RU2805228C1 - Convertible umbrella reflector hinge - Google Patents
Convertible umbrella reflector hinge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805228C1 RU2805228C1 RU2022133798A RU2022133798A RU2805228C1 RU 2805228 C1 RU2805228 C1 RU 2805228C1 RU 2022133798 A RU2022133798 A RU 2022133798A RU 2022133798 A RU2022133798 A RU 2022133798A RU 2805228 C1 RU2805228 C1 RU 2805228C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- support
- elastic
- opening
- hinge
- umbrella
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике, в частности к шарнирным узлам, служащим для раскрытия складных рефлекторов космических антенн зонтичного типа.The invention relates to antenna technology, in particular to hinge units used to open folding reflectors of umbrella-type space antennas.
Анализ опыта разработки высокоточных (со среднеквадратичным отклонением профиля рефлектора от теоретического не более 1 мм) рефлекторов с диаметром раскрыва от 2 м до 12 м показывает, что с точки зрения массовых затрат (соотношение цены запуска ракеты и массы полезного груза) в механизмах раскрытия предпочтительнее применение пружинных приводов. Механизм раскрытия рефлектора с электромеханическим приводом, обеспечивающий такую же надежность раскрытия, примерно в 3-5 раз тяжелее механизма раскрытия с пружинным приводом.An analysis of the experience in the development of high-precision (with a standard deviation of the reflector profile from the theoretical no more than 1 mm) reflectors with an opening diameter from 2 m to 12 m shows that from the point of view of mass costs (the ratio of the cost of launching a rocket and the mass of the payload) in opening mechanisms it is preferable to use spring drives. The reflector opening mechanism with an electromechanical drive, which provides the same reliability of opening, is approximately 3-5 times heavier than the opening mechanism with a spring drive.
Известен шарнирный узел в складном пространственном каркасе (а.с. SU946279), выполненный в виде гибких соединенных элементов, жестко связанных концами с стержневыми элементами каркаса.A known hinge unit in a folding spatial frame (AS SU946279), made in the form of flexible connected elements, rigidly connected at their ends to the rod elements of the frame.
Недостатком известного устройства является недостаточная устойчивость гибких стержней на изгиб и резкое высвобождение накопленной внутренней механической энергии.The disadvantage of the known device is the insufficient bending stability of the flexible rods and the sudden release of accumulated internal mechanical energy.
Резкое высвобождение накопленной энергии пружинных лент приводит к возникновению колебаний рефлектора при раскрытии, из-за чего он будет находиться в неактивном состоянии, кроме этого, неконтролируемое резкое раскрытие пружинных лент может привести к возникновению ударных нагрузок, превышающих предельно-допустимые значения и выходу рефлектора из строя.A sudden release of the accumulated energy of the spring bands leads to oscillations of the reflector when opening, due to which it will be in an inactive state; in addition, uncontrolled sharp opening of the spring bands can lead to shock loads exceeding the maximum permissible values and failure of the reflector .
Известен шарнирный узел складного рефлектора космической антенны (Пат. RU 2291528), содержащий жестко связанный со стержневыми элементами каркаса антенны гибкий элемент, выполненный в виде противоположно расположенных упругих профилированных лент.There is a known hinge unit for a folding reflector of a space antenna (Pat. RU 2291528), containing a flexible element rigidly connected to the rod elements of the antenna frame, made in the form of oppositely located elastic profiled tapes.
Недостатком известного устройства является ограниченная жесткость на кручение и резкое высвобождение накопленной внутренней механической энергии.The disadvantage of the known device is limited torsional rigidity and sudden release of accumulated internal mechanical energy.
В качестве ближайшего аналога выбран шарнирный элемент по патенту RU2414028C1, который принят за прототип.The hinge element according to patent RU2414028C1, which was adopted as a prototype, was chosen as the closest analogue.
Шарнирный узел содержит противоположно расположенные две упругие профилированные ленты, жестко связанные концами со стержневыми элементами (спицами). Упругие профилированные ленты в свободном состоянии имеют корытообразную форму, обеспечивающую необходимую жесткость, а при продольном упругом деформировании приобретают в месте изгиба плоскую форму. Раскрытие шарнирного узла происходит после освобождения от действия внешних сил, удерживающих стержневые элементы в сложенном состоянии, за счет упругих сил профилированных лент, стремящихся привести ленты в устойчивое состояние, когда они имеют корытообразную форму по всей длине.The hinge unit contains oppositely located two elastic profiled strips, rigidly connected at their ends to rod elements (spokes). Elastic profiled tapes in a free state have a trough-shaped shape, providing the necessary rigidity, and with longitudinal elastic deformation they acquire a flat shape at the point of bending. The opening of the hinge assembly occurs after release from the action of external forces holding the rod elements in the folded state, due to the elastic forces of the profiled strips, which tend to bring the strips into a stable state when they have a trough-shaped shape along the entire length.
Основным недостатком прототипа является резкое и неконтролируемое высвобождение накопленной механической энергии упругих профилированных лент после освобождения от действия внешних сил.The main disadvantage of the prototype is the sudden and uncontrolled release of the accumulated mechanical energy of the elastic profiled tapes after being released from external forces.
Задачей изобретения является предотвращение резкого высвобождения накопленной энергии упругих профилированных лент и обеспечение плавности процесса раскрытия.The objective of the invention is to prevent a sudden release of the accumulated energy of elastic profiled tapes and ensure a smooth opening process.
Указанная задача достигается тем, что в известном шарнире трансформируемого рефлектора зонтичного типа, содержащем упругую профилированную ленту, генерирующую упругую движущую силу раскрытия, согласно изобретению, упругая профилированная лента размещена между сопряженными дисками - опорой и фиксатором спицы, выполненными в форме полукруга, с жестким закреплением одного конца упругой профилированной ленты на рабочей поверхности опоры, а другого – на рабочей поверхности фиксатора спицы; при этом опора соединена с фиксатором спицы с помощью планок, обеспечивающих возможность перемещения фиксатора относительно опоры, а также скоб, снабженных нагревательными элементами, обеспечивающих плавность и управляемость процесса раскрытия за счет выполнения их из материала с памятью формыThis task is achieved by the fact that in the known hinge of a transformable umbrella-type reflector containing an elastic profiled tape that generates an elastic driving force for opening, according to the invention, the elastic profiled tape is placed between the mating disks - the support and the spoke lock, made in the shape of a semicircle, with rigid fastening of one the end of the elastic profiled tape on the working surface of the support, and the other on the working surface of the spoke lock; in this case, the support is connected to the spoke lock using strips that allow the lock to move relative to the support, as well as brackets equipped with heating elements that ensure smoothness and controllability of the opening process by making them from shape memory material
Технический результат, выраженный в обеспечении плавности и управляемости процесса раскрытия, а также в повышении надежности безаварийного раскрытия, достигается за счет использования двух сопряженных по полукруглым поверхностям элементов (подвижного – фиксатор спицы и неподвижного – опора), соединенных при помощи упругой профилированной ленты, что позволяет обеспечить перевод шарнира из рабочего положения в транспортировочное и обратно строго по направляющим в момент перекатывания подвижного элемента по неподвижному, а также за счет дополнительного соединения подвижного и неподвижного элементов скобами, изготовленными из полимерного материала, обладающего эффектом памяти формы и выполняющего роль актуатора, сдерживающего резкое высвобождение накопленной механической энергии упругой профилированной лентой.The technical result, expressed in ensuring smoothness and controllability of the opening process, as well as in increasing the reliability of trouble-free opening, is achieved through the use of two elements coupled along semicircular surfaces (movable - spoke lock and fixed - support), connected using an elastic profiled tape, which allows ensure the transfer of the hinge from the working position to the transport position and back strictly along the guides at the moment of rolling the movable element over the stationary one, as well as through the additional connection of the movable and stationary elements with brackets made of a polymer material that has a shape memory effect and acts as an actuator that restrains sudden release accumulated mechanical energy by elastic profiled tape.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлен шарнир в рабочем (раскрытом) положении. На фиг. 2 представлен шарнир в рабочем положении и сечение А-А. На фиг. 3 представлен шарнир в рабочем положении и сечении Б-Б. На фиг. 4 представлены различные положения шарнира, поясняющие процесс раскрытия. На фиг. 5 представлен внешний нагревательный элемент скобы. На фиг. 6 представлен шарнир, соединенный со ступицей и спицей рефлектора, находящегося в рабочем положении.In fig. Figure 1 shows the hinge in its working (opened) position. In fig. Figure 2 shows the hinge in working position and section AA. In fig. Figure 3 shows the hinge in working position and section B-B. In fig. 4 shows various positions of the hinge, explaining the opening process. In fig. Figure 5 shows the external heating element of the bracket. In fig. Figure 6 shows a hinge connected to the hub and spoke of the reflector in the operating position.
Шарнир (фиг. 2) состоит из двух сопряженных дисков: диска - опоры 1 и диска - фиксатора спицы 2. Диски имеют форму полукруга. Полукруговая поверхность является рабочей поверхностью, а поверхность противоположная рабочей служит для присоединения к ступице рефлектора – у опоры, либо для крепления и фиксации спиц – у фиксатора спицы. На торцевых поверхностях опоры 1 и фиксатора спицы 2 выполнены углубления (на фиг не обозначены), предназначенные для фиксации элементов шарнира. Опора 1 и фиксатор спицы 2 соединены двумя планками 3, размещенными на их торцевых поверхностях. Планки 3 посажены на подшипники 4 в центральные отверстия опоры и фиксатора и закреплены винтами 5. Планки обеспечивают возможность перемещения подвижного фиксатора 2 по неподвижной опоре 1 на угол приблизительно равный 180 градусам.The hinge (Fig. 2) consists of two mating disks: the support disk 1 and the spoke clamp disk 2. The disks have the shape of a semicircle. The semicircular surface is the working surface, and the surface opposite the working surface is used for attaching to the reflector hub - at the support, or for attaching and fixing the spokes - at the spoke retainer. On the end surfaces of the support 1 and the spoke retainer 2 there are recesses (not indicated in Fig) intended for fixing the hinge elements. The support 1 and the spoke lock 2 are connected by two strips 3 placed on their end surfaces. The slats 3 are mounted on bearings 4 in the central holes of the support and latch and secured with screws 5. The slats make it possible to move the movable latch 2 along the fixed support 1 at an angle of approximately 180 degrees.
На периферии рабочих полукруговых поверхностей фиксатора 2 и опоры 1 выполнены, соответственно, односторонний выступ и ответное углубление, что обеспечивает рельсовый ход во время перемещения и исключает деформации кручения в области их соединения. В центральной части рабочей поверхности опоры 1 и фиксатора спицы 2 установлена упругая профилированная лента 6 (пружина), концы которой жестко закреплены на противоположных краях опоры 1 и фиксатора спицы 2 (вне зоны перемещения) (фиг. 3). Опора и фиксатор спицы дополнительно соединены двумя скобами 7, имеющими форму «интеграла» с отогнутыми концами, на которых выполнены выступы полусферической формы (фиг. 4, 5). Скобы устанавливают на торцевых поверхностях опоры и фиксатора и крепят с помощью соединения замкового типа, а полусферические выступы отогнутых концов фиксируют в ответных углублениях, выполненных на противоположных краях торцевых поверхностей опоры 1 и фиксатора 2, свободных от крепления упругих профилированных лент.On the periphery of the working semicircular surfaces of the clamp 2 and support 1, there are, respectively, a one-sided protrusion and a reciprocal recess, which ensures rail travel during movement and eliminates torsional deformation in the area of their connection. In the central part of the working surface of the support 1 and the spoke retainer 2, an elastic profiled tape 6 (spring) is installed, the ends of which are rigidly fixed to the opposite edges of the support 1 and the spoke retainer 2 (outside the movement zone) (Fig. 3). The support and the spoke clamp are additionally connected by two brackets 7, having the shape of an “integral” with bent ends, on which hemispherical protrusions are made (Fig. 4, 5). The staples are installed on the end surfaces of the support and the latch and secured using a lock-type connection, and the hemispherical protrusions of the bent ends are fixed in reciprocal recesses made on the opposite edges of the end surfaces of the support 1 and latch 2, free from the fastening of elastic profiled tapes.
Скобы 7 снабжены внешними нагревательными элементами 8 (фиг. 5). В качестве нагревательных элементов может быть использована нихромовая нить (d=0,1 мм), намотанная на скобу 7 по спирали с шагом 1 мм, покрывая всю длину скобы.The brackets 7 are equipped with external heating elements 8 (Fig. 5). Nichrome thread (d=0.1 mm) wound around bracket 7 in a spiral with a pitch of 1 mm, covering the entire length of the bracket, can be used as heating elements.
Скобы выполнены из полимера (полиуретана), обладающего эффектом памяти формы. Для изготовления скобы могут быть использованы высокотемпературные полимеры с эффектом памяти формы, например, фотополимерный полибензоимидозол для DLP/LCD/SLA технологии 3D-печати, термопластичный полиимид для технологии FDM 3D-печати.The staples are made of polymer (polyurethane), which has a shape memory effect. To manufacture the bracket, high-temperature polymers with a shape memory effect can be used, for example, photopolymer polybenzoimidazole for DLP/LCD/SLA 3D printing technology, thermoplastic polyimide for FDM 3D printing technology.
Опора 1 и фиксатор спицы 2 могут быть изготовлены из ABC, PLA и других полимеров с использованием технологи FDM 3D-печати или из фотополимерных смол, используя DLP/LCD/SLA технологии 3D-печати, что позволяет изменять и адаптировать под требуемый вариант соединения со ступицей и спицами рефлектора большую часть их конструктива.Support 1 and spoke retainer 2 can be made of ABC, PLA and other polymers using FDM 3D printing technology or from photopolymer resins using DLP/LCD/SLA 3D printing technologies, which allows you to change and adapt to the required connection to the hub and reflector spokes make up most of their structure.
Упругая профилированная лента 6 изготовлена из композитного углепластикового материала.Elastic profiled tape 6 is made of carbon fiber composite material.
Шарнир работает следующим образом.The hinge works as follows.
Опора 1 устанавливается и крепится к центральной ступице рефлектора. К верхней части фиксатора спицы 2 крепится спица рефлектора зонтичного типа (фиг. 6). Для перевода рефлектора из рабочего положения в транспортировочное на нагревательные элементы, намотанные на скобы 7, (фиг. 5) поступает сигнал от системы управления. Скобы нагреваются до температуры T g, определяющей переход полимера с эффектом памяти формы в высокоэластическое состояние, и размягчаются, позволяя беспрепятственно переместить фиксатор спицы 2 по полукруговой поверхности неподвижной опоры 1 до транспортировочного положения шарнира (среднее положение на фиг. 4). При перемещении фиксатора опоры 1 до транспортировочного положения шарнира упругая профилированная лента 6, выполняющая роль генератора упругой движущей силы, деформируется, переходит в напряженно-деформированное состояние, накапливая упругую механическую энергию (среднее положение фиг. 4). В транспортировочном положении шарнира скобы 7 удерживаются до тех пор, пока не остынут. После остывания скобы 7 имеют достаточную жесткость для удерживания и фиксации упругой профилированной ленты в напряженно-деформированном состоянии транспортировочного положения. При повторном нагреве внешних нагревательных элементов 8 наблюдается инициация эффекта памяти формы скоб 7 шарнира, находящегося в транспортировочном положении. По мере достижения значения T g, скобы 7 размягчаются, наблюдается плавное снижение их жесткости и сопротивления упругой профилированной ленте 6, находящейся в напряженном деформированном состоянии, начинается процесс раскрытия с заданной скоростью. В процессе раскрытия посредством инициации эффекта памяти формы наблюдается восстановление исходной формы скоб 7 (конечное положение фиг. 4), заданного в процессе 3D печати. Скобы 7 при этом предотвращают резкое высвобождение накопленной энергии пружины 6 и обеспечивают плавность процесса раскрытия.Support 1 is installed and attached to the central hub of the reflector. An umbrella-type reflector spoke is attached to the upper part of the spoke clamp 2 (Fig. 6). To transfer the reflector from the working position to the transport position, a signal is received from the control system to the heating elements wound on brackets 7 (Fig. 5). The staples are heated to a temperature Tg , which determines the transition of the shape memory polymer to a highly elastic state, and soften, allowing the spoke lock 2 to be moved freely along the semicircular surface of the fixed support 1 to the transport position of the hinge (middle position in Fig. 4 ) . When the support latch 1 is moved to the transport position of the hinge, the elastic profiled tape 6, which acts as a generator of elastic driving force, is deformed, goes into a stress-strain state, accumulating elastic mechanical energy (middle position of Fig. 4). In the transport position of the hinge, the brackets 7 are held until they cool down. After cooling, the brackets 7 have sufficient rigidity to hold and fix the elastic profiled tape in the stress-strain state of the transport position. When the external heating elements 8 are reheated, the initiation of the shape memory effect of the hinge brackets 7, which is in the transport position, is observed. As the Tg value is reached, the staples 7 soften, a smooth decrease in their rigidity and resistance to the elastic profiled tape 6, which is in a stressed deformed state, is observed, and the opening process begins at a given speed. During the opening process, through the initiation of the shape memory effect, restoration of the original shape of the staples 7 (final position of Fig. 4), specified during the 3D printing process, is observed. At the same time, the staples 7 prevent the sudden release of the accumulated energy of the spring 6 and ensure a smooth opening process.
Конструкция шарнира позволяет при необходимости рассматривать в качестве транспортировочного положения шарнира положение, обозначенное на фиг. 4. как крайнее. При этом алгоритм перевода шарнира в крайнее положение аналогичен описанному выше.The design of the hinge allows, if necessary, to consider the position indicated in Fig. 1 as the transport position of the hinge. 4. as a last resort. In this case, the algorithm for moving the hinge to its extreme position is similar to that described above.
Предлагаемый шарнир, выполненный из фотополимерной смолы (опора 1 и фиксатор спицы 2), эпоксидной смолы, армированной высокомодульными углеродными волокнами (упругая профилированная лента 6) и полиуретана с эффектом памяти формы (скобы 7) имеет габариты 84х42х83, небольшой удельный вес (не более 100 г) и обеспечивает плавность и управляемость процесса раскрытия трансформируемого рефлектора зонтичного типа диаметром раскрыва от 2 до 8 м, с повышенной надежностью безаварийного раскрытия.The proposed hinge, made of photopolymer resin (support 1 and spoke retainer 2), epoxy resin reinforced with high-modulus carbon fibers (elastic profiled tape 6) and shape memory polyurethane (staples 7), has dimensions of 84x42x83, low specific weight (no more than 100 d) and ensures a smooth and controllable process of opening a transformable umbrella-type reflector with an opening diameter from 2 to 8 m, with increased reliability of trouble-free opening.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2805228C1 true RU2805228C1 (en) | 2023-10-12 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6175989B1 (en) * | 1998-05-26 | 2001-01-23 | Lockheed Corp | Shape memory alloy controllable hinge apparatus |
| US6647855B1 (en) * | 2002-09-30 | 2003-11-18 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Apparatus and method for deploying a hypervelocity shield |
| RU2414028C1 (en) * | 2010-03-25 | 2011-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет | Articulated joint for collapsible reflector of space antenna |
| RU2474736C1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро "Арсенал" имени М.В. Фрунзе" | Unfolded hinged connection |
| RU2655567C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Articulation linkage of variable structure |
| RU2708778C2 (en) * | 2017-12-11 | 2019-12-11 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Hinged joint drive for deployment of solar panels or spacecraft antennae |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6175989B1 (en) * | 1998-05-26 | 2001-01-23 | Lockheed Corp | Shape memory alloy controllable hinge apparatus |
| US6647855B1 (en) * | 2002-09-30 | 2003-11-18 | The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Apparatus and method for deploying a hypervelocity shield |
| RU2414028C1 (en) * | 2010-03-25 | 2011-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет | Articulated joint for collapsible reflector of space antenna |
| RU2474736C1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро "Арсенал" имени М.В. Фрунзе" | Unfolded hinged connection |
| RU2655567C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Articulation linkage of variable structure |
| RU2708778C2 (en) * | 2017-12-11 | 2019-12-11 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Hinged joint drive for deployment of solar panels or spacecraft antennae |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11466671B2 (en) | Artificial muscle actuators | |
| US6182929B1 (en) | Load carrying structure having variable flexibility | |
| US10847893B2 (en) | Articulated folding rib reflector for concentrating radiation | |
| JP5285327B2 (en) | Rear window roller blind with rear seat shelf as support element | |
| US20110041820A1 (en) | Device for launching a projectile or a launch object in general | |
| US8246303B2 (en) | Active twist hollow beam system | |
| US11396360B2 (en) | Rotor or propeller blade with dynamically variable within each revolution fluid dynamic properties | |
| US20090074993A1 (en) | Active material activated cover | |
| RU2805228C1 (en) | Convertible umbrella reflector hinge | |
| CA2902034C (en) | Deployable mast with spontaneous autonomous deployment, and satellite comprising at least one mast of this type | |
| WO2017085455A1 (en) | Hinge | |
| CN109713420B (en) | Inflatable antenna with expandable space | |
| US8528863B2 (en) | Multi-layer metal/shape memory polymer roll-up wing structures for fitment-constrained air vehicles | |
| CN109760855A (en) | A kind of flexible space solar energy sailboard | |
| US20190178603A1 (en) | Fixed axle compound crossbow and method for operating a crossbow | |
| WO2015116280A2 (en) | Composite material | |
| CA2721639A1 (en) | Actuating apparatus | |
| EA030720B1 (en) | Umbrella-type antenna for a spacecraft | |
| US3678685A (en) | Solar energy powered heliotrope | |
| US5454361A (en) | Sequential bow | |
| WO2019087175A1 (en) | Rotor or propeller blade with dynamically optimizable within each revolution shape and other properties | |
| US20120167344A1 (en) | Shock-absorber device | |
| CN217598866U (en) | Unfolding mechanism of space flexible battery array | |
| RU2583863C2 (en) | Folding parabolic reflector and method of making same | |
| JPS60159378A (en) | Rotary driving mechanism |