Система точной фиксации раскрытия новой конструкции трансформируемого лепесткового зеркала

В.И. Буякас,

вед. н. с, д.ф.-м.н.,

bujakas@yandex.ru

А.И. Ерохин,

с.н.с., к.ф.-м.н.,

ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва

Для решения ряда научных и прикладных технических задач необходимы большие зеркальные космические антенны [1-7]. Требования к точности поверхность таких конструкций определяются рабочей длинной волны. Для инструментов, работающих длинноволновой области спектра весьма эффективными оказываются сетчатые конструкции. Большие твердотельные зеркала разрабатываются для использования в коротковолновом диапазоне. Твердотельное трансформируемое лепестковое космическое зеркало было предложено корпорацией Dornier в рамках работ над проектом First [8] и использовано в модифицированном виде в проекте Радиоастрон при создании 10-метровой антенны радиотелескопа, работающего в сантиметровой области спектра [9].

Для того, чтобы использовать лепестковую конструкцию в инструментах с меньшей рабочей длинны волны, необходимо увеличить жесткость раскрытого рефлектора, повысить точность отражающей поверхности и обеспечить высокую повторяемость раскрытия.

В работе исследуется возможность создания большого зеркала, удовлетворяющего этим требованиям.

Основные особенности развиваемого подхода [10].

1. Исследуется возможность создания большого короткофокусного параболического зеркала без поддерживающей структуры.

2. Исследуется зеркало с апертурой в 12 метров и фокусным расстоянием 2,4 метра. Ставится задача в максимальной степени использовать высокую геометрическую жесткость крутой параболической оболочки. Для этого в раскрытом зеркале соседние лепестки должны быть объединены между собой системой связей. Эти связи важны не только с точки зрения жесткости развернутой конструкции, но и с точки зрения получения максимальной эффективной площади раскрытого рефлектора.

3. В предлагаемом техническом решении лепестки являются несущими элементами и связаны между собой по внешнему контуру рефлектора на протяжении всего раскрытия.

4. Раскрытие зеркала осуществляется малогабаритными линейными двигателями, которые перемещаются по внешним кромкам лепестков.

5. Связи между элементами конструкции выполнены так, что конструкция остается ненапряженной (статически определимой) на протяжении всего раскрытия. При этом не требуется высокоточного согласования работы исполнительных механизмов.

6. Итоговая точность развернутого зеркала будет обеспечиваться механической самоустанавливающейся системой связей между лепестками, элементы которой были разработаны и испытаны при работе по проекту Радиоастрон [11].

Лепестковая конструкция включает в себя набор лепестков и центральное зеркало. Процесс раскрытия лепесткового зеркала представлен на рис.1.

Рис. 1 Процесс раскрытия лепесткового зеркала

В предлагаемой новой кинематической схеме укладки и раскрытия лепесткового рефлектора, каждый лепесток связан с центральным зеркалом двухстепенным шарниром (рис.2.). Малогабаритные механизмы раскрытия вынесены на внешнюю кромку лепестка (рис.3.)

Рис. 2 Малогабаритные механизмы раскрытия: 1,2 – оси шарнира, 3 – лепесток, 4 – центральное зеркало

Рис. 3 Виртуальная модель механизма раскрытия: 1-лепесток, 2-направляющая, 3-червячная рейка, 4-червяк, 5-электродвигатель, 6-держатель электродвигателя (ползун), 7-сферический шарнир, 8-тяга, 9-цилиндрический шарнир

В конструкцию введена система фиксации конечного состояния раскрытого зеркала, которая включает в себя набор самоустанавливающихся замков статически определимого типа. Замки связывают попарно соседние лепестки на заключительном этапе раскрытия (рис. 4). Каждый замок содержит три шаровых опоры и три V-образных паза, которые расположены на боковых сторонах соседних лепестков (рис. 5).

В рабочее состояние (в раскрытом состоянии рефлектора) шаровые опоры находятся на дне V-образных пазов и удерживаются в этом положении силами упругости, возникающими за счет малых деформаций лепестков. В результате, во-первых, возникают три пояса (контура) соединения лепестков, что повышает жесткость раскрытого зеркала. Во-вторых, каждая пара соседних лепестков оказывается связанной между собой статически определимым образом (замки вводят в конструкцию 6 кинематических ограничений), и при этом расчетное положение шаровых опор является состоянием равновесия самоустанавливающейся системы. При смещении шаровой опоры на боковую стенку V-образного паза возникает скатывающая составляющая усилия, возвращающая систему в равновесное состояние. Тем самым достигается самоустанавливающийся эффект.

Рис. 4. Два лепестка, объединённые системой фиксации: 1, 2 – элементы системы фиксации

Рис. 5. Два элемента системы фиксации раскрытого зеркала

Моделируется трансформируемое лепестковое зеркало с апертурой в 12 метров и фокусным расстоянием 2,4 метра. На рис. 5, 6 показаны элементы физического макета, выполненные в масштабе 1:10. Лепестки и центральное зеркало макета изготовлены на ЧПУ компанией “АртКор” (www.artcor.ru).

a). Вид спереди б). Вид сзади

Рис. 5. Центральное зеркало макета

Рис. 6. Лепесток макета Изготовление лепестков макета на ЧПУ

Литература

1. http://lisa.nasa.gov/

2. www.jwst.nasa.gov

3. http://safir.jpl.nasa.gov

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

5. Peterson L.D., Hinkle J.D., et all. Technology for Earth Observing Deployed Lidar Telescope, Proceedings of the Sixth Annual NASA Earth Science Technology Conference, Maryland, USA, 2006.

6. 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.

7. 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.

8. Dornier, FIRST Technology study: Multi surface control mechanism for a deployable antenna. Final report. Dornier Report RP-FA-D003, 1987.

9. Кардашев Н.С. и др. «Радиоастрон» - телескоп размером 300 000 км: основные параметры и первые результаты наблюдений// Астрономический журнал, 2013, т. 90, №3, с. 179-222.

10. В.И.Буякас. Раскрывающаяся антенна, Патент Р.Ф. №126199, 2013 г.

11. В.И.Буякас, А.С.Гвамичава, А.Г.Рыбакова, Рефлектор развертываемой антенны, Авторское свидетельство №1795530, 1992 г

Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ проект №13-08-01190а.