RU2745166C1 - Бинарный космический аппарат с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к малоразмерным бинарным космическим аппаратам (БКА), предназначенным для создания реконфигурируемых сканирующих многоэлементных антенных систем. БКА содержит два цилиндрообразных корпуса, в центрах торцов которых размещены четыре телескопические штанги, на которых размещены четыре мультивекторных матричных ракетных двигателя (ММРД) с волнообразными цилиндрическими поверхностями для развертывания смотанной в два рулона гибкой солнечной батареи (СБ), интегрированной с антенной. Полотно СБ состоит из двух равных по длине частей, концы которых соединены с цилиндрообразными корпусами и с натяжными тубусами, в которых размещены выдвижные стыковочные манипуляторы. Поворот одного полотна относительно другого осуществляется электромеханическим узлом, состоящим из коаксиально расположенных кольцевого солнечного датчика, дискового токосъемника, шагового двигателя, соединяющего посредине первый и второй натяжные тубусы. Для управления с помощью ММРД длиной развертывания СБ и ориентации БКА относительно других БКА служат четыре дисковые сканирующие лазерные дальномеры, закрепленные на торцах цилиндрообразных корпусов. Техническим результатом является возможность стыковки с несколькими БКА, развертывание и свертывание СБ, интегрированной с антенной, непосредственно сматываемой или наматываемой на цилиндрообразные корпуса с помощью ММРД, их компактная парковка по окончанию свертывания БКА и возможность осуществления одновременного раздельного слежение СБ за Солнцем и перемещающимися в разных направлениях источниками радиосигналов. 9 ил.

Description

Изобретение относится к малоразмерным бинарным космическим аппаратам (БКА), весом менее 1000 грамм, предназначенным для создания реконфигурируемых сканирующих антенн или многоэлементных антенных систем на базе нескольких БКА для кругового или сферического сканирования.

Используемое в описании изобретения словосочетание «бинарный космический аппарат» (БКА) понимается как космический аппарат, состоящий из двух цилиндрообразных корпусов и одной общей гибкой ленточной солнечной батареи, расположенной между ними, разворачиваемой за счет разматывания солнечных батарей, намотанных в рулон вокруг первого и второго корпуса, вращение которых и перемещения одного корпуса относительно другого в противоположные стороны осуществляется с помощью мультивекторных матричных ракетных двигателей (ММРД) с волнообразными цилиндрическими поверхностями. Гибкая ленточная солнечная батарея (СБ) - это гибкая диэлектрическая ленточная подложка, на которую нанесен массив соединенных между собой тонкопленочных солнечных фотоэлементов.

Известен микро-спутник с солнечной батареей, выполненной в виде гибкой подложки с нанесенными тонкопленочными солнечными фотоэлементами, намотанной при выведении вокруг корпуса микро-спутника и развертываемой с помощью пружин после выхода на заданную орбиту. Микро-спутник содержит: корпус спутника, механизм развертывания на базе торсионных пружин, солнечные батареи, выполненные из гибкой подложки с нанесенными тонкопленочными фотоэлементами, двигатели, антенны, солнечный датчик, конусный узел стыковки с другим спутником [1].

Недостатком устройства является отсутствие возможности раздельного слежения СБ за Солнцем и перемещающимися в разных направлениях источниками радиосигналов, а также отсутствие возможности свертывания в два рулона гибкой подложки с тонкопленочной ленточной СБ, совмещенной с коллинеарной антенной, наматываемой непосредственно вокруг двух цилиндрообразных корпусов БКА при помощи ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, в сочетании с которыми выдвижные стыковочные манипуляторы могли бы осуществлять трансформацию многоэлементных антенных систем.

Наиболее близким по технической сущности является бинарный космический аппарат с реконфигурируемой антенной, совмещенной с гибкой ленточной солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями, содержащий два кубических корпуса с закрепленной между ними гибкой подложкой с тонкопленочными солнечными фотоэлементами, которая выполнена в виде диэлектрической ленты с возможностью свертывания в рулон с нанесенными информационно-силовыми шинами и коллинеарной антенной, позиционной штрих-кодовой лентой, два датчика штрих-кода, два мультивекторных матричных ракетных двигателя, две выдвижные телескопические штанги, шесть линейных шаговых двигателя, две катушки, два дисковых токосъемника, четыре шаговых двигателя, четыре лазерных дальномера, четыре ПЗС-матрицы, два солнечных датчика, два контроллера, два стабилизатора напряжения, два приемопередатчика, четыре поворотные стыковочные площадки [2].

Недостатком устройства является отсутствие возможности раздельного слежения СБ за Солнцем и перемещающимися в разных направлениях источниками радиосигналов, а также отсутствие возможности свертывания в два рулона гибкой подложки с тонкопленочной ленточной СБ, совмещенной с коллинеарной антенной, наматываемой непосредственно вокруг двух цилиндрообразных корпусов БКА при помощи ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, в сочетании с которыми выдвижные стыковочные манипуляторы могли бы осуществлять трансформацию многоэлементных антенных систем.

Отличие предлагаемого технического решения от выше изложенных заключается во введении двух цилидрообразных корпусов, что позволило осуществить намотку гибкой солнечной батареи непосредственно вокруг корпусов без применения дополнительных катушек. Введение четырех ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, генерирующих пакеты тяг с заданными комбинациями их величин и направлений, позволило осуществить реверсивное вращение двух корпусов в сочетании с реверсивным перемещением их относительно друг друга. Это позволило с помощью ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями многократно разворачивать и сворачивать в рулон СБ. Введение четырех дискообразных сканирующих лазерных дальномеров, работающих с обзором горизонта в 360° градусов, размещенных на торцах цилиндрообразных корпусов, позволило постоянно отслеживать расстояние между верхними и нижними торцами корпусов и угол наклона оси симметрии одного корпуса относительно другого, а также постоянно отслеживать расстояние до рядом расположенных БКА при развертывании многоэлементных антенных полей заданной конфигурации, состоящих из нескольких синхронизированных БКА. Введение двух натяжных тубусов, соединенных по средине между собой компактным электромеханическим узлом, состоящим из коаксиально размещенных кольцевого солнечного датчика, дискового токосъемника и шагового двигателя, позволило убрать с корпуса выступающие части для выполнения равномерной намотки солнечной батареи на цилиндрообразные корпуса и осуществить по принципу «русской матрешки» беспрепятственное выдвижение и вложение ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями на этапах развертывания и свертывания БКА в космосе.

Ведение шагового двигателя, позволило осуществлять изменение угла расположения одной антенны относительно другой за счет вращения шагового двигателя на 360° градусов для осуществления секторного или кругового сканирования антенной пространства окружающего БКА, а также осуществлять смену расположения стыковочных конусов на выдвижных стыковочных манипуляторах за счет поворота натяжных тубусов для оптимизации сборки конструкций из нескольких БКА без дополнительного маневрирования. Введение дискового токосъемника, расположенного вокруг оси симметрии шагового двигателя, позволило производить обмен информацией между первым и вторым контролерами во время вращения первой гибкой диэлектрической ленточной подложки относительно второй, при разнонаправленной ориентации солнечных батарей и приемопередающих антенн. Введение кольцеобразного солнечного датчика с равномерным распределением фотоэлементов по внешней поверхности кольца, расположенного вокруг дискового токосъемника, позволило получать информацию о координатах Солнца, независимо от вращения гибких диэлектрических ленточных подложек с размещенными антеннами и солнечными батареями и положения БКА относительно Солнца. Введение четырех световозвращающих элементов, закрепленных на торцах первого и второго натяжных тубусов, позволило осуществить измерение длины выпущенных гибких диэлектрических ленточных подложек СБ и антенн, при перпендикулярном расположении одного корпуса относительно другого, в условиях отсутствия прямой видимости между дискообразными сканирующими лазерными дальномерами, закрепленными на торцах первого и второго цилиндрообразных корпусов. Введение стыковочных конусов и воронок с нанесенными токопроводящими шинами, позволило осуществлять обмен информацией и электроэнергией между нескольким БКА по проводному каналу связи для перераспределения мощности передатчиков и самовосстановления системы при повреждениях отдельных БКА. Введение стыковочных выдвижных штанг, соединенных с линейными шаговыми двигателями, позволило выдвигать встречно на заданную длину элементы стыковочных манипуляторов для ускорения процесса стыковки. Ведение стыковочных шаговых двигателей позволило осуществлять угловые повороты вокруг осей в сочетании с линейным перемещением соединенных замками выдвижных стыковочных манипуляторов для одновременной ориентации диаграмм направленности антенн по нескольким плоскостям. Введение светодиодных колец, закрепленных на стыковочных конусах, излучающих определенную длину волны, позволило идентифицировать каждый выдвижной стыковочный манипулятор, его координаты и не перепутать их при построении много элементных структур из нескольких БКА. Введение ПЗС-матриц и центральных светодиодов, расположенных на кончике стыковочного конуса и на дне стыковочной воронки, позволило при совмещении изображения центра светодиодного круга с изображением удаленной центральной точкой, центры которых лежат на одной оси (линии визирования), осуществить точное вложение стыковочного конуса в стыковочную воронку.

Техническим результатом является возможность раздельного слежения СБ за Солнцем и перемещающимися в разных направлениях источниками радиосигналов, а также возможность свертывания в два рулона гибкой подложки с тонкопленочной ленточной СБ, совмещенной с коллинеарной антенной, наматываемой непосредственно вокруг двух цилиндрообразных корпусов БКА при помощи ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, в сочетании с которыми выдвижные стыковочные манипуляторы осуществляют трансформацию многоэлементных антенных систем.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: бинарный космический аппарат с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями, содержащий два корпуса с закрепленной между ними гибкой подложкой с тонкопленочными солнечными фотоэлементами, которая выполнена в виде диэлектрической ленты с возможностью свертывания в рулон, с нанесенными информационно-силовыми шинами и коллинеарной антенной, мультивекторные матричные ракетные двигатели, выдвижные телескопические штанги, линейные шаговые двигатели, лазерные дальномеры, ПЗС-матрицы, солнечный датчик, токосъемник, два контроллера, два стабилизатора напряжения, два приемопередатчика, стыковочные узлы, четыре мультивекторных матричных ракетных двигателя с волнообразными цилиндрическими поверхностями, четыре выдвижные телескопические штанги, четыре линейных шаговых двигателя, четыре дискообразных сканирующих лазерных дальномера, четыре световозвращающих элемента, четыре стыковочных шаговых двигателя, четыре стыковочных линейных шаговых двигателя, четыре стыковочные выдвижные штанги, две стыковочные воронки с нанесенными с внутренней конусной поверхности кольцевыми токопроводящими шинами, два стыковочных конуса с нанесенными с внешней конической поверхности кольцевыми токопроводящими шинами, два стыковочных стакана малого диаметра, две ПЗС-матрицы, два стыковочных стакана большего диаметра, два электромагнитных замка, стыковочные светодиоды, два натяжных тубуса, к одному из которых прикреплен солнечный датчик, выполненный кольцеобразным, с равномерным распределением фотоэлементов по внешней поверхности кольца, внутри которого коаксиально размещены дисковый токосъемник и шаговый двигатель, статоры которых соединены с серединой первого натяжного тубуса, а коаксиально расположенные их роторы соединены с серединой второго натяжного тубуса, первый и второй корпуса, выполненные цилиндрообразными, на торцах которых закреплены дискообразные сканирующие лазерные дальномеры, наружные диаметры которых меньше внутренних диаметров оснований волнообразных цилиндрических поверхностей мультивекторных матричных ракетных двигателей с волнообразными цилиндрическими поверхностями, которые соединены с торцами цилиндрообразных корпусов через выдвижные телескопические штанги, проходящие через центральные отверстия, расположенные по центрам дискообразных сканирующих лазерных дальномеров, внутренние стороны которых ограничивают по ширине свернутые в рулон полотна гибких диэлектрических ленточных подложек солнечных батарей, края полотен которых крепятся к боковым поверхностям первого и второго цилиндрообразных корпусов, а противоположные края первой и второй гибких диэлектрических ленточных подложек механически соединены с первым и вторым натяжными тубусами, соединенными между собой для выполнения вращения относительно друг друга через статор и ротор шагового двигателя, а электрически - через скользящие сигнальные и силовые контакты дискового токосъемника, соединяющие силовые и информационные шины с солнечным кольцеобразным датчиком, первым и вторым контроллерами и электромеханическими элементами стыковочных узлов, также, на торцах натяжных тубусов закреплены световозвращающие элементы, возвращающие излучение дискообразных сканирующих лазерных дальномеров в диапазоне выделенных для сканирования длин волн, причем, в каждом натяжном тубусе от верхних и нижних краев до середины сформированы по две камеры, в двух из которых размещены первый и второй стыковочные шаговые двигатели, соединенные с первым и вторым стыковочными линейными шаговыми двигателями, соединенные через первую и вторую стыковочные выдвижные штанги с закрепленными на вершинах первой и второй стыковочных воронок первым и вторым стыковочными стаканами большего диаметра, посередине которых с внешней стороны размещены первый и второй электромагнитные замки, а по центрам оснований с внутренней стороны - первый и второй центральные стыковочные светодиоды, на основании первой и второй стыковочных воронок размещены стыковочные светодиодные кольца, в других двух камерах, расположенных с противоположных сторон натяжных тубусов, размещены третий и четвертый стыковочные шаговые двигатели, соединенные с третьим и четвертым стыковочными линейными шаговыми двигателями, соединенными через третью и четвертую стыковочные выдвижные штанги с центрами оснований первого и второго стыковочных конусов, на вершинах которых закреплены первый и второй стыковочные стаканы малого диаметра с первым и вторым кольцевыми пазами и размещенными внутри первой и второй ПЗС-матрицами.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, где представлен бинарный космический аппарат с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями в момент развертывания гибкой ленточной СБ. На Фиг. 2 представлена структурная блок-схема бинарного космического аппарата с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями. На Фиг. 3 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию выдвижных стыковочных манипуляторов, расположенных в верхних камерах натяжных тубусов. На Фиг. 4 представлен выносной элемент Б (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию выдвижных стыковочных манипуляторов расположенных в нижних камерах натяжных тубусов. На Фиг. 5 представлен выносной элемент В (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию, полученную при соединении двух выдвижных стыковочных манипуляторов. На Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9 поясняются этапы развертывания свернутой в рулон гибкой солнечной батареи. Фиг. 6, первый этап - выполнение тестирования после выведения на заданную орбиту. Фиг. 7, второй этап - выполнение развертывания гибкой СБ. Фиг. 8, третий этап - выполнение развертывания гибкой СБ с одновременной ориентацией ее на Солнце и на заданный источник радиосигнала. Фиг. 9, четвертый этап - стыковка двух БКА с последующим выполнением сканирования реконфигурируемой антенной системой, собранной из антенн двух БКА, заданных угловых секторов.

Бинарный космический аппарат с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями, содержит: (Фиг. 1, Фиг. 2) первый цилиндрообразный корпус 1, второй цилиндрообразный корпус 2, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 линейные шаговые двигатели, первую 11, вторую 12, третью 13, четвертую 14 выдвижные телескопические штанги; первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18 дискообразные сканирующие лазерные дальномеры, кольцеобразный солнечный датчик 19, первую 20 и вторую 21 гибкую диэлектрическую ленточную подложку, тонкопленочные солнечные фотоэлементы 22, силовые шины 23, информационную шину 24, коллинеарную антенну 25, первый 26 и второй 27 контроллеры, первый 28 и второй 29 стабилизаторы напряжения, первый 30 и второй 31 приемопередатчики, первый натяжной тубус 32, второй натяжной тубус 33, соединенные между собой через ротор и статор шагового двигателя 34, дисковый токосъемник 35, первый 36, второй 37, третий 38, четвертый 39 световозвращающие элементы, закрепленные на торцах первого 32 и второго 33 натяжных тубусов, первую 40 и вторую 41 стыковочные воронки, первый 42 и второй 43 стыковочные конусы, кольцевые токопроводящие шины 44, первый 45 и второй 46 стыковочные стаканы большего диаметра, первый 47 и второй 48 стыковочные стаканы меньшего диаметра, первое 49 и второе 50 стыковочные светодиодные кольца, первый 51 и второй 52 центральные стыковочные светодиоды, первый 53 и второй 54 электромагнитные замки, первую 55 и вторую 56 ПЗС-матрицы, первый 57 и второй 58 кольцевые пазы стыковочных стаканов меньшего диаметра, первую 59, вторую 60, третью 61 четвертую 62 стыковочные выдвижные штанги, первый 63, второй 64, третий 65, четвертый 66 стыковочные линейные шаговые двигатели, первый 67, второй 68, третий 69, четвертый 70 стыковочные шаговые двигатели. Первый 32 и второй 33 натяжные тубусы в сочетании с шаговым двигателем 34 образуют Н-образную раму с возможностью управляемого прецизионного поворота одного натяжного тубуса относительно другого на 360° градусов. Для размещения в первом 32 и втором 33 натяжных тубусах выдвижных стыковочных манипуляторов в каждом натяжном тубусе от верхних и нижних краев до середины сформированы по две камеры с элементами крепления. На Фиг. 2, в границах замкнутых пунктирных линий, расположены элементы, конструктивно размещенные в первом 1 и втором 2 цилиндрообразных корпусах. λ1, λ2, λ3, λ4 - выделенные длинны волн электромагнитного излучения оптического диапазона, излучаемые первым 15, вторым 16, третьим 17, четвертым 18 дискообразными сканируемыми лазерными дальномерами.

Для успешного развертывания БКА, собранного по принципу «русской матрешки», должны быть выполнены следующие условия: наружный диаметр дисков дискообразных сканирующих лазерных дальномеров должен быть меньше минимального внутреннего диаметра волнообразного контура мультивекторных матричных ракетных двигателей (ММРД) с волнообразными цилиндрическими поверхностями; толщина намотки гибкой СБ не должна выходить за наружный диаметр дисков сканирующих лазерных дальномеров; ширина гибкой диэлектрической ленточной подложки СБ не должна превышать расстояния между дисками сканирующих лазерных дальномеров, расположенных на торцах первого и второго цилиндрообразных корпусов; толщина дискового токосъемника должна быть достаточной для того, чтобы в процессах свертывания и развертывания ММРД не смогли задеть друг друга цилиндрическими поверхностями при выдвижении их телескопическими штангами.

Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления компонентов. В качестве мультивекторного матричного ракетного двигателя (ММРД) с волнообразной цилиндрической поверхностью может быть использована мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величины и направления тяги, которая состоит из плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром монолитной термостойкой диэлектрической подложки, с размещенными на ней квадратной матричной реверсивной структурой двигательных ячеек, соединенной с повторяющим ее контур цилиндрообразной полой с волнообразным профилем монолитной термостойкой диэлектрической подложкой с радиально-веерной ориентацией всех продольных осей конусообразных микропор на центры чередующихся сопряженных вогнутых и выпуклых полуокружностей, образующих в совокупности замкнутую волнообразную внешнею поверхность. Все конусообразные микропоры заполнены твердым топливом и ранжированы по объему в пропорциях последовательных степенях числа два (1-2-4-8-16-32), обеспечивающих генерацию множества разнонаправленных векторов тяги с прецизионным цифровым управлением в двоичном коде величиной тяги каждой ячейки. [3, 4].

При изготовлении гибкой СБ могут быть использованы известные технологии изготовления гибких солнечных тонкопленочных батарей, выполненных на базе гибкой подложки с нанесенными тонкопленочными фотогальваническими элементами, изготовленными, по меньшей мере, из аморфного кремния (a-Si), теллурида кадмия (CdTe), арсенида галлия (GaAs) [1].

Для выполнения стыковки между несколькими БКА, сближающимися с противоположных направлений, в камеры натяжных тубусов 32 и 33 с противоположных сторон встроены выдвижные стыковочные манипуляторы (Фиг. 3 и Фиг. 4), состоящие из первой 40 и второй 41 стыковочных воронок, соединенных с первым 45 и вторым 46 стыковочными стаканами большего диаметра, в которые погружаются при стыковки первый 42 или второй 43 стыковочные конусы, соединенные с первым 47 и вторым 48 стыковочными стаканами меньшего диаметра. На внутренней поверхности первой 40 и второй 41 стыковочных воронок и внешней поверхности первого 42 и второго 43 стыковочных конусов нанесены кольцевые токопроводящие шины 44 для обмена электроэнергией и информацией между контроллерами состыкованных БКА. По периметру основания первой 40 и второй 41 стыковочных воронок расположены первое 49 и второе 50 стыковочные светодиодные кольца с идентификационными длинами излучения λ5 и λ6. На дне первого 45 и второго 46 стыковочных стаканов большего диаметра помещены первый 51 и второй 52 центральные стыковочные светодиоды. Светодиоды выполняют функции светящегося кольца мишени и ее центра, который виден только из определенного стыковочного углового сектора. Первый 53 и второй 54 электромагнитные замки, закрепленные посредине первого 45 и второго 46 стыковочных стаканов большего диаметра, обеспечивают устойчивые контакты между кольцевыми токопроводящими шинами 44 по окончанию стыковки нескольких БКА. В первом 47 и втором 48 стыковочных стаканах меньшего диаметра установлены первая 55 и вторая 56 ПЗС-матрицы для поиска первого 49 или второго 50 стыковочных светодиодных колец (мишеней) и последующей ориентации первого 40 и второго 41 стыковочных конусов на излучающие первый 51 или второй 52 стыковочные центральные светодиоды, которые должны отображаться по центру первого 49 или второго 50 стыковочных светодиодных колец. После вхождения первого 47 или второго 48 стыковочных стаканов меньшего диаметра в первый 45 или второй 46 стыковочные стаканы большего диаметра, происходит их фиксация с помощью первого 53 или второго 54 электромагнитных замков, фиксаторы которых охватывают первый 57 или второй 58 кольцевые пазы первого 47 или второго 48 стыковочных стаканов меньшего диаметра, расположенных между вершинами первого 40 или второго 41 стыковочных конусов и первой 55 или второй 56 ПЗС-матрицами. При стыковке и расстыковки стаканы должны беспрепятственно вкладываться один в дугой и также разъединяться с учетом максимальных температурных колебаний. Для осуществления встречного выдвижения и касания первого 42 или второго 43 стыковочных конусов, первой 40 или второй 41 стыковочных воронок, используются первая 59, вторая 60, третья 61, четвертая 62 стыковочные выдвижные штанги, соединенные, соответственно, с первым 63, вторым 64, третьим 65, четвертым 66 стыковочными линейными шаговыми двигателями. С целью поворота одного состыкованного БКА относительно другого на определенный угол используются первый 67, второй 68, третий 69, четвертый 70 стыковочные шаговые двигатели.

Устройство работает следующим образом: после вывода на орбиту БКА включаются первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 линейные шаговые двигатели, осуществляющие выдвижение первой 11, второй 12, третей 13, четвертой 14 телескопических штанг, отводящие первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями от торцов первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов. Одновременно включаются первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18 дискообразные сканирующие лазерные дальномеры, работающие на выделенных длинах волн λ1, λ2, λ3, λ4 для исключения влияния помех от активных или пассивных источников. После проверки работоспособности первого 15, второго 16, третьего 17, четвертого 18 дискообразных сканирующих лазерных дальномеров включаются первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями которые создают вращение первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов, разматывая свернутые в рулон первую 20 и вторую 21 гибкие диэлектрические ленточные подложки СБ, с одновременным удалением одного цилиндрообразного корпуса от другого, растягивая полотно СБ в противоположные стороны для исключения провисания (Фиг. 7). После развертывания на требуемую длину первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложек с тонкопленочными солнечными фотоэлементами 22, БКА переходит в режим ориентации и слежения за Солнцем. Поворот плоскостей первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложек в направлении Солнца и одновременное оптимальное натяжение их осуществляется с помощью первого 3, второго 4, третьего 5. четвертого 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, осуществляющие сближение или удаление, или изменение угла наклона, соответственно, первого 1 или второго 2 цилиндрообразных корпусов. Согласно коду координат Солнца, полученного от кольцеобразного солнечного датчика 19 и информации, поступающей с первого 15, третьего 17 и второго 16, четвертого 18 дискообразных сканирующих лазерных дальномеров о расстоянии и углах осей между первым 1 и вторым 2 цилиндрообразными корпусами, осуществляются синхронные угловые повороты первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов, без изменения расстояния между ними (Фиг. 8). На первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложках, кроме тонкопленочных солнечных фотоэлементов 22 и соединяющих их силовых шин 23, также нанесены коллинеарная антенна 25 и проводной двунаправленный канал связи в виде информационной шины 24 для обмена информацией между первым 26 и вторым 27 контроллерами и получения информации от кольцеобразного солнечного датчика 19, выполненного с равномерным распределением фотоэлементов по внешней поверхности кольца. Электрический ток, выработанный тонкопленочными солнечными фотоэлементами 22, поступает на входы первого 28 и второго 29 стабилизаторов напряжения, которые выдают стабилизированные напряжения для питания первого 30 и второго 31 приемопередатчиков, для зарядки аккумуляторов первого 26 и второго 27 контроллеров и для обеспечения электропитанием всех датчиков и двигателей.

При возникновении существенных отклонений в углах ориентации СБ направленной на Солнце, и элементов коллинеарной антенны, направляемых на источник радиосигналов, включается раздельное сопровождение нескольких источников электромагнитного излучения. Это достигается поворотом первого полотна гибкой диэлектрической ленточной подложки 20 относительно второго полотна 21 на заданный угол, синхронным изменением положения второго натяжного тубуса 33 и второго цилиндрообразного корпуса 2, с сохранением оптимального натяжения гибких диэлектрических ленточных подложек между первым 1 и вторым 2 цилиндрообразными корпусами (Фиг. 9). Поворот первого 32 и второго 33 натяжных тубусов относительно друг друга осуществляется шаговым двигателем 34, статор которого соединен с серединой первого натяжного тубуса 32, а ротор - с серединой второго 33 натяжного тубуса, который изменяет угол наклона синхронно с изменением угла наклона второго 2 цилиндрообразного корпуса, коррекция положения которого осуществляется с помощью третьего 5 и четвертого 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями. В зависимости от режимов работы сканирование антенной окружающего БКА пространства может выполняться как в узком секторе (секторное сканирование), так и по кругу (круговое сканирование). При поворотах первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложек относительно друг друга до 360° градусов, сохранение связи между информационно-силовыми шинами осуществляется с помощью скользящих сигнальных и силовых кольцевых контактов дискового токосъемника 35, статор и ротор которого расположены коаксиально статору и ротору шагового двигателя 34. Первый 36, второй 37, третий 38, четвертый 39 световозвращающие элементы закрепленные на торцах первого 32 и второго 33 натяжных тубусов, позволяют осуществить устойчивое измерение длины выпущенных гибких диэлектрических ленточных подложек СБ и коллинеарных антенн, включая перпендикулярное расположение одного корпуса относительно другого (Фиг. 9) в условиях отсутствия прямой видимости между дискообразными сканирующими лазерными дальномерами, закрепленными на торцах первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов при вращении полотна одной гибкой диэлектрической ленточной подложки относительно другой, в режиме поиска источников электромагнитного излучения.

При построении многоэлементных антенных систем (Фиг. 9) осуществляется сборка из нескольких идентичных БКА за счет их стыковки в виде заданных программой геометрических фигур. Это осуществляется следующим образом. На двух БКА или нескольких, при выполнении групповой стыковки, из камер первого 32 и второго 33 натяжных тубусов выдвигаются взаимно согласованные для каждого БКА стыковочные элементы («воронка-конус» или «конус-воронка») первая 40 или вторая 41 стыковочные воронки и первый 42 или второй 43 стыковочные конусы. С помощью первого 15, второго 16, третьего 17, четвертого 18 дискообразных сканирующих лазерных дальномеров осуществляется взаимный поиск, определяются координаты и идентификационный код каждого выдвижного стыковочного манипулятора. С помощью первого 3, второго 4 и третьего 5, четвертого 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями осуществляется сближение БКА, до обнаружения и захвата первого 49 или второго 50 стыковочных светодиодных колец, расположенных по периметру основания первой 40 и второй 41 стыковочных воронок, с помощью первой 55 или второй 56 ПЗС-матриц, расположенных на кончиках первого 47 и второго 48 стыковочных стаканов, прикрепленных к вершинам первого 42 и второго 43 стыковочных конусов. При попадании первого 51 и второго 52 центральных стыковочных светодиодов в центр первого 49 или второго 50 стыковочных светодиодных колец, первый 63 или второй 64 или третий 65, или четвертый 66 стыковочные линейные шаговые двигатели (в зависимости от типа выбранного выдвижного стыковочного разъемного элемента «конус» или «воронка») выдвигают соответствующие первую 40 или вторую 41 стыковочные воронки и первый 42 или второй 43 стыковочные конусы навстречу друг другу до плотного соединения кольцевых токопроводящих шин 44 (Фиг. 5). Поле этого срабатывают первый 53 или второй 54 электромагнитные замки и выключаются первый 51 или второй 52 центральные стыковочные светодиоды и начинается гибкое перераспределение информационных и энергетических ресурсов объединенных БКА (Фиг. 8). Первый 67, второй 68, третий 69, четвертый 70 стыковочные шаговые двигатели осуществляют угловые повороты вокруг осей в сочетании с линейным перемещением соединенных выдвижных стыковочных манипуляторов для одновременной ориентации диаграмм направленности антенн на объекты исследования по нескольким направлениям. Это позволяет жестко фиксировать расстояние и положение антенн одного БКА относительно другого и гибко перераспределять информационные и энергетические ресурсы состыкованных БКА.

На Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9 поясняются этапы развертывания гибкой солнечной батареи. Фиг. 6, первый этап - выполнение тестирования после выведения на заданную орбиту. На этом этапе тестируется электроника всех ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, в полости которых вложены вершины первого и второго цилиндрических корпусов по принципу «русской матрешки», с целью уменьшения габаритов БКА. Также, в этот режим БКА может переходить при завершении основной работы и для уменьшения размеров отражающей поверхности БКА, когда не требуется полного развертывания СБ и ее ориентации на солнце, а площади двух открытых для освещения участков солнечной батареи достаточно для выработки электроэнергии, обеспечивающей работу БКА в дежурном режиме. Фиг. 7, второй этап - выполнение развертывания гибкой СБ. На этом этапе первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями с помощью первой 11, второй 12, третьей 13, четвертой 14 выдвижных телескопических штанг отводятся от первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов. После этого включаются первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями, которые разматывают рулоны и растягивают размотанное полотно первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложек в противоположные стороны, за счет создания мультивекторных тяг и ориентируясь по показаниям дискообразных сканирующих лазерных дальномеров с длинами волн λ1, λ2, λ3, λ4. Фиг. 8, третий этап - выполнение развертывания гибкой солнечной батареи с одновременной ориентацией ее на Солнце и источник радиосигнала. На этом этапе первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями осуществляют синхронные угловые развороты первого 1 и второго 2 цилиндрообразных корпусов, согласно заданным координатам ориентации поверхностей первой 20 и второй 21 гибких диэлектрических ленточных подложек с тонкопленочными солнечными фотоэлементами 22, с последующей ориентацией и слежением одной гибкой диэлектрической ленточной подложки за Солнцем, а другой - за заданным источником радиосигнала. Фиг. 9, четвертый этап - стыковка двух БКА с последующим выполнением сканирования реконфигурируемой антенной системой, собранной из антенн двух БКА, заданных угловых секторов. Конструкция, полученная при соединении выдвижных стыковочных манипуляторов состыковавшихся двух идентичных БКА, приведена на Фиг. 5. На этом этапе шаговый двигатель 34 синхронно с третьим 5 и четвертым 6 ММРД с волнообразными цилиндрическими поверхностями периодически, реверсивно поворачивают вторую гибкую диэлектрическую ленточную подложку 21 на заданные углы в интервале от 0 до 360° градусов (на Фиг. 9 приведен момент поворота второй подложки 21 на 90° градусов). У второго пристыковавшегося БКА антенны, согласно программы управления, также могут периодически изменять свои электрические характеристики и механическую ориентацию. Это позволяет гибко сочетать изменение режимов сканирования антенны (углов поворота) с реконфигурированием антенны (изменением ее длины и количества элементов). Двунаправленными стрелками показаны направления развертывания и свертывания гибкой солнечной батареи.

Предложенная конструкция бинарного космического аппарата с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями, позволила осуществить скоростное свертывание и развертывание гибкой диэлектрической ленточной подложки непосредственно наматывая или сматывая СБ на один или одновременно на два цилиндрообразных корпуса, что дает возможность получить максимальное отношение площади развертываемой солнечной батареи по отношению к сверхмалой площади поверхности корпуса БКА. Размещение в камерах натяжных тубусов, выдвижных стыковочных манипуляторов, позволило удерживать состыкованные БКА на строго фиксированном расстоянии и осуществлять обмен информацией и энергией по проводному каналу связи. Разделение полотна гибкой диэлектрической ленточной подложки СБ на две части, растягиваемых с помощью двух натяжных тубусов, соединенных по средине между собой компактным поворотным электромеханическим узлом, состоящим из коаксиально размещенных кольцевого солнечного датчика, дискового токосъемника и шагового двигателя, позволило осуществлять одновременное раздельное слежение СБ за Солнцем и перемещающимися в разных направлениях источниками радиосигналов, что ранее невозможно было осуществить с помощью известных конструкций малоразмерных космических аппаратов.

Источники информации

1 Patent US 9758260 B2, Sep. 12, 2017, B64G 1/22, B64G 1/10, LOW

VOLUME MICRO SATELLITE WITH ELEXIBLE WINDED PANELS EXPANDABLE AFTER LAUNCH.

2. Патент на изобретение RU 2714064 C1, 11.02.2020, B64G 1/22, B64G 1/10, B81B 7/04 бинарный космический аппарат с реконфигурируемой АНТЕННОЙ, СОВМЕЩЕННОЙ С ГИБКОЙ ЛЕНТОЧНОЙ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕЕЙ, РАЗВЕРТЫВАЕМОЙ МУЛЬТИВЕКТОРНЫМИ МАТРИЧНЫМИ РАКЕТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ / Линьков В.А., Гусев С.И., Колесников С.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И.

3. Патент на изобретение RU 2707474 C1, 26.11.2019, F02K 9/95, B64G 1/40, МУЛЬТИВЕКТОРНАЯ МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ячеек для малоразмерных космических аппаратов / Линьков В.А., Гусев С.И., Колесников С.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И.

4. Патент на полезную модель RU 189442 U1, 22.05.2019, F02K 9/94, F02K 9/95, B64G 1/40, B81B 7/04, мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных КОСМИЧЕСКИХ аппаратов / Линьков В.А., Гусев С.И., Колесников С.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И.

Claims (1)

1. Бинарный космический аппарат с реконфигурируемой сканирующей антенной, совмещенной с солнечной батареей, развертываемой мультивекторными матричными ракетными двигателями, содержащий два корпуса с закрепленной между ними гибкой подложкой с тонкопленочными солнечными фотоэлементами, которая выполнена в виде диэлектрической ленты с возможностью свертывания в рулон, с нанесенными информационно-силовыми шинами и коллинеарной антенной, мультивекторные матричные ракетные двигатели, выдвижные телескопические штанги, линейные шаговые двигатели, лазерные дальномеры, ПЗС-матрицы, солнечный датчик, токосъемник, два контроллера, два стабилизатора напряжения, два приемопередатчика, стыковочные узлы, отличающийся тем, что содержит четыре мультивекторных матричных ракетных двигателя с волнообразными цилиндрическими поверхностями, четыре выдвижные телескопические штанги, четыре линейных шаговых двигателя, четыре дискообразных сканирующих лазерных дальномера, четыре световозвращающих элемента, четыре стыковочных шаговых двигателя, четыре стыковочных линейных шаговых двигателя, четыре стыковочные выдвижные штанги, две стыковочные воронки с нанесенными с внутренней конусной поверхности кольцевыми токопроводящими шинами, два стыковочных конуса с нанесенными с внешней конической поверхности кольцевыми токопроводящими шинами, два стыковочных стакана малого диаметра, две ПЗС-матрицы, два стыковочных стакана большего диаметра, два электромагнитных замка, стыковочные светодиоды, два натяжных тубуса, к одному из которых прикреплен солнечный датчик, выполненный кольцеобразным, с равномерным распределением фотоэлементов по внешней поверхности кольца, внутри которого коаксиально размещены дисковый токосъемник и шаговый двигатель, статоры которых соединены с серединой первого натяжного тубуса, а коаксиально расположенные их роторы соединены с серединой второго натяжного тубуса, первый и второй корпуса, выполненные цилиндрообразными, на торцах которых закреплены дискообразные сканирующие лазерные дальномеры, наружные диаметры которых меньше внутренних диаметров оснований волнообразных цилиндрических поверхностей мультивекторных матричных ракетных двигателей с волнообразными цилиндрическими поверхностями, которые соединены с торцами цилиндрообразных корпусов через выдвижные телескопические штанги, проходящие через центральные отверстия, расположенные по центрам дискообразных сканирующих лазерных дальномеров, внутренние стороны которых ограничивают по ширине свернутые в рулон полотна гибких диэлектрических ленточных подложек солнечных батарей, края полотен которых крепятся к боковым поверхностям первого и второго цилиндрообразных корпусов, а противоположные края первой и второй гибких диэлектрических ленточных подложек механически соединены с первым и вторым натяжными тубусами, соединенными между собой для выполнения вращения относительно друг друга через статор и ротор шагового двигателя, а электрически - через скользящие сигнальные и силовые контакты дискового токосъемника, соединяющие силовые и информационные шины с солнечным кольцеобразным датчиком, первым и вторым контроллерами и электромеханическими элементами стыковочных узлов, также, на торцах натяжных тубусов закреплены световозвращающие элементы, возвращающие излучение дискообразных сканирующих лазерных дальномеров в диапазоне выделенных для сканирования длин волн, причем в каждом натяжном тубусе от верхних и нижних краев до середины сформированы по две камеры, в двух из которых размещены первый и второй стыковочные шаговые двигатели, соединенные с первым и вторым стыковочными линейными шаговыми двигателями, соединенные через первую и вторую стыковочные выдвижные штанги с закрепленными на вершинах первой и второй стыковочных воронок первым и вторым стыковочными стаканами большего диаметра, посередине которых с внешней стороны размещены первый и второй электромагнитные замки, а по центрам оснований с внутренней стороны - первый и второй центральные стыковочные светодиоды, на основании первой и второй стыковочных воронок размещены стыковочные светодиодные кольца, в других двух камерах, расположенных с противоположных сторон натяжных тубусов, размещены третий и четвертый стыковочные шаговые двигатели, соединенные с третьим и четвертым стыковочными линейными шаговыми двигателями, соединенными через третью и четвертую стыковочные выдвижные штанги с центрами оснований первого и второго стыковочных конусов, на вершинах которых закреплены первый и второй стыковочные стаканы малого диаметра с первым и вторым кольцевыми пазами и размещенными внутри первой и второй ПЗС-матрицами.

Images