Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата
Владельцы патента RU 2382452:
Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)
Изобретение относится к космической технике, в частности, к развертываемым крупногабаритным рефлекторам зонтичного типа, например, диаметром 15-25 м. Согласно изобретению, рефлектор антенны космического аппарата включает в себя центральный узел, шарнирно соединенный с ним силовой каркас, выполненный в виде спиц, содержащих звенья, механически связанные с сетеполотном, телескопическую мачту, прикрепленную к центральному узлу с противоположной стороны от раскрыва рефлектора, каждая спица выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем к концу последнего от вершины рефлектора звена каждой спицы жестко зафиксирован подкос с определенными углом к вышеуказанному звену и длиной, направленный радиально в сторону мачты, при этом свободный конец каждого подкоса упруго соединен эластичным силовым шнуром с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора. Технический результат изобретения состоит в гарантировании обеспечения работоспособности развертываемых крупногабаритных (15-25 м) рефлекторов в течение всего срока эксплуатации на орбите, равного не менее 15 лет, в условиях совместного воздействия на него на орбите гравитационных и центробежных сил и в жестких условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства - космической дозы радиации, увеличивающей жесткость и уменьшающей относительное удлинение размеростабильных шнуров и нитей, применяемых в конструкции вышеназванных рефлекторов, а также в обеспечении относительно пониженной массы конструкции предложенного рефлектора по сравнению с известными техническими решениями. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
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 15-25 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 15-25 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. «Наука», М., 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 15-25 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 15-25 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 15-25 м) космического аппарата является рефлектор по патенту РФ №2262784 [1], изображенный на фиг.6.
Вышеуказанный рефлектор (см. фиг.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.6 не показано), расположенное на профилирующей сети 6 и прикрепленное к ней.
Выше было указано, что существенными недостатками вышеуказанного известного технического решения являются недостаточно высокая надежность обеспечения работоспособности развертываемого крупногабаритного рефлектора (диаметром 15-25 м) космического аппарата в течение длительного, 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 15-25 м различной спроектированной конструкции авторами установлено, что поставленная цель достигается выполнением конструкции развертываемого крупногабаритного рефлектора космического аппарата (включающего в себя центральный узел, шарнирно соединенный с ним силовой каркас, выполненный в виде спиц, соседние свободные концы которых упруго соединены периферийными силовыми шнурами, содержащих звенья, механически связанный с сетеполотном, телескопическую мачту, прикрепленную к центральному узлу с противоположной стороны от раскрыва рефлектора) следующим образом:
1. Каждая спица выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем к концу последнего от вершины рефлектора звена каждой спицы жестко зафиксирован подкос с определенными углом к вышеуказанному звену и длиной, направленный радиально в сторону мачты, при этом свободный конец каждого подкоса упруго соединен эластичным силовым шнуром с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора.
2. В зависимости от диаметра рефлектора определенное количество спиц соединено заранее определенным количеством дополнительных эластичных силовых шнуров с вышеуказанным устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности.
3. Звенья спиц выполнены из размеростабильного композиционного материала с определенными длиной и требуемой кривизной, соответствующей месту расположения их на рефлекторе, с законцовками из немагнитного сплава, соединенными с осями вращения между звеньями.
4. На сетеполотне со стороны его радиоотражающей рабочей поверхности упруго расположены эластичные радиальные шнуры напротив спиц и жестко соединены с ними, и перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие ячейки с требуемыми размерами, в местах пересечения жестко зафиксированные между собой узлами, которые эластичными стяжными нитями упруго соединены в соответствующих местах с подкосами, силовыми шнурами и тангенциальными шнурами, расположенными между соседними подкосами и силовыми шнурами.
5. Мачта выполнена изменяющейся переменной длины: в рабочем положении рефлектора ее длина максимально возможная, а в транспортировочном положении - минимально возможная.
6. В транспортировочном положении звенья спиц сложены в сторону раскрыва рефлектора.
7. Все эластичные шнуры и нити изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов.
8. Экраны (например, изготовленные из электроизоляционной пленки; предназначены для предотвращения запутывания элементов рефлектора при его развертывании); присоединены к силовым шнурам, подкосам и тангенциальным шнурам со стороны открытого пространства,
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 фиг.1, 2, 3, 4, 5:
- на фиг.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 условно показаны только в одном секторе);
- на фиг.2 изображен вид рефлектора в разрезе (сетеполотно и расположенные на нем радиальные шнуры и перекрещивающиеся шнуры условно не показаны);
- на фиг.3 изображена принципиальная схема вычленненого сектора рефлектора;
- на фиг.4 изображена принципиальная схема соединения ячейки сетеполотна натяжными нитями с тангенциальными шнурами, расположенными между силовыми шнурами (и подкосами);
- на фиг.5 изображена принципиальная схема рефлектора в транспортировочном положении;
- на фиг.6 изображен развертываемый крупногабаритный космический рефлектор (прототип).
На вышеуказанных фигурах изображена конструкция предлагаемого рефлектора с использованием следующих элементов: 1 - центральный узел; 2 - спицы; 3 - периферийные силовые шнуры; 4 - звенья спиц; 5 - сетеполотно; 6 - телескопическая мачта; 7 - устройство подстройки формы радиоотражающей рабочей поверхности рефлектора; 8 - экраны; 9 - оси вращения звеньев спиц; 10 - подкосы; 11 - эластичные силовые шнуры; 12 - дополнительные эластичные силовые шнуры; 13 - эластичные радиальные шнуры; 14 - перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие ячейки 15; 16 - узлы, образованные перекрещивающимися шнурами; 17 - эластичные стяжные нити; 18 - тангенциальные шнуры.
Предложенный авторами рефлектор (например, диаметром 25 м) включает в себя следующие основные элементы:
- центральный узел 1, шарнирно соединенный с ним силовой каркас, выполненный в виде спиц 2, содержащих звенья 4, механически связанный с сетеполотном 5;
- телескопическую мачту 6, прикрепленную к центральному узлу 1 с противоположной стороны от раскрыва рефлектора; на свободном фланце мачты 6 установлено устройство («ноу-хау») подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 7 (электромеханическое устройство, включающее в себя основной электродвигатель и резервный);
- каждая спица 2 выполнена в зависимости от диаметра рефлектора из заранее определенного одинакового нечетного (для обеспечения компактности рефлектора в транспортировочном положении) количества звеньев 4, жестко зафиксированных пружинами и фиксаторами относительно осей вращения 9 их после развертывания рефлектора в рабочее положение; причем к концу последнего от вершины рефлектора звена каждой спицы 2 жестко зафиксирован подкос 10 (следует отметить, что подкос может быть выполнен телескопическим) с определенными углом к вышеуказанному звену и длиной (зависящие от диаметра рефлектора и требований компоновки его в заданном объеме), направленный радиально в сторону мачты, при этом свободный конец каждого подкоса 10 упруго соединен эластичным силовым шнуром 11 с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 7;
- в зависимости от диаметра рефлектора определенное количество спиц 2 соединены заранее определенным количеством дополнительных эластичных силовых шнуров 12 с вышеуказанным устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности 7;
- звенья 4 спиц 2 выполнены из размеростабильного композиционного материала (например, из углепластика) с определенными длиной и требуемой кривизной (при воздействии рабочего усилия), соответствующей месту расположения их на рефлекторе, с законцовками из немагнитного сплава (например, из титанового сплава), соединенными с осями вращения 9 между звеньями 4;
- на сетеполотне 5 (например, изготовленном из трикотажной ткани из металлических нитей) со стороны его радиоотражающей рабочей поверхности (покрытой тонким слоем золота) упруго расположены эластичные радиальные шнуры 13 напротив спиц 2 и жестко соединены с ними и перекрещивающиеся эластичные шнуры 14, образующие требуемое количество ячеек 15 с требуемыми размерами - опыт показывает, что в результате такого расположения вышеуказанных шнуров на рабочей поверхности сетеполотна форма его в условиях эксплуатации держится более точнее вблизи требуемой формы; в местах пересечения вышеназванные шнуры 14 жестко зафиксированы между собой узлами 16 (узловые точки), которые эластичными нитями 17 упруго соединены в соответствующих местах с подкосами 10, силовыми шнурами 11 и тангенциальными шнурами 18, расположенными между соседними подкосами 10 и силовыми шнурами 11 (в результате чего обеспечивается расположение узловых точек 16 профилирующей сетки в непосредственной близости соответствующих точек теоретического профиля поверхности);
- мачта 6 выполнена изменяющейся переменной длины: в рабочем положении рефлектора (см. фиг.2) ее длина максимально возможная, а в транспортировочном положении (см. фиг.5) -минимально возможная;
- в транспортировочном положении звенья 4 спиц 2 сложены в сторону раскрыва рефлектора (в центральной зоне его) (см. фиг.5);
- все эластичные шнуры и нити (3, 11, 12, 13, 14, 17, 18) изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов (например, полиимидные).
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 2 рефлектор развертывается (раскрывается) до срабатывания фиксаторов спиц (на данном этапе силовые шнуры 11, 12 натянуты слабо). Затем включают в работу устройство подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора 7 и оно осуществляет соответствующее требуемое натяжение силовых шнуров 11 и 12 с необходимыми рабочими усилиями - после чего профиль радиоотражающей поверхности сетеполотна 5 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 5. Если такая потребность есть, по командам с Земли задействуют в работу устройство подстройки формы радиоотражающей поверхности 7: используя данные наземных испытаний антенны вышеуказанное устройство 7 в соответствии с поданными с Земли командами последовательно шаг за шагом изменяет величину силы натяжения конкретного силового шнура 11 или конкретного дополнительного силового шнура 12 до требуемой (путем изменения длин шнуров на соответствующие величины), тем самым изменяются положения и форма спиц 2 и сетеполотна 5 до такого положения, когда форма рабочей радиоотражающей поверхности сетеполотна 5 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 15-25 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 центральный узел, шарнирно соединенный с ним силовой каркас, выполненный в виде спиц, соседние свободные концы которых упруго соединены периферийными силовыми шнурами, содержащих звенья, механически связанные с сетеполотном, телескопическую мачту, прикрепленную к центральному узлу с противоположной стороны от раскрыва рефлектора, отличающийся тем, что каждая спица выполнена из заранее определенного одинакового нечетного количества звеньев, жестко зафиксированных пружинами и фиксаторами относительно их осей вращения после развертывания рефлектора в рабочее положение, причем к концу последнего от вершины рефлектора звена каждой спицы жестко зафиксирован подкос с определенными углом к вышеуказанному звену и длиной, направленный радиально в сторону мачты, при этом свободный конец каждого подкоса упруго соединен эластичным силовым шнуром с устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности рефлектора.
2. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от диаметра рефлектора определенное количество спиц соединено заранее определенным количеством дополнительных эластичных силовых шнуров с вышеуказанным устройством подстройки формы радиоотражающей поверхности.
3. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что звенья спиц выполнены из размеростабильного композиционного материала с определенными длиной и требуемой кривизной, соответствующей месту расположения их на рефлекторе, с законцовками из немагнитного сплава, соединенными с осями вращения между звеньями.
4. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что на сетеполотне со стороны его радиоотражающей рабочей поверхности упруго расположены эластичные радиальные шнуры напротив спиц и жестко соединены с ними, и перекрещивающиеся эластичные шнуры, образующие ячейки с требуемыми размерами, в местах пересечения жестко зафиксированные между собой узлами, которые эластичными стяжными нитями упруго соединены в соответствующих местах с подкосами, силовыми шнурами и тангенциальными шнурами, расположенными между соседними подкосами и силовыми шнурами.
5. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что мачта выполнена изменяющейся переменной длины: в рабочем положении рефлектора ее длина максимально возможная, а в транспортировочном положении - минимально возможная.
6. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что в транспортировочном положении звенья спиц сложены в сторону раскрыва рефлектора.
7. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что все эластичные шнуры и нити изготовлены из радиопрозрачных размеростабильных композиционных материалов.
8. Рефлектор по п.1, отличающийся тем, что экраны присоединены к силовым шнурам, подкосам и тангенциальным шнурам со стороны открытого пространства.
