ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ В ПЛОСКОСТЬ КРУПНОГАБАРИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам космической техники, используемым в антеннах, солнечных батареях, а также для изучения космических лучей, выводимых на целевую орбиту в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя, затем развертываемых до больших размеров. Такие развертываемые в плоскость крупногабаритные конструкции (КК), имеющие рабочую поверхность в виде набора многогранных ячеек могут также использоваться и в системах, предназначенных для астрофизических исследований, а также как прикладные элементы космических программ различного назначения. При этом отличительная особенность такой КК заключается в том, что рабочая поверхность КК может легко масштабироваться за счет введения конечного числа многогранных ячеек.

Известны зеркальные отражатели [1], в которых имеются механизмы поворота зеркальных элементов. Однако такие конструкции невозможно с помощью существующих ракет-носителей вывести на целевую орбиту, в связи с большими габаритно-массовыми характеристиками.

Известен развертываемый крупногабаритный космический рефлектор [2], в состав которого входит силовое кольцо, представляющее собой замкнутый в кольцо механизм пантографа с телескопическими стойками и радиальные опорные элементы. Принцип развертывания такой конструкции не позволяет создавать объект с масштабируемой рабочей поверхностью. При этом конструкция рефлектора в транспортировочном положении занимает значительное место и приводит к необходимости применения ракет-носителей тяжелого класса.

Известен сегментированный развертываемый зеркальный отражатель (РЗО) [3], содержащий рабочую поверхность из одинаковой формы и примыкающих друг к другу по граням шестигранных ячеек, снабженный механизмами развертывания, шарнирами и фиксаторами и являющийся наиболее близким аналогом-прототипом. Рабочая поверхность такого РЗО образуется путем развертывания ячеек из транспортировочного положения в рабочее посредством последовательной работы системы механизмов развертывания. При этом ось каждого из механизмов развертывания параллельна рабочей плоскости РЗО, а траектория движения пакета из ячеек при развертывании осуществляет последовательный переход рабочей плоскости с углами разворота ±180°.

Развертывание РЗО по такому принципу приводит к возникновению повышенных динамических нагрузок влияющих на работу механизмов развертывания и РЗО в целом. Кроме того, при раскрытии большого количества ячеек, сложенных в большой пакет, в конструкции необходимо предусмотреть выделение дополнительного свободного места вблизи с рабочей поверхностью РЗО, а в худшем случае и изменение самой формы ячеек, для беспрепятственного прохода пакета вблизи уже раскрывшихся ячеек, что существенно снижает эффективность работы РЗО.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение динамических нагрузок при развертывании КК, повышение эффективности работы КК.

Указанный технический результат достигается тем, что в трансформируемой в плоскость крупногабаритной конструкции, содержащей рабочую поверхность из одинаковой формы и примыкающих друг к другу по граням равносторонних n-гранных ячеек (n=3, 4, 6), каждая из которых снабжена узлом развертывания и фиксатором, а первая ячейка и устройством формирования начального импульса развертывания, в отличие от известного узел развертывания и фиксатор размещены между гранями ячеек, одна из которых прилегает к грани последующей ячейки, при этом геометрическая ось узла развертывания перпендикулярна рабочей поверхности.

При этом узел развертывания выполнен в виде пружины кручения-сжатия, установленной на направляющей втулке в петлях, закрепленных на соответствующих ячейках с помощью винтового соединения и размещенных вдоль одной оси развертывания, а продольная ось пружины кручения-сжатия совпадает и с геометрической осью развертывания, при этом пружина кручения-сжатия первой ячейки имеет связь с устройством формирования начального импульса развертывания.

При этом узел развертывания выполнен в виде двух пар кинематических элементов зубчатых передач, размещенных в петлях, закрепленных на соответствующих ячейках с помощью винтового соединения и размещенных вдоль одной оси развертывания, причем одна из пар кинематических элементов зубчатых передач механически соединена посредством соединителей цилиндрической формы с соответствующей парой кинематических элементов зубчатой передачи последующей ячейки, а пара кинематических элементов зубчатой передачи первой ячейки и с устройством формирования начального импульса развертывания, при этом пары кинематических элементов зубчатой передачи соединены с ходовым винтом, установленным в одной из петель соосно геометрической оси развертывания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - главный вид КК в развернутом положении;

на фиг.2 - транспортировочное положение КК;

на фиг.3 - первый вариант узла развертывания;

на фиг.4 - второй вариант узла развертывания;

на фиг.5 - схема развертывания КК.

КК (фиг.1) содержит рабочую поверхность из одинаковой формы многогранных ячеек 1, 2, 3...N (N-количество элементов), примыкающих друг к другу по граням с образованием плоской рабочей поверхности КК. На ячейке 1 расположено устройство формирования начального импульса развертывания 4, закрепленное с помощью винтового соединения. Узлы развертывания 5₁...5_N, а также фиксаторы 6₁...6_N расположены между гранями ячеек, одна из которых прилегает к грани последующей ячейки. Фиксаторы 6₁...6_N могут быть выполнены в виде механической (с пружинным элементом), электромагнитной или магнитной конструкции. Геометрическая ось каждого из узлов развертывания 5₁...5_N направлена перпендикулярно рабочей плоскости КК.

На фиг.2 изображено транспортировочное положение КК, в котором ячейки 1, 2, 3...N располагаются последовательно одна над другой в порядке их развертывания.

На фиг.3 изображен первый вариант узла развертывания. При этом варианте устройство формирования начального импульса развертывания 4 выполнено в виде электромеханического толкателя, в котором установлены соосно электромагнит и фиксирующий шток, а между ними пружина сжатия. При этом в исходном положении фиксирующий шток под действием пружины сжатия электромеханического толкателя выдвинут, а в конечном положении, за счет включения электромагнита, - поджат. Причем усилие, развиваемое электромагнитом электромеханического толкателя при включении, больше, чем усилие растяжения пружины сжатия электромеханического толкателя. Петли 7 и 8 закреплены своими основаниями на соответствующих ячейках КК с помощью винтового соединения. Внутри петель 7 и 8 на направляющей втулке установлена пружина кручения-сжатия 9, которая зафиксирована, свободными концами пружины, в посадочных местах на соответствующей петле 7 или 8. Посадочные места выполнены в виде конструктивных выточек. Кроме того, продольная ось пружины 9 совпадает с осью развертывания ячеек КК.

Для КК, имеющих повышенные массовые характеристики и габаритные размеры и при условии, что одна пружина кручения-сжатия 9 не обеспечивает заданных моментных характеристик при развертывании конструкции, вместо одной пружины кручения-сжатия 9 устанавливается набор пружин кручения и сжатия, при этом обязательно условие, что продольная ось пружины кручения совпадает с ось развертывания КК.

На фиг.4 изображен узел развертывания второго варианта. При этом варианте устройство формирования начального импульса 4 выполнено в виде дублированного электромеханического привода. Петли 7 и 8 закреплены своими основаниями на соответствующих ячейках КК с помощью винтового соединения. Кроме того, петли 7 и 8 содержат взаимно расположенные конструктивный элемент В, выполненный в виде выступа, и продольный оси развертывания паз. Петля 7 также имеет конструктивный выступ Б. На петле 7 узлов развертывания 5₂...5_N размещен механический соединитель цилиндрической формы 11 с установленным на нем коническим зубчатым колесом 10. При этом для узла развертывания 5₁ коническое зубчатое колесо 10 является выходным зубчатым колесом указанного выше электромеханического привода. Коническое зубчатое колесо 10 имеет кинематическое зацепление с коническим зубчатым колесом 12, внутри которого устанавливается направляющая гайка 13. При этом направляющая гайка 13 имеет ответную ходовому винту 14 винтовую канавку. В то же время ходовой винт 14 установлен в петлях 7 и 8 соосно оси развертывания. Кроме того, ходовой винт 14 по длине вне винтовой канавки имеет продольный паз с радиальной заходной проточкой, а также выточку А. Помимо этого, на ходовом винте 14 установлено коническое зубчатое колесо 15, размещенное в петле 7 и имеющее кинематическое соединение с коническим зубчатым колесом 16, установленным на соединителе цилиндрической формы 17 в петле 8.

Работа КК, например, с шестигранными ячейками, с узлом развертывания в первом варианте осуществляется следующим образом. КК находится в транспортировочном положении (фиг.2), в котором ячейки 1, 2, 3...N уложены в пакет и располагаются последовательно одна над другой в порядке их развертывания. При этом пружина кручения-сжатия 9 каждого из узлов развертывания 5₁...5_N находится в исходном сжатом и скрученном положении. Пружина кручения-сжатия 9 скручена на угол, равный или больший расчетного угла, разворот на который позволит занять пружине рабочее положение. После выведения КК на целевую орбиту, как самостоятельного элемента или в составе космического аппарата, производится его развертывание. При этом ячейка 1 КК является базой, относительно которой происходит развертывание КК. От бортового компьютера или контроллера космического аппарата подается электрический сигнал на электромеханический толкатель с пружинно-механическим фиксатором 4. После чего происходит расфиксация пружины кручения-сжатия 9, узла развертывания 5₁, установленного между ячейками 1 и 2 за счет включения электромагнита, входящего в состав электромеханического толкателя, с помощью которого происходит поджатие фиксирующего штока. При этом усилие, развиваемое электромагнитом после включения, больше, чем усилие, создаваемое упругим элементом пружинно-механического фиксатора. Пакет ячеек 2, 3...N за счет возврата энергии, накопленной в пружине кручения-сжатия 9 узла развертывания во время укладки КК в транспортировочное положение, переводится на угол, больший или равный 120 угловым градусам вокруг геометрической оси узла развертывания в плоскости, параллельной рабочей (фиг.5а). При этом для КК, имеющих число граней, отличное от шести, угол развертывания будет своим. Тем самым пружина кручения-сжатия 9 узла развертывания 51 переходит в развернутое положение, одновременно оставаясь в сжатом положении за счет того, что растяжению препятствует предыдущая ячейка 1, относительно которой происходит разворот пакета ячеек 2...N. Одновременно происходит заход фиксирующего элемента 6₁ ячейки 2 в его ответную часть, расположенную на предыдущей ячейке. После разворота пакета ячеек 2...N на угол, равный 120 угловым градусам, под действием пружины кручения-сжатия 9, узла развертывания 5₁ происходит опускание пакета ячеек 2...N на уровень ячейки 1 (фиг.5б). Тем самым, пружина кручения-сжатия 9 переходит в расжатое положение за счет того, что пакет ячеек 2...N вышел за пределы плоскости ячейки 1, которая блокировала его продольное перемещение. При этом происходит перемещение фиксирующего элемента 6₁ в его ответной части в конечное положение с одновременным механическим стопорением ячейки 2 в рабочей плоскости КК. Одновременно с установкой ячейки 2 в плоскости КК происходит механическая расфиксация пружины кручения-сжатия 9 узла развертывания 5₂, установленного между ячейками 2 и 3 за счет отхода фиксирующего элемента, выполненного в виде конструктивного упора, от пакета ячеек 3...N. Пакет ячеек 3...N за счет возврата энергии, накопленной в пружине кручения-сжатия 9 узла развертывания 5 г во время укладки КК в транспортировочное положение, переводится на угол, равный 120 угловым, градусам вокруг геометрической оси узла развертывания в плоскости, параллельной рабочей. Тем самым пружина кручения-сжатия 9 узла развертывания 5₂ переходит в развернутое положение, одновременно оставаясь в сжатом положении, за счет того, что растяжению препятствует предыдущая ячейка 2, относительно которой происходит разворот пакета ячеек 3...N. Одновременно происходит заход фиксирующего элемента 6₂ ячейки 3 в его ответную часть, расположенную на предыдущей ячейке. После разворота пакета ячеек 3...N на угол, равный 120 угловым градусам, под действием пружины кручения-сжатия 9 узла развертывания 52 происходит опускание пакета ячеек 3...N на уровень ячейки 2. Тем самым, пружина кручения-сжатия 9 переходит в расжатое положение за счет того, что пакет ячеек 3...N вышел за пределы плоскости ячейки 2, которая блокировала его продольное перемещение. При этом происходит перемещение фиксирующего элемента 6₂ в его ответной части в конечное положение с одновременным механическим стопорением ячейки 3 в рабочей плоскости КК. Одновременно с установкой ячейки 3 в плоскости КК происходит механическая расфиксация пружины кручения-сжатия 9 последующего узла развертывания. Такое развертывание осуществляется последовательно до последней ячейки N КК, после чего КК готова к работе.

Работа КК, например, с шестигранными ячейками, с узлом развертывания во втором варианте осуществляется следующим образом. КК находится в транспортировочном положении (фиг.2), в котором ячейки 1, 2, 3...N уложены в пакет и располагаются последовательно одна над другой в порядке их развертывания. После выведения КК на целевую орбиту, как самостоятельного элемента или в составе космического аппарата, производится его развертывание. От бортового компьютера или контроллера космического аппарата подается электрический сигнал на электромеханический привод 4, который передает крутящий момент на пару конических зубчатых колес 10 и 12 узла развертывания 5₁. При этом конструктивный элемент В препятствуют продольному перемещению петель 7 и 8 друг относительно друга на углах, равных от 0 до 120 угловым градусам. Поэтому происходит перевод пакета ячеек 2...N на угол, равный 120 угловым градусам, вокруг геометрической оси узла развертывания 5₁ в плоскости, параллельной рабочей. Одновременно происходит заход фиксирующего элемента 6₁ ячейки 2 в его ответную часть, расположенную на предыдущей ячейке. В то же время конструктивный элемент В за счет взаимного вращения петель 7 и 8 ячеек 1 и 2 попадает в ответный ему паз. После этого петли 7 и 8 ячеек 1 и 2 могут свободно перемещаться вдоль оси развертывания. Кроме того, конструктивный выступ Б петли 7 ячейки 1 заходит в радиальный заход продольного паза ходового винта 14. При последующей работе электропривода 4 и пары конической зубчатой передачи 10 и 12 узла развертывания 5₁, а также связанной с коническим зубчатым колесом направляющей гайки 13 происходит опускание пакета из ячеек 2, 3...N на уровень ячейки 1 вдоль ходового винта 14 узла развертывания 5₁, При этом конструктивный элемент Б перемещается вдоль продольного паза ходового винта 14, а сам ходовой винт 14 не вращается. При этом происходит перемещение фиксирующего элемента 6₁ в его ответной части в конечное положение с одновременным механическим стопорением ячейки 2 в рабочей плоскости КК. После того как пакет ячеек 2, 3...N достигнет уровня ячейки 1, конструктивный элемент Б достигает уровня выточки А на ходовом винте 14, тем самым расфиксирует сам ходовой винт 14, а также установленное на нем коническое зубчатое колесо 15, которое передает вращающий момент на коническое зубчатое колесо 16 и соединитель цилиндрической формы 17, который, в свою очередь, передает вращающий момент на коническое зубчатое колесо 10 узла развертывания 5₂. При этом конструктивный элемент В узла развертывания 5₂ препятствуют продольному перемещению петель 7 и 8 друг относительно друга на углах, равных от 0 до 120 угловым градусам. Поэтому происходит перевод пакета ячеек 3...N на угол, равный 120 угловым градусам, вокруг геометрической оси узла развертывания 5₂ в плоскости, параллельной рабочей. Одновременно происходит заход фиксирующего элемента 6₂ ячейки 3 в его ответную часть, расположенную на предыдущей ячейке. В то же время конструктивный элемент В за счет взаимного вращения петель 7 и 8 ячеек 2 и 3 попадает в ответный ему паз. После этого петли 7 и 8 ячеек 2 и 3 могут свободно перемещаться вдоль оси развертывания. Кроме того, конструктивный выступ Б заходит в радиальный заход продольного паза ходового винта 14. При последующей работе электропривода 4 и пары конической зубчатой передачи 10 и 12 узла развертывания 5₂, а также связанной с коническим зубчатым колесом направляющей гайки 13 происходит опускание пакета из ячеек 3...N на уровень ячейки 2 вдоль ходового винта 14 узла развертывания 5₂. При этом конструктивный элемент Б перемещается вдоль продольного паза ходового винта 14, а сам ходовой винт 14 не вращается. При этом происходит перемещение фиксирующего элемента 6₂ в его ответной части в конечное положение с одновременным механическим стопорением ячейки 3 в рабочей плоскости КК. После того как пакет ячеек 3...N достигнет уровня ячейки 2, конструктивный элемент Б достигает уровня выточки А на ходовом винте 14, тем самым расфиксирует сам ходовой винт 14, а также установленное на нем коническое зубчатое колесо 15, которое передает вращающий момент на коническое зубчатое колесо 16 и соединитель цилиндрической формы 17, который, в свою очередь, передает вращающий момент на коническое зубчатое колесо 10 последующего узла развертывания. Такое развертывание осуществляется последовательно до последней ячейки N КК, после чего КК готов к работе.

Создание КК с системой развертывания в рабочей плоскости позволяет существенно снизить динамические нагружения элементов конструкции, возникающие при переводе КК в рабочее положение, снизить массовые характеристики КК за счет уменьшения номенклатуры применяемой элементной базы, а также существенно расширить области применения КК, в том числе для использования в качестве антенно-фидерных устройств, космических зеркал, крупногабаритных сегментированных телескопов, концентраторов космического излучения. Кроме того, данная система позволяет уменьшить зону «ометания» при развертывании КК, позволяет производить развертывание ячеек в любой последовательности с возможностью «обхода» внешних препятствий, например, антенных комплексов космических аппаратов или солнечных батарей, создавая тем самым необходимую конфигурацию рабочей поверхности, создать универсальный космический комплекс.

Литература

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

2. Патент РФ №2266592, МПК⁷ Н01Q 15/16, 2004.

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

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам космической техники, используемым в антеннах, солнечных батареях, а также для изучения космических лучей, выводимых на целевую орбиту в ограниченном объеме обтекателя ракеты-носителя, затем развертываемых до больших размеров. Техническим результатом изобретения является уменьшение динамических нагрузок при развертывании трансформируемой в плоскость крупногабаритной конструкции (КК), повышение эффективности работы КК. Трансформируемая в плоскость КК содержит рабочую поверхность из равносторонних n-гранных ячеек (n=3, 4, 6) одинаковой формы и примыкающих друг к другу по граням, каждая из которых снабжена узлом развертывания и фиксатором, а первая ячейка снабжена, кроме того, и устройством формирования начального импульса развертывания. Узел развертывания и фиксатор размещены между гранями ячеек, одна из которых прилегает к грани последующей ячейки, при этом геометрическая ось узла развертывания перпендикулярна рабочей поверхности. Узел развертывания может быть выполнен в виде пружины кручения-сжатия, установленной на направляющей втулке в петлях, закрепленных на соответствующих ячейках с помощью винтового соединения. Узел развертывания может быть также выполнен в виде двух пар кинематических элементов зубчатых передач, размещенных в петлях. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Трансформируемая в плоскость крупногабаритная конструкция, содержащая рабочую поверхность из одинаковой формы и примыкающих друг к другу по граням равносторонних n-гранных ячеек (n=3, 4, 6), каждая из которых снабжена узлом развертывания и фиксатором, а первая ячейка - и устройством формирования начального импульса развертывания, отличающаяся тем, что узел развертывания и фиксатор размещены между гранями ячеек, одна из которых прилегает к грани последующей ячейки, при этом геометрическая ось узла развертывания перпендикулярна рабочей поверхности.2. Трансформируемая в плоскость крупногабаритная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что узел развертывания выполнен в виде пружины кручения-сжатия, установленной на направляющей втулке в петлях, закрепленных на соответствующих ячейках с помощью винтового соединения и размещенных вдоль одной оси развертывания, а продольная ось пружины кручения-сжатия совпадает и с геометрической осью развертывания, при этом пружина кручения-сжатия первой ячейки имеет связь с устройством формирования начального импульса развертывания.3. Трансформируемая в плоскость крупногабаритная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что узел развертывания выполнен в виде двух пар кинематических элементов зубчатых передач, размещенных в петлях, закрепленных на соответствующих ячейках с помощью винтового соединения и размещенных вдоль одной оси развертывания, причем одна из пар кинематических элементов зубчатых передач механически соединена посредством соединителей цилиндрической формы с соответствующей парой кинематических элементов зубчатой передачи последующей ячейки, а пара кинематических элементов зубчатой передачи первой ячейки и с устройством формирования начального импульса развертывания, при этом пары кинематических элементов зубчатой передачи соединены с ходовым винтом, установленным в одной из петель соосно геометрической оси развертывания.