Моделирование задач укладки и раскрытия радиационных экранов  

большого космического телескопа

Буякас В.И.,                                                                                                                                                                                                                               вед.н.с., bujakas@lebedev.ru,

    Троицкий В.Ф.,                                                                                                                                                                                                    гл.констр.,

Шаенко А.Ю.,                                                                                                                                                                                                                             аспир.,

ФИАН, Москва, Россия.

Гордиенко А.М.,                                                                                                                                                                                                                        вед.н.с.,

Гришин Н.С.,                                                                                                                                                                                                                               с.н.с.,

Синельников Е.Н., 

УкрГНТЦ “Энергосталь”г. Харьков, Украина

Большие радиационные экраны необходимы для осуществления ряда астро космических проектов следующего поколения (JWST [1], Millimetron [2], SAFIR [3]). Основное назначение экранов – защитить телескоп от посторонних источников излучения и обеспечить пассивное (радиационное) охлаждение главного зеркала. Мотивом наших исследований является проект Миллиметрон [4, 5], в рамках которого планируется развернуть на орбите большую обсерваторию мм и субмм диапазонов. Вид телескопа проекта Миллиметрон в развернутом состоянии показан на рисунке 1.

 

рис.1. Телескоп проекта Миллиметрон в развернутом состоянии

Для получения рекордной чувствительности инструмента планируется охлаждение 12 метрового главного зеркала телескопа до 4 градусов Кельвина. С этой целью будут использоваться пассивная и активная системы охлаждения. Радиационные экраны - ключевой элемент пассивной системы охлаждения. Как видно из рисунка, экраны, выполненные из отражающей пленки, должны сформировать вокруг главного зеркала систему вложенных конусов.

Мы исследуем возможность применения тонкостенных трансформируемых упругих профилей в качестве каркасов раскрывающихся пленочных радиационных экранов. Такие профили представляют собой тонкостенную вытянутую оболочку, могут быть свернуты в сложенном состоянии, например, в рулон, а в раскрытом образует линейный элемент достаточно высокой жесткости. Раскрытие трансформируемых элементов осуществляется силами упругости..

Тонкостенные упругие профили нашли применение в качестве самораскрывющихся выдвижных стержневых космических антенн, опор ферм, штанг для подъема технической аппаратуры, грузоподъемных механизмов [6]. В настоящее время известен целый спектр упругих профилей (рис. 2), которые могут использоваться для решения различных задач механики конструкций.

Рассматриваются два типа конструкций экрана.

Свободно раскрывающийся экран. В конструкции первого типа  в качестве ребер, образующих каркас экрана, используется профиль 4 (рис.2).  Нижние концы профилей закреплены на несущих платформах, верхние – связаны между собой тросами, регулируемой длинны. В транспортном состоянии экраны размещаются по внешней стороне сложенного главного зеркала – ребра наматываются по винтовой линии, пленка укладывается в промежутках между деформированными профилями.

 

рис.2. Типы трансформируемые упругих профилей. 1, 3 – цилиндрические  профили;  2 – конические

профили;4, 5 – сварные замкнутые профили; 6 – желобчатые профили; 7 – омегообразные упругие профили; 8, 9 – свернутые в рулоны цилиндрические упругие профили; 10  –  свернутые в рулоны сварные замкнутые упругие профили

рис.3. Частично раскрытый наружный экран

Каждое ребро связано подпружиненным цилиндрическим шарниром с основанием экрана. Ось вращения шарнира ортогональна плоскости, разделяющей половины профиля развернутого ребра. Свободный параметр – положение цилиндрического шарнира при укладке - определяет число оборотов ребра жесткости вокруг сложенного зеркала при свертывании. При укладке каркаса ребра внутреннего экрана выполняют один оборот по винтовой линии по поверхности сложенного зеркала, ребра наружного экрана выполняют при укладке два оборота по винтовой линии. Намотка каркасов внутреннего и внешнего экранов осуществляется в противоположных направлениях.

Раскрытие каждого экрана осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит раскручивание ребер жесткости несущего каркаса, которое регулируется изменением длин тросов, связывающих верхние концы ребер (рис.3.). При этом отражающая пленка ненапряженна и слабо нагружает разворачивающиеся профили. После развертывания профили каркаса приобретают значительную жесткость в поперечном направлении и усилиями пружин, размещенных в цилиндрических шарнирах, растягивают отражающую пленку (рис. 4.). 

Для проверки предложенного подхода был изготовлен макет раскрывающегося экрана  и проведены его испытания. Макет выполнен в масштабе 1:35 . Отражающая поверхность экрана выполнена из металлизированной майларовой пленки толщиной в 10 микрон, ребра – из  металлического профиля толщиной  0.1 мм. Этапы моделирования раскрытия ребер жесткости, экрана и экран вместе с раскрытым зеркалом представлены на рисунке 5.

 

рис. 4 Свободно раскрывающийся экран

рис.5. Моделирование раскрытия экрана

Испытания макета подтвердили работоспособность конструкции и возможность её компактной укладки в транспортном положении, но одновременно выявили сложность осуществления плавного, управляемого раскрытия экрана. В связи с этим были начаты работы по другой схеме, использующей выдвижные трансформируемые профили.

Экран с управляемым раскрытием.



рис.6. Три типа выдвижных упругих профилей. I - Смотанный в цилиндрический рулон элемент выдвигается (разматывается) за счет потенциальной энергии деформированного профиля.  II - Свернутый в цилиндрический рулон упругий профиль выдвигается вручную или механическим приводом, III - Самовыдвигающийся телескопический  элемент

 

Известны три типа тонкостенных трансформируемых профилей (Рис.6.). Их использование в конструкции раскрывающихся экранов требует новой компоновки размещения сложенных экранов относительно сложенного зеркала.

 

рис. 7. Управляемое раскрытие экранов

Схема разрабатываемого в настоящее время макета конструкции экрана представлена на рис.7.

 Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ, проект № 07-08-00482.

Литература

1.   www.jwst.nasa.gov.

2.   http://safir.jpl.nasa.gov.

3.   http://www.asc.rssi.ru/millimetron.

4.   Arkhipov, M.Yu, Baryshev A.M., Kardashov N.S et al. Deployable Antennas for Space Radio Telescope: Radioastron and Millimetron Missions. Proceedings of 30th ESA Antenna Workshop, ESTEC, Noordwijk, Netherlands, 2008.

5.   Кардашев Н. С., Андреянов В.В., Буякас В.И. и др. Проект “Миллиметрон”, Труды Физического ин-та им. П.Н. Лебедева, 2000, т.228, 112-128.

6.   Синельников Е.Н., Гордиенко А.М., Гришин Н.С. Перспективы использования упругих профилей проката // Машиностроитель. 2007. № 4. - с. 51-53.