Технология 3D печати в задаче
моделирования раскрытия большого
космического зеркала
В.И. Буякас,
вед.н.с., д.ф.-м.н., bujakas@yandex.ru,
М.Ю. Архипов,
с.н.с.,к.т.н.,
ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН,
г. Москва
М.В.Белов,
к.т.н.,
С.В.Матвеев,
к.т.н.
ООО «ИКЛИТ», г. Москва
Рассматривается новая
кинематическая схема раскрытия трансформируемого зеркала лепесткового типа.
Приводятся предварительные результаты виртуального и физического моделирования
новой схемы раскрытия. Для изготовления элементов макета (лепестков и центрального
зеркала) использован метод 3D печати. Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (проект № 10-08-01218).
The new kinematics scheme for petal type transformable
mirror deployment is considered. Preliminary results of computer and physical
simulation of the scheme are presented. Central mirror and petal of the
physical model were made be 3D printing technology.
1.
Трансформируемые зеркала
лепесткового типа
Для создания антенн больших
космических телескопов были предложены и продолжают разрабатываться конструкции
трансформируемые зеркал различных типов [1-4]. Твердотельное параболическое
трансформируемое лепестковое зеркало было предложено впервые фирмой Dornier
при разработке космического телескопа инфракрасного диапазона проекта FIRST
[5]. Эта же схема раскрытия используется в конструкции 10 метрового зеркала
проекта Радиоастрон [6,7], запуск которого планируется в ближайшее время.
Лепестковое
зеркало представляет собой трансформируемую конструкцию, состоящую из центрального
зеркала и набора лепестков. В сложенном
состоянии лепестки размещаются в вертикальном положении над центральным
зеркалом под обтекателем. В классической схеме раскрытия лепесткового
зеркала основания каждый лепесток
связан с центральным зеркалом
цилиндрическим шарниром. Раскрытие зеркала осуществляется синхронным вращением
лепестков вокруг осей этих шарниров (рис.1.). Показано, что существуют такие
направления осей шарниров, при которых синхронное вращение лепестков, приводит
к раскрытию зеркала без зацеплений. В
раскрытом состоянии центральное зеркало и лепестки образуют параболический
рефлектор. На рис.2 показаны этапы раскрытия лепесткового зеркала проекта FIRST.
рис.1 Схема
раскрытия параболического рефлектора
рис.
2 Этапы раскрытия лепесткового зеркала проекта
FIRST
(Дорнье).
1 - Зеркало в сложенном (транспортном)
состоянии. 2 – Частично раскрытое зеркало. 3 – Раскрытое зеркало.
2. Новая
кинематическая схема раскрытия лепесткового зеркала
Такая
схема раскрытия лепесткового зеркала успешно используется в проекте
“Радиоастрон”, предназначенного для работы в см диапазоне. Однако, попытка
использовать эту же схему для раскрытия высокоточных зеркал, в частности зеркал мм диапазона [4,8],
приводит к трудностям. Дело в том, что ошибки в установке положения осей
вращения цилиндрических шарниров и неточности углов поворота лепестков при
раскрытии приводят к искажениям формы поверхности зеркала, величина которых
нарастает от оси вращения лепестка к периферии зеркала. А именно удаленная от
центра часть отражающей поверхности зеркала вносит определяющий вклад в
эффективную площадь рефлектора и у зеркала мм диапазона должна быть выполнена с
особой тщательностью. Поэтому хотелось бы соединить соседние лепестки
раскрытого зеркала по внешнему контуру, например, замками. Однако, замыкание,
выполненное после раскрытия:
· вносит неконтролируемое
возмущение формы отражающей поверхности;
· приводит к статически
неопределимой, т.е. напряженной, конструкции раскрытого зеркала, что крайне
нежелательно для высокоточных зеркал.
Ранее
нами была предложена [9] новая кинематическая схема раскрытия лепесткового
зеркала, ориентированная на
использование в конструкциях зеркал коротковолнового диапазона. В рамках этой схемы предлагается сохранить связь
между соседними лепестками на всем протяжении раскрытия, опираясь на идее
раздвижных дверей, используемую в технике и быту. Для осуществления этого
подхода необходимо, прежде всего, отказаться от цилиндрических шарниров,
связывающих лепестки с центральным зеркалом, заменив их связями, обеспечивающих
лепесткам большую степень свободы. Мы рассматривали конструкцию, в которой
каждый лепесток связан с центральным зеркалом двухстепенным шарниром. Кроме
этого в вершине каждого лепестка
размещается шаровая опора, удерживаемая в процессе раскрытия на поверхности
соседнего лепестка. Раскрытие может осуществляться, например, по схеме
зеркала проекта “Радиоастрон” набором тяг, каждая из которых связана с
соответствующим лепестком сферическим шарниром. При этом:
o в процессе раскрытия составное зеркало оставалось
ненапряженным (статически определимым),
o при фиксированном положении
исполнительных механизмов конструкция оставалась геометрически неизменяемой.
Конечное (раскрытое) состояние зеркала,
должно фиксироваться самоустанавливающимися связями (замками).
3. Построение
виртуальной модели трансформируемого зеркала в пакете SolidWorks
