CN104085541B - 一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，包括壳体、两根充气小管、以及四条粘条。壳体的截面为上下对称的双Ω构型，两根充气小管分别粘接在壳体的内侧；四条粘条沿壳体的中心轴对称粘接在壳体的外侧。卷曲状态下，将双Ω型壳体压扁为一字型，并将双Ω型壳体一端固定，另一端卷曲成卷盘后固定；展开时，解除固定，为充气小管充气，卷成卷盘状的支撑臂在自身恢复力和充气小管的作用下逐渐展开；粘条为支撑臂提供锁紧力，实现展开过程的稳定和逐次展开。该支撑臂能够在轨展开，具有可靠性冗余设计，适合于任意长度展开，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种支撑臂，特别涉及一种将充气结构应用于带有自展开性能的支撑臂上。
背景技术
空间结构正在向着大型和轻质化的方向发展，空间结构的支撑通常采用轻质的结构。随着太阳帆等需要空间展开结构的发展，对于具有展开性能的支撑臂开始受到重视。美国、日本和欧洲都有研究机构开展这方面的研究。为了达到轻质化的目的，当前常用的可展开空间用支撑臂主要包括桁架式支撑臂、充气式支撑臂和自展开支撑臂。桁架式支撑臂已经在空间应用多年。充气式支撑臂在我国的试验卫星上也进行了试验，美国的Sunjammer太阳帆航天器即将于2015年发射，采用的就是充气式支撑臂。自展开支撑臂已经应用于美国Nanosail-D探测器，是一种“人”字形结构，德国DLR已经开展了多年的双Ω构型的自展开支撑臂研究，并开展地面和无重力状态下的展开试验。我国的哈尔滨工业大学在支撑臂方面开展了深入研究，也申请了多个专利，主要包括：形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂CN200810137230.7，提供了一种形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂。双Ω形碳纤维复合材料伸展臂及其展开方法CN201110171476.8，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。在其他空间用支撑臂方面的研究还包括哈尔滨工业大学地空间大型索杆式伸展臂展开驱动机构CN200710144774.1北京航空航天大学的一种基于薄壁式伸展臂的绳网展开装置CN201210228365.0等。
在支撑臂展开机构方面，已有的自展开支撑臂利用的展开方式是通过中间带有的旋转机构来进行，比如Nanosail-D。同时当前已经应用的空间自展开支撑臂长度有限，不超过10米。未来太阳帆等大型空间结构一般都需要百米以上长度的支撑臂，如果采用已有的展开方式首先是增加了旋转机构的重量，其次是当前的研究在展开的可靠性方面没有涉及，如何确保在展开的后期还能提供足够的张力约束也缺乏研究。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，该支撑臂能够在轨展开，具有可靠性冗余设计，适合于任意长度展开，结构简单。
本发明的技术方案是：一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，包括壳体、两根充气小管以及四条粘条；
壳体由碳纤维复合材料制成，壳体的截面为上下对称的双Ω构型，两根充气小管分别粘接在壳体的内侧，靠近对接面处，并以壳体的中心轴对称分布；四条粘条沿壳体的中心轴对称粘接在壳体的外侧，在支撑臂的一个截面内，每条粘条的中心点和壳体双Ω截面的中心点连线与壳体双Ω截面的垂直轴线成45度角；
卷曲时，将截面为双Ω构型的壳体压扁为一字型，压扁后的壳体一端固定，另一端卷曲成卷盘后再固定；展开时，解除对另一端的固定，为充气小管充气，卷成卷盘状的支撑臂在自身恢复力和充气小管的作用下逐渐展开；粘条为支撑臂提供锁紧力，实现展开过程的稳定和逐次展开。
所述充气小管的材料是聚酰亚胺薄膜；充气小管厚度为0.012mm，体密度为1410kg/m3，面密度为16.9g/m2。
所述粘条宽度为20mm，由勾面和绒面组成，每面的厚度均为0.15mm，每根粘条的重量为3g/m。
所述壳体以胶粘的方式或直接压制的方式制成。
本发明与现有技术相比的技术效果是：
(1)本发明不需要可活动的展开机构，仅仅依靠自身的弹性势能展开。
(2)本发明两个充气的小管可以提升支撑臂展开的可靠性。
(3)本发明充气小管比传统的充气内胆所需要的气量小，减轻重量。
(4)本发明适用于一端固定，整体卷盘向外展开的形式，结构简单。
附图说明
图1为支撑臂展开状态下的截面图；
图2为支撑臂折叠状态下的截面图；
图3为支撑臂折叠状态的侧视图；
图4为支撑臂展开过程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进行进一步说明。
本发明针对已有的自旋式太阳帆不适合大面积展开的问题，提供了一种能够在轨展开，具有可靠性冗余设计，适合于任意长度展开，结构简单的支撑臂，充分利用支撑臂的自展开特性，以较小的代价增强展开的可靠性。本发明针对一种特有的展开方式，特有的展开方式是指收拢状态为一段固定，另一端向内卷曲形成卷盘，展开过程为卷盘整体向外展开，并逐次展开，最终形成支撑臂的方式。
支撑臂主要包括3个部分，双Ω型的壳体1、充气小管2和粘条3，如图1所示。壳体1由碳纤维复合材料制成，具有自展开能力，壳体1的截面为上下对称的双Ω构型，通过胶粘的方式或直接压制的方式制成。卷曲时，将截面为双Ω构型的壳体压扁为一字型(通过卷曲能够形成圆柱形的卷盘)，如图2所示。压扁后的壳体一端固定，另一端卷曲成卷盘后再固定，如图3所示。当固定力消失时，卷成盘状的支撑臂向前滚动，支撑臂截面从一字型恢复为双Ω型，并逐次展开，如图4所示。
充气小管2有两个，粘接在壳体1的内侧，靠近上下Ω的结合处，以支撑臂中心轴对称分布，当支撑臂由于压得过平或者距离过长，双Ω不能顺利弹开时，充气小管2能够提供恢复力使得支撑臂从压扁状态恢复至双Ω形态。粘条3由两组共四条尼龙粘条组成，沿壳体1的中心轴对称粘接在壳体1的外侧，尼龙粘条3的目的是提供锁紧力，使得卷曲成盘状的支撑臂能够在锁紧力和自身储存的弹性势能之间形成合力，从而实现展开过程的稳定和逐次展开，而不是完全弹开，形成混乱。
支撑臂上的粘条3设计：控制卷曲折叠支撑有序平稳展开的粘条3是由勾面和绒面组成，其中勾面和绒面每面的厚度约为0.15mm，粘条3宽度为20mm，粘条3重量约为3g/m。粘贴的位置：如图1中的小弧线段，在支撑臂的一个截面内，每条粘条3的中心点和壳体1双Ω截面的中心点连线与壳体1双Ω截面的垂直轴线成45度角(与双Ω截面的宽边成45度角)。它们可通过胶黏剂充分与支撑臂的壳体1的外侧粘合在一起。
充气小管2的材料是聚酰亚胺薄膜，充气小管2的管壁厚度为0.012mm，体密度为：1410kg/m3(面密度为16.9g/m2)。通过胶黏剂充分与支撑臂壳体1的内侧粘合在一起。
采用上述设计的支撑臂，能够稳定、有序、高可靠的实现支撑臂的展开，充气小管2作为展开过程展开合力的冗余，能够确保壳体1从一字型恢复至双Ω型。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，简单的推演或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，其特征在于：包括壳体(1)、两根充气小管(2)以及四条粘条(3)；
壳体(1)由碳纤维复合材料制成，壳体(1)的截面为上下对称的双Ω构型，两根充气小管(2)分别粘接在壳体(1)的内侧，靠近对接面处，并以壳体(1)的中心轴对称分布；四条粘条(3)沿壳体(1)的中心轴对称粘接在壳体(1)的外侧，在支撑臂的一个截面内，每条粘条(3)的中心点和壳体(1)双Ω截面的中心点连线与壳体(1)双Ω截面的垂直轴线成45度角；
卷曲时，将截面为双Ω构型的壳体压扁为一字型，压扁后的壳体一端固定，另一端卷曲成卷盘后再固定；展开时，解除对另一端的固定，为充气小管(2)充气，卷成卷盘状的支撑臂在自身恢复力和充气小管(2)的作用下逐渐展开；粘条(3)为支撑臂提供锁紧力，实现展开过程的稳定和逐次展开。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，其特征在于：所述充气小管(2)的材料是聚酰亚胺薄膜；充气小管(2)厚度为0.012mm，体密度为1410kg/m3，面密度为16.9g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，其特征在于：所述粘条(3)宽度为20mm，由勾面和绒面组成，每面的厚度均为0.15mm，每根粘条(3)的重量为3g/m。
4.根据权利要求1所述的一种用于大型薄膜结构展开的支撑臂，其特征在于：所述壳体(1)以胶粘的方式或直接压制的方式制成。
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