Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата

Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к космической технике, в частности к развертываемым крупногабаритным рефлекторам антенн зонтичного типа.

В настоящее время в составе (на борту) телекоммуникационных спутников широко применяются зонтичные антенны с развертываемым крупногабаритным (осесимметричным или осенесимметричным) рефлектором, например, диаметром 10-12 м, - см. патенты Российской Федерации (РФ) № 2262784 [1], 2214659 [2].

Вышеуказанные рефлекторы, установленные на космических аппаратах, на участке выведения их на рабочую орбиту находятся в свернутом, транспортировочном положении. После выведения космического аппарата на рабочую орбиту вышеуказанные рефлекторы раскрываются в рабочее положение и форма их радиоотражающей рабочей поверхности сетеполотна соответствует требуемому теоретическому профилю поверхности с некоторым допустимым среднеквадратичным отклонением.

Требуемую форму радиоотражающей рабочей поверхности сетеполотна в вышеуказанных известных технических решениях конструктивно обеспечивают расположением сетеполотна требуемой формы на профилирующей сетке (узловые точки которой принадлежат в пространстве соответствующим точкам теоретического профиля поверхности), изготовленной из шнуров и нитей из размеростабильного (с коэффициентом термического расширения менее 1·10^-6 1/град) материала, например, из полиимида (из кевлара).

Проведенный авторами анализ экспериментальных данных, полученных заявителем в процессе опытных исследований влияния воздействия дозы радиации (эквивалентной суммарной космической дозе радиации - ионизирующих излучений космического пространства, например, в течение 15 лет орбитального функционирования развертываемого крупногабаритного рефлектора) на жесткость различных эластичных, размеростабильных шнуров, нитей, применяемых в конструкции вышеуказанных рефлекторов, изготовляемых из материалов типа кевлар (армалон, арамидные, полиимидные), показал, что в результате воздействия вышеуказанной суммарной дозы радиации жесткость вышеупомянутых шнуров и нитей возрастает и из-за этого к концу требуемого срока эксплуатации на орбите (например, не менее 15 лет) относительное удлинение их уменьшается до 30-40% по сравнению с исходным при начале эксплуатации на орбите. Такое изменение жесткости шнуров и нитей в процессе эксплуатации развертываемых крупногабаритных рефлекторов, например, диаметром 25-50 м, может привести к недопустимому отклонению формы радиоотражающей поверхности от требуемой (теоретической) и к изменению фокусного расстояния рефлектора, и смещению его в пространстве от требуемого значения месторасположения, и, следовательно, влияние воздействия суммарной дозы космической радиации на шнуры и нити в известных конструкциях рефлекторов приводит к потере работоспособности их намного раньше (например, через 7-10 лет) требуемого срока эксплуатации, т.е. известные технические решения не обеспечивают требуемый срок (не менее 15 лет) эксплуатации рефлекторов на орбите.

Кроме того, как показал анализ, проведенный авторами, для крупногабаритных рефлекторов (например, диаметром 25-50 м), эксплуатирующихся на орбите, например, на геостационарной, необходимо также учесть влияние совместного воздействия гравитационных и центробежных сил на конструкцию вышеуказанных рефлекторов: согласно известному физическому закону (см. стр.23-29 книги: В.В.Белецкий. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М.: Наука, 1965 г. [3]) для крупногабаритного рефлектора, как правило, на спутнике размещенного достаточно удаленно от центра масс КА и имеющего собственные протяженные размеры (например, диаметр рефлектора 25-50 м), различные его элементы (в зависимости от месторасположения и расстояния их до центра масс КА) находятся под воздействием вышеуказанных сил различной величины; т.е. в условиях эксплуатации жесткость элементов конструкции и, следовательно, деформация различных элементов рефлектора (например, спиц) будет различной и профиль рефлектора может отличаться от теоретического профиля на недопустимую величину.

Таким образом, на основе вышеизложенного, для обеспечения работоспособности в течение требуемого срока в конструкции крупногабаритного рефлектора необходимо предусмотреть конструктивные элементы и соответствующие связи между ними, позволяющие подкорректировать форму рефлектора до близкой к требуемой теоретической форме.

Анализ также показал, рефлекторы диаметром 25-50 м, если их выполнить согласно известным техническим решениям, будут иметь повышенную, неприемлемую, массу для вновь разрабатываемых КА из-за повышенной массы силового кольца, состоящего из многочисленных элементов и электродвигателей, что также является существенным недостатком известных рефлекторов.

Наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого развертываемого крупногабаритного рефлектора (диаметром 25-50 м) космического аппарата является рефлектор по патенту РФ №2262784 [1], изображенный на фиг.5 и 6.

Вышеуказанный рефлектор (см. фиг.5 и 6) содержит следующие основные элементы: силовое кольцо 1; телескопические стойки силового кольца 2; рычажные звенья силового кольца 3; центральный узел 4; опорные радиальные элементы 5; сеть 6, профилирующая рабочую поверхность сетеполотна; поддерживающая сеть 7; гибкие параллельные элементы 8; узлы (узловые точки) 9; сетеполотно, имеющее требуемую форму (условно на фиг.5 не показано), расположенное на и прикрепленное к профилирующей сети 6; 10, 11 и 12, 13 формы профилирующей и поддерживающей сетей в начале и, например, через 7 лет эксплуатации на орбите соответственно (в случае, когда за время эксплуатации величины сил натяжения элементов 8 возрасли более, чем возросшие величины противодействующих им сил).

Выше было указано, что существенными недостатками вышеуказанного известного технического решения является недостаточно высокая надежность обеспечения работоспособности развертываемого крупногабаритного рефлектора (диаметром 25-50 м) космического аппарата в течение всего, не менее 15 лет, срока эксплуатации на орбите, а также его относительно повышенная масса.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

В результате анализа главных выходных рабочих характеристик (работоспособности, массы, компактности) рефлекторов диаметром 25-50 м различной спроектированной конструкции авторами установлено, что поставленная цель достигается выполнением конструкции развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата (включающего в себя стойки силового кольца, соседние концы которых с обеих сторон торца силового кольца соединены упруго эластичными периферийными силовыми шнурами, расположенный в центральной зоне силового кольца центральный узел, имеющий два фланца, каждый из которых радиальными эластичными шнурами соединен со стойками силового кольца в зоне их торцов, расположенных со стороны раскрыва рефлектора, и присоединенные к радиальным шнурам перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие две сетки с требуемыми ячейками, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность, к которой прикреплено сетеполотно, а другая - поддерживающей, при этом обе сетки упруго соединены между собой по противолежащим узловым точкам в местах перекрещивания шнуров параллельными эластичными стяжными нитями) следующим образом:

1. Фланец центрального узла, соединенный с поддерживающей сеткой, выполнен подвижным без закручивания относительно продольной оси, проходящей через оба фланца, и механически соединен с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора, основание которого расположено на плоскости, проходящей через торцы стоек силового кольца со стороны поддерживающей сетки, и выходные элементы вышеуказанного устройства соединены со спицами, каждая из которых выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных в прямолинейном положении пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем другой конец каждой спицы присоединен и зафиксирован с L-образным концом противостоящей стойки.

2. Профилирующая рабочую поверхность сетка расположена со стороны радиоотражающей рабочей поверхности сетеполотна.

3. Экраны (например, изготовленные из неэлектропроводной пленки) присоединены к поддерживающей сетке и к ее радиальным шнурам со стороны расположения спиц.

4. Каждое звено рефлектора, присоединенное к конкретному выходному элементу устройства подстройки формы радиоотражающей рабочей поверхности рефлектора, выполнено подвижным относительно вышеназванного выходного элемента в радиальном направлении.

5. Все эластичные шнуры и нити изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов, а звенья спиц выполнены из размеростабильного композиционного материала с законцовками из немагнитного сплава, соединенными с осями вращения между звеньями.

6. В транспортировочном положении стойки силового кольца радиально сдвинуты к центральной зоне, где звенья спиц сложены в сторону раскрыва 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 заявляемом развертываемом крупногабаритном рефлекторе космического аппарата.

Сущность предложенного авторами изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3, 4:

- на фигуре 1 изображен общий вид рефлектора со стороны раскрыва его - со стороны рабочей радиоотражающей поверхности сетеполотна в условиях эксплуатации на орбите (перекрещивающиеся эластичные шнуры на сетеполотне показаны только в одном секторе);

- на фигуре 2 изображен вид рефлектора в разрезе (расположенные на сетеполотне перекрещивающиеся шнуры условно не показаны);

- на фигуре 3 изображена принципиальная схема рефлектора со стороны расположения спиц;

- на фигуре 4 изображена принципиальная схема рефлектора в транспортировочном положении.

На вышеуказанных фигурах изображена конструкция предлагаемого рефлектора с использованием следующих элементов: 1 - стойки силового кольца; 2 - периферийные силовые шнуры; 3 - центральный узел; 4 и 5 - фланцы центрального узла 3; 6 - радиальные шнуры; 7 - перекрещивающиеся эластичные шнуры на сетках профилирующей и поддерживающей 8 и 9; 10 - эластичные стяжные нити; 11 - узловые точки в местах перекрещивания эластичных шнуров; 12 - устройство подстройки формы радиоотражающей рабочей поверхности рефлектора; 13 - экраны; 14 - выходные элементы устройства 12; 15 - спицы; 16 - звенья спицы 15; 17 - оси вращения звеньев 16; 18 - L-образный конец стойки 1; 19 - сетеполотно; 20 - дополнительный силовой шнур.

Предложенный авторами рефлектор (например, диаметром 50 м) включает в себя следующие основные элементы:

- стойки 1 силового кольца, соседние концы которых с обеих сторон торца силового кольца соединены упруго эластичными периферийными силовыми шнурами 2;

- расположенный в центральной зоне силового кольца центральный узел 3, имеющий два фланца 4 и 5, каждый из которых радиальными эластичными шнурами 6 соединен со стойками 1 силового кольца в зоне их торцов, расположенных со стороны раскрыва рефлектора;

- присоединенные к радиальным шнурам 6 перекрещивающиеся эластичные шнуры 7, образующие две сетки с требуемыми ячейками, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность 8, к которой прикреплено сетеполотно 19, а другая - поддерживающей 9, при этом обе сетки 8 и 9 упруго соединены между собой по противолежащим узловым точкам 11 в местах перекрещивания шнуров параллельными эластичными стяжными нитями 10 (в результате чего обеспечивается расположение точек 11 профилирующей сетки в непосредственной близости соответствующих точек теоретического профиля поверхности);

- устройство («ноу-хау») подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 12 (электромеханическое устройство, включающее в себя основной электродвигатель и резервный);

- экраны 13 (изготовленные из электроизоляционной пленки; предназначены для предотвращения запутывания элементов рефлектора при его развертывании);

- фланец 5 центрального узла 3, соединенный с поддерживающей сеткой 9, выполнен подвижным без закручивания относительно продольной оси, проходящей через оба фланца 4 и 5, и механически соединен с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 12, основание которого расположено на плоскости, проходящей через торцы стоек 1 силового кольца со стороны поддерживающей сетки 9, и выходные элементы 14 вышеуказанного устройства 12 соединены со спицами 15;

- каждая из спиц 15 выполнена из заранее определенного одинакового нечетного, для обеспечения компактности рефлектора в транспортировочном положении, количества звеньев, жестко зафиксированных в прямолинейном положении пружинами и фиксаторами относительно осей вращения их после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем первый конец каждой спицы 15 присоединен и зафиксирован с выходным элементом 14 устройства 12, а другой конец каждой спицы 15 присоединен и зафиксирован с L-образным концом 18 противостоящей стойки 1;

- профилирующая рабочую поверхность сетка 8 расположена со стороны рабочей радиоотражающей поверхности сетеполотна 19;

- экраны 13 присоединены к радиальным шнурам 6 и к поддерживающей сетке 9 со стороны расположения спиц 15;

- каждое звено 16 спиц 15, присоединенное к конкретному выходному элементу 14 устройства подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 12, выполнено подвижным относительно вышеназванного выходного элемента 14 в радиальном направлении;

- все эластичные шнуры 2, 6, 7 и нити 10 изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов (например, полиимидных), а звенья 16 спиц 15 выполнены из размеростабильного композиционного материала с законцовками из немагнитного сплава (например, из титанового сплава), соединенными с осями вращения 17 между звеньями 16;

- в транспортировочном положении стойки 1 силового кольца радиально сдвинуты к центральной зоне, где звенья 16 спиц 15 сложены в сторону раскрыва рефлектора.

В процессе разработки конструкции рефлектора согласно вышепредложенному установлено:

1. Предложенный рефлектор в результате, в частности, исключения из его состава известных многочисленных телескопических стоек и рычажных звеньев силового кольца и установленных на нем электродвигателей имеет пониженную массу по сравнению с известным рефлектором.

2. Интерфейс предусмотренного в составе предложенного рефлектора устройства подстройки формы радиоотражающей рабочей поверхности его с другими элементами рефлектора позволяет в течение и в условиях эксплуатации рефлектора на орбите при необходимости подкорректировать и поддерживать требуемую форму радиоотражающей поверхности.

В условиях эксплуатации антенны на орбите работа ее рефлектора происходит следующим образом.

На начальном этапе эксплуатации рефлектора на орбите сперва в результате воздействия пружин спиц 15 рефлектор развертывается (раскрывается) до срабатывания фиксаторов спиц (на данном этапе радиальные шнуры 6 натянуты слабо). Затем включают в работу устройство подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 12, и оно осуществляет соответствующее требуемое натяжение радиальных шнуров 6 с необходимыми рабочими усилиями (путем соответствующего изменения выдвижения соответствующих выходных элементов 14 устройства 12, в результате чего изменяются расстояния от L-образных концов 18 стоек 1 до продольной оси рефлектора; а также путем изменения положения подвижного фланца 5 центрального узла 3) - после чего профиль радиоотражающей поверхности сетеполотна 19 близок к требуемому, заданному техническими требованиями на изготовление. После этого и периодически в процессе эксплуатации антенны на орбите в течение 15 лет контролируют ее работу совместно с наземными средствами, расположенными в зоне обслуживания, и определяют необходимость изменения формы радиоотражающей поверхности сетеполотна 19. Если такая потребность есть, по командам с Земли задействуют в работу устройство подстройки формы радиоотражающей поверхности 12: используя данные наземных испытаний антенны, вышеуказанное устройство 12 в соответствии с поданными с Земли командами последовательно шаг за шагом изменяет величину силы натяжения конкретного радиального шнура 6 или конкретного дополнительного силового шнура 20 до требуемой (путем изменения длин шнуров на соответствующие величины), тем самым изменяются положения и форма спиц 15 и сетеполотна 19 до такого положения, когда форма рабочей радиоотражающей поверхности сетеполотна 19 соответствует требуемой, и, таким образом, работоспособность рефлектора обеспечивают в течение требуемого срока эксплуатации на орбите, равного не менее 15 лет.

Как следует из вышеизложенного, предложенное авторами новое техническое решение гарантированно обеспечивает работоспособность развертываемого крупногабаритного рефлектора (диаметром 25-50 м) в условиях орбитального полета и в течение всего требуемого срока эксплуатации на орбите, равного не менее 15 лет, а также конструкция вышеуказанного рефлектора имеет относительно пониженную массу по сравнению с известными техническими решениями, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Предложенное авторами вышеуказанное новое техническое решение будет использовано при разработке вновь создаваемых антенн.

1. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата, включающий в себя стойки силового кольца, соседние концы которых с обеих сторон торца силового кольца соединены упруго эластичными периферийными силовыми шнурами, расположенный в центральной зоне силового кольца центральный узел, имеющий два фланца, каждый из которых радиальными эластичными шнурами соединен со стойками силового кольца в зоне их торцов, расположенных со стороны раскрыва рефлектора, и присоединенные к радиальным шнурам перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие две сетки с требуемыми ячейками, одна из которых является профилирующей рабочую поверхность, к которой прикреплено сетеполотно, а другая - поддерживающей, при этом обе сетки упруго соединены между собой по противолежащим узловым точкам в местах перекрещивания шнуров параллельными эластичными стяжными нитями, отличающийся тем, что фланец центрального узла, соединенный с поддерживающей сеткой, выполнен подвижным без закручивания относительно продольной оси, проходящей через оба фланца, и механически соединен с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора, основание которого расположено на плоскости, проходящей через торцы стоек силового кольца со стороны поддерживающей сетки, и выходные элементы вышеуказанного устройства соединены со спицами, каждая из которых выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных в прямолинейном положении пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем другой конец каждой спицы присоединен и зафиксирован с L-образным концом противостоящей стойки.

2. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что профилирующая рабочую поверхность сетка расположена со стороны радиоотражающей рабочей поверхности сетеполотна.

3. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что экраны присоединены к поддерживающей сетке и к ее радиальным шнурам со стороны расположения спиц.

4. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что каждое звено рефлектора, присоединенное к конкретному выходному элементу устройства подстройки формы радиоотражающей рабочей поверхности рефлектора, выполнено подвижным относительно вышеназванного выходного элемента в радиальном направлении.

5. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что все эластичные шнуры и нити изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов, а звенья спиц выполнены из размеростабильного композиционного материала с законцовками из немагнитного сплава, соединенными с осями вращения между звеньями.

6. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что в транспортировочном положении стойки силового кольца радиально сдвинуты к центральной зоне, где звенья спиц сложены в сторону раскрыва рефлектора.