ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ АДАПТИВНЫЙ Российский патент 2018 года по МПК G02B7/188 F24S23/70 F21V7/16 G02B17/06 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для приема, передачи и концентрации электромагнитного излучения, и может быть использовано в устройствах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в другие виды полезной энергии (тепловая, электрическая и т.д.), а также в оптических телескопах, радиотелескопах и радарах с большим диаметром апертуры, которые могут быть размещены в том числе в высоких слоях атмосферы и в космосе.

Известно устройство, описанное в патенте РФ №2482523 и принятое за аналог.

Данное устройство состоит из газонаполненной камеры, выполненной в виде гибкой оболочки, имеющей форму, близкую к сфере.

Внутри сферы около плоскости ее симметрии расположена несущая жесткая рама, изготовленная из легкого прочного материала и имеющая форму, близкую к кольцу, с продольным сечением, близким к кольцу, или иную форму, обеспечивающую прочность всей конструкции устройства.

Несущая рама плотно связана с гибкой оболочкой по ее периметру.

Внутренняя полость камеры разделена на две герметичные полости двумя механически связанными между собой гибкими перегородками.

Перегородки герметично прикреплены к несущей раме по периметру.

Одна из перегородок является первичным вогнутым зеркалом и имеет форму (сферическую, параболическую и т.п.), которая обеспечивает отражение падающего на нее излучения на вторичное выпуклое зеркало.

Вторичное жесткое зеркало выполнено известными способами и установлено внутри газонаполненной камеры на соответствующих жестких фермах или закреплено непосредственно на гибкой оболочке газонаполненной камеры.

Электромагнитное излучение проходит через гибкую прозрачную оболочку камеры, падает на первичное вогнутое зеркало, затем на вторичное выпуклое зеркало и затем на приемник излучения, расположенный внутри газонаполненной камеры.

Требуемая форма первичного зеркала обеспечивается соответствующей разностью давления газов внутри двух герметичных полостей, а также механическим воздействием на нее посредством второй перегородки или комплектом нитей, закрепленных с тыльной стороны первичного зеркала, которые передают на зеркало внешнее управляющее механическое воздействие.

К недостаткам аналога следует отнести следующее:

- для получения и сохранения заданной формы первичного зеркала требуется комплексное управляющее механическое воздействие на первую гибкую перегородку посредством большого количества механически связанных элементов (каркаса из нитей, соединительных элементов, вспомогательной сетки, второй вспомогательной перегородки и т.п), что является сложной инженерной задачей, при этом упомянутая сложность существенно повышается при увеличении общего диаметра первичного зеркала; соответственно увеличиваются и общий вес, материалоемкость, и общая стоимость устройства;

- необходимость применения легкой, но одновременно прочной и жесткой несущей рамы, которая призвана обеспечить прочность конструкции устройства в целом, а также обеспечить сохранение требуемой формы первичного зеркала в процессе функционирования устройства в реальных условиях негативного внешнего воздействия, что является также сложной инженерной задачей, при этом упомянутая сложность существенно повышается при увеличении общего диаметра первичного зеркала; соответственно увеличиваются и общий вес, материалоемкость, и общая стоимость устройства;

- применение жесткого вторичного зеркала, выполненного по так называемой традиционной технологии из стекла, металла, композитных материалов и т.п., при этом вторичное зеркало необходимо изначально позиционировать и сохранять заданное его расположение относительно первичного зеркала посредством соответствующих жестких ферм или посредством закрепления его на оболочке газонаполненной камеры, что является задачей не меньшей сложности, чем вышеупомянутые задачи.

Первый из указанных выше недостатков преодолен в устройстве, описанном в патенте РФ №2236730 и принятом за прототип.

Данное устройство состоит из базового несущего кольца, выполняющего функцию жесткого каркаса, к которому по внутреннему периметру герметично крепятся два круглых листа пленки (полипропиленовой, лавсановой, полиимидной и т.п.); на рабочей поверхности (за исключением центральной части) одного из листов нанесено зеркальное покрытие, а необходимая кривизна первичного зеркала получается путем создания разности давлений на границе сред, разделяемых пленкой путем накачивания при помощи насоса в полученный объем соответствующего газа, при этом точная величина этой разности давлений контролируется соответствующими датчиками давления.

Также к несущему кольцу посредством кронштейнов (жестких ферм) крепится вторичное зеркало, выполненное жестким по так называемой традиционной технологии, корригирующая линза и приемник излучения, при этом оба зеркала и корригирующая линза расположены таким образом, что их оптические оси совмещены, а рабочие промежутки гарантированы конструктивными допусками.

Электромагнитное излучение проходит через первый прозрачный лист пленки, падает на второй лист пленки, который является первичным вогнутым зеркалом, на вторичное выпуклое зеркало, на корригирующую линзу и затем на приемник излучения, расположенный за корригирующей линзой.

В устройстве, принятом за прототип, преодолен только первый из недостатков аналога.

Целевым техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности создания преобразователя электромагнитного излучения (телескопа, радиотелескопа, радара, концентратора) с относительно большим диаметром апертуры, который может быть размещен в том числе в высоких слоях атмосферы и в космосе и который не имеет описанных выше недостатков аналога и прототипа.

Технический результат изобретения достигается следующим образом.

Основные элементы преобразователя изготовлены исключительно из оболочек, имеющих заранее заданные геометрические и механические характеристики и которые выполнены на основе гибких тонких пленок.

На фиг. 1 и 2 показаны соответственно первый и второй варианты реализации заявляемого устройства в разрезе.

1. Функцию опорного каркаса 1 выполняет оболочка, заполненная газом (смесью газов) под давлением, превышающим давление в окружающем пространстве;

геометрические и механические характеристики оболочки, ее газопроницаемость, внутреннее давление газа выбираются такими, чтобы обеспечить сохранение заранее заданной формы каркаса в процессе штатной эксплуатации заявляемого устройства в реальном времени с помощью соответствующего компрессорного устройства и системы управления;

опорный каркас 1 может иметь форму, эквивалентную тору, которая варьируется в зависимости от конкретных функций, которые призван выполнять преобразователь, и конкретных условий его функционирования;

осевое сечение газонаполненной полости может иметь форму, близкую к окружности или эллипсу;

на противоположных частях каркаса выполнены две базовые опорные поверхности каждая в форме плоского кольца;

базовые опорные поверхности предназначены для крепления на них оболочек преобразователя;

для повышения жесткости и стабилизации формы каркаса внутренняя его полость может быть разделена продольными и/или поперечными мембранами на заданное множество полостей, а также каркас может состоять из двух или более газонаполненных оболочек, скрепленных между собой герметично.

2. Первый вариант реализации телескопического преобразователя изображен на фиг. 1 и содержит опорный каркас 1, описанный выше, оболочку 2, оболочку 3, оболочку 4;

функцию первичного вогнутого зеркала выполняет оболочка 2, которая с предварительным заданным натяжением или без такового герметично закреплена на каркасе 1 на его базовой опорной поверхности по кольцу; эта оболочка металлизирована для обеспечения максимального зеркального отражения, при этом область оболочки заданной площади вокруг оптической оси зеркала может быть прозрачной для падающего на нее излучения;

функцию вторичного выпуклого зеркала выполняют совместно зеркальная часть оболочки 3 и оболочка 4;

оболочка 3 с предварительным заданным натяжением или без такового герметично закреплена на опорном каркасе 1 на его базовой опорной поверхности по кольцу противоположно линии крепления оболочки 2; центральная область этой оболочки 3 с радиусом, равным радиусу вторичного зеркала, вокруг оптической оси первичного зеркала является зеркальной и выполняет функцию отражающей поверхности вторичного зеркала;

оболочка 4 закреплена герметично на оболочке 3 по кольцу с центром на оптической оси первичного зеркала (оболочка 2) с радиусом, равным радиусу вторичного зеркала (зеркальной части оболочки 3), на поверхности оболочки 3, которая противоположна поверхности, обращенной к первичному зеркалу;

пространство между оболочкой 2, опорным каркасом 1 и оболочкой 3, между оболочкой 3 и оболочкой 4 заполнено газом (смесью газов) под давлением; величины давлений газа в пространствах между этими оболочками с помощью комплекса измерительных датчиков, компрессоров и адаптирующей системы управления (не показаны) обеспечиваются такими, чтобы быть непрерывно, в реальном времени, выше величины давления в окружающем пространстве;

соотношение между величиной давления в окружающем пространстве и величинами давления в пространствах между оболочками, соотношение между величинами давления в каждой из герметичных полостей, геометрические и механические характеристики каждой из оболочек обеспечиваются такими, чтобы форма оболочки 2 (форма первичного вогнутого зеркала) и зеркальной части оболочки 3 (форма вторичного выпуклого зеркала) представляли собой преимущественно параболоиды вращения с заранее заданными параметрами и чтобы оптические оси первичного вогнутого зеркала и вторичного выпуклого зеркала были совмещены, а фокусы зеркал в зависимости от задач, которые призвано решать устройство в целом, могут быть совмещены или находиться на заданном расстоянии друг от друга по оптической оси.

3. Второй вариант реализации телескопического преобразователя изображен на фиг. 2 и содержит опорный каркас 1, оболочку 2, оболочку 3, второй опорный каркас 5, оболочку 4;

второй вариант реализации (фиг. 2) отличается от первого варианта (фиг. 1) тем, что он содержит второй опорный каркас 5, который выполнен аналогично опорному каркасу 1 и имеет радиус, близкий к радиусу вторичного зеркала (зеркальной части оболочки 3);

второй опорный каркас 5 герметично прикреплен к оболочке 3 на базовой опорной поверхности по кольцу с центром на оптической оси первичного зеркала (оболочка 2) с радиусом, равным радиусу вторичного зеркала (зеркальной части оболочки 3), на поверхности оболочки 3, которая противоположна поверхности, обращенной к первичному зеркалу, при этом ось симметрии второго опорного каркаса 5 совпадает с оптической осью первичного зеркала (оболочка 2);

оболочка 4 герметично прикреплена ко второму опорному каркасу 5 на его базовой опорной поверхности по кольцу противоположно линии крепления второго опорного каркаса 5 к оболочке 3;

пространство между оболочкой 2, опорным каркасом 1 и оболочкой 3, между оболочкой 3, вторым опорным каркасом 5 и оболочкой 4 заполнено газом (смесью газов); величины давлений газа в пространствах между этими оболочками с помощью комплекса измерительных датчиков, компрессоров и адаптирующей системы управления (не показаны) обеспечиваются такими, чтобы быть непрерывно, в реальном времени, выше величины давления в окружающем пространстве;

соотношение между величиной давления в окружающем пространстве и величинами давления в пространствах между оболочками, соотношение между величинами давления в каждой из герметичных полостей, геометрические и механические характеристики каждой из оболочек обеспечиваются такими, чтобы форма оболочки 2 (форма первичного вогнутого зеркала) и зеркальной части оболочки 3 (вторичного выпуклого зеркала) представляли собой преимущественно параболоиды вращения с заранее заданными параметрами и чтобы оптические оси первичного вогнутого зеркала и вторичного выпуклого зеркала были совмещены, а фокусы зеркал в зависимости от задач, которые призвано решать устройство в целом, могут быть совмещены или находиться на заданном расстоянии друг от друга по оптической оси.

Изначальные геометрические и механические характеристики каждой из оболочек обеспечиваются такими, чтобы после их герметичного скрепления с каркасом и друг с другом и заполнения возникших герметичных полостей соответствующим газом (смесью газов) под давлением каждая из оболочек принимала и сохраняла в процессе функционирования устройств требуемую форму (например, параболоид вращения, тор и т.п).

В процессе функционирования описанных выше вариантов реализации механические характеристики каждой из упомянутых выше оболочек находятся в пределах области упругих деформаций.

Газ (смесь газов), который заполняет пространство между оболочками, характеристики газопроницаемости оболочек выбираются в зависимости от конкретной области применения и конкретных характеристик условий окружающей среды применения описанных выше устройств.

Вспомогательное оборудование: несущий каркас, на который крепятся вышеупомянутый опорный каркас 1, компрессорная система, источник или приемник электромагнитного излучения, источники энергообеспечения, система пространственной ориентации с соответствующими движителями, система компьютерного управления функционированием устройства в заданном режиме, система обработки получаемого или передаваемого сигнала и т.п., выбирается в зависимости от конкретной области применения описанных устройств и требуемых от их применения результатов.

Описанные выше устройства, изготовленные с применением исключительно гибких оболочек, которые имеют предварительно заданные геометрические и механические характеристики, пространство между которыми заполнено газом (смесью газов), имеющим требуемые характеристики, совместно со специализированным вспомогательным оборудованием позволяют реализовать устройства, предназначенные для приема, передачи и концентрации электромагнитного излучения, которые могут быть использованы в оптических телескопах, радиотелескопах, радарах и концентраторах с большим диаметром апертуры, которые могут быть размещены не только на земле, но и на различных летательных аппаратах в том числе в высоких слоях атмосферы и за пределами атмосферы - в космосе.

Кроме относительной простоты изготовления заявляемых устройств, их относительно малого веса, относительно малой стоимости, одним из основных преимуществ заявляемых устройств, используемых совместно со специализированным оборудованием, является возможность адаптации этих устройств в реальном времени к изменяющимся внешним негативным воздействиям с целью сохранения требуемых, заранее заданных конструктивных параметров, с помощью комплекса измерительных датчиков, компрессорной системы и соответствующей адаптирующей системы управления.

Форма зеркальных поверхностей описанных выше устройств на практике не будет полностью совпадать с расчетной формой этих поверхностей, т.е. будет иметь соответствующие погрешности (аберрации). С целью компенсации этих погрешностей и с целью получения результирующего электромагнитного сигнала требуемого качества возможно применение элементов и систем, реализующих известные из уровня техники способы линейной или нелинейной адаптивной (активной) оптики, а также способы апостериорной обработки сигналов.

Каждый из перечисленных выше признаков предлагаемого изобретения известен и был неоднократно реализован на практике по отдельности и в различных сочетаниях, однако, использование этих признаков именно в описываемой - новой - их совокупности позволяет получить сверхсуммарный эффект, заключающийся в достижении вышеуказанного нового технического результата.

Изобретение может быть использовано в устройствах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в другие виды полезной энергии, а также в оптических телескопах, радиотелескопах и радарах. Преобразователь содержит опорный каркас и первичное и вторичное зеркала, оптические оси которых совмещены. Опорный каркас представляет собой герметичную газонаполненную камеру, изготовленную из оболочки, и имеет форму, близкую к тору. На противоположных частях каркаса выполнены две базовые опорные поверхности в форме плоского кольца. Оболочки, реализующие функции вогнутого первичного и вторичного выпуклого зеркал, герметично крепятся на противоположных базовых опорных поверхностях каркаса. Третья оболочка закреплена герметично на второй оболочке по кольцу с центром на оптической оси первичного зеркала с радиусом, равным радиусу вторичного зеркала, на поверхности второй оболочки, которая противоположна поверхности, обращенной к первичному зеркалу. Герметичные полости между оболочками заполнены газом под давлением. Технический результат - создание преобразователя с большим диаметром апертуры для размещения, в том числе, в высоких слоях атмосферы и в космосе. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь электромагнитного излучения телескопический, содержащий опорный каркас и механически связанные с опорным каркасом первичное зеркало и вторичное зеркало, оптические оси которых совмещены, а фокусы зеркал совпадают или разнесены на заданное расстояние по оптической оси, отличающийся тем, что

основные элементы преобразователя изготовлены исключительно из оболочек, имеющих заранее заданные геометрические и механические характеристики и которые выполнены на основе гибких тонких пленок,

при этом опорный каркас представляет собой герметичную газонаполненную камеру, изготовленную из оболочки и имеет преимущественно форму, близкую к тору,

а на противоположных частях этого каркаса выполнены две базовые опорные поверхности каждая в форме плоского кольца, предназначенные для крепления на них оболочек преобразователя;

при этом оболочки, реализующие функцию первичного и вторичного зеркал преобразователя, с предварительным заданным натяжением или без такового герметично крепятся на противоположных базовых опорных поверхностях каркаса,

первичное вогнутое зеркало представляет собой полностью или частично зеркальную первую оболочку, герметично прикрепленную с предварительным заданным натяжением или без такового к опорному каркасу на его базовой опорной поверхности по кольцу,

вторичным выпуклым зеркалом является центральная часть второй оболочки, которая выполнена прозрачной, за исключением своей центральной части, которая с предварительным заданным натяжением или без такового герметично прикреплена к опорному каркасу на его базовой опорной поверхности по кольцу противоположно линии крепления оболочки первичного зеркала,

а третья оболочка закреплена герметично на второй оболочке по кольцу с центром на оптической оси первичного зеркала с радиусом, равным радиусу вторичного зеркала, на поверхности второй оболочки, которая противоположна поверхности, обращенной к первичному зеркалу,

при этом герметичные полости между оболочками заполнены газом (смесью газов) под давлением,

а давление газа (смеси газов) в каждой герметичной полости с помощью комплекса измерительных датчиков, исполнительных компрессоров и адаптирующей системы управления обеспечивается таким, чтобы получить и сохранять в реальном времени требуемую форму опорного каркаса - преимущественно форму тора - и требуемую форму отражающей поверхности первичного и вторичного зеркал - преимущественно параболоид вращения с заранее заданными параметрами.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит выполненный аналогично первому опорному каркасу второй опорный каркас, расположенный между второй и третьей оболочками, которые герметично к нему прикреплены на его противоположных базовых опорных поверхностях по кольцу,

диаметр второго каркаса близок к диаметру вторичного зеркала,

при этом герметичная полость, образованная второй оболочкой, вторым опорным каркасом и третьей оболочкой, заполнена газом (смесью газов) под давлением,

а давление газа (смеси газов) в этой полости с помощью комплекса измерительных датчиков, исполнительных компрессоров и адаптирующей системы управления обеспечивается таким, чтобы получить и сохранять в реальном времени требуемую форму второго опорного каркаса - преимущественно форму тора - и требуемую форму отражающей поверхности вторичного зеркала - выпуклого или вогнутого параболоида вращения с заранее заданными параметрами.