ES2950826T3 - Conjunto desplegable para antenas - Google Patents

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ES2950826T3 ES19797318T ES19797318T ES2950826T3 ES 2950826 T3 ES2950826 T3 ES 2950826T3 ES 19797318 T ES19797318 T ES 19797318T ES 19797318 T ES19797318 T ES 19797318T ES 2950826 T3 ES2950826 T3 ES 2950826T3
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Mora José Luis Plaza
Castan Fernando José Cespedosa
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Airbus Defence and Space SAS
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Abstract

Conjunto desplegable para antenas, que comprende: - una estructura que comprende: - n pares de segmentos (4, 5), cada par de segmentos (4, 5) correspondientes a un lado de una forma poligonal desplegada, - n articulaciones de bisagra entre los dos segmentos (4, 5) de un lado, y - n conexiones angulares de bisagra (6) entre cada dos lados adyacentes, de modo que la estructura puede pasar de una posición recogida con una forma sustancialmente cilíndrica a una posición desplegada con una forma poligonal sustancialmente plana con n lados, y - una superficie reflectante (9), - un mástil desplegable (3) entre dos segmentos (4, 5), en el que el mástil desplegable (3) se encuentra recogido entre los dos segmentos (4, 5) antes de ser desplegado, terminando el mástil desplegable (3) en un alimentador (1) que alimenta electromagnéticamente la antena y que comprende un elemento de sujeción (2) para mantener la estructura cerrada cuando está recogida, de modo que el alimentador (1) desempeña el papel de elemento de soporte estructural cuando está recogido y alimentador electromagnético de la antena cuando está desplegado, - un conjunto de elementos tensores (8) que sobresalen de la parte posterior de los segmentos (4, 5), y - una red de cables (7) que puede dar forma a la superficie reflectante (9), de modo que los cables correspondientes quedan sujetos por los elementos tensores (8).

Description

DESCRIPCIÓN
Conjunto desplegable para antenas
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un conjunto desplegable para antenas, principalmente empleado en sistemas espaciales, particularmente a un conjunto desplegable para desplegar reflectores parabólicos grandes. El conjunto es adecuado para múltiples propósitos, no solo para desplegar grandes reflectores, sino también para construir grandes antenas para la observación de la Tierra y para telecomunicaciones, para construir grupos plegables de satélites e incluso para construir sistemas de captura de desechos espaciales.
Técnica anterior
Hay muchas estructuras de antenas reflectoras desplegables ya conocidas en el estado de la técnica.
El documento US 4030102 A, referido a una "estructura de reflector desplegable", describe una estructura de soporte que desplegada se parece a una rueda con radios que es retráctil en un volumen compacto en virtud de su llanta abatible y unos radios enrollables, que es una estructura eficiente y estable para almacenar, desplegar y soportar superficies tales como antenas de radar y de comunicaciones, apantallamiento, detección de tierra, conjuntos de células solares y reflectores de energía solar.
El documento US 3617113 A describe un conjunto de reflector desplegable que comprende un reflector desplegable, una serie de paneles desplegables circundantes y conectados operativamente a dicho reflector desplegable, comprendiendo dicha serie de paneles desplegables un primer conjunto desplegable de paneles interconectados para formar sustancialmente un cilindro abierto en el momento del despliegue y un segundo conjunto desplegable de paneles conectados operativamente a dicho primer conjunto desplegable de paneles, estando dicho segundo conjunto de paneles interconectados para formar un anillo sustancialmente plano al desplegarse que se encuentra en un plano que es sustancialmente perpendicular al eje central de dicho cilindro formado por dicho primer conjunto desplegado de paneles y medios de despliegue conectados de manera operativa a dichos conjuntos de paneles desplegables para desplegar dichos conjuntos de paneles desplegables.
El documento WO 2009153454 A2 presenta una estructura plegable abisagrada consistente en un conjunto de elementos articulados mediante bisagras, en la que cada uno de los elementos tiene en cada extremo una bisagra que le permite conectarse al extremo de otro elemento a través de un eje de bisagra (X, Y), construyéndose todos los pasadores pivotantes de las bisagras de forma que la estructura pueda adoptar dos posiciones extremas, a saber, una posición desplegada en la que los elementos son más o menos continuos entre sí para formar una elipse, y una posición plegada en la que los elementos se juntan entre sí, aproximadamente paralelos unos a otros. Los elementos y las bisagras están conectados tanto a medios para controlar el despliegue de los elementos, como a medios de asistencia para asegurar la simultaneidad del despliegue o plegado de los elementos.
El documento EP 2482378 A1 describe una antena desplegable que tiene un diámetro de apertura mayor mediante conexiones de cuatro lados provistos en al menos tres etapas y que incluye: seis mecanismos de despliegue dispuestos radialmente desde un eje central para soportar una parte del borde exterior de una superficie flexible de espejo reflector; y un mecanismo de accionamiento de despliegue dispuesto en una parte inferior de un centro de la disposición de los seis mecanismos de despliegue, para desplegar los seis mecanismos de despliegue. Cada uno de los seis mecanismos de despliegue incluye una primera conexión de cuatro lados, una segunda conexión de cuatro lados y una tercera conexión de cuatro lados dispuestas en orden desde una posición del eje central, alrededor de la cual se disponen los seis mecanismos de despliegue, hacia un lado exterior de cada uno de los seis mecanismos de de despliegue, de modo que cada uno de los seis mecanismos de despliegue esté estructurado de forma que pueda plegarse en tres etapas.
El documento WO 2013135298 A1 describe una estructura de anillo de soporte mecánico para soportar una antena de reflector espacial desplegable. La estructura de anillo de soporte mecánico es convertible de un estado plegado a un estado desplegado y comprende un pantógrafo en forma de anillo que tiene una pluralidad de secciones de pantógrafo dispuestas circunferencialmente que son desplegables para convertir la estructura de anillo de soporte mecánico del estado plegado al estado desplegado, y una pluralidad de barras de soporte dispuestas circunferencialmente, estando cada sección del pantógrafo dispuesta entre un par de barras de soporte, en las que cada sección del pantógrafo comprende uno o más pares de barras de pantógrafo que se intersectan en sentido transversal en una posición de cruce respectiva.
El documento EP 2768077 A1 describe una estructura desplegable espacial capaz de cambiar de una configuración sustancialmente cilíndrica a una configuración poligonal sustancialmente plana con n lados, que comprende: n pares de segmentos, estando cada par de segmentos formado por dos segmentos individuales, formando un lado del polígono de la estructura desplegada, de tal forma que los segmentos individuales tienen una base inferior sustancialmente vertical con forma prismática, siendo los segmentos sustancialmente simétricos entre sí respecto a dicha base inferior, teniendo su dirección más larga paralela al lado del polígono formado en la configuración desplegada de la estructura; 2n uniones que unen los segmentos entre sí por sus extremos; y un sistema de despliegue basado en el plegado simultáneo de todos los segmentos que forman la estructura respecto a sus segmentos contiguos, sobre las uniones correspondientes, de forma que el eje de bisagra y el eje del cono queden paralelos al plano del polígono en la configuración desplegada, manteniendo siempre los mismos ángulos de despliegue entre el mismo tipo de uniones.
Estas configuraciones de la técnica anterior proporcionan estructuras desplegables capaces de funcionar satisfactoriamente. Sin embargo, presentan algunas desventajas, como el alto número de dispositivos necesarios para mantener la estructura plegada durante el lanzamiento, el alto número de articulaciones y conjuntos móviles y el número muy limitado de configuraciones y aplicaciones de vuelo.
Sumario de la invención
Por tanto, un objeto de la invención es proporcionar un conjunto desplegable para reflectores utilizado en sistemas espaciales que sea capaz de superar los inconvenientes mencionados.
La invención proporciona un conjunto desplegable para antenas, como se define en la reivindicación 1 adjunta, que comprende:
- una estructura que comprende:
- n pares de segmentos, cada par de segmentos correspondientes a un lado de una forma poligonal desplegada,
- n articulaciones de bisagra entre los dos segmentos de un lado, y
- n conexiones angulares de bisagra entre cada dos lados adyacentes,
de modo que la estructura puede pasar de una posición recogida con una forma sustancialmente cilíndrica a una posición desplegada con una forma poligonal sustancialmente plana con n lados, y
- una superficie reflectante,
que además comprende:
- un mástil desplegable entre dos segmentos, en el que el mástil desplegable se encuentra recogido entre los dos segmentos antes de ser desplegado,
- un alimentador en un extremo del mástil desplegable, estando el alimentador configurado para alimentar electromagnéticamente la antena y que comprende un elemento de sujeción para mantener la estructura cerrada cuando está recogida, de modo que el alimentador desempeña el papel de elemento de soporte estructural cuando está recogido y alimentador electromagnético de la antena cuando está desplegado,
- un conjunto de elementos tensores que sobresalen de la parte posterior de los segmentos, y
- una red de cables que puede dar forma a la superficie reflectante, de modo que los cables correspondientes quedan sujetos por los elementos tensores.
Las principales ventajas de la configuración de la invención frente a las configuraciones conocidas son:
- Configuración geométrica simplificada para un reflector parabólico desplegable.
- Proporciona un volumen reducido del conjunto recogido en la configuración de lanzamiento, compatible con los lanzadores existentes a la vez que maximiza la relación de apertura.
- Permite acomodar dentro de segmentos de la estructura hexagonal algunos de los subsistemas de la plataforma, llegando finalmente a un diseño en el que todos los subsistemas de la plataforma satelital y el instrumento están incluidos en la estructura hexagonal.
- Estructura estable a pesar de su tamaño, lo que asegura que los errores debidos, por ejemplo, a las fluctuaciones causadas por las maniobras de los satélites, sean mínimos.
- Grandes secciones de los segmentos y uniones de bisagras y conos que permiten obtener una alta precisión angular entre los segmentos en la configuración desplegada.
- Capacidad de satisfacer fácilmente una amplia gama de prestaciones con pequeñas modificaciones en el sistema (el diámetro del reflector más grande puede lograrse variando solo la longitud de los segmentos, y el contorno del reflector circular a elíptico puede lograrse variando solo los ángulos entre los segmentos).
- La cinemática de los segmentos durante el despliegue hace que sus centros de gravedad sigan un patrón lineal recto, facilitando la validación mediante pruebas con un dispositivo de compensación de gravedad. El centro de masa global no se mueve durante el despliegue, pueden ser fijos o desplegables.
- El soporte estructural del alimentador es una parte integral de la estructura recogida y, cuando la invención es desplegada y utilizada como antena reflectora, juega el papel de alimentador en la posición focal.
- Colocar todo fuera del campo de visión del instrumento, detrás del reflector para mejorar las prestaciones de la misión.
- Garantizar la precisión de la superficie reflectante desplegable con respecto al paraboloide objetivo.
- Proporciona la configuración geométrica óptima para un radiómetro interferométrico que mejora la interferencia de radiofrecuencia (RFI) y la resolución y reducción de ruido.
El conjunto desplegable de la invención proporciona un rendimiento superior a aquellos encontrados hasta la fecha en sistemas convencionales conocidos en la técnica.
Dos mecanismos de sujeción (podrían ser bandas de sujeción) sostienen el conjunto plegado durante el lanzamiento y hasta el despliegue.
El conjunto plegado es muy compacto y robusto, permitiendo un pequeño tamaño del sistema dentro del volumen disponible del lanzador.
El diseño de la estructura desplegada puede adaptarse fácilmente a diferentes tamaños para reflectores y satélites más grandes o más pequeños.
Aunque la descripción está hecha para una configuración hexagonal, puede adaptarse a un número diferente de lados.
Esta estructura es adecuada para múltiples propósitos, no sólo para desplegar grandes reflectores sino también para construir grandes antenas para la observación de la Tierra y para telecomunicaciones, para construir grupos de satélites plegables coordinados y lanzados juntos e incluso construir sistemas de captura de desechos espaciales. La estructura desplegable de la invención es también autoportante, por lo que no se necesitan elementos auxiliares para obtener rigidez, guía y forma durante el despliegue.
Otras características y ventajas de la presente invención serán claras a partir de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y sin limitar su propósito, en relación con las figuras que se adjuntan.
Descripción de las figuras
La figura 1 es una vista isométrica de un reflector desplegable de gran tamaño conectado a un satélite.
Las figuras 2A, 2B y 2C son vistas generales esquemáticas del objeto de la invención en las posiciones de recogida, de despliegue y completamente desplegada (operativa), respectivamente.
La figura 3 es una vista más detallada del conjunto recogido, en la configuración de lanzamiento dentro del volumen disponible del carenado.
La figura 4 muestra el conjunto desplegado en la disposición operativa.
La figura 5 es una vista simplificada del conjunto recogido y desplegado (el alimentador, el mástil, la red de cables y la superficie reflectante no están representados).
Las figuras 6A a 6F muestran los pasos principales del despliegue de la estructura y el conjunto.
La figura 7 muestra el conjunto desplegable de la invención en una posición intermedia del proceso de despliegue.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 2A, 2B y 2C muestran el conjunto desplegable para antenas de la invención en varias etapas. La figura 2A muestra la posición recogida (o de estiba), la figura 2B muestra una posición intermedia en la que se está desplegando el conjunto, y la figura 2C muestra la posición de despliegue completo.
Las figuras 6A a 6F también muestran el conjunto desplegable para antenas de la invención en varias etapas, con más posiciones intermedias.
La figura 7 es una vista detallada del conjunto desplegable de la invención en una posición intermedia del proceso de despliegue, en la cual se pueden ver todos sus elementos.
El conjunto desplegable para antenas que se muestra en estas figuras comprende:
- una estructura que comprende:
- n pares de segmentos 4, 5, cada par de segmentos 4, 5 correspondientes a un lado de una forma poligonal desplegada,
- n articulaciones de bisagra entre los dos segmentos 4, 5 de un lado, y
- n conexiones angulares de bisagra 6 entre cada dos lados adyacentes, y
- una superficie reflectante 9.
La estructura está configurada para cambiar de una posición recogida con una forma sustancialmente cilindrica a una posición desplegada con una forma poligonal sustancialmente plana con n lados, como puede verse en la figura 5.
El conjunto desplegable para antenas también comprende:
- un mástil desplegable 3 (también llamado “boom”) entre dos segmentos 4, 5, en el que el mástil desplegable 3 permanece recogido entre los dos segmentos 4, 5 antes de ser desplegado,
- un alimentador 1 en un extremo del mástil desplegable 3, estando el alimentador 1 configurado para alimentar electromagnéticamente la antena y que comprende un elemento de sujeción 2 para mantener la estructura cerrada cuando está recogida, de modo que el alimentador 1 desempeña el papel de elemento de soporte estructural cuando está recogido y alimentador electromagnético de la antena cuando está desplegado,
- un conjunto de elementos tensores 8 que sobresalen de la parte posterior de los segmentos 4, 5, y
- una red de cables 7 que puede dar forma a la superficie reflectante 9, de modo que los cables correspondientes quedan sujetos por los elementos tensores 8.
Preferiblemente, el mástil desplegable 3 está situado entre dos segmentos 4, 5 del mismo lado de la forma poligonal, como se puede ver, por ejemplo, en las figuras 6B a 6F. El mástil desplegable 3 permanece recogido, sujeto y protegido entre dos segmentos 4, 5 antes de ser desplegado para alcanzar la distancia focal. Las figuras 6A a 6D muestran los pasos sucesivos para la formación de la forma poligonal con n lados, y las figuras 6D a 6F muestran el despliegue del mástil 3. En la figura 6F el conjunto desplegable para antenas de la invención se encuentra completamente desplegado.
La figura 5 es una vista simplificada del conjunto desplegable de la invención que muestra, principalmente, la estructura, en la que el alimentador 1, el mástil 3, la red de cables 7 y la superficie reflectante 9 no están representados.
Como se ha indicado, el alimentador 1 puede desempeñar el papel de:
- un elemento de fijación para los segmentos 4, 5 cuando está recogido, por medio del elemento de sujeción 2 (véase la figura 3, por ejemplo), y
- un alimentador electromagnético para la antena, cuando el alimentador 1 está desplegado.
El elemento de sujeción 2 puede ser, por ejemplo, una banda de sujeción similar a las que se utilizan en aplicaciones similares en sistemas de naves espaciales.
La forma poligonal desplegada tiene n lados, correspondientes a los n pares de segmentos 4, 5. En las figuras que muestran una realización de la invención se ha elegido una forma hexagonal (véase, por ejemplo, la figura 5). Cada par de segmentos está formado por dos segmentos simétricos 4, 5, con una articulación de bisagra como elemento de unión entre ellos.
La estructura de anillo desplegable de la invención tiene suficiente espacio en su interior para contener los subsistemas necesarios de la nave espacial. Puede contener todo lo necesario para formar un satélite completo, como sistemas de energía, control de vuelo y actitud y comunicación con la Tierra, aunque también puede concebirse como una carga útil, acoplada a un satélite más grande.
Las figuras 5 y 7 también muestran n conexiones angulares de bisagra 6 entre cada dos lados adyacentes de la forma poligonal, situados por tanto en cada esquina de la forma poligonal. La forma puede definirse como un polígono regular o no regular, con el objeto de conseguir un contorno circular o elíptico de la superficie reflectante 9. Las figuras 5 y 7 también muestran un conjunto de soportes 15 que sobresalen de la parte posterior de los segmentos 4, 5 para dar forma al contorno de la superficie reflectante 9.
El movimiento del despliegue de la estructura se realiza mediante motores en cada una de las conexiones angulares de bisagra 6. La coordinación se puede garantizar por medios mecánicos y/o sensores de posición como señales de retroalimentación cuando sea necesario. La posición final se puede garantizar mediante topes finales, y la irreversibilidad de la configuración final desplegada se puede asegurar con cierres, si se desea.
La red de cables 7 comprende varios cables tensores para garantizar que la superficie reflectante 9 cumpla la forma deseada cuando se despliega. Como se puede ver en la figura 7, los cables tensores pueden ser sujetados por los elementos tensores 8 que sobresalen de la parte posterior de los segmentos 4, 5, capaces de tensar los cables tensores.
Mediante esta configuración se obtiene una red de cables tensados 7. Preferentemente la superficie reflectante 9 es un paraboloide formado por cables que trabajan a tracción, como se ha descrito anteriormente.
En cuanto al contorno de la superficie reflectante 9, puede ser circular o elíptico.
La superficie reflectante 9 está plegada, limitada y protegida dentro de la estructura recogida durante el lanzamiento (véanse las figuras 3 y 6A). La estructura recogida protege la superficie reflectante 9 del contacto y evita el daño del alimentador 1.
La figura 3 también muestra un elemento de sujeción inferior 10 (por ejemplo, una banda de sujeción) que permanece con el lanzador después de la separación. También muestra el rango de altura recogida 14 disponible dentro del lanzador, que define el diámetro de la superficie reflectante 9.
La figura 5 también muestra el eje menor 11 y el eje mayor 12 del contorno de la superficie reflectante 9 cuando es elíptica. También muestra el diámetro 13 de la estructura en la posición recogida.
La presente invención representa un conjunto desplegable de bucle cerrado espacial con una estructura capaz de cambiar de una configuración sustancialmente cilíndrica a una configuración poligonal sustancialmente plana que tiene n lados:
- que sujeta firmemente todos los sistemas desde el lanzamiento hasta el despliegue, necesitando solo dos elementos de sujeción 2, 10 (podrían ser bandas de sujeción),
- que despliega una amplia gama de antenas reflectoras, manteniendo la misma cantidad mínima de mecanismos,
- que aloja todos los sistemas tradicionalmente contenidos en un módulo de servicio (tales como propulsión, generación de energía, navegación, etc.) dentro de sus segmentos desplegables,
- que facilita las tareas de diseño, análisis, fabricación e Integración y Pruebas de Ensamblaje (“Assembly Integration & Testing”, AIT),
- apto para múltiples propósitos:
o Observación de la Tierra (grandes reflectores desplegables, radiómetros, radares).
o Telecomunicaciones.
o Captura de desechos espaciales.
o Grupo de satélites coordinados lanzados conjuntamente para reducir los costes y los desechos espaciales subsiguientes al final de la vida útil.
o Segmentos de construcción para estructuras espaciales más grandes ensambladas en el espacio
Aunque la presente invención ha sido completamente descrita en relación con realizaciones preferidas, es evidente que pueden realizarse modificaciones dentro del alcance, no considerando esto como limitado por dichas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Conjunto desplegable para antenas, que comprende:
    - una estructura que comprende:
    - n pares de segmentos (4, 5), cada par de segmentos (4, 5) correspondientes a un lado de una forma poligonal desplegada,
    - n articulaciones de bisagra entre los dos segmentos (4, 5) de un lado, y
    - n conexiones angulares de bisagra (6) entre cada dos lados adyacentes,
    de modo que la estructura está configurada para pasar de una posición recogida con una forma sustancialmente cilíndrica a una posición desplegada con una forma poligonal sustancialmente plana con n lados, y
    - una superficie reflectante (9),
    caracterizado por que además comprende:
    - un mástil desplegable (3) entre dos segmentos (4, 5) de los n pares de segmentos (4, 5), en el que el mástil desplegable (3) está configurado para encontrarse recogido entre los dos segmentos (4, 5) en la posición recogida,
    - un alimentador (1) en un extremo del mástil desplegable (3), estando el alimentador (1) configurado para alimentar electromagnéticamente la antena y que comprende un elemento de sujeción (2) para mantener la estructura cerrada cuando está recogida, de modo que el alimentador (1) desempeña el papel de elemento de soporte estructural cuando está recogido y alimentador electromagnético de la antena cuando está desplegado,
    - un conjunto de elementos tensores (8) que sobresalen de la parte posterior de los segmentos (4, 5), y
    - una red de cables (7) que puede dar forma a la superficie reflectante (9), de modo que los cables correspondientes quedan sujetos por los elementos tensores (8).
  2. 2.- Conjunto desplegable para antenas, según la reivindicación 1, en el que la superficie reflectante es un paraboloide de contorno circular.
  3. 3.- Conjunto desplegable para antenas, según la reivindicación 1, en el que la superficie reflectante es un paraboloide de contorno elíptico.
  4. 4.- Conjunto desplegable para antenas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un conjunto de soportes (15) que sobresalen de la parte posterior de los segmentos (4, 5) para conformar el contorno de la superficie reflectante (9).
  5. 5.- Conjunto desplegable para antenas, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un elemento de sujeción inferior (10).
  6. 6.- Conjunto desplegable para antenas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el mástil desplegable (3) está situado entre dos segmentos (4, 5) del mismo lado de la forma poligonal.
  7. 7.- Conjunto desplegable para antenas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente motores en cada una de las conexiones angulares de bisagra (6) entre cada dos lados adyacentes.
  8. 8.- Conjunto desplegable para antenas, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente cierres para asegurar la irreversibilidad de la posición final desplegada.
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