Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата
Владельцы патента RU 2427949:
Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)
Изобретение относится к космической технике, в частности к развертываемым рефлекторам космических антенн, выполненных на основе крупногабаритных стержневых конструкций. Техническим результатом является повышение надежности работы, точность юстировки антенны в процессе эксплуатации, обеспечение возможности создания антенн с большими диаметрами - (24-50) м, и более. Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата содержит раскрывающиеся с помощью приводов силовые спицы, закрепленные с помощью шарниров на ступице рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру. Каждая из спиц состоит, по меньшей мере, из двух колен, соединенных с помощью промежуточных шарниров. Зеркало антенны выполнено из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах. Антенна снабжена дополнительными шарнирами, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы. Соединения шарниров спиц со ступицей рефлектора антенны выполнены через упомянутые дополнительные шарниры. Все шарниры антенны выполнены со своими электроприводами, причем оси вращения каждой пары шарнир-электропривод совпадают, ступицы рефлектора антенны могут быть выполнены из углепластика, как и спицы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к космической технике, в частности к развертываемым рефлекторам космических антенн, выполненным на основе крупногабаритных стержневых конструкций.
В настоящее время для КА производства ОАО «ИСС» в качестве перспективных крупногабаритных трансформируемых антенн предполагается использование антенн зонтичного типа с радиальными профилированными спицами, на которых закреплена отражающая поверхность из металлического трикотажного сетеполотна. Данная конструкция по габаритно-массовым характеристикам является наиболее приемлемой для антенн с апертурой 3-5 м.
На этапе вывода КА на целевую орбиту антенна находится в сложенной (транспортировочной) конфигурации. После вывода аппарата на орбиту антенна переводится в раскрытую (орбитальную) конфигурацию. Для выполнения этой задачи в состав антенны входит механизм прецизионного позиционирования (МПП).
Основной составной частью МПП, обеспечивающей раскрытие антенны из стартового положения в орбитальное, является приводное устройство. Приводное устройство обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к МПП, а именно:
- обеспечение заданных параметров по кинематике и динамике раскрытия антенны, а также юстировки зеркала антенны в обеспечении заданной надежности работы в процессе ее эксплуатации на орбите при жестких условиях больших перепадов по температурам;
- обеспечение размещения антенны в стартовом положении в заданном объеме зоны полезного груза КА;
- обеспечение требуемых массовых характеристик;
- обеспечение заданной надежности раскрытия антенны.
Типичный вариант приводного устройства - пружинный привод для поворота каждой силовой спицы антенны.
Основной недостаток в процессе разработки и изготовления крупногабаритных трансформируемых антенн зонтичного типа - это проблема синхронизации раскрытия особенно противоположных мачт или спиц. Если одна из противоположных мачт или спиц запаздывает при раскрытии, а другая, наоборот опережает, то вантовая сеть, поддерживающая радиоотражающую сетку, и сама сетка запутываются об не успевшую начать раскрытие вантовую сеть с радиоотражающей сеткой.
Известна антенна для HALCA (AIAA 2003-1629 Optimal Design of Tension Truss Antennas. A.G.Tibert Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden) с гибридной фермой натяжения. Шесть выдвигаемых мачт поддерживают ферму натяжения с пятью поясами. Для повышения точности поверхности каждый треугольник фермы натяжения разбит на девять более мелких треугольников с помощью вантовой сети, которая поддерживает радиоотражающую сетку. Форма вантовой сети контролируется регулировочными растяжками, соединенными с задней фермой натяжения (не идентичной с верхней фермой натяжения).
Недостатки указанной антенны заключаются в сложности, в недостаточной надежности работы, в ограниченных возможностях данного решения в создании антенн с большими диаметрами, 24-50 м и более.
В качестве прототипа выбрана трансформируемая антенна (А.В.Иванов. Выбор приводного устройства механизма прецизионного позиционирования трансформируемой антенны космического аппарата. Решетневские чтения: материалы Х Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф.Решетнева (8-10 ноября 2006, г.Красноярск) / Сибирский государственный аэрокосмический университет. - Красноярск, 2006. - 414 с., стр.47 и 48).
Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата (КА) с апертурой (диаметром раскрытия поверхности антенны) 3-5 м содержит: радиальные профилированные спицы (например, 18 спиц), шарнирно закрепленные на ступице рефлектора антенны, приводной механизм для раскрытия радиальных профилированных спиц, выполненный в виде механизма прецизионного позиционирования (МПП) с применением пружин в качестве приводов для поворота (раскрытия) каждой спицы антенны.
В процессе вывода КА на целевую орбиту антенна находится в сложенной конфигурации, а после вывода КА на целевую орбиту она переводится в раскрытую орбитальную конфигурацию с помощью пружинных приводов.
Недостатки указанной антенны заключаются в низкой надежности ее работы из-за раскрытия каждой спицы с помощью пружинных приводов, каждый из которых необходимо расстопорить (расчековать) перед раскрытием антенны и застопорить (зачековывать) после раскрытия антенны, в отсутствии в ней возможности юстировки (настройки) зеркала антенны в процессе ее эксплуатации в переменных температурных условиях космического пространства, что снижает точность работы антенны, в ограниченных возможностях ее использования для крупногабаритных антенн диаметром, например, более 5 м и до 50 м (так как ее конструкция выполнена для применения одноколенных спиц длиной не более 2,5 м, иначе не будут выполнены условия компактности в сложенном ее состоянии при выведении КА на орбиту).
Задача изобретения - повышение надежности и точности работы антенн, в том числе крупногабаритных диаметром до 50 м.
Решение поставленной задачи достигнуто за счет того, что трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата, содержащая раскрывающиеся с помощью приводов силовые спицы, закрепленные с помощью шарниров на ступице рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух колен, соединенных с помощью промежуточных шарниров, зеркало антенны, выполненное из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах; соединения шарниров спиц со ступицей рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, оси шарнир и их приводов выполнены соосными.
Предложенная трансформируемая антенна зонтичного типа иллюстрируется фиг.1, 2 и 3, на которых она показана соответственно в раскрытом, сложенном и полураскрытом положениях. Предложенная трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата содержит: раскрывающиеся с помощью приводов 1 силовые спицы, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух колен 2 и 3, соединенных с помощью промежуточных шарниров 4, закрепленные с помощью шарниров 5 на ступице 6 рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру, зеркало 7 антенны, выполненное из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах; соединения шарниров 5 спиц со ступицей 6 рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры 8, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, все шарниры антенны выполнены со своими приводами 1, причем оси вращения каждой пары шарнир-привод компланарны; ступица 6 рефлектора антенны выполнена из углепластика, как и спицы.
Предложенная антенна работает следующим образом. Во время выведения КА на орбиту антенна находится в сложенном состоянии под обтекателем ракеты-носителя (фиг.2). После выведения КА на орбиту подается команда на раскрытие антенны, по которой подается команда на приводы 1 шарниров 4, 5 и 8, спицы разворачиваются до принятия зеркалом 7 антенны (радиотражающей сеткой) заданной параболической формы (фиг.3). Как правило, на трансформируемых антеннах большого диаметра имеется система юстировки зеркала 7 антенны, чтобы в процессе работы она соответствовала заданным требованиям по среднеквадратичной величине отклонения участков поверхности от идеальной теоретической поверхности параболы. Эта система, например, путем сканирования (радио, оптического, лазерного и т.д.) поверхности зеркала 7 вносит данные о реальной поверхности зеркала в бортовой компьютер, который определяет участки с отклонениями с превышением их положения от заданных, после чего вырабатывается и подается команда на ближайший привод шарнира спицы с целью устранения недопустимого отклонения участка поверхности зеркала 7. Система юстировки антенны работает с заданной периодичностью контроля за поверхностью зеркала 7 антенны или по каким-либо другим сигналам отклонения работы антенны от заданной точности ее работы.
Введение дополнительных шарниров 8 с приводами 1 позволило обеспечить дополнительное регулирование положения каждой спицы в отдельности и совместно в направлениях, ортогональных оси рефлектора, и тем самым повысить степень точности регулирования.
Так как на точность настройки поверхности зеркала антенны влияют факторы воздействия космического пространства, например, резкие перепады температур в диапазоне ±150°С, то для повышения точности настройки зеркала 7 антенны дополнительную ее регулировку выполняют с помощью вантовой системы растяжек (на чертежах не показана), отладку работы которой с учетом действия упругости радиоотражающей сетки зеркала 7 осуществляют при изготовлении антенны.
Ступица рефлектора 6 антенны выполнена из углепластика, как и спицы. Это позволило снизить влияние отрицательных факторов космического пространства, в том числе на участке выведения КА на орбиту с большими перегрузками, при обеспечении заданной точности юстировки зеркала антенны, точности ее работы путем выбора материала с улучшенными теплофизическими и массовыми характеристиками (углепластика).
Таким образом, за счет того, что соединения шарниров 5 спиц со ступицей 6 рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры 8, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, все шарниры антенны выполнены со своими приводами, причем оси вращения каждой пары шарнир-привод совпадают, ступица 6 рефлектора антенны выполнена из углепластика, как и спицы, достигнуто повышение надежности работы антенны, повышение точности юстировки антенны в процессе эксплуатации, обеспечение возможности по созданию антенн с большими диаметрами.
Предложенная антенна рассматривается как альтернативный вариант проектирования перспективных антенн КА разработки предприятия.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного решения.
1. Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата, содержащая раскрывающиеся с помощью приводов силовые спицы, закрепленные с помощью шарниров на ступице рефлектора антенны с равномерным их распределением по ее периметру, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух колен, соединенных с помощью промежуточных шарниров, зеркало антенны, выполненное из радиоотражающей сетки, закрепленной на спицах, отличающаяся тем, что соединения шарниров спиц со ступицей рефлектора антенны выполнены через вновь введенные дополнительные шарниры, каждый из которых выполнен с осью вращения в плоскости раскрытия спицы, все шарниры антенны выполнены со своими электроприводами, причем оси вращения каждой пары шарнир - электропривод совпадают.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ступица рефлектора антенны выполнена из углепластика, как и спицы.
