Шарнир трансформируемого рефлектора зонтичного типа Российский патент 2023 года по МПК F16C11/04 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к шарнирным узлам, служащим для раскрытия складных рефлекторов космических антенн зонтичного типа.

Анализ опыта разработки высокоточных (со среднеквадратичным отклонением профиля рефлектора от теоретического не более 1 мм) рефлекторов с диаметром раскрыва от 2 м до 12 м показывает, что с точки зрения массовых затрат (соотношение цены запуска ракеты и массы полезного груза) в механизмах раскрытия предпочтительнее применение пружинных приводов. Механизм раскрытия рефлектора с электромеханическим приводом, обеспечивающий такую же надежность раскрытия, примерно в 3-5 раз тяжелее механизма раскрытия с пружинным приводом.

Известен шарнирный узел в складном пространственном каркасе (а.с. SU946279), выполненный в виде гибких соединенных элементов, жестко связанных концами с стержневыми элементами каркаса.

Недостатком известного устройства является недостаточная устойчивость гибких стержней на изгиб и резкое высвобождение накопленной внутренней механической энергии.

Резкое высвобождение накопленной энергии пружинных лент приводит к возникновению колебаний рефлектора при раскрытии, из-за чего он будет находиться в неактивном состоянии, кроме этого, неконтролируемое резкое раскрытие пружинных лент может привести к возникновению ударных нагрузок, превышающих предельно-допустимые значения и выходу рефлектора из строя.

Известен шарнирный узел складного рефлектора космической антенны (Пат. RU 2291528), содержащий жестко связанный со стержневыми элементами каркаса антенны гибкий элемент, выполненный в виде противоположно расположенных упругих профилированных лент.

Недостатком известного устройства является ограниченная жесткость на кручение и резкое высвобождение накопленной внутренней механической энергии.

В качестве ближайшего аналога выбран шарнирный элемент по патенту RU2414028C1, который принят за прототип.

Шарнирный узел содержит противоположно расположенные две упругие профилированные ленты, жестко связанные концами со стержневыми элементами (спицами). Упругие профилированные ленты в свободном состоянии имеют корытообразную форму, обеспечивающую необходимую жесткость, а при продольном упругом деформировании приобретают в месте изгиба плоскую форму. Раскрытие шарнирного узла происходит после освобождения от действия внешних сил, удерживающих стержневые элементы в сложенном состоянии, за счет упругих сил профилированных лент, стремящихся привести ленты в устойчивое состояние, когда они имеют корытообразную форму по всей длине.

Основным недостатком прототипа является резкое и неконтролируемое высвобождение накопленной механической энергии упругих профилированных лент после освобождения от действия внешних сил.

Задачей изобретения является предотвращение резкого высвобождения накопленной энергии упругих профилированных лент и обеспечение плавности процесса раскрытия.

Указанная задача достигается тем, что в известном шарнире трансформируемого рефлектора зонтичного типа, содержащем упругую профилированную ленту, генерирующую упругую движущую силу раскрытия, согласно изобретению, упругая профилированная лента размещена между сопряженными дисками - опорой и фиксатором спицы, выполненными в форме полукруга, с жестким закреплением одного конца упругой профилированной ленты на рабочей поверхности опоры, а другого – на рабочей поверхности фиксатора спицы; при этом опора соединена с фиксатором спицы с помощью планок, обеспечивающих возможность перемещения фиксатора относительно опоры, а также скоб, снабженных нагревательными элементами, обеспечивающих плавность и управляемость процесса раскрытия за счет выполнения их из материала с памятью формы

Технический результат, выраженный в обеспечении плавности и управляемости процесса раскрытия, а также в повышении надежности безаварийного раскрытия, достигается за счет использования двух сопряженных по полукруглым поверхностям элементов (подвижного – фиксатор спицы и неподвижного – опора), соединенных при помощи упругой профилированной ленты, что позволяет обеспечить перевод шарнира из рабочего положения в транспортировочное и обратно строго по направляющим в момент перекатывания подвижного элемента по неподвижному, а также за счет дополнительного соединения подвижного и неподвижного элементов скобами, изготовленными из полимерного материала, обладающего эффектом памяти формы и выполняющего роль актуатора, сдерживающего резкое высвобождение накопленной механической энергии упругой профилированной лентой.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен шарнир в рабочем (раскрытом) положении. На фиг. 2 представлен шарнир в рабочем положении и сечение А-А. На фиг. 3 представлен шарнир в рабочем положении и сечении Б-Б. На фиг. 4 представлены различные положения шарнира, поясняющие процесс раскрытия. На фиг. 5 представлен внешний нагревательный элемент скобы. На фиг. 6 представлен шарнир, соединенный со ступицей и спицей рефлектора, находящегося в рабочем положении.

Шарнир (фиг. 2) состоит из двух сопряженных дисков: диска - опоры 1 и диска - фиксатора спицы 2. Диски имеют форму полукруга. Полукруговая поверхность является рабочей поверхностью, а поверхность противоположная рабочей служит для присоединения к ступице рефлектора – у опоры, либо для крепления и фиксации спиц – у фиксатора спицы. На торцевых поверхностях опоры 1 и фиксатора спицы 2 выполнены углубления (на фиг не обозначены), предназначенные для фиксации элементов шарнира. Опора 1 и фиксатор спицы 2 соединены двумя планками 3, размещенными на их торцевых поверхностях. Планки 3 посажены на подшипники 4 в центральные отверстия опоры и фиксатора и закреплены винтами 5. Планки обеспечивают возможность перемещения подвижного фиксатора 2 по неподвижной опоре 1 на угол приблизительно равный 180 градусам.

На периферии рабочих полукруговых поверхностей фиксатора 2 и опоры 1 выполнены, соответственно, односторонний выступ и ответное углубление, что обеспечивает рельсовый ход во время перемещения и исключает деформации кручения в области их соединения. В центральной части рабочей поверхности опоры 1 и фиксатора спицы 2 установлена упругая профилированная лента 6 (пружина), концы которой жестко закреплены на противоположных краях опоры 1 и фиксатора спицы 2 (вне зоны перемещения) (фиг. 3). Опора и фиксатор спицы дополнительно соединены двумя скобами 7, имеющими форму «интеграла» с отогнутыми концами, на которых выполнены выступы полусферической формы (фиг. 4, 5). Скобы устанавливают на торцевых поверхностях опоры и фиксатора и крепят с помощью соединения замкового типа, а полусферические выступы отогнутых концов фиксируют в ответных углублениях, выполненных на противоположных краях торцевых поверхностей опоры 1 и фиксатора 2, свободных от крепления упругих профилированных лент.

Скобы 7 снабжены внешними нагревательными элементами 8 (фиг. 5). В качестве нагревательных элементов может быть использована нихромовая нить (d=0,1 мм), намотанная на скобу 7 по спирали с шагом 1 мм, покрывая всю длину скобы.

Скобы выполнены из полимера (полиуретана), обладающего эффектом памяти формы. Для изготовления скобы могут быть использованы высокотемпературные полимеры с эффектом памяти формы, например, фотополимерный полибензоимидозол для DLP/LCD/SLA технологии 3D-печати, термопластичный полиимид для технологии FDM 3D-печати.

Опора 1 и фиксатор спицы 2 могут быть изготовлены из ABC, PLA и других полимеров с использованием технологи FDM 3D-печати или из фотополимерных смол, используя DLP/LCD/SLA технологии 3D-печати, что позволяет изменять и адаптировать под требуемый вариант соединения со ступицей и спицами рефлектора большую часть их конструктива.

Упругая профилированная лента 6 изготовлена из композитного углепластикового материала.

Шарнир работает следующим образом.

Опора 1 устанавливается и крепится к центральной ступице рефлектора. К верхней части фиксатора спицы 2 крепится спица рефлектора зонтичного типа (фиг. 6). Для перевода рефлектора из рабочего положения в транспортировочное на нагревательные элементы, намотанные на скобы 7, (фиг. 5) поступает сигнал от системы управления. Скобы нагреваются до температуры T_g, определяющей переход полимера с эффектом памяти формы в высокоэластическое состояние, и размягчаются, позволяя беспрепятственно переместить фиксатор спицы 2 по полукруговой поверхности неподвижной опоры 1 до транспортировочного положения шарнира (среднее положение на фиг. 4). При перемещении фиксатора опоры 1 до транспортировочного положения шарнира упругая профилированная лента 6, выполняющая роль генератора упругой движущей силы, деформируется, переходит в напряженно-деформированное состояние, накапливая упругую механическую энергию (среднее положение фиг. 4). В транспортировочном положении шарнира скобы 7 удерживаются до тех пор, пока не остынут. После остывания скобы 7 имеют достаточную жесткость для удерживания и фиксации упругой профилированной ленты в напряженно-деформированном состоянии транспортировочного положения. При повторном нагреве внешних нагревательных элементов 8 наблюдается инициация эффекта памяти формы скоб 7 шарнира, находящегося в транспортировочном положении. По мере достижения значения T_g, скобы 7 размягчаются, наблюдается плавное снижение их жесткости и сопротивления упругой профилированной ленте 6, находящейся в напряженном деформированном состоянии, начинается процесс раскрытия с заданной скоростью. В процессе раскрытия посредством инициации эффекта памяти формы наблюдается восстановление исходной формы скоб 7 (конечное положение фиг. 4), заданного в процессе 3D печати. Скобы 7 при этом предотвращают резкое высвобождение накопленной энергии пружины 6 и обеспечивают плавность процесса раскрытия.

Конструкция шарнира позволяет при необходимости рассматривать в качестве транспортировочного положения шарнира положение, обозначенное на фиг. 4. как крайнее. При этом алгоритм перевода шарнира в крайнее положение аналогичен описанному выше.

Предлагаемый шарнир, выполненный из фотополимерной смолы (опора 1 и фиксатор спицы 2), эпоксидной смолы, армированной высокомодульными углеродными волокнами (упругая профилированная лента 6) и полиуретана с эффектом памяти формы (скобы 7) имеет габариты 84х42х83, небольшой удельный вес (не более 100 г) и обеспечивает плавность и управляемость процесса раскрытия трансформируемого рефлектора зонтичного типа диаметром раскрыва от 2 до 8 м, с повышенной надежностью безаварийного раскрытия.

Использование: для раскрытия складных рефлекторов космических антенн зонтичного типа. Сущность изобретения заключается в том, что интеллектуальный шарнир трансформируемого рефлектора зонтичного типа содержит упругую профилированную ленту, генерирующую упругую движущую силу раскрытия, отличающийся тем, что упругая профилированная лента размещена между сопряженными дисками: опорой и фиксатором спицы, выполненными в форме полукруга, с жестким закреплением одного конца упругой профилированной ленты на рабочей поверхности опоры, а другого на рабочей поверхности фиксатора спицы, при этом опора соединена с фиксатором спицы с помощью планок, обеспечивающих возможность перемещения фиксатора спицы относительно опоры, а также скоб, снабженных нагревательными элементами, обеспечивающих плавность и управляемость процесса раскрытия за счет выполнения их из материала с памятью формы. Технический результат: обеспечение возможности предотвращения резкого высвобождения накопленной энергии упругих профилированных лент и обеспечение плавности процесса раскрытия складных рефлекторов космических антенн зонтичного типа. 6 ил.

Шарнир трансформируемого рефлектора зонтичного типа, содержащий упругую профилированную ленту, генерирующую упругую движущую силу раскрытия, отличающийся тем, что упругая профилированная лента размещена между сопряженными дисками: опорой и фиксатором спицы, выполненными в форме полукруга, с жестким закреплением одного конца упругой профилированной ленты на рабочей поверхности опоры, а другого – на рабочей поверхности фиксатора спицы, при этом опора соединена с фиксатором спицы с помощью планок, обеспечивающих возможность перемещения фиксатора спицы относительно опоры, а также скоб, снабженных нагревательными элементами, обеспечивающих плавность и управляемость процесса раскрытия за счет выполнения их из материала с памятью формы.