Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата

Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к космической технике, в частности к зеркальным антеннам с развертываемым крупногабаритным рефлектором зонтичного типа.

В настоящее время на телекоммуникационных спутниках широко используются многолучевые зеркальные антенны с вынесенной облучающей системой с развертываемым крупногабаритным осенесимметричным рефлектором с диаметром 12 м (поверхность рефлектора - круговая вырезка диаметром 12000 мм из параболоида вращения со смещением): см. стр.9-12 в монографии «Гряник М.В., Ломан В.И. Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа. М.: «Радио и связь», 1987» [1]; известны также конструкции развертываемых рефлекторов таких антенн согласно патенту Российской Федерации №2214659 - «Развертываемый крупногабаритный космический рефлектор» [2] и патенту США №6028569 - «Устройство с большим крутящим моментом и метод использования композитных материалов для раскрытия рефлектора зонтичного типа с множеством ребер» [3].

Анализ, проведенный авторами, показал, что, когда для обеспечения требуемых электрических характеристик антенны среднеквадратичное отклонение (СКО) профиля рабочей поверхности рефлектора от теоретического должно быть менее 1,5 мм при одновременном обеспечении уменьшения массы антенны по сравнению с известными антеннами, общим существенным недостатком известных антенн является сложность силовой конструкции, обеспечивающей рабочее положение рефлектора в условиях орбитального функционирования, из-за наличия в конструкции рефлектора [2] множества стрежней (72 шт) и электроприводов (8 шт, которые должны быть зарезервированы, т.к. отказ одного из 8 электроприводов не обеспечит полное раскрытие рефлектора в рабочее положение в условиях орбитальной эксплуатации рефлектора) и из-за необходимости предусмотреть в конструкции рефлектора [3] множество ребер жесткости, в совокупности приводящая к неприемлемой увеличенной массе антенн [2] и [3].

Кроме того, как показал анализ, для обеспечения СКО профиля рабочей поверхности рефлектора менее 1,5 мм должны быть уменьшены размеры ячейки (площадь и две противоположные стороны таким образом, чтобы все длины четырех сторон отличались как можно меньше) сетеполотна в конструкции рефлектора [2], т.е. должно быть предусмотрено увеличенное количество опорных точек, в особенности вне центральной зоны сетеполотна рефлектора, что также обуславливает дополнительное усложнение конструкции и увеличение массы рефлектора, а для рефлектора [3] в случае, если его диаметр равен 12 м, при обеспечении СКО менее 1,5 мм количество ребер жесткости и диаметр центрального узла будут такими, что по массе рефлектор [3] будет проигрывать рефлектору [2]. (Ячейка сетеполотна - это элементарная часть рабочей поверхности сетеполотна, имеющая в реальных конструкциях, как правило, форму пространственного четырехугольника, вершинами которого являются четыре взаимно соседне расположенные точки закрепления сетеполотна к опорным точкам - узлам формообразующей структуры (в опорных точках соответствующие реальные точки поверхности сетеполотна совпадают (например, с точностью±0,6 мм) с теоретическими точками параболоида вращения): из-за упругой деформации сетеполотна ячейки имеют форму поверхности выпуклую (подушечный эффект), тогда как в целом рабочая поверхность сетеполотна имеет вогнутую поверхность (см. абзацы 2 и 3 снизу на стр.17 в [1]), причем чем больше площадь ячейки и чем длинее две противоположно расположенные стороны четырехугольника при одной и той же его площади, тем существеннее отклонения поверхности ячейки от требуемой (теоретической) поверхности заданного параболоида вращения - для вышеуказанных известных рефлекторов максимальное вышеуказанное отклонение составляет ΔН=(3-5) мм и более).

Таким образом, если разработать рефлектор с СКО профиля рабочей поверхности его сетеполотна менее 1,5 мм по известным техническим решениям, его конструкция будет еще более сложной и с еще более увеличенной массой по сравнению с известными конструкциями рефлектора.

Анализ источников информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата является патент Российской Федерации №2214659 [2].

Вышеуказанный известный развертываемый крупногабаритный космический рефлектор содержит следующие основные элементы (см. фиг.16, 17, 18): центральный узел 11 (имеющий основание и фланец с центром, расположенным в вершине (точка 0) рефлектора); силовой каркас - силовое кольцо, образованное множеством (72 шт) шарнирно соединенных стержней 12, связанных своими концами с телескопическими стойками 13, на которых установлены 8 шт электроприводов 14 (предназначенных для раскрытия рефлектора из сложенного вокруг центрального узла положения); опорные лепестки 15, шарнирно соединенные со стойками 13 и с центральным узлом 11; сетеполотно 16, закрепленное в дискретных точках - опорных точках (узлах) формообразующей структуры, задающих профиль рабочей поверхности рефлектора: элементами формообразующей структуры, задающими вышеуказанный профиль, - опорными точками являются концы штанг 17, закрепленные на опорных лепестках 15, соответствующие точки на рычагах 18, стойках 13 и центральном узле 11; ограничительные ленты 19, закрепленные над каждым опорным лепестком 15.

Выше было указано, что основным недостатком рефлектора [2] является сложность конструкции из-за наличия в ней множества шарнирно связанных прецезионно изготовленных элементов - стержней (72 шт) и множества электроприводов (8 шт), а также множества тросов (с суммарной длинной 13 м), используемых для преобразования вращательного движения электроприводов во вращательное движение силового кольца с накручиванием и расположения остальных элементов рефлектора вокруг центрального узла, причем, как показал анализ, для обеспечения требуемого значения среднеквадратичного отклонения профиля рабочей поверхности рефлектора (не более 1,5 мм) количество опорных точек (или узлов) формообразующей структуры должно быть еще более увеличено (в 2-3 раза) - и все это приводит к неприемлемому усложнению конфигурации и еще большему увеличению массы рефлектора; кроме того (см. фиг.18), даже при таком увеличении их количества все равно не решается задача уменьшения имеющегося существенного отрицательного подушечного эффекта (ΔН≥(3-5) мм) на величину среднеквадратичного отклонения профиля рабочей поверхности 16.1 сетеполотна 16 от требуемой теоретической поверхности 20 параболоида вращения из-за точечного закрепления сетеполотна 16 только в точках концов штанг (17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - реперные знаки, расположенные на сетеполотне противоположно концам штанг 17).

Таким образом, существенными недостатками известной конструкции крупногабаритного рефлектора космического аппарата [2] (имеющего, например, рефлектор, дающий в плане проекцию в форме эллипса с параметрами большой и малой осей - 14747 мм и 12000 мм) являются сложность конструкции и повышенная масса рефлектора, и обеспечение недостаточной точности соответствия реальной отражающей поверхности рефлектора требуемой (теоретической) отражающей поверхности при реально имеющейся повышенной массе рефлектора, а при повышенном требовании среднеквадратичное отклонение реальной поверхности сетеполотна от требуемой теоретической должно быть не более 1,5 мм - количество опорных точек (узлов) формообразующей структуры должно быть существенно (в 2-3 раза) увеличено, что приводит к еще более увеличенной массе рефлектора.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается выполнением конструкции развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата таким образом, что:

- силовой каркас изготовлен в виде шарнирно соединенных с основанием прямолинейных спиц, выполненных в виде сетчатой стержневой конструкции с закрепленными на их концах консолями, причем с противоположной стороны от раскрыва рефлектора установлена прикрепленная к основанию, изготовленному из сотовой панели, телескопическая мачта, единым центром связанная с гибкими оттяжками, в свою очередь связанными со спицами, а формообразующая структура выполнена в виде гибких лент, равномерно расположенных в радиальных направлениях от фланца к концам консолей и шнурам, соединяющим концы соседних консолей, и присоединенных к рабочей поверхности сетеполотна, при этом к поверхности гибких лент прикреплены разноудаленные от центра кронштейны, содержащие скобы - узлы формообразующей структуры, в осевом направлении соединенные стяжными нитями со шнурами, натянутыми в виде арки между спицами напротив размещения соответствующих тангенциальных шнуров, спицами и консолями;

- количество гибких лент увеличивается от центральной части к периферии и больше количества спиц;

- ленты и тангенциальные шнуры расположены на рабочей стороне сетеполотна и выполнены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов;

- силовые элементы конструкции силового каркаса, мачты и оттяжки выполнены из размеростабильных композиционных материалов;

- спицы выполнены равномерно расположенными в радиальных направлениях и расходящимися под заранее определенным углом относительно оси центрального узла;

- консоли выполнены с возможностью откидывания в сторону сетеполотна на угол, соответствующий формообразованию рефлектора, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой конструкции рефлектора и способе его изготовления.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-15.

Фиг.1 изображен общий вид (фронтальное изображение) предложенного авторами развертываемого крупногабаритного рефлектора антенны космического аппарата, где 1 - центральный узел; элементы силового каркаса: 2 - спицы (12 шт); 3 - консоли (12 шт); 4 - оттяжки (12 шт); 5 - мачта; 6 - сетеполотно; 7.2 - элемент формообразующей структуры - стяжная нить; OXYZ - система координат параболоида вращения; OpXpYpZp - система координат рефлектора; О_р - вершина рефлектора; F - фокус параболоида вращения; Р - поверхность параболоида вращения.

Фиг.2 изображена схема соединения спицы с консолями, с центральным узлом и формообразующей структурой, где 2 - спица; 3 - консоль; 4 - оттяжка; элементы центрального узла: 1.1 - основание; 1.2 - фланец (неэлектропроводный; покрыт заготовкой из сетеполотна, рабочей поверхностью, обращенной наружу); 1.3 - механизм выдвижения мачты 5; 7.1 - лента; 7.2 - стяжные нити; 7.3 - стяжной шнур.

Фиг.3 изображен общий вид рефлектора сверху, где 2 - спица; 3 - консоль; 6 - сетеполотно; 7.1 - ленты; 7.4 - шнур тангенциального контура; 7.5 - шнур между спицами 2 в виде арки.

Фиг.4 изображен фрагмент общего вида спицы 2, где 2.1 - спиральный элемент спицы; 2.2 - кольцевой элемент спицы.

Фиг.5 изображена принципиальная схема формообразующей структуры, где 2 - спицы; 6 - сетеполотно; 7.1 - ленты; 7.2 - стяжные нити; 7.4 - шнур тангенциального контура; 7.5 - шнур между спицами 2; 7.6 - кронштейн со скобой 7.6.1.

Фиг.6 изображена принципиальная схема расположения площади поверхности элемента сетеполотна между смежными узлами формообразующей структуры, где 6 - сетеполотно; 6.1 - рабочая поверхность сетеполотна; 6.2 - нерабочая поверхность сетеполотна; 7.1 - лента (например, толщиной 0,25 мм и шириной 8-16 мм), присоединенная к рабочей поверхности 6.1 сетеполотна 6; 7.4 - шнур тангенциального контура; 7.1.1, 7.1.2, 7.1.3, 7.1.4 - реперные точки (знаки), расположенные на лентах 7.1 напротив скобам 7.6.1 - узлам формообразующей структуры; Δh - максимальное отклонение реальной поверхности ячейки сетеполотна от теоретической поверхности 20 параболоида вращения из-за подушечного эффекта.

Фиг.7 изображена схема соединения спиц и лент с центральным узлом, расположенных выше спиц, где 2 - спица; 1.2 - фланец; 1.2.1 - кольцо; 1.1 - основание; 7.1 - ленты, расположенные выше спиц 2.

Фиг.8 изображена схема соединения лент с кольцом, прикрепленным к фланцу, где 1.2.1 - кольцо; 7.1 - ленты.

Фиг.9 изображена схема крепления кронштейна со скобой к ленте, где 7.1 - лента; 7.2 - стяжная нить; 7.4 - шнур тангенциального контура; 7.6.1 - скоба кронштейна 7.6; 6 - сетеполотно.

Фиг.10, 11 изображены виды силового каркаса без сетеполотна и формообразующей структуры, где 1 - центральный узел; 2 - спица; 3 - консоль; 4 - оттяжка; 5 - мачта.

Фиг.12, 13 изображена схема расположения рефлектора раскрывом вниз, где 1 - центральный узел; 2 - спица, 3 - консоль; 4 - оттяжка; 5 - мачта; 6 - сетеполотно; 8 - технологическое приспособление.

Фиг.14 изображена схема расположения рефлектора раскрывом вверх.

Фиг.15 - схема расположения рефлектора в транспортировочном положении: 1 - центральный узел; 2 - спица; 3 - консоль; 4 - оттяжка; 5 - мачта; 6 - сетеполотно; 9 - районы зачековки рефлектора при расположении на космическом аппарате; 10 - узел зачековки спиц и оттяжек в транспортировочном положении.

Конструктивные особенности предложенного рефлектора, обеспечивающие выполнение целей изобретения: упрощение конструкции и снижения массы рефлектора при одновременном обеспечении СКО профиля рабочей поверхности его менее 1,5 мм, следующие.

Силовой каркас изготовлен в виде шарнирно соединенных с основанием прямолинейных спиц 2 (12 шт), спицы 2 выполнены в виде сетчатой стержневой конструкции (см. журнал «Техника-молодежи», №2 за 1998 г., статью «Ажурные атланты» на стр.3) с закрепленными на их концах консолями 3: каждый консоль 3 может свободно перемещаться от спицы 2 на определенный угол от оси его в сторону сетеполотна 6; соответствующие геометрические размеры мачты 5, спиц 2 с консолями 3 и оттяжек 4 таковы, что в рабочем положении рефлектора спицы равномерно расположены в радиальных направлениях под определенным углом (например, 8°) к оси центрального узла 1 и зафиксированы, консоли 3 откинуты на максимально возможные углы от спиц 2, при этом конец каждого консоля 3 лежит на требуемой поверхности параболоида вращения. С противоположной стороны от раскрыва рефлектора установлена прикрепленная к основанию телескопическая мачта 5, единым центром связанная с гибкими оттяжками 4 (12 шт). Силовая конструкция каждой оттяжки 4 выполнена в виде двух жестких лент, соединенных между собой в зоне, расположенной ближе к мачте, через стальную плоскую пружину. Гибкие оттяжки 4, в свою очередь, связаны со спицами 2. В составе мачты 5 имеется механизм выдвижения мачты 1.3 (в частности, в его составе имеется один электропривод, резервированный по электродвигателю, для обеспечения поступательного движения телескопически расположенной части мачты 5). Основание 1.1 изготовлено из сотовой панели (см. стр.172-197 монографии: Иванов А.А., Кашин С.М., Семенов В.И. «Новое поколение сотовых заполнителей для авиационно-космической техники». М.: Энергоиздат, 2000). Силовые элементы конструкции силового каркаса 2, мачты 5 и оттяжек 4 выполнены из размеростабильных (с минимально возможными коэффициентами линейного расширения в широком диапазоне изменения температур, например, от минус 120 до плюс 120°С) композиционных материалов.

Формообразующая структура выполнена в виде гибких лент 7.1, которые равномерно расположены в радиальных направлениях от фланца 1.2 к концам консолей 3 и шнурам, соединяющим концы соседних консолей 3. При этом к поверхности гибких лент 7.1 прикреплены разноудаленные от центра фланца 1.2 кронштейны 7.6, содержащие скобы 7.6.1 - узлы формообразующей структуры. Ленты 7.1 присоединены к рабочей поверхности 6.1 сетеполотна скобами 7.6.1. Скобы 7.6.1 в тангенциальных направлениях соединены с натягом шнурами 7.4 с образованием контуров, а в осевом направлении соединены стяжными нитями 7.2 со шнурами 7.5, натянутыми в виде (в этом случае стяжные нити имеют различные длины и обеспечивают более надежное открытие рефлектора из транспортировочного в рабочее положение) арки между спицами 2 напротив размещения соответствующих тангенциальных шнуров 7.4, спицами 2 и консолями 3 (изменяя длину упругой стяжной нити 7.2 между соответствующей скобой 7.6.1 и точкой соединения на аркообразном шнуре 7.5, консолях 3 и спицах 2 регулируют положения скоб 7.6.1 - узлов формообразующей структуры до совпадения реперных знаков, расположенных на лентах напротив скоб, с теоретической точкой на параболоиде вращения (например, с точностью ±0,6 мм). Тангенциальные шнуры 7.4, как и ленты 7.1, расположены на рабочей стороне 6.1 сетеполотна 6 и выполнены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов (например, из полиимидной нити, ткани арамидной).

Количество лент 7.1 (больше количества спиц 2) в центральной области рефлектора меньше количества лент за ее пределами, тем самым достигается уменьшение размеров ячеек сетеполотна в периферийной зоне. В результате выполнения радиальных элементов формообразующей структуры в виде лент 7.1, расположения лент 7.1 и тангенциальных шнуров 7.4 со стороны рабочей поверхности 6.1 сетеполотна 6 (менее упругих по сравнению с сетеполотном 6), увеличенного количества лент 7.1 вне центральной зоны сетеполотна 6 существенно уменьшается отрицательное влияние подушечного эффекта на СКО профиля поверхности сетеполотна (Δh≤0,3 мм - см. фиг.6) (в противном случае для обеспечения СКО не более 1,5 мм пришлось бы увеличить количество радиальных элементов формообразующей структуры в 2-3 раза, что существенно усложняет конструкцию рефлектора с неприемлемым увеличением его массы).

В настоящее время предложенное авторами техническое решение «Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата» предусмотрено в технической документации НПО прикладной механики, по которой изготовлен опытный образец, проведены его предварительные испытания. Результаты испытаний показали:

1. Предложенное авторами техническое решение обеспечивает среднеквадратичное отклонение профиля реальной (изготовленной) поверхности рефлектора от теоретического профиля поверхности параболоида вращения не более 1,3 мм (при среднеквадратичном отклонении около 2700 реперных точек) после всех видов испытаний, имитирующих условия его эксплуатации.

2. В процессе разработки технической документации был проведен сравнительный анализ масс рефлектора, предложенного авторами, и известных рефлекторов, удовлетворяющих вышеуказанному требованию по среднеквадратичным отклонениям реальных профилей, и в результате взвешивания изготовленного рефлектора установлено, что предложение авторов обеспечивает выигрыш по массе как минимум 24 кг.

Из вышеизложенного следует, что в результате такого выполнения рефлектора упрощается его конструкция: в ее составе отсутствуют многочисленные шарнирно связанные стержни и металлические троссы, вместо 8 электроприводов - только один электропривод, что обеспечивает снижение массы рефлектора при одновременном повышении точности установки отражающей поверхности в результате увеличения количества ячеек сетеполотна вне центральной зоны его и выполнения радиальных элементов формообразующей структуры в виде лент 7.1 и расположения их (вместе с тангенциальными шнурами 7.4) со стороны рабочей поверхности 6.1 сетеполотна 6.

Развертывание рефлектора в рабочее положение производится следующим образом.

В исходном положении рефлектор установлен на космическом аппарате (под обтекателем ракеты-носителя типа «Протон» разработанный рефлектор размещается достаточно просто и при такой конструкции рефлектора обеспечивается оптимальная компоновка телекоммуникационного спутника, в особенности в части модуля полезной нагрузки), соединен со штангой выдвижения рефлектора и находится в свернутом транспортировочном положении (см. фиг.15): телескопическая мачта 5 имеет минимально возможную длину; оттяжки 4 и спицы 2 сложены вдоль мачты 5 и застопорены; сетеполотно 6 и формообразующая структура расположены вдоль спиц 2.

Рефлектор в районе фланца 3 центрального узла 1, концов мачты 5 и спиц 2 зафиксирован на космическом аппарате специальными приспособлениями - фиксаторами 9.

После выведения космического аппарата на рабочую орбиту и раскрытия солнечных батарей блок управления космического аппарата подает команду на раскрытие приспособлений фиксации 9 рефлектора (освобождение рефлектора), затем по команде происходит выдвижение и поворот штанги и прикрепленного к ней рефлектора в соответствующее рабочему рефлектору положение, после этого дается команда на расчековку 10 спиц 2 и оттяжек 4. Затем подается команда на включение в работу электропривода мачты 5 и рефлектор раскрывается в рабочее положение в результате соответствующего выдвижения телескопической части мачты 5; после достижения спицами 2 рабочего положения (и срабатывания их фиксаторов) электропривод выключается.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что в результате выполнения конструкции развертываемого крупногабаритного рефлектора антенны космического аппарата и изготовления его согласно предложенному авторами техническому решению достигается упрощение конструкции и одновременно повышение точности изготовления - среднеквадратичное отклонение профиля поверхности от теоретической не более 1,5 мм, обеспечивая при этом выигрыш по массе (не менее 24 кг) при создании вышеуказанного рефлектора.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации предприятия, изготовлен опытный образец рефлектора. Данные изготовления и испытаний его подтверждают выполнение целей изобретения.

1. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата, содержащий центральный узел в виде соосно расположенных основания и фланца с центром, находящимся вблизи вершины рефлектора, а также силовой каркас, механически связанный через формообразующую структуру с сетеполотном, отличающийся тем, что силовой каркас образован из шарнирно соединенных с основанием прямолинейных спиц, выполненных в виде сетчатых стержневых конструкций с закрепленными на их концах консолями, причем со стороны рефлектора, противоположной его раскрыву, установлена прикрепленная к основанию, изготовленному из сотовой панели, телескопическая мачта, единым центром соединенная с гибкими оттяжками, связанными с указанными спицами, а формообразующая структура выполнена в виде равномерно расположенных присоединенных к рабочей поверхности сетеполотна гибких лент, проходящих в радиальных направлениях от фланца к концам указанных консолей и шнурам, соединяющим концы соседних консолей, при этом к поверхности гибких лент прикреплены разноудаленные от центра кронштейны, содержащие соединенные друг с другом тангенциальными шнурами скобы-узлы формообразующей структуры, в осевом направлении соединенные стяжными нитями со спицами и консолями, а также со шнурами, натянутыми в виде арки между указанными спицами напротив соответствующих тангенциальных шнуров.

2. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что число гибких лент больше числа спиц и увеличивается от центральной части рефлектора к его периферии.

3. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что ленты и тангенциальные шнуры расположены на рабочей стороне сетеполотна и выполнены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов.

4. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что элементы конструкции силового каркаса, телескопическая мачта и оттяжки выполнены из размеростабильных композиционных материалов.

5. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что спицы равномерно расположены по радиальным направлениям и расходятся под заранее определенным углом относительно оси центрального узла.

6. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что консоли выполнены с возможностью откидывания в сторону сетеполотна на угол, соответствующий профилю рабочей поверхности рефлектора.