CN104294913B - 三角形索杆铰接可展桁架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三角形索杆铰接可展桁架，包括：导向杆、收拢索、张紧索、多个桁架单元和多个铰接杆，桁架单元为三角形刚性框架，各三角形刚性框架由上至下依次与导向杆连接，设置在最底部的三角形刚性框架与导向杆固接，沿导向杆向上的其它三角形刚性框架与导向杆活动连接，各三角形刚性框架之间通过铰接杆连接,收拢索由上至下依次穿过各三角形刚性框架两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接，张紧索以之字形由上至下依次穿过各三角形刚性框架两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接。本发明系统组成简单、收缩率高，可重复伸缩，有利于航天器空间机动或在轨维护，能适应未来大型柔性太阳电池阵等的在轨展开要求，应用前景广泛。

Description

三角形索杆铰接可展桁架

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种三角形索杆铰接可展桁架。

背景技术

随着空间站、深空探测器等大型航天器的发展，运载包络受限问题越来越突出，这催生了各类空间可展结构的发展，如可展桁架、充气结构等。目前，常用的铰接式可展桁架伸展臂普遍由折叠桁架、收藏箱、传动装置及展开器等构成，可实现较长距离的附件伸展支撑，但存在以下缺点：1)与可展桁架对应的传动装置同步性要求高，构造及组成复杂；2)可展桁架的刚性框架和铰接杆多采用层叠形式，融合不够，不利于提升收缩率；3)不具备在轨收拢功能，不利于空间机动或维护。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三角形索杆铰接可展桁架。

根据本发明的一个方面，提供一种三角形索杆铰接可展桁架，包括：导向杆、收拢索、张紧索、多个桁架单元和多个铰接杆，桁架单元为三角形刚性框架，各三角形刚性框架由上至下依次与导向杆连接，其中，设置在最底部的三角形刚性框架与导向杆固接，沿导向杆向上的其它三角形刚性框架与导向杆活动连接，各三角形刚性框架之间通过铰接杆连接，收拢索由上至下依次穿过各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接，张紧索以之字形由上至下依次穿过各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接。

优选地，三角形刚性框架为等腰直角三角形中空边框结构，其三个边角处均设置有张紧索穿孔、收拢索穿孔和导向杆穿孔，且三角形刚性框架的三个边角的下方均设置有上铰接杆支座，三个边角的内侧边框上均设置有下铰接杆支承孔。

优选地，等腰直角三角形中空边框结构的三个边角内侧还设置有凹槽。

优选地，导向杆和收拢索的数量均为3个。

优选地，张紧索的数量为2个。

优选地，导向杆包括空心杆、多组电磁作动器和导线，空心杆用于定位和存放桁架单元，电磁作动器和导线设置在空心杆内部，各组电磁作动器通过导线连接。

优选地，铰接杆包括下铰接杆、上铰接杆和弹簧片，弹簧片设置在上铰接杆和下铰接杆之间，通过销轴分别与上铰接杆和下铰接杆连接。

本发明工作原理如下：

展开过程：三角形索杆铰接可展桁架处于完全收拢状态，在收拢索的拉紧作用下，铰接杆克服弹簧扭矩作用后对折收拢于相应桁架单元的下三角形刚性框架内部，此时所有相邻三角形刚性框架1处于面面贴合状态。展开时，收拢索逐渐释放，并同步收拉张紧索，此时，铰接杆在弹簧扭矩作用下，也相应逐步展开；当收拢索暂停释放时，铰接杆处于瞬时平衡状态，此时抗扰动能力差。当铰接杆完全展开后，拉紧张紧索，其与铰接杆形成稳定三角形，达到桁架稳定状态，实现自上而下的桁架展开。

收拢过程：三角形索杆铰接可展桁架处于完全展开状态时，受拉力的张紧索与完全展开的铰接杆形成稳定三角形，桁架处于稳定平衡状态。收拢时，空心杆内的电磁作动器被接通，产生非接触的电磁斥力克服铰接杆的弹簧扭矩，使导向杆范围内的桁架单元产生收拢折叠运动趋势；此时下拉收拢索，并随动张紧索，在这些复合作用下底部桁架单元逐渐折叠；其间，当桁架单元收拢一定度数时，电磁作动器22自动断开，当处于完全收拢状态，拉紧张紧索，其与铰接杆3形成稳定三角形，可以达到桁架稳定状态，实现自下而上的桁架收拢。

本发明的三角形索杆铰接可展桁架通过铰接杆弹簧扭矩实现自由展开，电磁作动器与收拢索配合实现桁架的收拢折叠，系统组成简单，桁架展开和收拢动作可靠；铰接杆可完全折叠到三角形刚性框架内部，极大提高桁架的收缩率；桁架可重复伸缩，有利于航天器空间机动或在轨维护，可应用于空间柔性太阳电池阵、可展遮光罩和环状天线的伸展支撑结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本可展桁架系统组成简单，电磁作动器与收拢索配合就可实现桁架的收拢折叠，且三组收拢索可实现功能冗余备份，桁架折叠收拢可靠；张紧索和铰接杆形成的三角形可有效保证桁架稳定的展开状态。本可展桁架的铰接杆可完全折叠到三角形刚性框架内部，极大提高桁架的收缩率。本可展桁架可重复伸缩，有利于航天器空间机动或在轨维护，能适应未来大型柔性太阳电池阵、超大型环状天线地面压紧在轨展开要求，应用前景广泛。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明三角形索杆铰接可展桁架的展开结构示意图；

图2为本发明三角形刚性框架与铰接杆的连接展开状态示意图；

图3三角形刚性框架与铰接杆的连接收拢状态示意图；

图4为三角形刚性框架的结构示意图；

图5为导向杆的结构示意图；

图6为图5中的A部结构放大示意图；

图7为铰接杆展开状态示意图；

图8为图7中的B部结构放大示意图；

图9为铰接杆收拢状态示意图；

图10为图8中的C部结构放大示意图；

图11至图15为三角形索杆铰接可展桁架的展开过程示意图；

图16至图20为三角形索杆铰接可展桁架的收拢过程示意图；

图中：1为三角形刚性框架，11为框架本体，12为凹槽，13为张紧索穿孔，14为收拢索穿孔，15为导向杆穿孔，16为下铰接杆支承孔，17为上铰接杆支座，2为导向杆，21为空心杆，22为电磁作动器，23导线，3为铰接杆，31为下铰接杆，32为上铰接杆，33为弹簧片，4为收拢索，5为张紧索。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图7，一种三角形索杆铰接可展桁架，包括：导向杆、收拢索、张紧索、多个桁架单元和多个铰接杆，桁架单元为三角形刚性框架，各三角形刚性框架由上至下依次与导向杆连接，其中，设置在最底部的三角形刚性框架与导向杆固接，沿导向杆向上的其它三角形刚性框架与导向杆活动连接，各三角形刚性框架之间通过铰接杆连接，收拢索由上至下依次穿过各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接，张紧索以之字形由上至下依次穿过各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接。

进一步地，三角形刚性框架为等腰直角三角形中空边框结构，其三个边角处均设置有张紧索穿孔、收拢索穿孔和导向杆穿孔，且三角形刚性框架的三个边角的下方均设置有上铰接杆支座，三个边角的内侧边框上均设置有下铰接杆支承孔。

进一步地，等腰直角三角形中空边框结构的三个边角内侧还设置有凹槽，用以容置收拢的上铰接杆支座。

如图1、图2、图4所示，底部桁架单元即最下方的三角形刚性框架1与导向杆2固连，向上依次通过铰接杆铰接多个桁架单元。三根收拢索4一端与顶部三角形刚性框架1固连，并从上至下依次穿过各桁架单元三角形刚性框架1的收拢索穿孔14。三根张紧索5以之字形从下至上依次穿过每一层三角形刚性框架1的张紧索穿孔15，而后与顶部三角形刚性框架1固连。本优选实例中三角形刚性框架1数目为5个，实际应用时可根据需要确定。

如图2、图3、图4所示，三角形刚性框架1和三组铰接杆3通过销轴连成一体，共同组成三棱柱形五面体封闭结构。三角形刚性框架1由轻质铝合金一体成型，框架本体11为等腰直角三角形中空边框结构，其三处边角部位设有凹槽12、张紧索穿孔13、收拢索穿孔14、导向杆穿孔15、下铰接杆支承孔16、和上铰接杆支座17，对折后的铰接杆3收拢于三角形刚性框架1内部，同时上三角形刚性框架1的上铰接杆支座17嵌入到下部三角形刚性框架1的凹槽12内，上下三角形刚性框架1程面面贴合状态，有效提升桁架收缩率。

进一步地，导向杆包括空心杆、多组电磁作动器和导线，空心杆用于定位和存放收拢的折叠桁架，电磁作动器和导线设置在空心杆内部，各组电磁作动器通过导线连接。电磁作动器可产生非接触电磁斥力，克服弹簧扭矩，可使上下铰接杆产生折叠趋势。本可展桁架具有3副相同的导向杆。

如图1、图5所示，导向杆2的空心杆21用于定位和存放收拢的桁架单元，其内布置由导线23相连的多组电磁作动器22；电磁作动器22可产生非接触电磁斥力，克服弹簧片33扭矩，可使上下铰接杆产生折叠趋势。

进一步地，铰接杆包括下铰接杆、上铰接杆和弹簧片，弹簧片设置在上铰接杆和下铰接杆之间，通过销轴分别与上铰接杆和下铰接杆连接，下铰接杆设置有用以容置上铰接杆的半封闭腔。

如图6、图7所示，铰接杆3由下铰接杆31、上铰接杆32和弹簧片33等组成，三者通过销轴铰接在一起。自由状态下，上下铰接杆在弹簧片33扭矩及其自身限位作用下展开成一字型，与之铰接的上下三角形刚性框架处于最远分离状态；在外力作用下，上下铰接杆克服弹簧片33扭矩作用后对折收拢于下三角形刚性框架内部，上铰接杆32收拢于下铰接杆31的半封闭腔内，上下三角形刚性框架处于面面贴合相邻状态。具体的三角形刚性框架的数目和铰接杆的组数根据可展桁架长度需要决定。

收拢索一端固连可展桁架的最上端，从上之下依次穿过三角形刚性框架收拢索穿孔，当上下铰接杆在电磁作动器斥力作用下产生折叠趋势后，驱动收拢索可以从下至上依次折叠可展桁架，其导向杆穿孔依次穿进导向杆。本可展桁架具有3根相同的收拢索。

张紧索以之字形从下至上依次穿过每一层三角形刚性框架，而后与顶部三角形刚性桁架固连。当桁架单元在弹簧作用下展开后，拉直的张紧索与上下铰接杆形成三角形构造，达到可展桁架展开后锁紧稳定的目的。本可展桁架具有2根相同的张紧索。

本发明工作原理如下：

可展桁架展开过程如图11至图15所示。图11为桁架完全收拢状态，在收拢索4的拉紧作用下，铰接杆3克服弹簧扭矩作用后对折收拢于相应桁架单元的下三角形刚性框架1内部，此时所有相邻三角形刚性框架1处于面面贴合状态。图12、图13为顶部桁架单元展开过程状态示意，图12顶部桁架单元展开40°时状态，图13顶部桁架单元展开90°时状态。当收拢索4逐渐释放时，并同步收拉张紧索5，此时铰接杆3在弹簧扭矩作用下，也相应逐步展开；当收拢索4暂停释放时，铰接杆3处于瞬时平衡状态，此时抗扰动能力差。图14为顶部桁架单元完全展开状态，此时拉紧张紧索5，其与铰接杆3形成稳定三角形，可以达到桁架稳定状态。图15为桁架完全展开状态，通过依次重复图11至图15过程实现自上而下的桁架展开。

可展桁架收拢过程如图16至20所示。图16为桁架完全展开状态，受拉力的张紧索5与完全展开的铰接杆3形成稳定三角形，桁架处于稳定平衡状态。图17、图18为底部桁架单元收拢过程状态示意，图17为底部桁架单元收拢90°时状态，图18为底部桁架单元收拢140°时状态。当收到桁架收拢指令时，空心杆21内的电磁作动器22被接通，产生电磁斥力克服铰接杆3的弹簧扭矩，使导向杆2范围内的桁架单元产生收拢折叠运动趋势；此时下拉收拢索4，并随动张紧索5，在这些复合作用下底部桁架单元逐渐折叠；其间，当桁架单元收拢一定度数时，电磁作动器22自动断开。图19为底部桁架单元完全收拢状态，此时拉紧张紧索5，其与铰接杆3形成稳定三角形，可以达到桁架稳定状态。图20为桁架完全收拢状态，通过依次重复图16至图19过程实现自下而上的桁架收拢。

本发明的三角形索杆铰接可展桁架系统组成简单，收缩率高，可实现空间大长度附件展开和支撑，且在轨可伸缩，可以应用于大型柔性太阳电池阵的伸展机构，也可以应用于特大型环状天线超远距离在轨展开支撑杆结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，包括：导向杆、收拢索、张紧索、多个桁架单元和多个铰接杆，所述桁架单元为三角形刚性框架，所述各三角形刚性框架由上至下依次与所述导向杆连接，其中，设置在最底部的三角形刚性框架与导向杆固接，沿导向杆向上的其它三角形刚性框架与导向杆活动连接，所述各三角形刚性框架之间通过铰接杆连接，所述收拢索由上至下依次穿过所述各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接，所述张紧索以之字形由上至下依次穿过所述各三角形刚性框架且两端分别与顶部和底部的三角形刚性框架固接连接；

所述导向杆包括空心杆、多组电磁作动器和导线，所述空心杆用于定位和存放所述桁架单元，所述电磁作动器和导线设置在所述空心杆内部，各组所述电磁作动器通过所述导线连接。

2.根据权利要求1所述的三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，所述三角形刚性框架为等腰直角三角形中空边框结构，其三个边角处均设置有张紧索穿孔、收拢索穿孔和导向杆穿孔，且所述三角形刚性框架的三个边角的下方均设置有上铰接杆支座，三个边角的内侧边框上均设置有下铰接杆支承孔。

3.根据权利要求2所述的三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，所述等腰直角三角形中空边框结构的三个边角内侧还设置有凹槽。

4.根据权利要求2所述的三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，所述导向杆和收拢索的数量均为3个。

5.根据权利要求2所述的三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，所述张紧索的数量为2个。

6.根据权利要求1所述的三角形索杆铰接可展桁架，其特征在于，所述铰接杆包括下铰接杆、上铰接杆和弹簧片，所述弹簧片设置在所述上铰接杆和下铰接杆之间，通过销轴分别与所述上铰接杆和下铰接杆连接。