РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК G02B5/136 

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 переотражатели 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. 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. Отражающая поверхность такого РЗО образуется путем развертывания ячеек, выполненных в виде зеркальных элементов из транспортировочного (сложенного в пакет) положения в рабочее (развернутое в плоскость) положение посредством последовательной работы системы механизмов развертывания. Причем каждая ячейка такого РЗО содержит свой механизм развертывания, а также кабельную сеть электрического соединения электромеханических приводов, входящих в эту систему, с источником энергии. Для отслеживания положения ячеек при развертывании такая система содержит, в том числе, набор концевых контактов, которые выдают сигнал остановки электромеханического привода каждой из ячеек при ее установке в плоскости развертывания. Шарниры выполнены в виде пассивных петель, обеспечивающих вращательное движение каждой из ячеек вокруг соответствующей оси развертывания. Фиксаторы ячеек РЗО выполнены магнитными, взаимодействующие элементы которых располагаются на соответствующих ячейках и обеспечивают их фиксацию в развернутом положении.

Такое конструктивное исполнение РЗО существенно снижает надежность безотказной работы РЗО в целом. Поскольку применение в составе РЗО отдельных механизмов развертывания делает критичным отказ любого из них для всего РЗО. При отказе любого механизма развертывания на любом участке работы становится невозможным образование единой плоскости отражения, а соответственно и невозможным выполнение поставленной исследовательской или практической задачи. Кроме того, кабельная сеть, идущая от источника энергии отражателя на механизмы развертывания, утяжеляет всю конструкцию, усложняет компоновочную схему, а также накладывает дополнительные требования к моментным характеристикам механизмов развертывания. Также наличие кабельной сети накладывает дополнительные требования по эффективной защите токоведущих проводов от внешних механических повреждений при развертывании РЗО. При этом такое размещение механизмов развертывания уменьшает эффективную рабочую поверхность РЗО и его компактность за счет необходимости выделения дополнительных посадочных мест под эту систему. Применение магнитных сферических фиксаторов ячеек РЗО в развернутом положении приводит к необходимости точной подгонки сферических поверхностей соприкосновения магнитных фиксаторов между собой, а также точной установки самих фиксаторов на соответствующих ячейках, что существенно удорожает конструкцию. При увеличении числа ячеек РЗО необходимо существенное увеличение габаритов фиксаторов или их магнитного потока за счет применения новых типов магнитных материалов, что негативно отражается на конструкции всего РЗО.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение надежности работы РЗО, снижение массы конструкции, удешевление изготовления и вывода РЗО в космос.

Указанный технический результат достигается тем, что в развертываемом зеркальном отражателе, содержащем отражающую поверхность из ячеек, механизм развертывания, механические шарниры, элементы передачи движения и фиксаторы, в отличие от известного механизм развертывания закреплен на гранях центральной ячейки и первой ячейки первой периферийной зоны, а механические шарниры расположены между соседними гранями ячеек в каждой периферийной зоне, кроме соседних граней первой и замыкающей ячейки каждой периферийной зоны, ближе к углам, образованным гранями, одна из которых, для ячеек первой периферийной зоны, примыкает к грани центральной ячейки, для ячеек последующих периферийных зон - к грани ячейки предшествующей периферийной зоны, а вторая к грани соседней ячейки каждой периферийной зоны, при этом элементы передачи движения расположены на углу замыкающей ячейки каждой периферийной зоны, а также на углах ячеек любой периферийной зоны, вершины которых наиболее приближены к центру развертываемого зеркального отражателя, фиксаторы образуют узлы взаимодействия с соответствующими механическими шарнирами и расположены на углах соседних ячеек соосно механическим шарнирам.

При этом механические шарниры выполнены из двух петель, имеющих одну ось поворота, при этом каждая из петель имеет по паре зубчатых конических передач, с установленными в каждой из пар цилиндрическими зубчатыми колесами, имеющими общее кинематическое зацепление через базовое зубчатое колесо, установленное на оси механического шарнира, связанного с пружинным элементом, установленным на одной из петель, причем одна зубчатая коническая передача из каждой пары имеет механическую связь с зубчатой конической передачей расположенного рядом механического шарнира или элемента передачи движения посредством соединителя цилиндрической формы.

Элемент передачи движения выполнен из кинематически соединенной пары зубчатой конической передачи, каждая из которых имеет связь с зубчатой конической передачей расположенного рядом механического шарнира посредством соединителя цилиндрической формы.

При этом фиксаторы выполнены в виде кронштейна с закрепленной осью фиксации, установленного на ячейке.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, на которых изображены:

на фиг.1 - главный вид развертываемого зеркального отражателя;

на фиг.2 - механизм развертывания;

на фиг.3 - выносной элемент А в увеличенном масштабе;

на фиг.4 - выносной элемент Б в увеличенном масштабе;

на фиг.5 - механизм фиксации;

на фиг.6 - схема развернутого зеркального отражателя, расположение механических шарниров и фиксаторов развертываемого зеркального отражателя, состоящего из девятнадцати ячеек.

Развертываемый зеркальный отражатель (фиг.1) содержит отражающую поверхность из ячейки 1, расположенной в центре, и ячеек 2₁ ¹-2₆ ¹ (где нижний индекс - номер ячейки в зоне, верхний индекс - номер зоны), 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. Между гранями ячеек 1 и 2₁ ¹ установлен механизм развертывания ячеек РЗО. Между гранями ячеек 2₁ ¹ и 2₂ ¹, 2₂ ¹ и 2₃ ¹, 2₃ ¹ и 2₄ ¹, 2₄ ¹ и 2₅ ¹, 2₅ ¹ и 2₆ ¹ установлены соответственно механические шарниры 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, 4₅, соединенные между собой, а также с механизмом развертывания посредством цилиндрических соединителей, и образующие соответствующие оси развертывания РЗО. Соосно механическим шарнирам на углах ячейки 1, образованных гранями, прилегающими к граням ячеек первой периферийной зоны, установлены механизмы фиксации 6₁, 6₂, 6₃, 6₄, 6₅ соответственно. На углу ячейки 2₆ ¹, образованном гранями, примыкающими к граням ячеек 1 и 2₁ ¹, установлен элемент передачи движения, соединенный с соседними механическими шарнирами посредством цилиндрических соединителей.

На фиг.2 изображен механизм развертывания 3, выполненный из типового электромеханического привода с механическим редуктором 7, в состав которого входит набор электромеханических устройств и элементов, обеспечивающих его безотказную работу. Механизм развертывания 3 установлен на ячейке 1 и соединен посредством кинематической связи, выполненной в виде пары цилиндрической зубчатой передачи 8 и цилиндрических зубчатых колес 9, 10, с петлей 11, установленной на ячейке 2₁ ¹. При этом на корпусе электромеханического редуктора 7 установлен пружинный механизм 12.

На фиг.3 изображен механический шарнир 4₂ (выносной элемент А). Механический шарнир 4₂ состоит из двух петель 13, закрепленных с помощью винтового соединения на ячейке 2₂ ¹, и петли 14, аналогично закрепленной на ячейке 2₃ ¹, имеющей совместную ось развертывания 15, закрепленную в одной из петель. В каждой из петель установлены кинематические пары конических зубчатых передач 16, имеющих возможность вращательного движения вокруг осей установки и кинематически связанные через цилиндрические зубчатые колеса 17 с базовым вращательным цилиндрическим зубчатым колесом 18, установленным на оси развертывания 15 с возможностью вращательного движения вокруг оси установки. При этом на одной из петель механического шарнира установлен пружинный механизм 19, размещенный соосно оси развертывания 15.

На фиг.4 изображен элемент передачи движения 5 (выносной элемент Б). Элемент передачи движения 5 закреплен с помощью винтового соединения на ячейке 2₆ ¹ и состоит из кинематической пары конической зубчатой передачи 20, имеющей возможность вращательного движения вокруг оси установки.

На фиг.5 изображен механизм фиксации 6₂, состоящий из установочного кронштейна 21, закрепленного с помощью винтового соединения на ячейке 1 и оси фиксации 22.

Развертывание РЗО производится следующим образом.

От бортового компьютера или контроллера космического аппарата включается механизм развертывания 3 (см. фиг.1), расположенный между ячейками 1 и 2₁ ¹. Ячейка 1 своим основанием закреплена на корпусе космического аппарата. Поэтому крутящий момент, передаваемый через кинематическую пару 8 и колеса зубчатые 9, 10, приводит к развороту ячейки 2₁ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам. При этом колесо зубчатое 10 при начальном моменте на своей оси, равном М_н, стопорится посредством пружинного элемента 12. При развороте геометрическая ось механического шарнира 4₁ совмещается с геометрической осью фиксации 22 фиксатора 6₁ (см. фиг.5). После этого при дальнейшей работе механизма развертывания 3 момент на оси зубчатого колеса 10 возрастает до предельного момента стопорения М_пр пружинного элемента 12, что приводит к расфиксации колеса зубчатого 10. Таким образом, крутящий момент передается через соединители цилиндрической формы на кинематическую пару (см. фиг.3) 16 и колеса зубчатые 17, 18 механического шарнира 4₁, что приводит к развороту ячейки 2₂ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам, при этом ось 15 механического шарнира 4₁ взаимодействует с осью фиксации 22 фиксатора 6₁. Аналогично происходит работа и остальных механических шарниров и фиксаторов. После установки ячейки 2₂ ¹ в плоскости РЗО крутящий момент передается на механический шарнир 4₂, что приводит к развороту ячейки 2₃ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам, при этом ось механического шарнира 4₂ фиксируется фиксатором 62. После установки ячейки 2₃ ¹ в плоскости РЗО крутящий момент передается на механический шарнир 4₃, что приводит к развороту ячейки 2₄ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам, при этом ось механического шарнира 4₃ фиксируется фиксатором 6₃. После установки ячейки 2₄ ¹ в плоскости РЗО крутящий момент передается на механический шарнир 4₄, что приводит к развороту ячейки 2₅ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам, при этом ось механического шарнира 4₄ фиксируется фиксатором 6₄. После установки ячейки 2₅ ¹ в плоскости РЗО крутящий момент передается на механический шарнир 4₅, что приводит к развороту ячейки 2₆ ¹ вокруг оси на угол, равный 180 угловым градусам, при этом ось механического шарнира 4₅ фиксируется фиксатором 6₅. С выполнением этой операции образована замкнутая периферийная зона из ячеек 2₁ ¹-2₆ ¹, соединенная фиксаторами с центральным зеркальным элементом 1, развертываемый зеркальный отражатель, состоящий из семи ячеек развернут в плоскость и готов к работе. Аналогично происходит развертывание зеркального отражателя, состоящего из девятнадцати ячеек 2₁ ¹-3₁₂ ² (см. фиг.6). Передача крутящего момента на ячейки следующей периферийной зоны происходит через элемент передачи движения 5.

Создание РЗО с системой развертывания, созданной по схеме с одним механизмом развертывания, позволит существенно увеличить надежность всей конструкции за счет замены большего числа механизмов развертывания, имеющих низкий показатель надежности, одним высоконадежным. При этом для обеспечения высокой безотказности работы данного механизма развертывания все электрические и электромеханические элементы, входящие в его состав (электродвигатель, токоведущие цепи и др.), дублированы. Кроме того, исключение большого числа механизмов развертывания из конструкции РЗО позволит существенно упростить схему сборки отражателя, облегчить всю конструкцию за счет отсутствия тяжелой кабельной сети подключения этих механизмов, а следовательно, и удешевить вывод РЗО в космос. Более того, также упрощается и система управления и слежения развертыванием РЗО в условиях космоса, что скажется положительным образом на стоимости всей программы работы РЗО.

Таким образом, такое конструктивное исполнение РЗО позволит создать надежную, высоэффективную и сравнительно дешевую систему, предназначенную для изучения космических лучей.

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. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности работы РЗО, снижение массы конструкции, удешевление изготовления и вывода РЗО в космос. Отражатель содержит отражающую поверхность из ячеек, механизмы развертывания, шарниры и фиксаторы. Механизм развертывания закреплен на гранях центральной ячейки и первой ячейки первой периферийной зоны. Механические шарниры расположены между соседними гранями ячеек в каждой периферийной зоне, кроме соседних граней первой и замыкающей ячейки каждой периферийной зоны. Элементы передачи движения расположены на углу замыкающей ячейки каждой периферийной зоны, а также на углах ячеек любой периферийной зоны, вершины которых наиболее приближены к центру развертываемого зеркального отражателя. Фиксаторы образуют узлы взаимодействия с соответствующими механическими шарнирами и расположены на углах соседних ячеек соосно механическим шарнирам. Элемент передачи движения выполнен из кинематически соединенной пары зубчатой конической передачи, а фиксаторы выполнены в виде кронштейна с закрепленной осью фиксации. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Развертываемый зеркальный отражатель, содержащий отражающую поверхность из ячеек в виде зеркальных элементов, закрепленных на рамках, механизм развертывания, механические шарниры, элементы передачи движения и фиксаторы, отличающийся тем, что механизм развертывания закреплен на гранях центральной ячейки и первой ячейки первой периферийной зоны, а механические шарниры расположены между соседними гранями ячеек в каждой периферийной зоне, кроме соседних граней первой и замыкающей ячейки каждой периферийной зоны, ближе к углам, образованным гранями, одна из которых, для ячеек первой периферийной зоны, примыкает к грани центральной ячейки, для ячеек последующих периферийных зон - к грани ячейки предшествующей периферийной зоны, а вторая - к грани соседней ячейки каждой периферийной зоны, при этом элементы передачи движения расположены на углу замыкающей ячейки каждой периферийной зоны, а также на углах ячеек любой периферийной зоны, вершины которых наиболее приближены к центру развертываемого зеркального отражателя, фиксаторы образуют узлы взаимодействия с соответствующими механическими шарнирами и расположены на углах соседних ячеек соосно механическим шарнирам.2. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что механические шарниры выполнены из двух петель, имеющих одну ось поворота, при этом каждая из петель имеет по паре зубчатых конических передач, с установленными в каждой из пар цилиндрическими зубчатыми колесами, имеющими общее кинематическое зацепление через базовое зубчатое колесо, установленное на оси механического шарнира, связанного с пружинным элементом, установленным на одной из петель, причем одна зубчатая коническая передача из каждой пары имеет механическую связь с зубчатой конической передачей расположенного рядом механического шарнира или элемента передачи движения посредством соединителя цилиндрической формы.3. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что элемент передачи движения выполнен из кинематически соединенной пары зубчатой конической передачи, каждая из которых имеет связь с зубчатой конической передачей расположенного рядом механического шарнира посредством соединителя цилиндрической формы.4. Развертываемый зеркальный отражатель по п.1, отличающийся тем, что фиксаторы выполнены в виде кронштейна с закрепленной осью фиксации и установленного на ячейке.