CN103192999A - 一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器用的小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，克服现有技术中各类试验装置的不足，解决小型空间一维伸展机构在地面重力环境下模拟在轨运行零重力状态问题，并进一步解决与真空试验、热试验综合运行的兼容性问题。本发明利用方形齿啮合的原理，结合同步带的实时同步性来实现对被测机构的垂直悬吊。设计简便易行，体积小质量轻，移动方便，对环境的适应性强，能够有效工作在真空及热环境条件下，可用于测试盘绕式伸展臂、薄壁管状伸展臂等一维伸展机构的展开特性。

Description

一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置

技术领域

本专利涉及一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，应用于空间一维伸展机构零重力环境模拟试验，属于航天技术领域。

背景技术

随着航天器功能的日益复杂及大型有效载荷的进一步应用，空间展开机构尤其是一维伸展机构，以其质量轻、延展性好等特点逐渐受到更多的关注和发展。小型空间一维伸展机构，其研究最早、最深入、最系统，技术最成熟，应用最广泛。小型空间一维伸展机构主要呈一维线性体系，为细长管、杆或构架，可用于大型空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、空间探测臂机构等，主要作为支承受力体系的结构性元件，同时作为机构系统实现空间展开折叠运动功能。

以机构展开的工作原理作为分类的标准，可将空间一维伸展机构分为如下四类：

a)薄壁管状伸展臂

薄壁管状伸展臂为空间伸展臂最早、最基本的形式，它利用薄壳弹性变形及弹性恢复实现折叠与展开，材料高比强、韧性好、导热系数高、热膨胀系数小，常用铍铜合金、钼、钨等。

薄壁管状伸展臂主要利用弹性变形、弹性恢复和电机卷绕实现伸展收缩，基本运动为：转动和伸展。该伸展臂构造简单、可靠性高、收拢体积小，可重复伸展和收拢，已成功应用于单极和双极天线、重力梯度杆等。

b)套筒伸展臂

套筒伸展臂是由一系列同心薄壁圆柱形管相互嵌套构成。伸展长度受管壁厚和重叠长度因素影响，多采用壁厚0.5mm的铝合金和碳纤维复合材料，常见截面为圆形。套筒伸展臂可通过驱动螺杆顺序展开，也可通过组合绳索滑轮技术实现同步展开。

c)铰接式伸展臂

铰接式伸展臂被广泛使用于航天领域，有很多具体的形式。该伸展臂刚度高、抗振性好、精度高、几何扩展性好。其收拢状态是由支杆通过旋转铰链折叠压紧而成。展开过程通常由电机带动丝杠引导杆件逐段实现，也存在同步展开的铰接杆。其在展开过程中保持直线状、等外接圆，并且有较高的强度和刚度，便于运动控制、实现精确定位和与其他结构连接。

d)盘绕式伸展臂

盘绕式空间伸展臂是首先由美国AEC-ABLE公司首先开发的一种轻便的空间一维展开机构，因其压缩方式而得名。

盘绕式伸展通常是由3根连续纵杆、横架和对角加劲索构成的桁架式伸展臂。3根连续纵杆长度与伸展臂展开长度相同，具有良好的弹性；横架是垂直于纵梁平面的结构件，与纵梁相连接，为纵杆提供侧向支撑；节间对角加劲索为桁架每侧面节间绳索，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

在卫星等航天器的研制过程中，空间展开机构的地面展开试验是一项基本的必不可少的试验内容。鉴于其运行环境条件下的失重状态，空间展开机构模拟轨道的零重力状态是试验成败的一个关键因素。

零重力环境试验即微重力环境试验，主要检验机构在失重环境效应下的各种性能适应性。而且随着目前空间展开机构在轨应用范围的扩展，零重力环境试验往往与真空试验、热试验同时进行，以考量空间展开机构在复杂环境下工作的综合效果。因此，零重力环境试验和真空、热试验等应能够在统一的环境下实现。这就对现阶段的零重力环境试验方法提出要求。

零重力环境试验设计的关键之处在于维持试验设备所受合力为零的状态。目前正在使用的地面零重力试验设备主要有：（1）二维悬吊设备；（2）气浮平台装置；（3）气球悬吊法；（4）水中悬浮法。

二维悬吊设备的试验方法是目前最常用的方法。在二自由度导轨上连接吊索，吊索与空间展开机构连接，静止时空间展开机构所受合力为零，展开时机构拖动吊索沿二自由度的导轨运行，由于吊索与导轨之间存在阻力，因此吊索无法保持竖直，从而使得展开机构合力无法保持零状态，不能真实模拟零重力环境。

气浮平台装置在平台上形成气垫将展开机构托起，在地面大气环境下通过合力的平衡抵消重力，模拟微重力效应。该装置虽然解决了阻力问题，但对于空间展开机构的变质量特性，气垫升力的稳定控制成为一个技术难点，同时也使得整个试验装置较为复杂。由于气浮平台装置气垫的存在，该装置无法应用于真空环境。

气球悬吊方法的原理是利用气球产生一个与空间展开机构所受重力大小相等方向相反的浮力来使空间展开机构所受合力为零。当空间展开机构展开时，由于气球体积大造成可悬吊点的数量有限，另外在展开过程中气球运动受到的空气阻力较大，模拟零重力的状态有较大的失真。

水中悬浮方法，在空间展开机构上增加配重，使得试验设备整体在水中所受浮力与重力相等，静止时达到合力为零。由于展开动作在水中进行，水阻力远大于空气，从而使得展开阻力很大，模拟真空零重力状态有较大失真，同时水可能对试验设备产生污染，此方法已很少采用。

上述四种方法虽然能够实现一定程度上的零重力环境，但是均存在一定的不足，尤其是对于空间一维伸展机构来讲，均存在难以弥补的缺憾。气浮平台装置组成较为复杂，控制难度大，并且无法在真空条件下进行联合试验验证；二维悬吊设备吊索[9]对于伸展机构的重力补偿难以精确控制，设备复杂、占用空间较大，整个设备在真空环境设施中进行试验的成本较高；气球悬吊法空气阻力与占用空间均较大，在真空环境中难以实现；水中悬浮法阻力较大，对试验设备有污染并难以在真空中实现。

发明内容

为了实现小型一维伸展机构的研制，加速大型航天器的实用进程，本发明提供了一种适用于真空环境设施的，简易廉价、补偿精确的空间一维伸展机构零重力试验装置。

本发明的技术解决方案是：

一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述装置包括支撑系统[1]、导轨系统[2]、驱动与同步系统[3]、吊挂系统[4]；支撑系统[1]由光学平台和框架式支撑结构组成，框架支撑结构安装在光学平台上；导轨系统[2]采用圆截面纵向导轨，安装在框架式支撑结构之间；驱动与同步系统[3]由电机[5]、轴承滑轮[6]、同步带[7]组成，其中电机[5]安装在框架式支撑结构底部的平台上，轴承滑轮[6]安装在框架式支撑结构上，同步带[7]绕过轴承滑轮[6]与滑块[8]相连；吊挂系统[4]由滑块[8]、吊索[9]、滑环[10]、测力计[11]组成，滑块[8]沿导轨线性一维运动，吊索[9]连接滑块[8]与滑环[10]，并与伸展机构顶端相连。

上述支撑系统[1]的框架式结构由杆状铝型材与铝制转接头组成，通过调整转接头位置可以调节框架式结构整体尺寸；光学平台提供高平面度的安装面，其底部安装定位升降螺栓，可调节整套结构的高低位置。

上述驱动系统的电机[5]通过轴承滑轮[6]，一方面与伸展机构顶端连接进行拉索展开，另一方面与同步带[7]相连，带动滑块[8]沿导轨移动。

上述同步系统的同步带[7]为PVC制成的方孔形狭长带，与轴承滑轮[6]上的方形齿啮合，形成传动机构。

上述吊挂系统[4]中的吊索[9]采用断裂伸长率小于4%的凯夫拉绳，可以通过调节螺栓改变在滑块[8]上的位置，从而保证吊索[9]竖直连接滑环[10]，并使吊索[9]通过吊挂物质心。

上述吊挂系统[4]中的滑环[10]通过适配机构与不同的伸展机构顶端连接，能够保证在伸展机构顶端旋转的情况下实现吊挂连接。

上述吊挂系统[4]中吊索[9]与滑环[10]之间装有测力计[11]，用来计量展开过程中的拉力变化。

本发明小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置利用方形齿啮合的原理，实现吊索与被测机构同步移动，利用两者的实时同步性来实现对被测机构的垂直悬吊，设计简便易行，体积小质量轻，移动方便，对环境的适应性强，能够有效工作在真空及热环境条件下，可用于测试盘绕式伸展臂、薄壁管状伸展臂等一维伸展机构的展开特性，服务于未来大型航天器结构机构等领域。

附图说明

附图1为本发明空间一维伸展机构地面零重力试验装置的结构示意图。

附图2为本发明空间一维伸展机构地面零重力试验装置的局部示意图。

图中标记为：1.支撑系统、2.导轨系统、3.驱动与同步系统、4.吊挂系统、5.电机、6.轴承滑轮、7.同步带、8.滑块、9.吊索、10.滑环、11.测力计

具体实施方式

实例以拉索展开型盘绕式空间伸展臂作为展开测试机构进行说明。

本发明空间一维伸展机构地面零重力试验装置包括支撑系统[1]、导轨系统[2]、驱动与同步系统[3]、吊挂系统[4]，以光学平台和框架式支撑结构作为基础结构，利用方孔形同步带[7]和带方齿的轴承滑轮[6]啮合进行同步传动，电机[5]带动拉索展开型盘绕式空间伸展臂，通过伸展臂顶端的滑环[10]、吊索[9]连接滑块[8]在导轨上进行一维展开。

附图是本发明空间一维伸展机构地面零重力试验装置的一个较佳的实施例的结构示意图。该装置包括：

支撑系统[1]由光学平台和框架式支撑结构组成，框架支撑结构安装在光学平台上；导轨系统[2]采用圆截面纵向导轨，安装在框架式支撑结构之间，形成一维展开空间；驱动与同步系统[3]分别安装在支撑系统[1]和导轨系统[2]上，驱动源安装在光学平台上，轴承滑轮[6]固定在整体结构上，滑块[8]沿纵向导轨线性一维运动；吊挂系统[4]由吊索[9]、滑环[10]、测力计[11]组成，吊索[9]连接滑块[8]与滑环[10]，并与伸展机构顶端相连，安装在导轨系统[2]正下方。

上述支撑系统[1]的框架式结构由杆状铝型材与铝制转接头组成，通过调整转接头位置可以调节框架式结构整体尺寸。本实例中，铝型材采用铝制型材，组装完成的框架式结构形成长2600mm、宽600mm、高1000mm的一维展开空间。光学平台提供高平面度的安装面，其底部安装定位升降螺栓，可调节整套结构的高低位置，满足安装环境要求。

上述导轨系统[2]采用2300mm长的圆截面导轨，直线度优于0.03mm，导轨安装在楔形支架并连接在框架式结构上，通过框架式结构的铝型材维持导轨支架的直线度，并利用支撑系统[1]上铝型材转接头调整导轨的水平度，经过调整后的导轨系统[2]水平度优于0.15mm。

上述驱动与同步系统[3]中的驱动源选择直流电机[5]，电机[5]输出轴通过轴承滑轮[6]，一方面通过齿轮啮合带动拉索释放，使伸展机构的顶端受控展开，另一方面与同步带[7]相连，带动滑块[8]沿导轨移动。同步带[7]采用PVC制成的带方孔的狭长扁平带，与轴承滑轮[6]上的方形齿啮合，形成传动机构。滑块[8]固连在同步带[7]上，位置处于伸展机构正上方，随着电机[5]输出轴的转动与拉索同步移动。

上述吊挂系统[4]中的吊索[9]采用断裂伸长率小于4%的凯夫拉绳，吊索[9]一端连接滑块[8]，另一端连接伸展机构顶端滑环[10]。通过调节螺栓改变滑块[8]在同步带[7]上的相对位置，从而保证吊索[9]竖直连接滑环[10]，并使吊索[9]通过滑环[10]质心。

上述吊挂系统[4]中的滑环[10]通过适配机构与不同的伸展机构顶端连接，能够保证在伸展机构顶端旋转的情况下实现吊挂连接，滑环[10]及适配机构采用薄壁轻质高强度铝合金制成，以降低其质量对伸展机构的影响。吊索[9]与滑环[10]之间装有测力计[11]，用来计量展开过程中的拉力变化。

本实例以拉索展开型盘绕式空间伸展臂作为测试机构，电机[5]展开为驱动源，可实现零重力状态下的一维展开运动。拉索展开型盘绕式空间伸展臂是一种高伸缩比、高可靠性、高刚度、高抗剪切和扭转的空间伸展机构，通过拉索控制其顶部旋转展开，从而实现空间飞行器的智能重构。其特点在于顶端随展开过程不断旋转，设计相应的适配机构之后达到良好的展开效果，整套设备尺寸长2600mm、宽600mm、高1000mm，能够满足地面真空、高低温试验设备空间限制，应用效果良好。

本发明空间一维伸展机构地面零重力试验装置达到了结构紧凑、部件简单、同步性好、易于安装等特点，能够为小型空间一维伸展结构提供良好的零重力试验环境，并与真空、高低温环境试验设备完美结合，实现综合环境试验测试，为空间飞行器测试应用提供了良好的条件。

Claims (7)

1.一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述装置主要包括支撑系统[1]、导轨系统[2]、驱动与同步系统[3]、吊挂系统[4]；支撑系统[1]由光学平台和框架式支撑结构组成，框架支撑结构安装在光学平台上；导轨系统[2]采用圆截面纵向导轨，安装在框架式支撑结构之间；驱动与同步系统[3]由电机[5]、轴承滑轮[6]、同步带[7]等组成，其中电机[5]安装在框架式支撑结构底部的平台上，轴承滑轮[6]安装在框架式支撑结构上，同步带[7]绕过轴承滑轮[6]与滑块[8]相连；吊挂系统[4]由滑块[8]、吊索[9]、滑环[10]、测力计[11]组成，滑块[8]沿导轨线性一维运动，吊索[9]连接滑块[8]与滑环[10]，并与伸展机构顶端相连。

2.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述支撑系统[1]的框架式结构由杆状铝型材与铝制转接头组成，通过调整转接头位置可以调节框架式结构整体尺寸；光学平台提供高平面度的安装面，其底部安装定位升降螺栓，可调节整套结构的高低位置。

3.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述驱动系统的电机[5]通过轴承滑轮[6]，一方面与伸展机构顶端连接进行拉索展开，另一方面与同步带[7]相连，带动滑块[8]沿导轨移动。

4.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述同步系统的同步带[7]为PVC制成的方孔形狭长带，与轴承滑轮[6]上的方形齿啮合，形成传动机构。

5.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述吊挂系统[4]中的吊索[9]采用断裂伸长率小于4%的凯夫拉绳，可以通过调节螺栓改变在滑块[8]上的位置，从而保证吊索[9]竖直连接滑环[10]，并使吊索[9]通过吊挂物质心。

6.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述吊挂系统[4]中的滑环[10]通过适配机构与不同的伸展机构顶端连接，能够保证在伸展机构顶端旋转的情况下实现吊挂连接。

7.根据权利要求1所述的一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述吊挂系统[4]中吊索[9]与滑环[10]之间装有测力计[11]，用来计量展开过程中的拉力变化。

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