CN102768377A - 基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双曲率的负泊松比的手性蜂窝结构可展开反射镜镜体。本发明由铺设层和双曲率的负泊松比的手性蜂窝结构层组成；结构层的形状为抛物面形，结构层的内表面为铺设层。结构层的材料由形状记忆聚合物材料制成，铺设层的材料为金属材料以及碳化硅或碳化硅基的复合材料。本发明为了解决现有航天反射镜不能达到大的展开体积与收缩体积比的使用要求，轻量化程度低，口径小，控制系统复杂的问题。本发明具有较高的展开体积与收缩体积比及可多次重复折叠与展开的能力，能够一次张开成型，结构简单，轻量化程度高，系统可靠性高、稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体。
背景技术
由于航天运载飞行器的空间、运输、发射的限制，所以航天用反射镜体积、重量等受到了局限，从而航天可展开反射镜体必须具有轻质、能一次性完全展开、展开体积与收缩体积比大、可靠性高等性能。随着航天技术、卫星通信、射电天文以及雷达技术的快速发展，推动航天可展开反射镜的需求大大增加，是太空观测最有发展潜力的航天器。
目前的航天用反射镜多为非展开型，该反射镜在地面已组装制造成型，发射费用高，受发射冲击、振动的影响，当航天飞行器在轨工作后即可将此反射镜释放并投入使用。因该种反射镜在太空空间中没有展开过程，其可靠性高。但是最大缺点是反射镜体口径小，信息传输量有限。随着航天技术如深空观测的迅速发展和要求，非展开型反射镜越来越显示出其局限性。
现有的可折叠的可展开反射镜体系统结构设计复杂，展开和收缩过程中必须有外部锁定装置以固定结构防止应变能的释放，且展开过程中要考虑主镜和子镜的干涉现象，同时主镜与子镜之间必须有装置来控制系统的展开，否则展开过程会产生较大的冲击。另外现有可折叠的可展开反射镜体展开体积与收缩体积比有限。在系统运输和发射过程中，结构的弹性振动变形较大，最终很难达到高精度的反射镜表面，另外在结构展开过程中，属于机械展开过程，会对空间飞行器产生振动干扰，同时当空间飞行器调整姿态时，也会对反射镜表面精度产生影响。这样就会降低反射镜的可靠性，增加控制系统的复杂性。无法实现大口径、高精度空间反射镜的要求。
随着智能材料和结构技术的发展，尤其是具有双曲率负泊松比蜂窝复合材料结构的出现和快速发展，通过其与形状记忆智能材料的结合应用，使制造大口径，高精度和轻质量的智能可展开反射镜体成为可能，这将极大的推动航天飞行器可展开结构的发展。蜂窝夹芯结构反射镜是一种最具潜力的轻型反射镜结构，是当前典型的轻型反射镜结构，特别在遥感成像系统、空基望远镜，激光导弹防御发射系统有重要潜在应用。
发明内容
为了解决现有航天反射镜不能达到大的展开体积与收缩体积比的使用要求，口径小，精度低、面密度大，自重对反射镜光学面型的影响，以及在展开成形过程中稳定性等问题，本发明结合先进的形状记忆材料、碳化硅复合材料、碳纤维复合材料，而提出的一种基于具有双曲率负泊松比性质的手性/反手性蜂窝结构的可展开反射镜镜体。
本发明采用的技术如下：
一种基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，由铺设层和结构层组成；结构层的内表面铺设有铺设层，所述的结构层其形状为抛物面形，其构成材料为形状记忆复合材料。
本发明还具有如下特征：
1、所述的结构层为双曲率的负泊松比反三韧带手性蜂窝结构。
2、所述的结构层为双曲率的负泊松比四韧带手性蜂窝结构。
3、所述的结构层为双曲率的负泊松比反四韧带手性蜂窝结构。
4、所述的结构层为双曲率的负泊松比反蜂窝反三韧带手性蜂窝结构。
5、所述的结构层为双曲率的负泊松比双箭头手性蜂窝结构。
6、所述的铺设层的材料为碳化硅、碳化硅基的复合材料或金属材料。
7、所述的铺设层的材料为Be、Al、Mo或Cu。
8、一种使用以上所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体的应用，在航天飞行器发射前，将基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体加工成抛物面形状，然后将结构层加热至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以上，结构层的弹性模量下降、软化，在将可展开反射镜约束变形至设计要求的收缩状态；在保持外界约束不变的条件下，将将结构层降温至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以下，结构层的弹性模量上升、硬化，撤去外界约束，此时，可展开反射镜镜体的形状固定，最后将折叠收缩状态的可展开反射镜镜体固定于航天飞行器中；在航天飞行器在轨飞行后，对结构层材料加热，驱动可展开反射镜镜体变形回复至展开状态，可展开反射镜实现展开并进入工作状态。
本发明依靠蜂窝结构具有其双曲率的特点，可以实现一体成型制备镜体，从而减少连接件进而减少应力集中，提高其力学性能；凭借其优异的力学性能以及负泊松比可变性等特性，可以有效实现反射镜体的轻量化设计、大的展开体积与收缩体积比、一次展开成型等。
附图说明
图1为本发明结构的示意图；
图2为本发明折叠后结构示意图；
图3为三韧带反手性蜂窝；
图4为四韧带手性蜂窝；
图5为四韧带反手性蜂窝；
图6为反蜂窝三韧带反手性蜂窝；
图7为双箭头手性蜂窝；
图8为折叠后三韧带反手性蜂窝变形图；
图9为折叠后四韧带手性蜂窝变形图；
图10为折叠后四韧带反手性蜂窝变形图；
图11为折叠后反蜂窝三韧带反手性蜂窝变形图；
图12为折叠后双箭头手性蜂窝变形图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由碳化硅或碳化硅基复合材料铺设层1和三韧带反手性蜂窝结构层2组成，其材料为形状记忆复合材料；铺设层1的形状为抛物面形，铺设层1铺设在结构层2上。铺设层1可以提供高精度的反射表面，提高了可展开反射镜体的表面光洁度，降低其表面散射率。结构层2起到结构承载和驱动结构展开的双重作用。
具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同在于结构层2为四韧带手性蜂窝结构。其组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同在于结构层2为四韧带反手性蜂蜂窝结构；其组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同在于结构层2为反蜂窝三韧带反手性蜂窝结构；其组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同在于结构层2为双箭头手性蜂窝结构；其组成和连接方式与具体实施方式一相同
具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于铺设层1的材料为金属材料。其组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1和图4说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式二不同点在于铺设层1的材料为金属材料。其组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三不同点在于铺设层1的材料为金属材料。其组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四不同点在于铺设层1的材料为金属材料。其组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五不同点在于铺设层1的材料为金属材料。其组成和连接方式与具体实施方式五相同。
基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体基本的展开变形过程为：在航天飞行器发射前，将基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体加工成抛物面形状，然后将蜂窝结构层2加热至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以上，结构层2的弹性模量下降、材料软化，在将可展开反射镜约束变形至设计要求的收缩状态；在保持外界约束不变的条件下，将将蜂窝结构层2降温至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以下，蜂窝结构层2的弹性模量上升、材料硬化，撤去外界约束，此时，结构层2的反射镜形状固定，最后将折叠收缩状态的可展开反射镜固定于航天飞行器中；在航天飞行器在轨飞行后，对可展开蜂窝结构层2的形状记忆复合材料加热，驱动基于双曲率的负泊松比蜂窝结构层2可展开反射镜变形回复至展开状态，可展开反射镜实现展开并进入工作状态。
本发明具有以下特点：
1.以形状记忆材料为主要基体材料制备的手性蜂窝结构的可展开反射镜具有较高的展开体积与收缩体积比、具有轻质、双曲率、负泊松比性、可变形性，以及抗冲击、高剪切强度等特点。基于其特性可实现在制造过程中整体成型以及在空间展开一次成型，可以适应恶劣空间环境对镜体的影响。
2.手性蜂窝结构作为展开和刚性支撑装置，机械传递结构少、冲击小，驱动装置为自身的形状记忆复合材料。形状记忆复合材料依靠自身的热临界自激发(玻璃化转变)实现驱动蜂窝结构的展开和运动的整个过程，展开运动过程平缓，提高了系统的稳定性，降低了系统结构复杂性，减少了控制环节，进而镜体系统的整体可靠性高得到提高。在玻璃转化温度以下的形状记忆复合材料具有很高的弹性模量和弯曲模量，这能够对反射镜构成强有力的约束，在发射前和发射过程中可以抵抗冲击和变形。形状记忆聚合物复合材料在玻璃化转变温度以上，形状记忆聚合物复合材料迅速软化，刚度迅速降低，因此，形状记忆聚合物复合材料具有较高的展开体积与收缩体积比及可多次重复折叠与展开的能力。
Claims (9)
1.基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于由铺设层(1)和结构层(2)组成；结构层(2)的内表面铺设有铺设层(1)，所述的结构层(2)其形状为抛物面形，其构成材料为形状记忆复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的结构层(2)为双曲率的负泊松比反三韧带手性蜂窝结构。
3.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的结构层(2)为双曲率的负泊松比四韧带手性蜂窝结构。
4.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的结构层(2)为双曲率的负泊松比反四韧带手性蜂窝结构。
5.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的结构层(2)为双曲率的负泊松比反蜂窝反三韧带手性蜂窝结构。
6.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的结构层(2)为双曲率的负泊松比双箭头手性蜂窝结构。
7.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的铺设层(1)的材料为碳化硅、碳化硅基的复合材料或金属材料。
8.根据权利要求1所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体，其特征在于：所述的铺设层(1)的材料为Be、Al、Mo或Cu。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体的应用，其特征在于：在航天飞行器发射前，将基于双曲率的负泊松比蜂窝结构的可展开反射镜镜体加工成抛物面形状，然后将结构层(2)加热至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以上，结构层(2)的弹性模量下降、软化，在将可展开反射镜约束变形至设计要求的收缩状态；在保持外界约束不变的条件下，将将结构层(2)降温至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以下，结构层(2)的弹性模量上升、硬化，撤去外界约束，此时，可展开反射镜镜体的形状固定，最后将折叠收缩状态的可展开反射镜镜体固定于航天飞行器中；在航天飞行器在轨飞行后，对结构层(2)材料加热，驱动可展开反射镜镜体变形回复至展开状态，可展开反射镜实现展开并进入工作状态。
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