CN102320383A - 双ω形碳纤维复合材料伸展臂及其展开方法 - Google Patents

Abstract

双Ω形碳纤维复合材料伸展臂及其展开方法，它涉及一种伸展臂及其展开方法。本发明为了解决现有的充气式展开构件抗弯刚度降低，需要持续充入气体或将结构进行固化以维持其结构刚度，不易展开操作以及现有展开方法存在控制精度低，展开过程对主体卫星反作用冲击力大等问题。碳纤维复合材料筒体由两个呈Ω状的薄壁壳对扣粘接而成，且所述伸展臂筒体的连接处分别形成有两个耳边，两个耳边相对设置且位于伸展臂筒体的外侧壁上。在伸展臂筒体两侧沿其长度方向均布开有通孔；将伸展臂筒体缠绕在滚筒上；使伸展臂筒体两侧的耳边各与对应位置的一个链轮相啮合；控制两个链轮转动，实现伸展臂筒体的可控展开。

Description

双Ω形碳纤维复合材料伸展臂及其展开方法

技术领域

本发明涉及一种伸展臂及其展开方法。

背景技术

由于受到运载火箭的有效发射载荷和发射体积的限制，对于搭载的有效载荷的要求是具有较小的重量和较小的发射体积。大型的空间结构在发射时都处于折叠状态，发射入轨后通过展开的方式形成其设计要求的状态，实现其设计功能。大型航天器可展开支撑结构依据其展开机理的不同主要包括铰接式、套筒式、充气式等多种形式。铰接式可展开支撑结构因组成部件多、控制环节多，其展开可靠性较低。套筒管可展开管受套筒管长度和数目的限制，其展开长度较短，不适于制备超大型空间结构。充气式展开构件具有以下不足：当管内压力降低后，截面形状会产生变化，使得抗弯刚度降低；需要持续充入气体或将结构进行固化以维持其结构刚度。充气式展开方法需要额外气源系统和火工控制装置，并且要考虑系统可靠性和结构气密性问题，充气式展开方法控制精度低，展开过程对主体卫星反作用冲击力大。需要开发稳定性好，可靠性高的结构展开方式。

发明内容

本发明为了解决现有的充气式展开构件由于采用充气方式展开进而存在当管内压力降低后，截面形状会产生变化，使得抗弯刚度降低，需要持续充入气体或将结构进行固化以维持其结构刚度，不易展开操作的问题；以及现有的充气式展开方法需依赖系统可靠性和结构气密性，存在控制精度低，展开过程对主体卫星反作用冲击力大等问题，进而提供了一种双Ω形碳纤维复合材料伸展臂及其展开方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂包括伸展臂筒体和法兰端头，所述伸展臂筒体为碳纤维复合材料筒体，所述伸展臂筒体由两个呈Ω状的薄壁壳对扣粘接而成，且所述伸展臂筒体的连接处分别形成有两个耳边，两个耳边相对设置且位于伸展臂筒体的外侧壁上，所述法兰端头插装在伸展臂筒体的一端上。

上述双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开方法为：

步骤一、在伸展臂筒体两侧的耳边上沿其长度方向均布开有通孔；

步骤二、将伸展臂筒体的另一端固定在滚筒上，然后将伸展臂筒体缠绕在滚筒上；

步骤三、将带有两个链轮的传动机构安装在伸展臂筒体的下方的合适位置，使伸展臂筒体两侧的边沿各与对应位置的一个链轮相啮合；

步骤四、设置导向套，使带有两个链轮的传动机构位于滚筒和导向套之间，伸展臂筒体的一端穿过导向套；

步骤五、控制两个链轮转动，通过伸展臂筒体两侧的耳边与相应的链轮相啮合作用，实现伸展臂筒体的可控展开。

本发明的有益效果是：

本发明所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂，实现了采用卷曲的方式进行折叠，放入火箭装载舱，发射进入太空后，通过展开装置使伸展臂充分展开，达到工作状态。本发明提供的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的机械式控制展开方法，通过微型电机控制传动机构的两个链轮同步转动，带动碳纤维复合材料伸展臂展开。双Ω形碳纤维复合材料伸展臂不需要采用充气方式展开，截面形状稳定，双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的抗弯刚度较高，易实现伸展臂的可控展开操作；本发明所述的展开方法无需依赖系统可靠性和结构气密性，控制精度较高，展开过程对主体卫星反作用冲击力较小。本发明方法可用于重力梯度杆及其他长距离构件的展开。

本发明的具体优点体现在以下几个方面：

一、机械式展开方法的整个展开过程稳定、连续，对主体卫星反作用冲击力小，有利于进行卫星姿态控制和保护有效载荷部件。

二、结构简单，通过微电机进行齿轮精确控制展开，位置控制精度高，展开过程可控性好，工作过程安全可靠。

三、相对粘扣子母扣控制展开，不存在粘扣与结构粘结问题，不影响折叠体积，不会在卷曲折叠过程中带来预应力。

四、能实现多次展开、收回折叠，并且重复性好，降低展开风险。

五、较强的可设计性，可以根据不同的展开驱动力、展开时间和力学性能要求，进行相应的结构设计，满足不同的使用要求。

六、它主要由碳纤维复合材料组成，不能被磁化，即不会产生磁力矩、不会对航天器姿态产生影响。

七、碳纤维复合材料伸展臂由两个“Ω”形状薄壁壳的对扣成型，展开后结构形式稳定。

八、导向筒可作为伸展臂的固支部位，①方向导向作用；②导向槽两边开口，一方面让双Ω的边沿通过，另一方面伸展臂边沿连接载荷时也可以通过。

附图说明

图1是本发明所述双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开过程示意图(图中有两个链轮4，其中另一被伸展臂筒体1遮住了)，图2是连接法兰6固定在滚筒3的外侧壁上的主视图，图3是图2的左视图，图4是图2的俯视图，图5是展开后的伸展臂筒体1的俯视图，图6是本发明的伸展臂筒体1的截面形状示意图，图7是卷曲前伸展臂筒体1被压扁后的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂包括伸展臂筒体1和法兰端头2，所述伸展臂筒体1为碳纤维复合材料筒体，所述伸展臂筒体1由两个呈Ω状的薄壁壳1-1对扣粘接而成，且所述伸展臂筒体1的连接处分别形成有两个耳边1-2，两个耳边1-2相对设置且位于伸展臂筒体1的外侧壁上，所述法兰端头2插装在伸展臂筒体1的一端上。

具体实施方式二：如图1～7所示，本实施方式所述展开方法的具体过程为：

步骤一、在伸展臂筒体1两侧的耳边1-2上沿其长度方向均布开有通孔1-2-1；

步骤二、将伸展臂筒体1的另一端固定在滚筒3上，然后将伸展臂筒体1缠绕在滚筒3上；选用空心结构的滚筒3，可进一步减轻质量；

步骤三、将带有两个链轮4的传动机构安装在伸展臂筒体1的下方的合适位置，使伸展臂筒体1两侧的耳边各与对应位置的一个链轮4相啮合；

步骤四、设置导向套5，使带有两个链轮4的传动机构位于滚筒3和导向套5之间，伸展臂筒体1的一端穿过导向套5；

步骤五、控制两个链轮4转动，通过伸展臂筒体1两侧的耳边与相应的链轮4相啮合作用，实现伸展臂筒体1的可控展开。

链轮4和展臂筒体1两侧的耳边相啮合，展臂筒体1两侧的耳边相当于链条。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式在步骤二中，伸展臂筒体1的另一端沿着耳边1-2所在平面压扁后通过固定件固定在滚筒3的外侧壁上。这种连接方式收拢状态体积小，可以提高伸展臂筒体1的折叠(收拢)效率。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图1～4所示，本实施方式在步骤二中，在滚筒3的外侧壁上先固定一个连接法兰6，连接法兰6的截面形状与伸展臂筒体1展开时的内腔截面形状一致，将伸展臂筒体1的另一端固定套装在连接法兰6上，然后再将伸展臂筒体1缠绕在滚筒3上。通过连接法兰6将伸展臂筒体1固定在滚筒3上可使完全展开后伸展臂的两端的横截面积大小一致，刚度更大。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式在步骤四中，导向套5的截面形状与伸展臂截面形状相吻合。设置这样的导向套5起导向作用，可进一步提高伸展速度。其它步骤与具体实施方式二相同。

Claims (5)

1.一种双Ω形碳纤维复合材料伸展臂，其特征在于：所述伸展臂包括伸展臂筒体(1)和法兰端头(2)，所述伸展臂筒体(1)为碳纤维复合材料筒体，所述伸展臂筒体(1)由两个呈Ω状的薄壁壳(1-1)对扣粘接而成，且所述伸展臂筒体(1)的连接处分别形成有两个耳边(1-2)，两个耳边(1-2)相对设置且位于伸展臂筒体(1)的外侧壁上，所述法兰端头(2)插装在伸展臂筒体(1)的一端上。

2.一种权利要求1所述双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开方法，其特征在于：所述展开方法的具体过程为：

步骤一、在伸展臂筒体(1)两侧的耳边(1-2)上沿其长度方向均布开有通孔(1-2-1)；

步骤二、将伸展臂筒体(1)的另一端固定在滚筒(3)上，然后将伸展臂筒体(1)缠绕在滚筒3上；

步骤三、将带有两个链轮(4)的传动机构安装在伸展臂筒体(1)的下方的合适位置，使伸展臂筒体(1)两侧的边沿各与对应位置的一个链轮(4)相啮合；

步骤四、设置导向套(5)，使带有两个链轮(4)的传动机构位于滚筒(3)和导向套(5)之间，伸展臂筒体(1)的一端穿过导向套(5)；

步骤五、控制两个链轮(4)转动，通过伸展臂筒体(1)两侧的耳边与相应的链轮(4)相啮合作用，实现伸展臂筒体(1)的可控展开。

3.根据权利要求2所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开方法，其特征在于：在步骤二中，伸展臂筒体(1)的另一端沿着耳边(1-2)所在平面压扁后通过固定件固定在滚筒(3)的外侧壁上。

4.根据权利要求2所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开方法，其特征在于：在步骤二中，在滚筒(3)的外侧壁上先固定一个连接法兰(6)，连接法兰(6)的截面形状与伸展臂筒体(1)展开时的内腔截面形状一致，将伸展臂筒体(1)的另一端固定套装在连接法兰(6)上，然后再将伸展臂筒体(1)缠绕在滚筒(3)上。

5.根据权利要求2所述的双Ω形碳纤维复合材料伸展臂的展开方法，其特征在于：在步骤四中，导向套(5)的截面形状与伸展臂截面形状相吻合。

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