RU2123459C1

RU2123459C1 - Developed ring-shaped structure

Info

Publication number: RU2123459C1
Application number: RU97106212A
Authority: RU
Inventors: А.В. Андреев; В.И. Куркин; Ю.К. Терентьев
Original assignee: Московский технический университет связи и информатики
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-12-20

Abstract

FIELD: large-sized space structures, such as antennae, electromagnetic radiation reflectors and other object transported in compact state. SUBSTANCE: structure includes extensible radially oriented rods with holders secured at their ends. Holders are provided with guide rollers through which flexible developing steel strip made in form of spiral is passed. Inner end of this spiral is connected with central unit of rotation through extensible member. Drives of rotation unit and extension unit of inner end of spiral are synchronized with drive of extension of radial rods. EFFECT: increased load-carrying capacity of framework. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к трансформируемым, преимущественно крупногабаритным космическим конструкциям, которые могут применяться при развертывании орбитальных антенн, отражателей электромагнитных излучений и иных объектов, доставляемых к местам функционирования в компактном состоянии. The invention relates to transformable, mainly large-sized space structures, which can be used when deploying orbital antennas, reflectors of electromagnetic radiation and other objects delivered to places of operation in a compact state.

Известны разнообразные типы развертываемых кольцеобразных конструкций (РКК), используемых по вышеупомянутому назначению. В частности, известна РКК центробежного типа, содержащая гибкий (кабельно-тросовый) несущий каркас и связанную с ним тонкопленочную поверхность отражателя; РКК формируется путем закрутки вокруг некоторой оси и управляемого роспуска каркаса и элементов тонкопленочной поверхности (см. С.Ю.Зайцев, В.А.Кошелев и др. Свет из космоса//"Наука в России", 1994, N 2). A variety of types of deployable ring-shaped structures (RCMs) are used for the aforementioned purpose. In particular, a centrifugal type RCC is known, comprising a flexible (cable-rope) supporting frame and a thin-film reflector surface associated with it; RKK is formed by twisting around a certain axis and controlled dissolution of the skeleton and elements of the thin-film surface (see S.Yu. Zaitsev, V.A. Koshelev and others. Light from space // "Science in Russia", 1994, N 2).

Как показывают теоретические исследования и практический опыт (по результатам отечественного космического эксперимента "Знамя"), РКК данного типа могут иметь габариты (диаметр) от 20 м до нескольких сотен метров. Однако недостатком таких РКК является необходимость их постоянного вращения и трудность обеспечения удовлетворительного качества развернутой пленочной поверхности. As shown by theoretical research and practical experience (according to the results of the domestic space experiment "Banner"), RKK of this type can have dimensions (diameter) from 20 m to several hundred meters. However, the disadvantage of such RKK is the need for their constant rotation and the difficulty of ensuring satisfactory quality of the expanded film surface.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения служит РКК, преимущественно космического назначения, содержащая выдвижные трансформируемые стержневые элементы, направляющие средства и формируемый с помощью указанных элементов и средств гибкий структурный элемент (см. Патент США N 3 582020; B 64 G 1/10; 1971). В качестве стержневых элементов использованы так называемые выдвижные упруготрансформируемые элементы (ВУТЭ), изготовленные из предварительно напряженных пружинящих лент, наматываемых на катушки и принимающих при освобождении трубчатую форму. В качестве гибкого структурного элемента (ГСЭ) выступает трос, несущий полезную нагрузку (спутниковый модуль). The closest analogue of the present invention is RKK, mainly for space purposes, containing retractable transformable bar elements, guiding means and a flexible structural element formed using these elements and means (see U.S. Patent No. 3,520,020; B 64 G 1/10; 1971). As the core elements, the so-called retractable elastically transformable elements (VUTE) are used, made of prestressed spring tapes wound on coils and taking a tubular shape upon release. A cable carrying a payload (satellite module) acts as a flexible structural element (GSE).

Недостатками известной РКК являются ограниченные возможности ГСЭ как несущего и/или функционального элемента каркаса, а также трудность обеспечения строго круговой формы осей ВУТЭ значительной длины, согласно принятой структурно-силовой схеме данной РКК. The disadvantages of the well-known RKK are the limited capabilities of the GSE as a supporting and / or functional element of the frame, as well as the difficulty of providing a strictly circular shape of the VFC axes of considerable length, according to the adopted structural-power scheme of this RKK.

Техническим результатом изобретения является создание РКК стационарного типа, свободной от указанных недостатков и применимой как в качестве несущего каркаса (например, для пленочного отражателя), так и активного элемента (например, спирально-кольцевой антенны) - с типичными размерами до нескольких десятков метров. The technical result of the invention is the creation of a stationary type RCM, free of these drawbacks and applicable both as a supporting frame (for example, for a film reflector) and an active element (for example, a spiral-ring antenna) with typical dimensions of up to several tens of meters.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной развертываемой кольцевой конструкции гибкий структурный элемент выполнен в виде упруго разворачивающейся спирали, указанные стержневые элементы в выдвинутом состоянии расположены радиально, а указанные направляющие средства установлены на трансформируемых стержневых элементах и выполнены в виде ограничителей радиальных смещений витков спирали. The specified technical result is achieved by the fact that in the known deployable ring structure, the flexible structural element is made in the form of an elastically unfolding spiral, said rod elements are extended radially in the extended state, and said guide means are mounted on transformable rod elements and are made in the form of limiters of radial displacements of the spiral coils.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемой РКК указанные стержневые элементы снабжены приводами трансформации и выдвижения, установленными вблизи центра радиального расхождения данных элементов, внутренний конец указанной спирали связан с узлом вращения, размещенным в указанном центре радиального расхождения стержневых элементов, а указанные приводы трансформации и выдвижения и узел вращения кинематически синхронизированы друг с другом. In a preferred embodiment of the proposed RCC, the said rod elements are equipped with transformation and extension drives installed near the center of the radial divergence of these elements, the inner end of the spiral is connected to the rotation unit located in the specified center of the radial divergence of the rod elements, and the said transformation and extension drives and the rotation unit kinematically synchronized with each other.

При этом, в предпочтительном частном варианте реализации РКК гибкий структурный элемент выполнен из стальной упругой полосы, а направляющие средства в виде закрепленных на указанных стержневых элементах держателей с роликами, через которые свободно пропущена указанная полоса, снабженная на внешнем конце стопором протяжки через ролики. Moreover, in a preferred particular embodiment of the RAC, the flexible structural element is made of an elastic steel strip, and the guiding means are in the form of holders fixed to said rod elements with rollers through which the said strip is freely passed, provided at the outer end with a pull stop through the rollers.

С целью увеличения диаметра РКК и управления геометрией ГСЭ внутренний конец указанной спирали связан с узлом вращения посредством выдвижного элемента, снабженного управляемым приводом выдвижения в радиальном направлении при его совместном вращении с указанным узлом. In order to increase the diameter of the RCM and control the geometry of the GSE, the inner end of the indicated spiral is connected to the rotation unit by means of a retractable element equipped with a controllable drive of extension in the radial direction when it rotates together with the specified node.

В данной модификации РКК возможно исполнение, при котором указанный привод выдвижения кинематически синхронизирован с указанным узлом вращения и снабжен средством настройки данной синхронизации. In this modification of the RKK, a version is possible in which the specified extension drive is kinematically synchronized with the indicated rotation unit and equipped with means for setting up this synchronization.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны: на фиг.1 - вид предлагаемой РКК в плане; на фиг.2 - разрез А-А РКК по фиг.1; на фиг.3 - вариант РКК с выдвижным элементом узла вращения; на фиг.4 - развернутая РКК с частично выпущенным выдвижным элементом узла вращения; на фиг.5 - то же при полном выпуске выдвижного элемента. The invention is illustrated by drawings, which show: in Fig.1 - view of the proposed RKK in plan; figure 2 is a section aa RKK of figure 1; figure 3 is a variant of the RCM with a sliding element of the rotation unit; figure 4 - deployed RKK with partially released retractable element of the rotation unit; figure 5 is the same with the full release of the retractable element.

РКК согласно изобретению в предпочтительном варианте ее реализации, содержит ГСЭ в виде стальной упругой (пружинной) полосы 1, свернутой в спираль, стержневые элементы типа ВУТЭ 2, наматываемые на барабаны 3, приводимые во вращение от вала 4, связанного, например, с электродвигателем (не показан), и направляющие средства в виде державок 5 с роликами 6, через которые свободно пропущена полоса 1 (фиг.1). The RKK according to the invention in a preferred embodiment of its implementation, contains a GSE in the form of a steel elastic (spring) strip 1, rolled into a spiral, rod elements of the type VUTE 2, wound on drums 3, driven in rotation from a shaft 4, connected, for example, with an electric motor ( not shown), and guiding means in the form of holders 5 with rollers 6 through which the strip 1 is freely passed (Fig. 1).

Синхронность вращения барабанов 3 обеспечивается, например, коническими зубчатыми передачами 7. Механизм выдвижения и трансформации ВУТЭ 2 выполнен известным образом, включая в себя, например, установленные на корпусе (основании) 8 ограничительные подшипники 9 (фиг.2). The synchronization of rotation of the drums 3 is provided, for example, by bevel gears 7. The mechanism of extension and transformation of the VUTE 2 is made in a known manner, including, for example, restrictive bearings 9 mounted on the housing (base) 8 (Fig. 2).

Узел вращения содержит валик (стакан) 10, установленный на корпусе 8 с возможностью осевого вращения и кинематически связанный, например, через редуктор (не показан) с валом 4 или одной из осей барабанов 3. Внутренний конец спирали 1, в данном варианте РКК, закреплен на валике 10, а внешний ее конец имеет стопор полосы 1 через ролики 6 соответствующей державки 5 (фиг. 1). Возможно и простое закрепление конца 11 на державке. The rotation unit contains a roller (cup) 10 mounted on the housing 8 with the possibility of axial rotation and kinematically connected, for example, through a gearbox (not shown) with a shaft 4 or one of the axes of the drums 3. The inner end of the spiral 1, in this variant of the RCM, is fixed on the roller 10, and its outer end has a stopper strip 1 through the rollers 6 of the respective holder 5 (Fig. 1). A simple fastening of the end 11 to the holder is also possible.

В более частом варианте исполнения внутренний конец спирали 1 связан с валиком 10 узла вращения через выдвижной элемент 12, установленный на валике 10. Этот элемент может быть выполнен аналогично выдвижным стержням 2 - т.е. в виде ВУТЭ с приводом 13 трансформации и выдвижения, закрепленным на валике (внутри стакана) 10. Данный привод 13 (фиг.3) может быть независимым, либо представлять собой механизм (редуктор) кинематической связи, например, с корпусом 8, относительно которого вращается валик (стакан) 10. В частности, на корпусе 8 может быть закреплен зубчатый венец, коаксиальный валику 10, а входное звено упомянутого редуктора может иметь шестерню-сателлит, взаимодействующую с указанным венцом; при этом выходное звено редуктора будет представлять собой вал привода 13 (данный пример исполнения механизма, как вполне понятый специалисту, на чертеже не показан). In a more frequent embodiment, the inner end of the spiral 1 is connected to the roller 10 of the rotation unit via a sliding element 12 mounted on the roller 10. This element can be made similar to the sliding rods 2 - i.e. in the form of a VUE with a drive 13 of transformation and extension mounted on a roller (inside the cup) 10. This drive 13 (Fig. 3) can be independent, or represent a mechanism (gearbox) of kinematic communication, for example, with a housing 8 relative to which it rotates a roller (cup) 10. In particular, a ring gear, a coaxial roller 10 can be fixed to the housing 8, and the input link of said gear may have a satellite gear interacting with said ring; while the output link of the gearbox will be a drive shaft 13 (this example of the mechanism, as is well understood by a specialist, is not shown in the drawing).

Привод 13 трансформации и выдвижения элемента 12 управляется по независимому каналу, либо вышеупомянутый редуктор имеет блок настройки передаточного отношения. The drive 13 for the transformation and extension of the element 12 is controlled by an independent channel, or the aforementioned gearbox has a gear ratio setting unit.

РКК согласно изобретению работает следующим образом. RKK according to the invention works as follows.

В исходном положении, например, при доставке РКК но околоземную орбиту, спираль 1 сжата до минимального диаметра (фиг.2) и удерживается в этом состоянии держателями 5 на концах невыпущенных ВУТЭ 2. In the initial position, for example, when delivering the rocket to the near-Earth orbit, the spiral 1 is compressed to a minimum diameter (Fig. 2) and is held in this state by the holders 5 at the ends of the unreleased VUTE 2.

Развертывание конструкции производится вращением барабанов 3 от приводного вала 4 и синхронным поворотом вала 10 при посредстве соответствующего редуктора (не показан). В процессе выдвижения ВУТЭ 2 спираль 1 разворачивается благодаря собственной упругости, увеличивая диаметры витков. Ограничительные ролики 6 держателей 5 стабилизируют процесс формирования рабочей конфигурации спирали 1' с максимальным диаметром внешнего кругового витка (фиг. 1). Синхронный поворот валика 10 (в примере по фиг.1 - против часовой стрелки) обеспечивает свободно-упругий роспуск спирали, без появления крутящего усилия, вызывающего изгиб ВУТЭ 2. The deployment of the structure is carried out by rotating the drums 3 from the drive shaft 4 and the synchronous rotation of the shaft 10 using the appropriate gearbox (not shown). In the process of extension of the VUTE 2, the spiral 1 unfolds due to its own elasticity, increasing the diameters of the turns. The restrictive rollers 6 of the holders 5 stabilize the process of forming the working configuration of the spiral 1 'with a maximum diameter of the outer circular turn (Fig. 1). Synchronous rotation of the roller 10 (in the example of figure 1 - counterclockwise) provides a free-elastic dissolution of the spiral, without the appearance of a twisting force, causing bending of VUTE 2.

Сформированный вследствие развертывания спирально-круговой каркас РКК может быть использован в качестве несущего для некоторого сооружения, например - экрана или отражателя света. В этом случае на каркас натягивается пленка (пленка может быть заранее, например посекторно, прикреплена к участкам ВУТЭ 2 по схеме "штор с кольцами" и сложена с образованием системы поперечных и радиальных складок), либо укладываются тонкие панели (могут быть предусмотрены дополнительные элементы, например, "паутинка" нитей или проволок между ВУТЭ 2) и т.д. На каркасе РКК могут устанавливаться и панели солнечных батарей (в том числе - пленочные). The RKK formed as a result of the deployment of a spiral-circular skeleton can be used as a carrier for some structure, for example, a screen or a light reflector. In this case, a film is stretched on the frame (the film can be pre-mounted, for example sector-by-sector, attached to the sections of the VUTE 2 according to the “curtain with rings” scheme and folded to form a system of transverse and radial folds), or thin panels are laid (additional elements may be provided, for example, a "spider line" of threads or wires between VUTE 2), etc. Solar panels (including film) can also be installed on the RKK frame.

Наряду, или одновременно, с этим ГСЭ в виде развернутой спирали 1' (фиг. 1) может применяться в качестве антенны. В этом случае на упругую полосу 1 должно быть нанесено электропроводное покрытие, либо на этой полосе следует выполнить, как на основе, некоторую проводящую структуру более сложного вида: с распределенными приемниками/излучателями и т.п. Подобным же образом в качестве антенн могут применяться и ВУТЭ 2. Along with, or at the same time, with this GSE in the form of a deployed spiral 1 '(Fig. 1) can be used as an antenna. In this case, an electrically conductive coating should be applied to the elastic strip 1, or some conductive structure of a more complex type should be performed on this strip, as a basis: with distributed receivers / emitters, etc. In the same way, VUTE 2 can be used as antennas.

Как видно из описанного примера реализации РКК (фиг.1, 2), после ее развертывания остается спиральный участок (виток), который, во-первых, не позволяет использовать всю длину упругой полосы 1 для создания чисто кольцевой конструкции - существенно большего диаметра, а во-вторых, "провисает" и не дает ощутимого вклада в жесткость рабочей формы РКК (скорее, способствуя появлению нежелательных возмущений колебательного характера). Кроме того, ограничено управление геометрией ГСЭ (в части, при желании иметь перенастраиваемую антенну). As can be seen from the described example of the implementation of the RKK (figure 1, 2), after its deployment there remains a spiral section (coil), which, firstly, does not allow the entire length of the elastic strip 1 to be used to create a purely annular structure - a significantly larger diameter secondly, it “sags” and does not make a tangible contribution to the rigidity of the RKK working form (rather, contributing to the appearance of undesirable disturbances of an oscillatory nature). In addition, the control of the GSE geometry is limited (in part, if you wish to have a reconfigurable antenna).

В этой связи, предлагаемая модификация РКК, свободная от отмеченного недостатка (фиг.3-5), имеет следующие особенности функционирования. In this regard, the proposed modification of the RCM, free from the noted drawback (Fig.3-5), has the following operating features.

Внутренний конец спирали 1 в процессе развертывания РКК с помощью выдвижного элемента 12 отводится от центра каркаса на значительное расстояние, позволяющее уменьшить относительную длину "остаточного" витка (фиг.4), либо вовсе практически исключить его (фиг.5), увеличив тем самым диаметр кольцевой конструкции. При этом могут быть сформированы РКК различного диаметра и с различным соотношением кольцевого и спирального участков ГСЭ. The inner end of the spiral 1 during the deployment of the RAC with the help of the sliding element 12 is diverted from the center of the frame by a considerable distance, which allows to reduce the relative length of the "residual" coil (figure 4), or completely eliminate it (figure 5), thereby increasing the diameter ring structure. In this case, RKK of various diameters and with different ratios of the annular and spiral sections of the GSE can be formed.

Синхронизация выдвижения элемента 12 с его вращением (вместе с валиком, или сканом 10), вообще говоря, требует специального управления - так, чтобы в любой из реализуемых конфигураций ГСЭ 1" исключить изгибающее действие упругой спирали на ВУТЭ 2 и 12. Такое управление можно осуществить независимым приводом выдвижения 13, либо путем поднастройки вышеупомянутого редуктора, связывающего вал привода 13 с корпусом 8 (не показан). Synchronization of the extension of the element 12 with its rotation (together with the roller, or scan 10), generally speaking, requires special control - so that in any of the realized configurations of GSE 1 "eliminate the bending action of the elastic spiral on VUTE 2 and 12. Such control can be carried out independent drive extension 13, or by adjusting the aforementioned gearbox connecting the shaft of the drive 13 with the housing 8 (not shown).

Следует отметить, что в данной модификации РКК механизм синхронизации вращения барабанов 3 (фиг.1) и валика (стакана) 10 - также может быть выполнен с переменным или регулируемым передаточным отношением. It should be noted that in this modification of the RAC, the mechanism for synchronizing the rotation of the drums 3 (Fig. 1) and the roller (glass) 10 can also be performed with a variable or adjustable gear ratio.

Все регулирования (поднастройки) могут осуществляться оператором и/или задаваться программно, при возможности использовании следящей системы (например, с датчиками изгиба ВУТЭ) - методами, известными из уровня техники. All adjustments (sub-adjustments) can be carried out by the operator and / or be set programmatically, if possible using a servo system (for example, with VUTE bending sensors) using methods known from the prior art.

Анализ известных аналогов изобретения позволяет заключить о соответствии данного изобретения критерию новизны. Отдельные конструктивные решения, известные из уровня техники, в предлагаемой совокупности существенных признаков дают неочевидный результат, свидетельствующий о наличии изобретательского уровня предложения. Промышленная применимость изобретения доказывается вышеприведенными примерами его конкретной реализации - на базе существующих технических средств и технологий. Analysis of known analogues of the invention allows us to conclude that this invention meets the criterion of novelty. Separate structural solutions known from the prior art, in the proposed combination of essential features give an unobvious result, indicating the presence of an inventive step of the proposal. The industrial applicability of the invention is proved by the above examples of its specific implementation based on existing technical means and technologies.

Claims

1. An expandable ring-shaped structure for forming a supporting frame, comprising transformable rod elements, which are in the extended state, located radially, elastically unfolding spiral tape, guiding means made in the form of limiters of radial displacements of the turns of the spiral tape, drives for the transformation and extension of the rod elements, the rotation unit of the spiral tapes located in the center of the radial divergence of the core elements, while the inner end of the specified spiral flax s associated with a node of its rotation, characterized in that the inner end of the spiral belt is connected to a node of rotation by the sliding element, rotating together with said assembly and provided with a controlled drive in the radial direction of extension.

2. The construction according to claim 1, characterized in that the transformation and extension drives of the rod elements are installed near the center of divergence and are kinematically synchronized with each other.

3. The construction according to claim 1 or 2, characterized in that said elastically unfolding spiral tape is made of a steel elastic strip, and the limiters of the radial displacements of the turns of the spiral are in the form of holders fixed to said rod elements with rollers through which the strip is freely passed, equipped with a stop at the outer end to pull it through the rollers.

4. The design according to p. 1, characterized in that the drive extension of the inner end of the spiral tape is kinematically synchronized with the rotation unit and is equipped with a means of setting this synchronization.