Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата и способ его изготовления

Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к космической технике, в частности к зеркальным антеннам с развертываемым (раскрываемым) крупногабаритным рефлектором зонтичного типа, имеющим диаметр раскрыва порядка 12 м и более, и к способам изготовления их.

Известен развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата согласно патенту Российской Федерации (РФ) №2350519 RU [1] (авторами выбран за прототип), который включает в себя (см. фиг.1) центральный узел 1 в виде соосно расположенных основания 1.1 и изготовленного из жесткого материала фланца 1.2 с центром, находящимся вблизи вершины О_р рефлектора, а также силовой каркас, выполненный в виде спиц 2, соединенных с основанием 1.1, механически связанный через формообразующую структуру 3 с сетеполотном 4, при этом формообразующая структура 3 содержит узлы 3.1, в осевом направлении соединенные стяжными нитями 3.2 со спицами 2, пронумерованные реперные точки 5, например, из напыленного алюминия (с известными координатами), расположенные напротив соответствующих узлов 3.1 формообразующей структуры с теми же номерами, телескопическую мачту 6, прикрепленную к основанию 1.1, единым центром соединенную с гибкими оттяжками 7, связанными с указанными спицами 2 (X_P, Y_P, Z_P - оси координат рефлектора; O_P - вершина рефлектора).

Известен способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата [1] согласно патенту РФ №2350518 [2] (авторами выбран за прототип), который включает настройку формы рабочей поверхности рефлектора при положении его (см. фиг.1) раскрывом вниз (или раскрывом вверх) путем измерения, определения отклонения вертикальных координат точек рабочей поверхности сетеполотна, осуществления требуемого изменения положения этих точек изменением длин соответствующих стяжных нитей 3.2 до совпадения с положениями теоретических точек, принадлежащих расчетной поверхности требуемой формы.

В настоящее время настройку и контроль формы рабочей поверхности такого рефлектора со среднеквадратичным отклонением (СКО) от теоретического профиля не более 1,3 мм (по измеренным данным примерно в 2700 точках сетеполотна рефлектора после всех видов испытаний) осуществляют (см. фиг.2), применяя принцип сканирования с использованием переносного лазерного сканера 20.1 типа Leica HDS3000.

Анализ статистических данных, проведенный авторами, по измерениям отклонений вертикальных координат реперных точек в процессе настройки и на различных этапах контроля в процессе изготовления рефлектора с диаметром раскрыва порядка 12 м показал, что систематическая ошибка в определении СКО составляет до 30-40% от вычисленной по данным изготовления величины СКО и эта ошибка обусловлена в основном ошибками взаимного требуемого размещения рефлектора и лазерного сканера - недостаточно точным совпадением продольной оси рефлектора и оптической оси вертикального лазерного луча вышеуказанного сканера, т.е. используемый в настоящее время способ изготовления рефлектора обеспечивает недостаточно высокую точность определения СКО формы рабочей поверхности рефлектора: это означает, что на одной половине рабочей поверхности рефлектора профиль высокоточно соответствует заданным требованиям, а на другой половине рабочей поверхности имеются области, где профиль в действительности не удовлетворяет заданным требованиям, которые ухудшают выходные рабочие характеристики рефлектора (хотя в целом осредненно профиль и удовлетворяет заданным требованиям).

Анализ конструкции и опыта изготовления вышеуказанных рефлекторов также показал, что настройки таких крупногабаритных рефлекторов как с использованием известных переносных электронных теодолитов, так и лазерных сканеров сложны, не исключены ошибки в работе операторов и трудоемки в обеспечении требуемого СКО.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что уровень развития техники по лазерным дальнемерам в настоящее время позволяет создавать лазерные сканеры, которые способны обеспечивать точность измерений до 1 мм объектов размером до 50 м×50 м с расстояния до 100 м (см. текст стр.98 в учебном пособии: «Шандыбина Г.Д., Парфенов В.А. Информационные лазерные технологии. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008»).

С учетом этого известного факта авторы предлагают новые технические решения, устраняющие вышеуказанные существенные недостатки при создании конструкции и изготовлении развертываемых крупногабаритных рефлекторов размером порядка 12-50 м.

Поставленная цель достигается следующим образом:

1. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата, включающий в себя центральный узел в виде соосно расположенных основания и фланца с центром, находящимся вблизи вершины рефлектора, а также силовой каркас, выполненный в виде спиц, соединенных с основанием, механически связанный через формообразующую структуру с сетеполотном, при этом формообразующая структура содержит узлы, в осевом направлении соединенные стяжными нитями со спицами, реперные точки на рабочей поверхности сетеполотна, расположенные напротив соответствующих узлов формообразующей структуры, и на поверхности ячеек сетеполотна в центре, телескопическую мачту, прикрепленную к основанию, единым центром соединенную с гибкими оттяжками, связанными с указанными спицами, выполнен таким образом, что на поверхности фланца на максимально возможном одинаковом удалении от его центра по направлениям осей симметрии раскрыва рефлектора нанесены реперные точки, а к центру фланца на период настройки и контроля формы рабочей поверхности рефлектора прикреплен размеростабильный, например изготовленный из инвара, стержень эталонной длины, например, с длиной, равной 25% глубины рефлектора, продольная ось которого совпадает с осью рефлектора, проходящей через его вершину, а на свободном торце стержня нанесена реперная точка в его центре, через которую проходят продольные оси стержня и рефлектора.

2. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.1, включающий настройку и контроль формы рабочей поверхности рефлектора при положениях его раскрывом вверх или раскрывом вниз, путем определения отклонений вертикальных координат точек рабочей поверхности сетеполотна в результате измерения с помощью лазерного сканера и осуществления изменения положения этих точек с помощью стяжных нитей до требуемого приближения их с положениями теоретических точек, принадлежащих расчетной поверхности требуемой формы, заключается в том, что вышеуказанные операции осуществляют с использованием измерительной системы с лазерным сканером, который прикрепляют к плоской цилиндрической плите, затем прикрепляемой к одному из двух взаимно симметрично расположенных горизонтированных плоских оснований технологического приспособления рабочего места, причем в исходном положении оптическую ось вертикального лазерного луча сканера и продольную ось цилиндрической плиты совмещают с продольной осью рефлектора, определяют погрешность измерения измерительной системы, измерительную систему периодически контролируют по точности функционирования.

3. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2 заключается в том, что взаимно согласованное размещение рефлектора и сканера и контроль точности работы измерительной системы осуществляют по данным измерений расстояний от реперных точек, расположенных на фланце и свободном торце стержня с учетом его фактической эталонной длины, причем сканер располагают на заранее определенном расстоянии от вершины рефлектора.

4. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2 заключается в том, что систематическую погрешность измерений измерительной системы определяют путем высокоточного измерения расстояния, например, используя электронные теодолиты, от вершины рефлектора до точки нулевого отсчета сканера, затем измерения с использованием измерительной системы расстояния от точки нулевого отсчета сканера до реперной точки на торце эталонного стержня и сравнения паспортного значения длины эталонного стержня с величиной разности измеренных выше расстояний.

5. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2 заключается в том, что механический интерфейс плоской цилиндрической плиты измерительной системы и механический интерфейс свободного торца мачты рефлектора с основаниями технологического приспособления выполняют унифицированными.

6. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2 заключается в том, что при этом электрические входы и выходы лазерного сканера и его шаговых электромеханических приводов вращения через интерфейсный преобразователь соединяют с компьютером с соответствующим программным обеспечением.

7. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2 заключается в том, что в измерительной системе используют лазер с длиной волны зеленого излучения, равной 0,532 мкм.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемых технических решений в известных источниках информации не обнаружено, и следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом развертываемом крупногабаритном рефлекторе космического аппарата и способе его изготовления.

Сущность изобретений поясняется фиг.3-6:

- на фиг.3 изображен общий вид предложенного авторами развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата, который содержит следующие основные элементы: центральный узел 1 в виде соосно расположенных основания 1.1 и изготовленного из жесткого материала фланца 1.2 с центром, находящимся вблизи вершины О_р рефлектора, а также силовой каркас, выполненный в виде спиц 2, соединенных с основанием 1.1, механически связанный через формообразующую структуру 3 с сетеполотном 4, при этом формообразующая структура 3 содержит узлы 3.1, в осевом направлении соединенные стяжными нитями 3.2 со спицами 2, пронумерованные реперные точки 5 на рабочей поверхности сетеполотна 4, расположенные напротив соответствующих узлов 3.1 формообразующей структуры с теми же номерами, телескопическую мачту 6, прикрепленную к основанию 1.1, единым центром соединенную с гибкими оттяжками 7, связанными с указанными спицами 2; 8 - эталонный стержень: размеростабильный (например, изготовленный из инвара) стержень эталонной (высокоточной) длины (например, с длиной, равной 25% глубины рефлектора (наикратчайшего расстояния от вершины рефлектора до точки, расположенной в плоскости его раскрыва); эталонный стержень 8 прикреплен к фланцу 1.2 таким образом, что его продольная ось совпадает с осью X_p рефлектора - стержень 8 устанавливается на фланце 1.2 на период настройки и контроля формы рабочей поверхности рефлектора: 8.1 - реперная точка, нанесенная в центре торца стержня 8, через указанную реперную точку проходят продольные оси стержня 8 и рефлектора; 9.1 и 9.3, 9.2 и 9.4 - реперные точки, нанесенные на поверхности фланца 1.2 на максимально возможном одинаковом удалении от его центра по направлениям осей симметрии раскрыва рефлектора; стержень 8 эталонной длины, реперные точки 8.1, 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 предназначены для обеспечения периодического контроля работы измерительной системы (см. тексты далее и на последующих листах) с требуемой точностью; 50.1 - плоское основание технологического приспособления.

На фиг.4, 5, 6 изображены принципиальные схемы реализации предложенного авторами способа изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата:

- фиг.4 - принципиальная схема размещения на рабочем месте предложенного рефлектора 10 и измерительной системы перед настройкой (контролем) рефлектора раскрывом вниз: 10 - рефлектор (раскрывом вниз) (позиции и расшифровка позиций согласно фиг.3); 50.1, 50.2 - плоские основания технологического приспособления, плоскости стыковки которых с рефлектором 10 или измерительной системой 20 (с ее плоской цилиндрической плитой 20.2) параллельны - горизонтированы (размещены параллельно уровню Земли), а продольные их оси взаимно совпадают; 20.1 - лазерный сканер (например, импульсный), который прикреплен к плоской цилиндрической плите 20.2; в исходном положении оптическая ось вертикального лазерного луча сканера 20.1 измерительной системы 20, продольные оси рефлектора, плоских оснований 50.1, 50.2, продольная ось цилиндрической плиты 20.2 взаимно совпадают, причем расстояние от сканера до вершины рефлектора близко расстоянию от сканера до контура раскрыва рефлектора (в этом случае погрешности измерений будут близки друг к другу).

Перед началом настройки, например, раскрывом рефлектора вниз согласно фиг.4 измеряют, используя три высокоточных электронных теодолита (например, типа Т3000 "Wild"), вертикальное расстояние от точки нулевого отсчета сканера до вершины рефлектора (это расстояние при всех дальнейших измерениях расстояний до любых точек рабочей поверхности в процессе настройки является постоянной величиной и оно необходимо для периодического контроля точности работы измерительной системы при измерениях расстояний до любых точек рабочей поверхности рефлектора), после чего к центру фланца 8 прикрепляют стержень эталонной длины 8 и измеряют с помощью предлагаемой измерительной системы 20 расстояние от точки нулевого отсчета сканера до реперной точки на торце эталонного стержня, сравнивают паспортное значение длины эталонного стержня с величиной разности измеренных выше расстояний и определяют систематическую погрешность измерений измерительной системы, которую учитывают при дальнейших измерениях расстояний до любых точек рабочей поверхности рефлектора.

- фиг.5 - принципиальная схема измерения координат любой точки, расположенной на рабочей поверхности сетеполотна рефлектора и принадлежащей любой радиальной плоскости (см. вид А), перпендикулярной плоскости раскрыва рефлектора, или принадлежащей любой плоскости, параллельной плоскости раскрыва рефлектора (см. сечение Б-Б); на любых этапах настройки (контроля) рефлектора его рабочая поверхность имеет сложную форму и всегда на ней имеются множество микроплощадок, в том числе на реперной точке, перпендикулярных направлению лазерного луча, в результате чего реализуются отраженные лучи с минимально возможными рассеиваниями (предлагаемая длина волны, равная 0,532 мкм, безопасная для работающих операторов), тем самым обеспечивая высокую точность измерений; кроме того, в результате юстировки системы: рефлектор - измерительная система (согласно фиг.3 и 4) определяется систематическая ошибка в работе измерительной системы при настройке (контроле) рефлектора, и эта ошибка при обработке данных по измерению координат любых точек рабочей поверхности сетеполотна рефлектора учитывается, обеспечивая высокую точность измерений.

- фиг.6 - принципиальная блок-схема измерения координат определенных точек на рабочей поверхности сетеполотна рефлектора и сравнение их с требуемыми координатами соответствующих точек: 10 - рефлектор; 20 - измерительная система; 30 - интерфейсный преобразователь; 40 - компьютер (ПЭВМ); 40.1 - оператор ПЭВМ.

Сборку предложенного рефлектора и настройку собранного рефлектора (или контроль его в процессе изготовления после различных этапов испытаний) осуществляют следующим образом (см. фиг.3-6).

- собирают технологическое приспособление и устанавливают его на стационарном рабочем месте; осуществляют горизонтирование оснований 50.1, 50.2 и совмещение их продольных осей;

- собирают измерительную систему 20 и осуществляют монтаж ее на технологическом приспособлении в исходном положении для случая измерений, например, рефлектор раскрывом вниз (раскрывом вверх - аналогичные операции);

- собирают комплектующие рефлектора 10, в т.ч. сетеполотно 4 без использования объемного шаблона, и квалифицированные операторы (имеющие опыт сборки и настройки подобных рефлекторов) осуществляют сборку рефлектора 10, первой операцией прикрепив свободный торец мачты 6 к основанию 50.1 технологического приспособления, обеспечивающей положение собранного рефлектора раскрывом вниз; после сборки квалифицированные операторы по рефлектору (т.е. несколько операторов одновременно) осуществляют предварительную настройку рабочей поверхности рефлектора 10, предварительно приближая ее к требуемой теоретической поверхности, не обращая внимания на погрешности измерений за счет вибраций, возникающих при одновременной работе нескольких операторов, например 12 операторов по числу спиц (используя данные 3D лазерного сканирования - переносным лазерным сканером, например, типа Leica HDS6000, который удовлетворяет по погрешности измерений требованиям предварительной настройки рабочей поверхности рефлектора);

- собирают электрическую схему: измерительная система - интерфейсное устройство 30 - компьютер 40;

- набором соответствующих команд программного обеспечения (специально разработанной для изготавливаемого вышеуказанного рефлектора) измеряют соответствующие расстояния согласно фиг.3 и 4 множества различных конкретных точек по очереди (при отсутствии вибраций) рабочей поверхности рефлектора, расположенных в радиальных и параллельных раскрыву рефлектора плоскостях, одновременно измеряя значения величин углов отклонения лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях (в составе сканера имеются датчики углов), так просканировав всю рабочую поверхность сетеполотна, получают данные по координатам и по отклонениям измеренных конкретных точек от теоретических точек, расположенных на теоретическом параболоиде вращения;

- после измерения координат каждой конкретной точки и выдачи компьютером величины отклонения указанной точки от теоретической точки параболоида вращения осуществляют натяжение конкретной натяжной нити (при необходимости проводят натяжение и вблизи расположенных натяжных нитей) до приближения выше - указанной точки до теоретической точки, таким образом осуществляют операции с каждой точкой из заданной совокупности равномерно расположенных с известными теоретическими координатами на рабочей поверхности сетеполотна рефлектора до достижения СКО, например, не более 0,6 мм.

При этом в процессе настройки (контроля) рефлектора периодически контролируют точность функционирования измерительной системы, измеряя расстояния до реперных точек 9.1 и 9.3, 9.2 и 9.4 на фланце 1.2 (расстояние до противоположно расположенных реперных точек 9.1 и 9.3, 9.2 и 9.4 должны быть одинаковы и должны соответствовать первоначально измеренным данным) и расстояние до реперной точки, расположенной в центре эталонного стержня (длина эталонного стержня по результатам измерения должна соответствовать его паспортному значению с учетом систематической погрешности измерения системы 20).

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения конструкции рефлектора согласно предложенному авторами техническому решению и изготовления его согласно предложенному авторами способу:

- обеспечивается высокая точность определения действительных координат рабочей поверхности рефлектора в результате исключения систематических ошибок и высокоточного приближения их расположения вблизи расчетных точек, расположенных на теоретическом параболоиде вращения;

- упрощается изготовление рефлектора, т.к. измерение отклонений и координат точек осуществляется автоматически измерительной системой (операторы по рефлектору выполняют только операции с натяжными нитями);

- ввиду автоматизации измерения координат исключены ошибки человеческого фактора в выполнении этих операций;

- существенно снижена трудоемкость в изготовлении рефлектора в результате автоматизации измерений и исключения из цикла изготовления использования объемного шаблона в результате применения предложенных технических решений, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

1. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата, включающий в себя центральный узел в виде сооснорасположенных основания и фланца с центром, находящимся вблизи вершины рефлектора, а также силовой каркас, выполненный в виде спиц, соединенных с основанием, механически связанный через формообразующую структуру с сетеполотном, при этом формообразующая структура содержит узлы, в осевом направлении соединенные стяжными нитями со спицами, реперные точки на рабочей поверхности сетеполотна, расположенные напротив соответствующих узлов формообразующей структуры, и на поверхности ячеек сетеполотна в центре, телескопическую мачту, прикрепленную к основанию, единым центром соединенную с гибкими оттяжками, связанными с указанными спицами, отличающийся тем, что на поверхности фланца на максимально возможном одинаковом удалении от его центра по направлениям осей симметрии раскрыва рефлектора нанесены реперные точки, а к центру фланца на период настройки и контроля формы рабочей поверхности рефлектора прикреплен размеростабильный, например, изготовленный из инвара, стержень эталонной длины, например, с длиной, равной 25% глубины рефлектора, продольная ось которого совпадает с осью рефлектора, проходящей через его вершину, а на свободном торце стержня нанесена реперная точка в его центре, через которую проходят продольные оси стержня и рефлектора.

2. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.1, включающий настройку и контроль формы рабочей поверхности рефлектора при положениях его раскрывом вверх или раскрывом вниз путем определения отклонений вертикальных координат точек рабочей поверхности сетеполотна в результате измерения с помощью лазерного сканера и осуществления изменения положения этих точек с помощью стяжных нитей до требуемого приближения их с положениями теоретических точек, принадлежащих расчетной поверхности требуемой формы, отличающийся тем, что вышеуказанные операции осуществляют с использованием измерительной системы с лазерным сканером, который прикрепляют к плоской цилиндрической плите, затем прикрепляемой к одному из двух взаимно симметрично расположенных горизонтированных плоских оснований технологического приспособления рабочего места, причем в исходном положении оптическую ось вертикального лазерного луча сканера и продольную ось цилиндрической плиты совмещают с продольной осью рефлектора, определяют погрешность измерения измерительной системы, измерительную систему периодически контролируют по точности функционирования.

3. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2, отличающийся тем, что взаимно согласованное размещение рефлектора и сканера и контроль точности работы измерительной системы осуществляют по данным измерений расстояний от реперных точек, расположенных на фланце и свободном торце стержня с учетом его фактической эталонной длины, причем сканер располагают на заранее определенном расстоянии от вершины рефлектора.

4. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2, отличающийся тем что систематическую погрешность измерений измерительной системы определяют путем высокоточного измерения расстояния, например, используя электронные теодолиты от вершины рефлектора до точки нулевого отсчета сканера, затем измерения с использованием измерительной системы расстояния от точки нулевого отсчета сканера до реперной точки на торце эталонного стержня и сравнения паспортного значения длины эталонного стержня с величиной разности измеренных выше расстояний.

5. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2, отличающийся тем, что механический интерфейс плоской цилиндрической плиты измерительной системы и механический интерфейс свободного торца мачты рефлектора с основаниями технологического приспособления выполняют унифицированными.

6. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2, отличающийся тем, что при этом электрические входы и выходы лазерного сканера и его шаговых электромеханических приводов вращения через интерфейсный преобразователь соединяют с компьютером с соответствующим программным обеспечением.

7. Способ изготовления развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата по п.2, отличающийся тем, что в измерительной системе используют лазер с длиной волны зеленого излучения, равной 0,532 мкм.