РАЗВЕРТЫВАЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА Советский патент 1994 года по МПК B64G1/22 B64G1/44 

Изобретение относится к космической технике, а более конкретно - к развертываемым в космосе конструкциям солнечных батарей (СБ), антенн, отражателей и др.

Известна развертываемая конструкция (РК), содержащая спаренные растягиваемые торообразные статоры кольцевого электродвигателя (ЭД), размещенные внутри них кольцевые растягиваемые роторы, а также крепежную арматуру.

Недостатком данной РК является невозможность ее использования для создания переориентируемых в пространстве объектов, так как эта РК должна занимать неизменное положение относительно планеты. Кроме того, масса и габариты РК существенно ограничены снизу.

Наиболее близким техническим решением из числа известных является РК космического объекта (КО), содержащая гибкий каркас, несущее кольцо (выполненное в виде "нити" или цепочки подвижно соединенных жестких элементов), соединенное вдоль своего контура с каркасом, взаимодействующее с несущим опорное кольцо и средства управления развертыванием. Данная РК стабилизируется в пространстве и принимает свою рабочую конфигурацию путем закрутки вокруг оси симметрии.

Недостатком известной РК является трудность и длительное время ее переориентации из одного пространственного положения в другое. Кроме того, для такой переориентации могут потребоваться дополнительные средства системы ориентации и стабилизации КО (реактивные двигатели или маховики), что увеличит массу КО и конструкции.

Целью изобретения является повышение способности РК и оперативной переориентации в пространстве и снижение массы за счет использования колец и средств управления развертыванием в качестве элементов системы ориентации и стабилизации.

Эта цель достигается тем, что в известной РК КО, содержащей гибкий каркас, несущее кольцо, соединенное вдоль своего контура с каркасом, взаимодействующее с несущим опорное кольцо и средства управления развертыванием, несущее кольцо выполнено в виде двух статоров кольцевого ЭД, скрепленных друг с другом вдоль замкнутого контура, а опорное кольцо - в виде двух роторов этого ЭД, взаимодействующих каждый со своим статором; при этом средства управления развертыванием выполнены в виде системы питания и коммутации обмоток каждого из статоров, а данная система снабжена устройством для регулирования скорости и изменения направления вращения каждого из роторов относительно взаимодействующего с ним статора.

Кроме того, на несущем кольце могут быть установлены элементы механической и электрической стыковки с КО. Причем РК может содержать несколько несущих колец и взаимодействующих с ними опорных колец; при этом каркас может быть выполнен из нескольких отдельных частей, каждая из которых соединена своей кромкой с одним из несущих колец, а на несущих кольцах могут быть установлены элементы механической и электрической стыковки этих колец друг с другом и с КО. При этом элементы механической стыковки могут быть снабжены приводами поворота несущих колец относительно КО.

Наконец, несущие кольца могут быть снабжены средствами для разворота одного кольца относительно другого.

На фиг.1 показан фрагмент РК в рабочем положении; на фиг.2 - РК в сложенном состоянии; на фиг.3 - РК, составленная из нескольких отдельных частей гибкого каркаса с несущими кольцами; на фиг.4 - характерное положение РК на орбите (в случае развертывания на ней СБ); на фиг.5 - вариант РК, выполненной в виде двухъярусной конструкции; на фиг.6 - РК, состыкованная с орбитальной космической станцией (ОКС).

РК содержит гибкий каркас 1, например пленку отражателя или основу для крепления на ней СБ. С каркасом соединено вдоль своего контура несущее кольцо, выполненное в виде скрепленных друг с другом статоров 2 и 3 кольцевого ЭД. Статоры могут быть выполнены в виде полых (упругих или эластичных) трубок с последовательно закрепленными внутри них соленоидными обмотками, подключенными к системе питания и коммутации. Внутри трубок размещены роторы 4 и 5 кольцевого ЭД. Эти роторы могут представлять собой растягиваемые сердечники упомянутых выше соленоидов, выполненные (полностью или частично) из магнитного материала. Возможны и другие электротехнические схемы кольцевого ЭД. При необходимости каркас 1 может быть снабжен упрочняющими тросами (нитями) 6, прикрепленными к несущему кольцу.

В одном из возможных вариантов трубки статоров 2 и 3 могут быть выполнены из отдельных, соединенных друг с другом секций 7 и с применением материалов, обладающих свойством термомеханической памяти (ТМП). Это позволит, в частности, уложить РК в сложенное состояние, как показано на фиг.2; несущие кольца (статоры 2 и 3) деформированы по узлам сочленения 8 секций 7. При этом секциям 7 и элементам узлов 8 задана рабочая форма, соответствующая круговой форме несущего кольца. В узлах сочленения возможна установка нагревателей элементов с ТМП (например, деталей в виде сильфонов, изогнутых пластин, соединяющих секции друг с другом в стыке и т.п.).

РК может быть составлена из нескольких "ячеек" 9 (фиг.3), соединенных друг с другом посредством элементов 10 механической и электрической стыковки. Каждая "ячейка" 9 представляет собой РК, фрагментарно изображенную на фиг.1, и в сложенном виде - на фиг.2.

"Ячейки" могут быть снабжены средствами разворота одно относительно другого (в частности - приводами поворота несущих колец в составе элементов 10 при определенных схемах стыковки "ячеек".

Такая РК может применяться для развертывания СБ большой площади, в составе мощных космических электростанций. В этом случае предусмотрен преобразователь и энергопередающая антенна 11, соединенные кабелем 12 с СБ, размещенной на каркасе РК.

При создании объемных конструкций или РК повышенной жесткости несущие кольца 13 и 14 ячеек 9 и 15 могут быть соединены по двухярусной схеме с помощью элементов фермы 16.

При функционировании совместно с ОКС несущие кольца 17 РК (СБ) могут быть соединены с корпусом 18 ОКС посредством элементов стыковки 19, снабженных приводами поворота этих колец относительно корпуса 18 (фиг.6).

РК работает следующим образом.

После выведения на орбиту несущие кольца РК из сложенного состояния (фиг. 2) переводятся в рабочее. В данном случае это осуществляется за счет нагрева секций 7 излучением Солнца, а элементов с ТМП узлов сочленения 8 - нагревателями (при необходимости), в результате чего восстанавливается рабочая форма РК.

Более крупные РК требуют проведения дополнительных сборочных работ по соединению "ячеек" РК (фиг.3) в единую конструкцию.

Окончательная рабочая конфигурация РК достигается запуском кольцевых ЭД, подключенных через элементы электрической стыковки к системе питания и коммутации статорных обмоток, которая размещена, например, на КО. В результате раскрученные роторы 4 и 5 (фиг.1), воздействуя на статоры 2 и 3, растягивают гибкий каркас, придавая его поверхности рабочую (плоскую) форму.

Если роторы 4 и 5 раскручены в разных направлениях (фиг.1) так, что их собственные кинетические моменты равны по величине и противоположны по знаку, то требуемое натяжение гибкого каркаса создается без гиростабилизирующего воздействия на РК (и связанный с нею КО), что позволяет ей свободно менять свое положение в пространстве.

При необходимости сохранения заданной ориентации в пространстве, например, относительно солнечного потока 20 плоскости СБ РК 21 (фиг.4), собственные кинетические моменты роторов 4 и 5 должны быть сделаны различными (по крайней мере, для некоторых из "ячеек" РК на фиг.3), что достигается регулированием скорости вращения каждого из роторов соответствующим устройством системы питания и коммутации.

При повороте с помощью предусмотренных для этого приводов несущих колец одно относительно другого или - КО на некоторые углы, появляется возможность управления двух - или даже трехосной ориентацией РК (и КО), т.к. в этом случае роторы ЭД несущих колец могут выполнять функции двигателей-маховиков системы ориентации и стабилизации. При этом использование в каждом несущем кольце двух независимо вращающихся кольцевых роторов повышает гибкость управления с одновременным сохранением требуемого натяжения гибкого каркаса РК.

Будучи развернута в рабочее положение и стабилизирована в этом положении, РК выполняет свою конкретную задачу, например, осуществляя с помощью антенны 11 (фиг.3) передачу на Землю преобразованной электроэнергии, вырабатываемой СБ "ячеек" 9.

Использование изобретения позволит повысить эффективность применения специализированной космической техники, преимущественно крупногабаритных облегченных конструкций (с пленочным каркасом), уменьшив затраты на их выведение, развертывание и эксплуатацию.

1. РАЗВЕРТЫВАЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА, содержащая гибкий каркас, несущее кольцо, соединенное вдоль своего контура с каркасом, взаимодействующее с несущим опорное кольцо и средства управления развертыванием, отличающаяся тем, что, с целью повышения способности к оперативной переориентации в пространстве и снижения массы за счет использования колец и средств управления развертыванием в качестве элементов системы ориентации и стабилизации, в ней несущее кольцо выполнено в виде двух статоров кольцевого электродвигателя, скрепленных друг с другом вдоль замкнутого контура, а опорное кольцо - в виде двух роторов этого двигателя, взаимодействующих каждый со своим статором, при этом средства управления развертыванием выполнены в виде системы питания и коммутации обмоток каждого из статоров, а данная система снабжена устройством для регулирования скорости и изменения направления вращения каждого из роторов относительно взаимодействующего с ним статора. 2. Конструкция космического объекта по п.1, отличающаяся тем, что на несущем кольце установлены элементы механической и электрической стыковки с космическим объектом. 3. Конструкция космического объекта по п.1, отличающаяся тем, что содержит несколько несущих колец и взаимодействующих с ними опорных колец, каркас выполнен из нескольких отдельных частей, каждая из которых соединена своей кромкой с одним из несущих колец, а на несущих кольцах установлены элементы механической и электрической стыковки этих колец друг с другом и с космическим объектом. 4. Конструкция космического объекта по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что элементы механической стыковки снабжены приводами поворота несущих колец относительно космического объекта. 5. Конструкция космического объекта по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что несущие кольца снабжены средствами для разворота одного кольца относительно другого.