CN102011922B - 固定桁架结构的可展开面装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定桁架结构的可展开面装置。主要解决现有技术存在的面密度高、结构复杂、展开可靠性低等问题。该装置包括：复数个折叠环和连接关节，每两个折叠环(2)之间通过一个环连接关节(1)连接，构成圆形收拢、展开环结构，折叠环采用矩形或正三角形空心直杆单列桁架结构，通过环连接关节的驱动、锁定，使折叠环从竖直的收拢状态展开到曲线逼近的工作状态，折叠环上安装有纵横交错的柔性牵引绳，牵引绳上绑定有金属丝网或表面镀铝的薄膜，从而形成固定桁架结构的可展开面装置。本发明具有面密度低、结构简单、展开可靠性高、能够远距离传输或会聚电磁波等优良综合性能指标，可用于太空或地面作为反射器或汇聚器。
Description
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体是一种固定桁架结构的可展开表面装置，主要应用于太空或地面。
背景技术
随着航天技术的不断发展和航天应用的不断扩展，空间大型可展开装置如大型可展开天线、太阳能帆板等得到了越来越广泛的应用，甚至成为卫星应用成功与否的关键部件之一。而运载火箭容纳尺寸、运载能力的限制，航天应用高成本、高风险的特点，地面研制环境与太空工作环境的显著差异，都使得大型可展开装置的设计成为航天应用的关键技术之一。大型可展开装置不仅要求具有较轻的质量且要可靠展开，而且要求在太空环境下能够形成并保持足够的构型精度。
目前以星载可展开天线为主的大型可展开装置多种多样，但综合特性优良的大型可展开装置并不多见。1997年美国的5680145专利提出一种周边桁架式(Hoop Truss Deployable Structure)可展开反射器结构，如图1所示。它主要由四部分组成：(1)结构完全相同的可展开周边桁架，利用周边平行四边形桁架中对角杆的收缩来完成收放。(2)反射面索网，用来形成抛物面形状。(3)支撑面索网，起平衡作用。(4)中层竖向拉索，为上下抛物线网面提供张力，使其成为全张力网面。该结构的主要缺陷：一是由于采用复数个平行四边形对角杆可伸缩的桁架结构，因此其结构复杂，展开可靠性低；二是由于每个平行四边形的四个角点处装有铰链，对角杆上装有套筒，故质量较大，成本较高；三是面密度较高，大约为0.36Kg/m2。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种固定桁架结构的可展开表面装置，以减小面密度和结构复杂度，提高展开可靠性。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的技术思路是采用周边固定桁架与环连接关节组合结构，使可展开装置收拢时，聚集在一个圆柱面或圆桶面上；展开时，形成一个完整的环形带状刚性骨架，为大型可展开天线等提供稳固的支撑。
根据上述发明思路，本发明提供了四种固定桁架结构的可展开面装置的技术方案。
技术方案一
一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环之间通过一个环连接关节连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环采用矩形空心直杆单列桁架结构，矩形上端安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳，牵引绳上绑定有金属丝网，矩形下端安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳，两层牵引绳之间安装有纵向拉索，形成矩形桁架式反射曲面形状。
技术方案二
一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环之间通过一个环连接关节连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环采用矩形空心直杆单列桁架结构，矩形的上端安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳，矩形的下端安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳，矩形两个垂直边的中点上安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳。第一层牵引绳和第三层牵引绳之间安装有纵向拉索，第二层牵引绳和第四层牵引绳之间安装有纵向拉索，第三层牵引绳和第四层牵引绳上绑定有表面镀铝的薄膜，形成矩形桁架式折射曲面形状。
技术方案三
一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环之间通过一个环连接关节连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环采用正三角形空心直杆单列桁架结构，正三角形上顶点安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳，牵引绳上绑定有金属丝网，正三角形的两个下顶点安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳，两层牵引绳之间安装有纵向拉索，形成正三角桁架式反射曲面形状。
技术方案四
一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环之间通过一个环连接关节连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环采用正三角形空心直杆单列桁架结构，正三角形的上顶点安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳，正三角形的两个下顶点安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳，正三角形左右两个边的中点上安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳。第一层牵引绳和第三层牵引绳之间安装有纵向拉索，第二层牵引绳和第四层牵引绳之间安装有纵向拉索，第三层牵引绳和第四层牵引绳上绑定有表面镀铝的薄膜，形成正三角桁架式折射曲面形状。
本发明较现有相关技术相比具有如下优点：
(1)本发明由于采用由矩形空心直杆或正三角形空心直杆组成的桁架结构，因此大大降低了整个装置的质量，从而减小了装置的面密度。
(2)本发明由于采用环连接关节与固定桁架相连，因此降低了其结构复杂度，且运动机构的数量显著减少，使得整个装置展开运动简单，展开可靠性显著提高。
(3)本发明由于构建的反射面焦径比较大，能够远距离传输或会聚电磁波。
附图说明
图1是现有周边桁架式可展开反射器展开态示意图；
图2是本发明矩形式固定桁架结构的支撑装置收拢态示意图；
图3是本发明基于图2的反射面展开态示意图；
图4是本发明基于图2的折射面展开态示意图；
图5是本发明正三角式固定桁架结构的支撑装置收拢态示意图；
图6是本发明基于图5的反射面展开态示意图；
图7是本发明基于图5的折射面展开态示意图；
图8是对图2所示的矩形式固定桁架结构局部放大示意图；
图9是对图5所示的正三角形式固定桁架结构局部放大示意图；
图10是本发明的环连接关节示意图；
其中，(10a)是环连接关节的外部结构示意图；
(10b)是环连接关节的内部结构示意图；
图11是对图2结构采用一根折叠环质心的展开仿真图；
图12是图2结构偏置安装于航天器时的收拢态示意图；
图13是图2结构偏置安装于航天器时的展开态示意图；
图14是图12结构采用一根折叠环质心的展开仿真图；
图15是对图2结构采用口径为20m时的收拢态示意图；
图16是对图2结构采用口径为20m时的展开态示意图；
图17是图15结构采用一根折叠环质心的展开仿真图。
具体实施方式
实施例1
参照图2和图3，本发明的矩形桁架式反射曲面展开装置，包括：环连接关节1和折叠环2，两者均为复数，具体数目根据展开曲面口径的大小确定。其中：
环连接关节1的结构如图10(a)和图10(b)所示，它是由一对圆锥齿轮结构101、102和一对夹板103、104组成，一对夹板分别固定在一对圆锥齿轮结构的内外，且在一对圆锥齿轮结构和一对夹板处均设置160～180度的角度，以使环结构由收拢到展开过程中绕固定的轴线作平面转动。该角度的大小与环杆数目有关，即按照公式：θ＝180*(1-2/n)确定，其中n为环杆数目，n≥4。圆锥齿轮结构的齿轮轴105上安装有扭簧106，圆锥齿轮结构的端面上设有定位导槽107，通过扭簧驱动环杆展开，通过定位导槽限定所有环展开到位后自动锁定，即在收拢状态下，通过外力压缩使扭簧106贮存弹性势能，系统解锁后，扭簧106释放弹性势能，通过定位导槽107驱动圆锥齿轮结构转动，使环杆由竖直的收拢状态展开到水平的工作状态，并在转到期望角度后锁定。
折叠环2的结构如图8所示，它是由空心直杆301、302、303、304、和305组成的单列桁架结构，其中直杆302、303、304的上端分别通过三个螺纹孔306、307、308与直杆301固定在一起，直杆302、303、304的下端分别通过螺纹孔309、310、311与直杆305固定在一起，且直杆302、303、304与直杆301、305形成矩形结构。直杆301和305的左右两端设有螺纹孔312和313，每个折叠环2的上下端通过螺纹孔312和313分别固定在上、下两个环连接关节的端部，构成圆形收拢、展开环结构。在矩形的上端即螺纹孔306、307、308上安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳3，牵引绳上绑定有金属丝网4，在矩形的下端即螺纹孔309、310、311上安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳5，两层牵引绳3和5之间安装有纵向拉索6，主要为牵引绳3和5提供张力，从而形成如图3所示的矩形桁架式反射曲面展开装置。该装置在其收拢态下内部有足够的空间，可容纳相关的绳网、丝网等柔性结构。
实施例2
参照图2和图4，本发明的矩形桁架式折射曲面展开装置，包括：环连接关节1和折叠环2，两者均为复数，具体数目根据展开曲面口径的大小确定。其中：
环连接关节1的结构如图10(a)和图10(b)所示，它是由一对圆锥齿轮结构101、102和一对夹板103、104组成，一对夹板分别固定在一对圆锥齿轮结构的内外，且在一对圆锥齿轮结构和一对夹板处均设置160～180度的角度，以使环结构由收拢到展开过程中绕固定的轴线作平面转动。该角度的大小与环杆数目有关，即按照公式：θ＝180*(1-2/n)确定，其中n为环杆数目，n≥4。圆锥齿轮结构的齿轮轴105上安装有扭簧106，圆锥齿轮结构的端面上设有定位导槽107，通过扭簧驱动环杆展开，通过定位导槽限定所有环展开到位后自动锁定，即在收拢状态下，通过外力压缩使扭簧106贮存弹性势能，系统解锁后，扭簧106释放弹性势能，通过定位导槽107驱动圆锥齿轮结构转动，使环杆由竖直的收拢状态展开到水平的工作状态，并在转到期望角度后锁定。
折叠环2的结构如图8所示，它是由空心直杆301、302、303、304、和305组成的单列桁架结构，其中直杆302、303、304的上端分别通过三个螺纹孔306、307、308与直杆301固定在一起，直杆302、303、304的下端分别通过螺纹孔309、310、311与直杆305固定在一起，且直杆302、303、304与直杆301、305形成矩形结构。直杆301和305的左右两端设有螺纹孔312和313，每个折叠环2的上下端通过螺纹孔312和313分别固定在上、下两个环连接关节的端部，构成圆形收拢、展开环结构。在矩形的上端即螺纹孔306、307、308上安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳7，在矩形的下端即螺纹孔309、310、311上安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳8，在矩形的垂直边即直杆302、303、304的中点安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳9和10。其中第一层牵引绳7和第三层牵引绳9之间安装有纵向拉索12，第二层牵引绳8和第四层牵引绳10之间安装有纵向拉索13，第三层牵引绳9和第四层牵引绳10上绑定有表面镀铝的薄膜11，从而形成如图2所示的矩形桁架式折射曲面展开装置。该装置在其收拢态下内部有足够的空间，可容纳相关的绳网、薄膜等柔性结构。
实施例3
参照图5和图6，本发明的正三角桁架式反射曲面展开装置，包括：环连接关节1和折叠环2，两者均为复数，具体数目根据展开曲面口径的大小确定。其中：
环连接关节1的结构如图10(a)和图10(b)所示，它是由一对圆锥齿轮结构101、102和一对夹板103、104组成，一对夹板分别固定在一对圆锥齿轮结构的内外，且在一对圆锥齿轮结构和一对夹板处均设置160～180度的角度，以使环结构由收拢到展开过程中绕固定的轴线作平面转动。该角度的大小与环杆数目有关，即按照公式：θ＝180*(1-2/n)确定，其中n为环杆数目，n≥4。圆锥齿轮结构的齿轮轴105上安装有扭簧106，圆锥齿轮结构的端面上设有定位导槽107，通过扭簧驱动环杆展开，通过定位导槽限定所有环展开到位后自动锁定，即在收拢状态下，通过外力压缩使扭簧106贮存弹性势能，系统解锁后，扭簧106释放弹性势能，通过定位导槽107驱动圆锥齿轮结构转动，使环杆由竖直的收拢状态展开到水平的工作状态，并在转到期望角度后锁定。
折叠环2的结构如图9所示，它是由空心直杆201、202、203和204组成的单列桁架结构，其中直杆202分别通过螺纹孔205和207与直杆201和204固定在一起；直杆203分别通过螺纹孔206和208与直杆201和204固定在一起；直杆202、203、204形成正三角形结构。直杆201和204的左右两端设有螺纹孔209和210，每个折叠环2的上下端通过螺纹孔209和210分别固定在上、下两个环连接关节的端部，构成圆形收拢、展开环结构。在正三角形的上顶点即螺纹孔205上安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳3，牵引绳上绑定有金属丝网4，在正三角形的两个下顶点即螺纹孔207、208上安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳5，两层牵引绳3和5之间安装有纵向拉索6，从而形成如图6所示的正三角桁架式反射曲面展开装置。该装置在其收拢态下内部有足够的空间，可容纳相关的绳网、丝网等柔性结构。
实施例4
参照图5和图7，本发明的正三角桁架式折射曲面展开装置，包括：环连接关节1和折叠环2，两者均为复数，具体数目根据展开曲面口径的大小确定。其中：
环连接关节1的结构如图10(a)和图10(b)所示，它是由一对圆锥齿轮结构101，102和一对夹板103，104组成，一对夹板分别固定在一对圆锥齿轮结构的内外，且在一对圆锥齿轮结构和一对夹板处均设置160～180度的角度，以使环结构由收拢到展开过程中绕固定的轴线作平面转动。该角度的大小与环杆数目有关，即按照公式：θ＝180*(1-2/n)确定，其中n为环杆数目，n≥4。圆锥齿轮结构的齿轮轴105上安装有扭簧106，圆锥齿轮结构的端面上设有定位导槽107，通过扭簧驱动环杆展开，通过定位导槽限定所有环展开到位后自动锁定，即在收拢状态下，通过外力压缩使扭簧106贮存弹性势能，系统解锁后，扭簧106释放弹性势能，通过定位导槽107驱动圆锥齿轮结构转动，使环杆由竖直的收拢状态展开到水平的工作状态，并在转到期望角度后锁定。
折叠环2的结构如图9所示，它是由空心直杆201、202、203和204组成的单列桁架结构，其中直杆202分别通过螺纹孔205和207与直杆201和204固定在一起；直杆203分别通过螺纹孔206和208与直杆201和204固定在一起；直杆202、203、204形成正三角形结构。直杆201和204的左右两端设有螺纹孔209和210，每个折叠环2的上下端通过螺纹孔209和210分别固定在上、下两个环连接关节的端部，构成圆形收拢、展开环结构。在正三角形的上顶点即螺纹孔205上安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳7，在正三角形的两个下顶点即螺纹孔207、208上安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳8，在正三角形左右两个边即直杆202和203的中点处安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳9和10。其中第一层牵引绳7和第三层牵引绳9之间安装有纵向拉索12，第二层牵引绳8和第四层牵引绳10之间安装有纵向拉索13，第三层牵引绳9和第四层牵引绳10上绑定有表面镀铝的薄膜11，从而形成如图7所示的正三角桁架式折射曲面展开装置。该装置在其收拢态下内部有足够的空间，可容纳相关的绳网、薄膜等柔性结构。
本发明的效果可以通过以下仿真实验来验证：
仿真1，展开口径10m的矩形桁架式正置反射面装置。
本发明提供的以中心对称形式安置在卫星上的矩形桁架式反射面装置。口径圆环结构上有24对齿轮关节和24组桁架，桁架采用图8中所示的矩形结构，直杆301和305采用外部0.01m×0.01m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其长为0.888m；直杆302、303和304采用外部0.008m×0.008m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其高为0.415m；反射面的焦径比为1.6，高为0.39m。环连接关节采用图10中所示的扭簧驱动的一对圆锥齿轮结构，一对圆锥齿轮结构连接角度为165度，环连接关节与桁架通过螺栓和螺母连接在一起。整个装置选择铝合金材料，柔性反射面选择凯芙拉纤维材料，收拢在Φ3.25m*1.30m的圆柱体内。
对本仿真实例的整个反射面装置按保守计算，其质量小于23.5Kg，面密度小于0.3Kg/m2。
图11是在以上图2展开过程仿真中，该装置采用一根折叠环质心的展开仿真图。从图11中可以看出，该环由收拢半径约1.6m的位置逐渐展开到半径约5.0m位置，且展开过程平稳。
仿真2，展开口径10m的矩形桁架式偏置反射面装置。
本发明提供的以中心非对称形式偏置安装在卫星侧面的矩形桁架式反射面装置。口径圆环结构上有24对齿轮关节和24组桁架，桁架采用图8中所示的矩形结构，直杆301和305采用外部0.01m×0.01m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其长为0.888m；直杆302、303和304采用0.008m×0.008m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其高为0.415m；反射面的焦径比为1.6，高为0.39m。环连接关节采用图10中所示的扭簧驱动的一对圆锥齿轮结构，一对圆锥齿轮结构连接角度为165度，环连接关节与桁架通过螺栓和螺母连接在一起。整个装置选择铝合金材料，柔性反射面选择凯芙拉纤维材料，收拢在Φ3.25m*1.30m的圆柱体内。其收拢态模型如图12所示。
对本仿真实例的整个反射面装置按保守计算，其质量小于23.5Kg，面密度小于0.3Kg/m2。
图13展示了在太空环境下，该反射面装置的动力学模型展开图，通过对比图12可以看出，固定桁架由先前的竖直状态转动成接近水平的状态。
图14是在以上图12模型展开过程仿真中，该装置采用一根折叠环质心的展开仿真图。从图14中可以看出，该环由收拢半径约1.6m的位置逐渐展开到半径约7.5m位置，且展开过程平稳。
仿真3，展开口径20m的矩形式桁架正置反射面装置。
本发明提供的以中心对称形式安置在卫星上的矩形桁架式反射面装置。口径圆环结构上有60对齿轮关节和60组桁架，桁架采用图8中所示的矩形结构，直杆301和305采用外部0.01m×0.01m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其长为1.05m；直杆302、303和304采用外部0.008m×0.008m、内部0.006m×0.006m的矩形空心截面，其高为0.1m；反射面的焦径比为1.6，高为0.78m。环连接关节采用图10中所示的扭簧驱动的一对圆锥齿轮结构，一对圆锥齿轮结构连接角度为174度，环连接关节与桁架通过螺栓和螺母连接在一起。整个装置选择铝合金材料，柔性反射面选择凯芙拉纤维材料，收拢在Φ2.02m*1.04m的圆柱体内。
对本仿真实例的整个反射面装置按保守计算，其质量小于60Kg，面密度小于0.2Kg/m2。
图16展示了在太空环境下，该反射面装置的动力学模型展开图，通过对比图15可以看出，固定桁架由先前的竖直状态转动成接近水平的状态。
图17是在以上图15展开过程仿真中，该装置采用一根折叠环质心的展开仿真图。从图17中可以看出，该环由收拢半径约1.0m的位置逐渐展开到半径约10.0m位置，且展开过程平稳。
以上仿真结果说明本发明提供的装置不仅在太空环境下能顺利、平稳地展开，也可以在地面环境中应用。
Claims (6)
1.一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环(2)之间通过一个环连接关节(1)连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环(2)采用矩形空心直杆单列桁架结构，每个折叠环(2)的上下端通过螺纹孔(312)和(313)分别固定在上、下两个环连接关节的端部，矩形上端安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳(3)，牵引绳(3)上绑定有金属丝网(4)，矩形下端安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳(5)，两层牵引绳(3)和(5)之间安装有纵向拉索(6)，形成矩形桁架式反射曲面形状。
2.根据权利要求1所述的固定桁架结构的可展开面装置，其特征在于：环连接关节(1)由一对圆锥齿轮结构(101，102)和一对夹板(103，104)组成，夹板(103，104)分别固定在一对圆锥齿轮的内外，圆锥齿轮结构上安装有扭簧(106)，它的端面上设有定位导槽(107)，通过扭簧驱动环杆展开，通过定位导槽限定所有环展开到位后自动锁定。
3.根据权利要求2所述的固定桁架结构的可展开面装置，其特征在于：一对圆锥齿轮结构(101，102)和一对夹板(103，104)处均设有160～180度的角度，使折叠环(2)由收拢到展开过程中绕固定的轴线作平面转动。
4.一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环(2)之间通过一个环连接关节(1)连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环(2)采用矩形空心直杆单列桁架结构，矩形的上端安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳(7)，矩形的下端安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳(8)，矩形两个垂直边的中点上安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳(9，10)；第一层牵引绳(7)和第三层牵引绳(9)之间安装有纵向拉索(12)，第二层牵引绳(8)和第四层牵引绳(10)之间安装有纵向拉索(13)，第三层牵引绳(9)和第四层牵引绳(10)上绑定有表面镀铝的薄膜(11)，形成矩形桁架式折射曲面形状。
5.一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环(2)之间通过一个环连接关节(1)连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环(2)采用正三角形空心直杆单列桁架结构，正三角形的上顶点安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳(3)，牵引绳(3)上绑定有金属丝网(4)，正三角形的两个下顶点安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳(5)，两层牵引绳(3)和(5)之间安装有纵向拉索(6)，形成正三角桁架式反射曲面形状。
6.一种固定桁架结构的可展开面装置，包括：复数个折叠环和环连接关节，每两个折叠环(2)之间通过一个环连接关节(1)连接，构成圆形收拢、展开环结构，其特征在于：折叠环(2)采用正三角形空心直杆单列桁架结构，正三角形的上顶点安装有第一层纵横交错的柔性牵引绳(7)，正三角形的两个下顶点安装有第二层纵横交错的柔性牵引绳(8)，正三角形左右两个边的中点上安装有第三和第四层纵横交错的柔性牵引绳(9，10)；第一层牵引绳(7)和第三层牵引绳(9)之间安装有纵向拉索(12)，第二层牵引绳(8)和第四层牵引绳(10)之间安装有纵向拉索(13)，第三层牵引绳(9)和第四层牵引绳(10)上绑定有表面镀铝的薄膜(11)，形成正三角桁架式折射曲面形状。
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