CN102050229A - 能够保持并平稳释放太空附件的主动连接杆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明由能够保持并平稳释放太空附件(AP、GS)的主动连接杆系统组成，所述主动连接杆装置包括固定基座(4)，旋入固定基座(4)的主动连接杆(10)，用于主动连接杆(10)并能在收藏姿态将所述主动连接杆(10)保持就位的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)，以及用于张紧组件的螺母(3)，所述主动连接杆(10)包括内部加热器(13)，并且至少部分由具有高热膨胀系数的材料Al组成，使得在内部加热器(13)的作用下，主动连接杆(10)能够膨胀，收缩起用于连接杆(10)的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)，结果能够平稳地释放所述太空附件(AP、GS)。

Description

能够保持并平稳释放太空附件的主动连接杆系统
技术领域
本发明涉及太空领域，更准确地，本发明由能够保持并平稳地释放太空附件的主动连接杆系统组成。
背景技术
“太空附件”是指被设计在太空中展开的太空装置，例如太阳能发电器(solar generators)或天线。本发明由一个能平稳释放这类太空附件的简单耐用的解决方案组成。
这类系统的功能是最初在收藏姿态(stowed position)保持一个或多个太空附件，也就是说，保持在能够在卫星主体的任何一边展开的通用的可动部件中，然后平稳地释放所述太空附件。该发明主要涉及，但不仅限于，太空附件是太阳能发电器的情况。用于在收藏姿态下保持和释放附件的系统传统上主要包括分离螺母和置于张紧状态的连接杆。在实践中，在已知的系统中，连接杆与螺母一起参与张紧一系列成叠部件，例如一块叠在另一块上的太阳能发电器以使得卫星体积最小化以便发射，并使得发射载荷可以忽略摩擦力。
然而众所周知，在此类装置中，尤其是当成叠元件数量较大时，连接杆所具有的几何缺陷值得重视。如图2所示，所述的几何缺陷可能是例如倾斜或移位的缺陷。这些几何缺陷可能引起动态缺陷，以致径向力或固端力矩(clamping moments)施加在连接杆端部。
考虑不到这些缺陷可能导致严重的故障，也许会致使太空附件展开失败，从而可能导致任务的失败。
另一个已知的问题在于当连接杆释放时可能发生的冲击。上述的螺母装置负责释放连接杆。所述连接杆在它释放那一刻处于受力状态(stressed state)，并且它的突然释放能够引起可能损坏太空附件或卫星本身的冲击。在某些现行装置的环境下，问题加倍了。具体来说，开始，连接杆被焰火锁(pyrotechnic lock)释放，其爆破引发了第一次冲击。然后，由于连接杆释放前正承受着张力，如上所述，它的突然释放可能导致对太空附件或运载结构的破坏。为将此问题最小化，开发了“低震”螺母。这类复杂的螺母通常是一个一次性螺母并能修复。然而，这些螺母的“低震”能力仅适用于触发连接杆的释放而不适用于这种附件的释放。具体来说，连接杆的几何缺陷并没有真正得到弥补，尤其是如果连接杆的尺寸较大，连接杆的突然展开仍然能够引起冲击，该冲击有时相当大，连接杆会碰撞到太空附件。这就通过事实明确地解释了受力连接杆的释放仍然对所述连接杆的角度误差很敏感。
发明内容
总的来说，在现有技术中还没有满意的方案来克服连接杆的几何缺陷并使得其平稳释放。本发明提出了一个简单耐用的方案来解决这个双重问题(dual problem)。它本质上是依赖使用一个主动连接杆装置，该主动连接杆装置由所述连接杆的内部加热器或外部加热器来控制。
因此，本发明的主题是一种主动连接杆装置，其能够保持和平稳地释放太空附件，所述主动连接杆装置包括：
固定基座，
主动连接杆，其旋入所述固定基座，
可收放释放机构，其用于主动连接杆使的能够在收藏姿态将所述主动连接杆保持就位，
用于张紧组件的螺母，
其中所述主动连接杆包括内部加热器或外部加热器，且其中所述主动连接杆由至少部分地为高热膨胀系数(大于或等于大约20×10-6)的材料组成，例如铝或形状记忆合金，这样，在内部加热器或外部加热器的作用下，主动连接杆能够膨胀，收回用于主动连接杆的可收放释放机构，结果就能平稳地释放所述太空附件。
在本发明的一个实施例中，主动连接杆由几层材料组成，这些材料在低热膨胀系数(低于或等于1.5×10-6，例如InvarTM)的材料层和高热膨胀系数(高于或等于大约20×10-6，例如铝或形状记忆合金)的材料层之间交替。
低热膨胀系数材料可以是InvarTM。
高热膨胀系数材料可以是铝或任何形状记忆材料。
太空附件是，例如太阳能发电器或天线。
有利地，用于主动连接杆的可收放释放机构由一组借助弹簧保持位置的可收缩爪(retractable claws)组成。
有利地，固定基座可能包括回转接头(swivel joint)，主动连接杆旋入其中，目的在于更易于平稳释放所述主动连接杆。
本发明还包括平稳释放太空附件的方法，其中，包括利用如上描述的主动连接杆装置，并采用如下步骤：
释放步骤，在该步骤期间，主动连接杆的内部加热器或外部加热器被启动，并使得所述主动连接杆伸长，在主动连接杆伸长的显著作用下，用于主动连接杆的可收放释放机构收缩并使得主动连接杆自由通行，
展开步骤，在该步骤期间，太空附件被充分打开。
有利地，根据本发明的方法还可以包括一个重新装配(repackaging)所述主动连接杆装置的步骤。
有利地，由于主动连接杆由形状记忆材料组成，重新装配步骤则有：
通过内部加热器或外部加热器的工作对连接杆加热，
借助挤压装置(press)将连接杆置于压缩状态，
对主动连接杆进行冷却使其恢复最初的形状，
太空附件重新定位，并使用于主动连接杆的可收放释放机构重新归位。
附图说明
借助参照附图所作的下列说明，本发明的其它特征及优势将得以显现出来：
图1a为包含有处于收藏姿态的太空附件的卫星的示意图；
图1b为包含有正在展开的太空附件的卫星的示意图；
图1c为包含有处于展开姿态的太空附件的卫星的示意图；
图2为连接杆可能具有的几何与动态缺陷种类的简图；
图3为根据本发明的主动连接杆系统处在收藏姿态的实例的图示；
图4为根据本发明的主动连接杆系统正在触发连接杆释放的实例的图示；
图5为根据本发明的主动连接杆系统处在太空附件展开阶段开始时的实例的图示；
图6为根据本发明一个具体实施例的多层连接杆的例子。
具体实施方式
图1a、1b、1c的目的在于非常简单地显示出一个具有可展开的太空附件的卫星的实例。在这三幅图中，显示出卫星由主体S构成，在所述主体S的两边都有诸如太阳能发电器的太空附件AP。在图1a中，太空附件AP处于收藏姿态。此例中的每个太空附件AP由四个互相折叠起来的面板(panels)组成并且由一个适当的装置保持就位。在此例中，这个适当的装置包括多个三角架P，折叠的太空附件AP倚靠其上，每个三角架P都与一个装置(未示出)相互作用，这个未示出的装置由例如与连接杆关联的分离螺母组成，每个连接杆在衬套1处穿过每块面板而布置并组合在所述面板中。如图1a，1b，1c中所能看到的那样，在这种情况下，两个太空附件AP中的每一个都有6个三角架P，与6个分离螺母及6个连接杆相关联，并且每块面板上有6个衬套。
显然，正是在这种收藏姿态下，卫星必须能够装入负责发送它的航天发射器(space launcher)的头锥体(nose cone)内。
图1b显示了与图1a相同的卫星，但它的太空附件AP正在展开。具体来说，用于将太空附件AP保持就位的适当的装置使得所述太空附件AP在正确的时刻释放出来，并且将太阳能面板展开。展开可以由一个电动机(未示出)控制。
在图1c中，太空附件AP已经展开，允许卫星能完成它的任务。
图2示出了，在现有技术中的用于保持就位和释放太空附件的装置中，连接杆可能会具有的上文已经提到的几何缺陷的类型。如图2所示，由于在太空附件的衬套1与分离螺母2之间不可能取得完全的平行，可能会发生倾斜的问题I。同样的，衬套1与螺母2之间的对不准引发了移位D的几何缺陷。倾斜I和移位D的问题引发了动态缺陷，连接杆10上出现了应力。例如，所述连接杆10可能遭受施加在其端部的径向力L、N、L’、N’。此外，由连接杆10的扭曲引发的固端力矩M、M’可能作用在螺母2与衬套1上。由于这些几何缺陷，可能难以释放太空附件，这可能为此次任务的进程带来严重后果。具体来说，如果这类几何缺陷使得它不能展开例如太阳能发电器，那么任务将失败。
图3、图4、图5示出了在一个具体实施例中根据本发明的装置经历的三个使用阶段。
图3示出了根据本发明的装置处于收藏姿态。可展开的太空附件AP可能是例如太阳能发电器，其由根据本发明的装置保持就位。在图3、图4、图5的实例中，它们由相互折叠起来的4块面板组成。它们可以是其他任何类型的可以展开的太空附件。太空附件AP没有整体示出，因为关注点在于根据本发明的装置。该装置包括固定基座4，采用了内部加热器13的主动连接杆10旋入其中；所述装置还包括张紧螺钉3及用于释放连接杆的可收缩机构11a、11b、12a、12b。
应注意，取代内部加热器13，或除了内部加热器13之外，根据本发明的装置可包括外部加热器(未示出)。
对于每块面板，布置有至少一个穿孔，衬套1a、1b、1c、1d装入其中。这些衬套1a到1d允许主动连接杆10穿过。基于太空附件的尺寸，每个部件可以具有几个穿孔以及与同样多的衬套。例如，如图1a到1c中示出的，太空附件AP的每个面板上可能包括6个衬套。
在收藏姿态下，内部加热器13并不启动。面板彼此叠在一起并且主动连接杆10穿过它们。在与固定基座4相对的一端，用于连接杆的可收放释放机构11a、11b、12a、12b能够将成叠的面板保持就位。用于连接杆的可收放释放机构11a、11b、12a、12b由例如一组可收缩爪11a和11b组成，可收缩爪11a和11b分别由弹簧12a和12b保持就位。本发明的应用中所必须的用于连接杆上适合起保持就位和释放作用的可收放释放机构的一个例子，在法国专利NO.2857936中有明确的描述。用于连接杆的可收放释放机构11a、11b、12a、12b的作用，一方面在于与主动连接杆10相互作用以使得将太空附件保持在折叠姿态，这可以吸收发射引起的负荷，另一方面，在于当应力消失时收缩以使主动连接杆10通过。
最后，该装置包括用于张紧组件的螺母3。这种张紧显著地使得发射负荷通过各部件间的摩擦力得以传递。
图4的图解示出了主动连接杆10的释放阶段。在适当的时刻，也就是为了展开太空附件AP的目的，内部加热器13被启动。所述内部加热器13能够增加主动连接杆10的温度，所述主动连接杆10由适当材料制成，并在热量的作用下膨胀。构成主动连接杆10的材料可以是具有高热膨胀系数(大于或等于20×10-6)的材料，举例来说，例如铝。它也可以是一种形状记忆合金。连接杆也可以具有如图6中所描述的那样的更复杂的结构。在主动连接杆10的膨胀A的作用下，用于连接杆的可收放释放机构11a、11b、12a、12b折回R到弹簧12a、12b上，以使得主动连接杆10能够通过。因此，太空附件的展开就能开始。需要注意，尽管图中未示出，固定基座4可包括回转接头，主动连接杆10固定在该回转接头中，该回转接头的存在使得所述主动连接杆10更容易释放。
图5简单地示出了太空附件AP展开的开始。由于主动连接杆10的伸长，因为所述主动连接杆无触碰地穿过面板上的衬套1a到1d，所述面板能够被打开。当主动连接杆充分伸长时，内部加热器13能够停止工作。
需要注意，在地面上的测试阶段中，当主动连接杆10由形状记忆合金组成时，这类装置能在附件展开后重新装配。在这种情况下，在收藏姿态下以及在主动连接杆10重新装配后收起面板，替换用于连接杆的可收放释放机构11a、11b、12a、12b，及必要的话紧固螺母3，就可以了。
图6示出了图3到图5所示的有关主动连接杆10的结构的变通方案。具体来说，装配需求可能硬性要求长度减小的主动连接杆10。在这种情况下，可以使用像图6中的连接杆，由数段组成，交替为图中标注为Al的材料段和图中标注为Inv的材料段，图中标注为Al的材料段具有高热膨胀系数(大于或等于20*10-6)，例如铝或形状记忆合金，而图中标注为Inv的材料段具有非常低的热膨胀系数(低于或等于1.5×10-6)，例如InvarTM。
总的来说，本发明的优势在于，提供了一个简单耐用的方案来解决上文列出的技术问题，问题涉及平稳释放太空附件、及吸收用于本装置以保持并释放所述太空附件的连接杆的几何缺陷。本发明提出的方案主要包括，采用包含有内部加热器的主动连接杆。
需要注意，本发明可用于任何需要展开太空附件的情况，而不管它们是太阳能发电器，天线，还是例如别的热防护面板。

Claims (10)

1.能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，所述主动连接杆装置包括：
固定基座(4)，
主动连接杆(10)，其旋入所述固定基座(4)中，
可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)，用于主动连接杆(10)，使其能够在收藏姿态将所述主动连接杆(10)保持就位，
用于张紧组件的螺母(3)，
其特征在于，所述主动连接杆(10)包括内部加热器或外部加热器(13)；并且所述主动连接杆(10)至少部分地由诸如铝或形状记忆合金的热膨胀系数大于或等于大约20×10-6的高热膨胀系数的材料Al组成，，使得在内部加热器或外部加热器(13)的作用下，所述主动连接杆(10)能够膨胀，收缩起用于主动连接杆(10)的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)，从而能够平稳地释放所述太空附件(AP)。
2.根据权利要求1所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述主动连接杆(10)由数层材料组成，所述数层材料在诸如InvarTM的具有低热膨胀系数的材料Inv的材料层和诸如铝或形状记忆合金的具有高热膨胀系数的材料Al的材料层之间交替，所述低热膨胀系数小于或等于1.5×10-6，所述高热膨胀系数大于或等于大约20×10-6。
3.根据权利要求2所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述具有低热膨胀系数的材料Inv是InvarTM。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述具有高热膨胀系数的材料Al是铝或任意一种形状记忆材料。
5.根据上述要求中任一项所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述太空附件(AP)是太阳能发电器，天线或热防护面板。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述用于主动连接杆(10)的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)由一组可收缩爪(11a、11b)组成，所述可收缩爪(11a、11b)借助弹簧(12a、12b)保持就位。
7.根据上述要求中任一项所述的能够保持并平稳释放太空附件(AP)的主动连接杆装置，其特征在于，所述固定基座(4)包括一回转接头，主动连接杆(10)旋入到该回转接头中，使得所述主动连接杆(10)更容易释放。
8.平稳释放太空附件的方法，其特征在于，其包括采用根据权利要求1到7中任一项所述的主动连接杆(10)，并且其采用以下步骤：
释放步骤，在该步骤期间，主动连接杆(10)的内部加热器或外部加热器(13)被启动并使得所述主动连接杆(10)伸长，在主动连接杆(10)伸长的显著作用下，用于主动连接杆(10)的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)收缩并允许主动连接杆(10)自由通行，
展开步骤，在该步骤期间，太空附件(AP)被充分打开。
9.根据权利要求8所述的平稳释放太空附件的方法，其特征在于，其还包括对所述主动连接杆(10)的重新装配步骤。
10.根据权利要求9所述的平稳释放太空附件的方法，其特征在于，由于主动连接杆(10)由形状记忆材料组成，重新装配步骤则有：
通过内部加热器或外部加热器(13)的工作对连接杆(10)加热，
借助挤压装置对主动连接杆(10)进行压缩，
对主动连接杆(10)进行冷却，以使其恢复最初的形状，
太空附件(AP)重新定位以及用于主动连接杆(10)的可收放释放机构(11a、11b、12a、12b)重新归位。
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