CN102040009A - 绳索牵引驱动的可展开反射面装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索牵引驱动的可展开反射面装置。主要解决现有反射面装置展开速度过快、不易控制、可靠性低的缺点。该装置包括：一组牵引绳、折叠式环杆、折叠式肋杆和复数个连接关节，环杆(1)和环杆连接关节(2)连接而成的环结构中穿入整条封闭的环向牵引绳(7)；肋杆(3)和肋杆连接关节(4)连接而成的肋结构中穿入径向牵引绳(8)；肋结构和径向牵引绳的一端通过环肋连接关节(5)与环结构和环向牵引绳连接，肋结构另一端与肋筒连接关节(6)连接，径向牵引绳另一端在肋筒连接关节处合并成一条牵引绳并与外部的电动机相接。本发明具有面密度低、展开过程平稳可靠、型面精度可调的优点，可用在太空或地面作为反射器或汇聚器。

Description

绳索牵引驱动的可展开反射面装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体是一种绳索牵引驱动的可展开反射面装置，主要应用于驱动太空或地面的大型可展开机构。

背景技术

空间技术的高速发展和航天应用的不断扩展对空间结构提出了越来越高的要求，受运载火箭容纳尺寸、运载能力的限制，使得空间可展开结构作为一种新型的结构形式得到了越来越广泛的应用，如大型可展开天线、太阳能帆板、伸展臂等。而航天应用高成本、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能够可靠展开，而且要求在太空环境下能够形成并保持足够的构型精度。航天应用的大型可展开装置，主要从三个方面衡量其综合特性：其一是面密度，其二是构型精度，其三是收纳率。

目前以星载可展开天线为主的大型可展开装置多种多样，但以上三个参数综合特性优良的大型可展开装置并不多见。美国2007年的7216995专利提出一种折叠肋式可展开反射器(Deployable reflector)，采用收拢在中心的6根非径向的Z型折叠桁架肋在柔绳牵引下展开，形成圆周为正六边形的刚性支撑结构，没有刚性环结构。柔性丝网绑定在其上，形成反射面结构。该结构方案有两大缺陷：其一是采用Z型折叠桁架肋结构，结构复杂，径向和高度方向的收纳率都不高，即高度方向的收纳率＜2，其质量及相应面密度也不低；其二是圆周用柔绳牵引，很难保证期望的正六边形型面精度，若要形成圆形反射面，其口径效率很低。中国专利号为200810017475.6的“一种空间可展开反射面装置”，采用扭簧驱动肋连接关节和环连接关节，展开到位后形成由一个环展开结构和六根肋展开结构构成的整体抛物面展开结构，可形成一个稳定的反射面骨架，这种结构虽有着良好的综合性能，但又由于采用扭簧驱动方式，使其存在以下不足：

1)当众多的扭簧同时工作时会导致可靠性降低，而且扭簧增加了结构的重量；

2)当解除捆绑后，扭簧的能量瞬间释放，难以对展开速度和平稳性进行有效控制，同时也对锁定过程造成不利影响。

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，提供一种绳索牵引驱动的空间大型可展开反射面装置，以减小面密度、增强展开过程的可控性，保证反射面装置的可靠展开。

实现本发明目的的技术思路是：用电动机带动绳索牵引的驱动方式取代现有空间可展开反射面装置中的扭簧驱动方式，同时对其结构做相应修改以实现绳索牵引驱动。用一组绳索代替众多扭簧，以降低可展开装置的面密度，提高其同步展开的可靠性；展开时，通过电动机控制牵引绳索的收缩速度来控制可展开结构的展开速度，提高锁定的可靠性。

本发明的整体装置包括：一组牵引绳、折叠式环杆、折叠式肋杆和复数个连接关节，每两个折叠式环杆通过一个环杆连接关节连接，构成收拢、展开环结构；每两个折叠式肋杆通过一个肋杆连接关节连接，构成收拢、展开肋结构；该肋结构的一端通过环肋连接关节与环结构连接，肋结构的另一端与中心的肋筒连接关节连接，形成一个刚性整体，其中：在环杆和复数个环杆连接关节连成的环结构中穿入整条封闭的环向牵引绳，在肋杆和复数个肋杆连接关节连成的肋结构中穿入径向牵引绳，每条径向牵引绳的一端通过环肋连接关节与环向牵引绳固结，径向牵引绳的另一端进入肋筒连接关节后合并成一条牵引绳与外部的电动机相接。

所述的环杆连接关节由一对接头结构、一对夹板、一对齿轮轴以及牵引绳组成，接头结构采用半齿轮结构，其上设有穿环向牵引绳的通孔、矩形槽和定位用的通孔，以对牵引绳驱动折叠式环、肋结构同步展开后锁定。

所述的环肋连接关节是由一对接头结构、一对夹板、一对齿轮轴、L形板、径向牵引绳、环向牵引绳、U形板和铰接接头组成，L形板分别与夹板和U形板连接，U形板与铰接接头连接，用于将折叠式环结构和折叠式肋结构连接为一个刚性整体。

所述的肋筒连接关节由法兰盘结构和六个铰接接头组成，六个铰接接头均匀的连接在法兰盘结构的四周，法兰盘结构上设有穿径向牵引绳的中心通孔和六个均匀分布的矩形槽。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明由于采用一根环向牵引绳和六根径向牵引绳代替众多扭簧，且折叠式环杆和折叠式肋杆均采用空心截面，显著降低了结构质量，提高了面密度。

(2)本发明由于用一组径向牵引绳驱动取代原肋关节中的扭簧驱动，克服了扭簧驱动展开速度过快、不易控制的缺点，不但使展开过程更平稳，而且可以通过控制电动机的转速来控制展开速度。

(3)本发明由于将六根径向牵引绳在中心圆筒处合并为一根，避免众多扭簧同时工作，克服了因个别扭簧失效而导致整个装置无法正常展开的缺陷，使可展开结构正常展开的可靠性显著提高。

(4)本发明由于采用电机带动中心圆筒内的牵引绳驱动，可以通过电机调节径向牵引绳的长短，来调整由折叠式肋杆拟合的曲线，实现对可展开反射面型面的在轨微调。

实验表明，本发明装置在面密度、展开平稳性、展开可靠性、型面精度调整方面有显著优势，在航天领域中有着广泛的应用前景，也可在众多地面环境的工程中应用。

附图说明

图1是本发明的收拢态示意图；

图2是本发明展开态示意图；

图3是本发明绳索牵引驱动示意图；

图4是本发明环杆连接关节结构示意图；

图5是图4中环杆连接关节展开时的结构示意图；

图6是本发明环肋连接关节结构示意图；

图7是图6中环肋连接关节各零件结构示意图；

图8是本发明肋筒连接关节结构示意图；

图9是用本发明一对同步齿轮的绳索牵引驱动展开过程仿真图；

图10是图9仿真过程中两肋杆夹角变化曲线；

图11是图9仿真过程中两肋杆角速度变化曲线；

图12是对本发明的一组肋结构驱动展开仿真图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括：折叠式环杆1、环杆连接关节2、折叠式肋杆3、肋杆连接关节4、环肋连接关节5、肋筒连接关节6、环向牵引绳7、径向牵引绳8。折叠式环杆1和折叠式肋杆3、环杆连接关节2、肋杆连接关节4、环肋连接关节5、肋筒连接关节6、径向牵引绳8均为复数，具体数目和几何尺寸根据展开反射面口径的大小确定，本实施例采用六根肋结构支撑展开环，但不局限于六根。这些折叠式环杆和折叠式肋杆均采用直杆，以获得高的收纳率，截面采用空心截面，以便牵引绳顺利穿过，同时还可减轻整个装置质量。

连接时，每一个环杆连接关节2连接两根折叠式环杆，构成圆形收拢、展开环结构；折叠式肋杆设置在环结构的圆周内，每两个折叠式肋杆通过一个肋杆连接关节4连接成一个折叠段，构成数个支撑环结构的收拢、展开肋结构；肋结构一端通过环肋连接关节5与环结构连接，另一端通过肋筒连接关节6与中心圆筒连接，构成一个整体的刚性支撑结构。该折叠式环结构收拢在一个圆柱面或圆桶面上，其内的复数根折叠式肋结构收拢在均匀分布的径向上。其中：一根封闭的环向牵引绳7上下交替穿过整个环展开结构，在六个环肋连接关节5处引出六根径向牵引绳8上下交替穿过六根肋结构，六根径向牵引绳在肋筒连接关节5处合并为一根并与电动机相连。

展开时，电动机带动中心筒内的牵引绳收缩，中心筒内的牵引绳通过肋筒连接关节6带动径向牵引绳8收缩，使得折叠肋杆1由收拢态展开到曲线逼近状态，径向牵引绳8通过环肋连接关节5带动环向牵引绳7收缩，使得折叠环杆3由收拢态展开到水平状态。

如图3所示，本发明的驱动方式为电机带动牵引绳驱动。收拢状态，绕在一对齿轮上的牵引绳长度为两齿轮的中心距与二分之一齿顶圆周长的和，即图3a中的AB段；牵引绳收缩带动齿轮绕齿轮轴转动，当两杆的角度展开到180°时绕在齿轮上的牵引绳长度缩短为两齿轮的中心距，即图3b中的AB段。通过电动机带动牵引绳，使牵引绳不断缩短，在牵引绳的作用下齿轮绕齿轮轴转动，带动与齿轮相连的杆以一定的角速度同步展开。

如图4、图5所示，本发明的环杆连接关节2采用齿轮同步机构，且通过合理选用锥齿轮的分度角在环杆连接关节上设150～180度的角度，以使环结构在收拢态和展开态都能形成圆环。该同步驱动机构由一对接头结构201、202，一对夹板203、204，一对齿轮轴205、206以及牵引绳207组成。其中，在一对夹板203、204间装上一对齿轮轴205、206，在两夹板上的孔212处安装螺母固定夹板，一对接头结构201、202安装在齿轮轴上并相互啮合形成同步机构，牵引绳207穿过环杆从外绕在锥齿轮对上。每个环杆连接关节设有驱动和锁定机构。该驱动机构的实现形式为：牵引绳207分别穿过不完全锥齿轮上的矩形槽210，接头结构201、202上的45°通孔209和竖直通孔208，拉动牵引绳使齿轮转动带动环杆按期望角度展开，当展开到期望角度时，甲板上的锁定销端部进入接头结构201、202上的锁定孔211，实现锁定。

本发明的肋杆连接关节与环杆连接关节结构基本相同，其差别在于所使用的齿轮为直齿圆柱齿轮。

如图6、图7所示，本发明所述的环肋连接关节5是在环杆连接关节2的基础上改进得到的，它是由一对接头结构501、502，一对夹板503、504，一对齿轮轴505、506，L型板507，径向牵引绳508，环向牵引绳509，U形板510和铰接接头511组成。夹板503上设有螺纹孔514，L形板507上设螺纹孔512、513，U形板510上设有螺纹孔520、522，铰接接头511上设有螺纹孔530、534。其中接头结构、夹板和齿轮轴的安装方式和环杆连接关节相同。夹板503与L形板507通过螺纹孔512和514连接，L形板507与U形板510通过螺纹孔513和520连接，U形板510与铰接接头511通过螺纹孔522和530连接，如图6所示。折叠式环杆与接头结构501、502通过螺纹连接，形成完整的展开圆环，折叠式肋结构通过铰接接头511底面的螺纹534与环肋连接关节连接，实现环结构和肋结构的刚性相连。

另外，L形板507的外表面上还设有便于径向牵引绳穿过的矩形槽519，上表面上设有通孔518；U形板510上设有便于径向牵引绳穿过的矩形槽521；铰接接头511的前表面上设有便于径向牵引绳穿过的矩形槽531和通孔532。

环向牵引绳509在孔518处与径向牵引绳508连接，径向牵引绳508依次通过L型板上的矩形槽519、U型板上的矩形槽521和铰接接头上的矩形槽531并在通孔532处进入折叠肋杆。于是在拉动径向牵引绳508时也带动环向牵引绳509收缩，使折叠环杆展开。

如图8所示，本发明的肋筒连接关节采用法兰盘结构，包括法兰盘601和六个铰接接头602，在法兰盘的四周设有分别与六个铰接接头602连接的螺纹孔605、与中圆筒连接的中心孔603和六个均匀分布的穿径向牵引绳的矩形槽604。在铰接接头602的前表面上设有便于径向牵引绳穿过的矩形槽606和通孔607，在底部设有用于与折叠肋结构相连的螺纹孔609，在上部设有与法兰盘连接的螺纹孔608。

连接时，法兰盘在中心孔604处与中心圆筒连接，六个铰接接头602通过螺纹孔603、608均匀的连接在法兰盘结构601的四周，折叠肋结构通过螺纹孔609与铰接接头602相连。径向牵引绳8从铰接接头上的通孔607穿出，依次穿过矩形槽606、604和中心孔603，并在中心圆筒处合为一根绳，其绳端与电动机相连。

本发明可通过牵引绳截面直径、圆环展开口径、收拢口径、收拢高度、环杆截面尺寸、肋杆截面尺寸、抛物面焦径比或球面直径参数确定空间可展开反射面装置的具体尺寸。本发明的牵引绳带动同步齿轮的驱动方式适用于上述的环肋可展开反射面装置，但不局限于此，对于其它桁架可展开装置同样适用。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

仿真1

以牵引绳牵引一对同步齿轮展开为仿真对象。

图9展示了在无重力环境下，一对同步齿轮在牵引绳的作用下的展开过程仿真图，其中，图9(a)是初始收拢态，两杆在竖直方向平行；图9(b)是展开0.22秒钟的中间态，在牵引绳的作用下，两杆展开到较大的角度；图9(c)是展开0.3秒钟的中间态，杆已由竖直位置转动到水平位置附近。

图10是在上图9展开过程仿真中，两杆夹角随时间的变化曲线。其中，图10(a)是绳驱动时两杆夹角随时间的变化曲线，10(b)是扭簧驱动时两杆夹角随时间的变化曲线，比较图10(a)和10(b)可以看到，牵引绳绳驱动时展开比较平缓，而扭簧驱动是瞬间展开的。

图11是在上图9展开过程仿真中，两杆角速度随时间的变化曲线。其中图11(a)是绳驱动时两杆角速度的变化曲线，图11(b)是扭簧驱动时两杆角速度随时间的变化曲线，比较图11(a)和11(b)可以看到，扭簧驱动时杆的角速度在初始时刻瞬间增大，并随着时间的推移而很快减小，在短时间内出现速度突变，而牵引绳驱动时杆的角速度是比较平缓的逐渐增大，没有出现速度突变。

仿真2

以一组肋结构为仿真对象。

图12展示了在无重力环境下，三根肋杆在牵引绳作用下的展开过程仿真图，其中，图12(a)是初始收拢态，肋杆在竖直方向平行；图12(b)是展开0.13秒钟的中间态，在牵引绳的作用下肋杆开始展开；图12(c)是展开0.2秒钟的中间态，肋杆展开到较大的角度。

以上仿真结果说明：本发明装置不仅可以顺利的展开，而且具有面密度低、展开平稳可控、可靠性高等优良综合性能指标。

Claims (6)

1.一种绳索牵引驱动的可展开反射面装置，包括：一组牵引绳、折叠式环杆、折叠式肋杆和复数个连接关节，每两根折叠式环杆(1)通过一个环杆连接关节(2)连接，构成收拢、展开环结构；每两根折叠式肋杆(3)通过一个肋杆连接关节(4)连接，构成收拢、展开肋结构；该肋结构的一端通过环肋连接关节(5)与环结构连接，肋结构的另一端与中心的肋筒连接关节(6)连接，形成一个刚性整体，其特征在于：在环杆(1)和复数个环杆连接关节(2)连接成的环结构中穿入整条封闭的环向牵引绳(7)，在肋杆(3)和复数个肋杆连接关节(4)连成的肋结构中穿入径向牵引绳(8)，每条径向牵引绳的一端通过环肋连接关节与环向牵引绳固结，一组径向牵引绳的另一端进入肋筒连接关节(6)后合并成一条牵引绳与外部的电动机相接。

2.根据权利要求1所述的绳索牵引驱动的可展开反射面装置，其特征在于：环杆连接关节(2)由一对接头结构(201，202)、一对夹板(203，204)、一对齿轮轴(205，206)以及牵引绳(207)组成，接头结构(201，202)采用半齿轮结构，其上设有穿环向牵引绳的通孔(208，209)、矩形槽(210)和定位用的通孔(211)，以对牵引绳驱动折叠式环、肋结构同步展开后锁定。

3.根据权利要求1所述的绳索牵引驱动的可展开反射面装置，其特征在于：环肋连接关节(5)是由一对接头结构(501，502)、一对夹板(503，504)、一对齿轮轴(505，506)、L形板(507)、径向牵引绳(508)、环向牵引绳(509)、U形板(510)和铰接接头(511)组成，L形板(507)分别与夹板(503)和U形板(510)连接，U形板(510)与铰接接头(511)连接，用于将折叠式环结构和折叠式肋结构连接为一个刚性整体。

4.根据权利要求3所述的绳索牵引驱动的可展开反射面装置，其特征在于：环肋连接关节的接头结构(501，502)采用半圆锥齿轮结构，其上设有穿环向牵引绳的通孔(515，523)、矩形槽(516)和定位用的通孔(517)。

5.根据权利要求3所述的绳索牵引驱动的可展开反射面装置，其特征在于：环肋连接关节的夹板(503)上设有螺纹孔(514)，L形板(507)上设螺纹孔(512，513)，U形板(510)上设有螺纹孔(520，522)，铰接接头(511)上设有螺纹孔(530，534)，夹板(503)与L形板(507)通过螺纹孔(512，514)连接，L形板(507)与U形板(510)通过螺纹孔(513，520)连接，U形板(510)与铰接接头(511)通过螺纹孔(522，530)连接，铰接接头与折叠肋结构通过螺纹孔(534)连接。

6.根据权利要求1所述的利用绳索牵引驱动的可展开反射面装置，其特征在于：肋筒连接关节由法兰盘结构(601)和六个铰接接头(602)组成，六个铰接接头(602)均匀的连接在法兰盘结构(601)的四周，法兰盘结构(601)上设有穿径向牵引绳的中心通孔(603)和六个均匀分布的矩形槽(604)。

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