CC BY
15Решетневскуе чтения. 2017
УДК 629.7.01
МЕХАНИЧЕСКИЕ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ЗАМКИ ДЛЯ СБОРКИ И РАСКРЫТИЯ СОСТАВНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ
В. И. Буякас
Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук Российская Федерация, 119991, г. Москва, Ленинский просп., 53 E-mail: bujakas@yandex.ru
Для решения задач экспериментальной физики Кельвином и Максвеллом были предложены приспособления, обеспечивающие высокую точность и повторяемость установки оптических элементов на оптической скамье. Эти удивительные простые устройства получили в англоязычной литературе название Kinematic couplings и используются на протяжении многих лет в различных научных и прикладных исследованиях В настоящей работе рассматривается возможность создания на основе идеи, положенной в основу таких устройств, механических самоустанавливающихся замков для сборки и автоматичнского раскрытия твердотельных составных космических зеркал. Приводятся результаты кинематического анализа и физического моделирования предлагаемых устройств.
Ключевые слова: большие твердотельные зеркала, составные конструкции, самоустанавливающиеся замки, сборка и раскрытие составных зеркал, статически определимые структуры.
SELF-SETTING LOCKS FOR ASSEMBLAGE AND DEPLOYMENT OF SOLID MULTI-MIRROR SPACE REFLECTORS
V. I. Bujakas
P. N. Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Science 53, Leninskiy Av., Moscow, 119991, Russian Federation E-mail: bujakas@yandex.ru
The kinematic couplings were introduced into experimental physics by Kelvin and Maxwell and ensure high accuracy and high repeatability of optical elements installation during the studies. Later the idea behind these devices became classical and had been used for many years in various scientific and applied researches, in nanotechnology studies, for example. We consider the possibility to use the kinematic coupling for space applications, to be exact for locks development for precise assemblage or automatic deployment of solid space mirrors.
Keywords: large transformable designs, shape corrections, high precision deployment, statically determinate and statically indeterminate structures.
Введение. Для решения задач экспериментальной физики Кельвином и Максвеллом были предложены приспособления, обеспечивающие высокую точность и высокую повторяемость установки оптических элементов - линз, зеркал, призм, фотопластинок - на оптической скамье. Позднее этот метод объединения элементов конструкции получили в англоязычной литературе название kinematic couplings. Последние десятилетия устройства нашли применение в нано технологиях. Здесь при высококачественном изготовлении элементов приспособления удается обеспечить микронный и субмикронный уровень точности и повторяемости сборки элементов конструкции [3]. Мы назовем такие соединения кинематическими связками и исследуем возможность создания на их основе механических самоустанавливающихся замков для космических приложений, напр. для сборки или автоматического раскрытия больших составных зеркальных антенн [2]. Основу кинематической связки в версии Максвелла составляют три V - образных паза, размещаемых на одном из соединяемых элементов (основании) и три шаровых опоры, связанных с треногой -вторым соединяемым элементом.
В рабочем состоянии шаровые опоры находятся на дне пазов и удерживаются в этом положении силой тяжести (рис. 1).
- обратные газы
Рис. 1. Современная кинематическая связка оптического качества
Рассмотрим особенности приспособления, которые обеспечивают ему важные механические свойства.
Рабочее положение устройства является равновесным состоянием конструкции. При малых смещениях треноги возникает усилие, возвращающее устройство в равновесное рабочее состояние.
Состояние равновесия единственно, что обеспечивает высокую повторяемость установки треноги на основание.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
б
Рис. 2. 3Б кинематическая связка двух параболических лепестков: а - сборка двух лепестков на шаблоне, вид сзади, б - захват шаровой опоры
а
В равновесном состоянии конструкция оказывается статически определимой, что гарантирует ненапряженную сборку приспособления.
2Б кинематические связки для работы в условиях невесомости. Для того чтобы использовать идею классической кинематической связки для сборки составных космических конструкций необходимо преодолеть две трудности.
Во-первых, необходимо предложить способ удержания шаровых опор на дне V - образных пазов в условиях невесомости, способ, сохраняющих кинематику связей и направление удерживающих усилий в равновесном состоянии. С этой целью была предложена конструкция и изготовлена физическая модель пружинного захвата, сохраняющего кинематику кинематической связки.
Во-вторых, необходимо выяснить при каких взаимных положениях пазов конструкция сохраняет самоустанавливающиеся свойства. Была поострена и исследована математическая модель, описывающая равновесного состояния 2Б-связки при произвольном расположении V-образных пазов. Получены условия геометрической неизменяемости составной конструкции и условия вырождения связей при произвольном размещении V-образных пазов..
3Б кинематическая связка для сборки составных зеркал. Классическая кинематическая связка, использующая V-образные пазы, предполагает размещение пазов на плоском основании. Для соединения криволинейных зеркал необходимо разместить пазы в пространстве и гарантировать самоустанавливающиеся свойства конструкции. Для решения этой задачи была построена математическая модель 3Б-связки и получены достаточные условия размещения пазов, гарантирующие составной конструкции геометрическую неизменяемость, а связке самоустанавливающиеся свойства. На рис. 2 представлена физическая модель конструкции составного лепесткового зеркала на сборочном стапеле и пружинные захваты 3Б кинематической связки [3].
Кинематическая связка в задаче раскрытия зеркала. Ранее идея кинематической связки использовалась нами при физическом моделировании точного раскрытия отдельного лепестка трансформируемого зеркала [4; 5]. В лабораторных экспериментах была достигнута 10 микронная точность повторяемости
раскрытия имитатора лепестка (по нормали к отражающей поверхности), смещение в тангенциальной плоскости не превышало 30 микрон.
Заключение. Предложены новые конструкции самоустанавливающихся замков статически определимого типа для условий невесомости и представлены результаты их физического моделирования.
Библиографические ссылки
1. Slocum A. H., Final Progress Report. Lean and Agile Precision Manufacturing Systems. Office of Naval Research, 2002
2. Патент Р.Ф. №126199 Раскрывающаяся антенна / Буякас В. И. 2013.
3. Bujakas V. I., Kamensky A. A. Self-setting locks for petal type deployable space reflector, in Microactua-tors and Micromechanisms, Proceedings of MAMM-2016, Ilmenau, Springer, 2016. P. 177-189.
4. Bujakas V. I., Rybakova A. G. High precision deployment and shape correction of multimirror space designs, Proceedings of IUTAM/IASS Deployable Structures Symposium, Cambridge, Kluwer, 2000.
5. Буякас В. И., Рыбакова А. Г. Проект Миллиме-трон: узел высокоточного раскрытия космического зеркала // Труды ФИАН. М., 2000.Т. 228. С. 129-142.
References
1. Slocum A. H. Final Progress Report. Lean and Agile Precision Manufacturing Systems. Office of Naval Research, 2002
2. V. I. Bujakas. Deployable antenna, Patent of Russian nFederation № 126199, 2013.
3. Bujakas V. I., Kamensky A. A. Self-setting locks for petal type deployable space reflector, in Microactua-tors and Micromechanisms, Proceedings of MAMM-2016, Ilmenau, Springer, 2016. P. 177-189.
4. Bujakas V. I., Rybakova A. G. High precision deployment and shape correction of multimirror space designs, Proceedings of IUTAM/IASS Deployable Structures Symposium, Cambridge, Kluwer., 2000.
5. Bujakas V. I., Rybakova A. G. Millimetron project: the unit for precise opening of space mirror. Proceedings of P.N. Lebedev Physical Institute. M., 2000. V. 228, P. 129-142.
© Буякас В. И., 2017
