО производится на Земле.

Высокие требования к конструкции РЗО по жесткости и стабильности характеристик, а также минимальной массы приводит к необходимости создания поверхностей ячеек на основе многослойных конструкций, которые позволяют создавать развертываемые отражатели космических лучей со стабильными оптическими характеристиками на протяжении всего времени эксплуатации изделия и обеспечивают заданную жесткость. В то же время сотовый заполнитель, имея высокие теплофизические характеристики (теплопроводность), обеспечивает быстрое выравнивание температур между несущими слоями многослойной конструкции и делает конструкцию термостабильной. Такая конструкция поверхностей ячеек имеет минимальную массу при максимальной изгибной жесткости, что приводит к значительному удешевлению стоимости вывода РЗО в космос.

Учитывая особые требования по геометрической стабильности в процессе эксплуатации зеркального отражателя, состоящего из фокусирующей и плоской установочной поверхностей, в условиях космического пространства материалы, из которых они изготовлены, имеют минимальные коэффициенты линейного термического расширения (КЛТР).

Литература

1. М.В.Гряник, В.И.Ломан «Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа». М.: Радио и связь, 1987, с.7-12.

2. Патент РФ №2237268, МПК⁷ G02В 5/08, 2003 - прототип.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к развертываемым зеркальным отражателям (РЗО), используемым для изучения космических лучей и выводимым на целевую орбиту в сложенном состоянии в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя. Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение жесткости отражающей поверхности РЗО с образованием профиля отражающей поверхности с минимально возможными отклонениями от эталонного, увеличение стабильности отражающей поверхности, уменьшение массы РЗО. Сущность изобретения в развертываемом зеркальном отражателе, содержащем отражающую поверхность из ячеек, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, в отличие от известного каждая из ячеек выполнена из фокусирующей поверхности в виде поверхности Френеля и плоской установочной поверхности, при этом фокусирующие поверхности образуют концентрические окружности с единым фокусом, причем ячейки снабжены механизмами юстировки поверхности Френеля, выполненными из регулирующей части, закрепленной на поверхности Френеля и связанной посредством шарнира с установочной частью механизма юстировки, закрепленной на установочной поверхности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Развертываемый зеркальный отражатель, содержащий отражающую поверхность из ячеек, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы, отличающийся тем, что каждая из ячеек выполнена из фокусирующей поверхности в виде поверхности Френеля и плоской установочной поверхности, при этом фокусирующие поверхности образуют концентрические окружности с единым фокусом, причем ячейки снабжены механизмами юстировки поверхности Френеля, выполненными из регулирующей части, закрепленной на поверхности Френеля и связанной посредством шарнира с установочной частью механизма юстировки, закрепленной на установочной поверхности.2. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что механизм юстировки выполнен в виде регулировочной сферы, закрепленной посредством накидной гайки во втулке, установленной на фокусирующей поверхности и размещенной в резьбовой направляющей втулке соосно ей с возможностью перемещения по резьбовому соединению, при этом направляющая втулка закреплена посредством гайки в установочной втулке, закрепленной на установочной поверхности.3. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая поверхность и плоская установочная поверхность выполнены в виде несущих слоев из листовых материалов, заполненных металлическими сотами, скрепленными клеем.