CN104443440A - 基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，包括囊状物和导向管，所述囊状物的两端分别为固定端和自由端，所述的导向管固定在囊状物内，且导向管的充液端固定在囊状物的固定端处，导向管呈树状分布于囊状物内部，并作为囊状物展开后的支撑骨架；所述的囊状物和导向管均为弹性材料制成，厚度均匀；所述的囊状物的材料硬度小于导向管的硬度。本发明产品具有良好的结构稳定性与形态灵活性，采用充液的方式提供动力，冲击力较小，稳定性高，对储存空间要求较低，由于其是柔软的橡胶体，可以放置于更多狭小的空间内，避免占用其它配套结构的使用空间。

Description

基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构

技术领域

本发明涉及囊状展开结构的充液成型和凝固成型的形状成型方法，属于轻便型的自动展开装置。

背景技术

随着航天器技术的不断发展和广泛应用，航天器的结构和功能不断变化和日趋复杂，可展结构是实现航天器结构主结构、次结构或某一部件由初始收拢构形，变化到最终展开构形，并保持该构形的结构和机构，广泛应用于航天领域的各种空间飞行器和星球探测器中，如卫星飞行器天线、大型光学镜面、飞船太阳电池阵、空间站大型支撑构架、星球探测器太阳帆板等。空间可展结构受到空间运输系统的空间和重量限制，通常要具有较大的展开/收缩体积或面积比和极高的系统可靠性，其研究与实现面临一系列的理论、方法和技术挑战。同时空间展开结构是航天器中最容易发生故障的器件之一，近年来，航天器的故障多与展开结构有关，一旦发生故障，几乎是致命性的。已报道1990至2002年间美国卫星17次大型故障，其中17.6%是由展开结构导致。空间可展结构涉及新型可展结构机理、结构构形研究、结构体系、设计应用技术开发、展开动力学分析理论、结构分析理论、展开驱动机构与控制方法、空间环境适应性等方面。新型展开机理是研制空间可展结构的重点之一。国际上，美国NASA和俄罗斯航天局最早进行可展结构的研究与应用，处于世界领先地位；ESA、日本等在空间可展结构领域的研究、应用也取得重要成果。国内从上世纪90年代起，中国航天科技集团、中国科学院、哈尔滨工业大学、浙江大学、上海交通大学等单位研制了多种类型的新型空间可展结构，取得了阶段性成绩。但同航天技术发达国家比，我国空间可展结构在技术水平、理论研究、前沿探索等方面还有较大差距。

发明内容

为解决目前空间可展结构只有较小的展开/收缩体积或面积比、展开过程易发生故障等缺点。本发明受蝴蝶羽化获得较大鳞翅启发，在弄清蝴蝶翅形态特征与生长发育规律、明确蝴蝶翅羽化展开及其仿生意义基础上，依据得到的仿生学基础和科学依据，提出一种充液成型式仿生囊状展开结构，其目的为研究高系统可靠性的新型空间可展结构提供出设计思路，并最终实现仿生可展开空间结构的应用。

本发明采用的技术方案如下：

基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，包括囊状物和导向管，所述囊状物的两端分别为固定端和自由端，所述的导向管固定在囊状物内，且导向管的充液端固定在囊状物的固定端处，导向管呈树状分布于囊状物内部，并作为囊状物展开后的支撑骨架；所述的囊状物和导向管均为弹性材料制成，厚度均匀；所述的囊状物的材料硬度小于导向管的硬度；导向管的分布规律与蝴蝶翅脉分布近似，共九根分支管呈树状分布，每三根分支管汇聚成到一个主管道，最后汇总为三个主管道，直接与充液舱相连。

进一步，优选的是所述的弹性材料为橡胶。

基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，是将基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构包裹在卫星外表面，囊状物固定端固定在卫星内部，自由端自由放置；充液开始前，基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，通过导向管的充液端对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液，使得囊状物自动慢慢打开变为平直状态，然后体积再慢慢变大，最后在保压条件下接受光照使液体硬化，而导向管内液体硬化使得导向管成为支撑展开结构的骨架。

进一步，优选的是对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液的液体为液态光敏材料。

本发明所依据的生物学机理：

蝴蝶羽化鳞翅展开不是一个折叠打开的简单过程，而是一系列复杂生理生化过程。以枯叶蛱蝶为例，首先是成虫依靠前足不停弹动配合身体扭动破蛹而出，此时的鳞翅是依然皱缩而柔嫩，经过20-30分钟静置在空气与光照中，随着黑色蛹便排出体外，大量混合物随血淋巴经由翅脉进入鳞翅，翅膜逐渐干固，双翅伸展开来并鞣质变硬，随后枯叶蛱蝶成虫具备飞行能力。

鳞翅周长与面积在蛹内发育期与羽化后存在较大的变化，其中周长增大约2.2倍，面积增大约6.8倍，如图1所示。这提示设计可展结构时，设计含有管腔体成型的结构，其材质为柔软和弹性的光敏材料，如蛹内时期鳞翅蜷缩在一个闭合空间内，等到打开闭合体时，仿生翅脉和翅膜才逐步展开，在光照作用下形成坚硬的可展结构。翅脉在整个鳞翅羽化过程中作用关键，起到运输系统与支撑作用。在仿生研究中，枯叶蛱蝶共有8条主脉，其长度、孔径各不相同，各条翅脉的连接方式与测量值可为后期设计提供参考数据。从解剖中发现鳞翅翅脉切面为椭圆形并非圆形，这种腔体结构可能会更有利于管内物质流动和支撑鳞翅，对整个鳞翅结构稳定起着积极作用。虽然对混合物随血淋巴经由翅脉进入鳞翅这一观点还存在争议，进入翅脉的是气体还是液体？还是两者混合物？还没有定论。但本研究通过直接剪切羽化过程中鳞翅，发现在羽化初期大部分翅脉腔体中包含白色索状结构并涌出淡绿色液体，与昆虫淋巴液颜色吻合。羽化后期，翅脉中空，充满白色固体物质，并无液体，因此初步认为鳞翅羽化伸展过程主要是依靠淋巴液注入提供动力，随着鳞翅的伸展，翅膜的逐渐干固，翅脉中液体逐渐消失，白色索管紧贴翅脉内壁并固化，增加了翅脉强度及鳞翅稳定性。

因此，申请人根据生物学机理，模仿枯叶蝶翅膀的结构，设计出可展结构，可展结构主要由囊状物和导向管组成，采用具有较好弹性的橡胶制成，导向管呈树状分布于囊状物内部，并作为囊状物展开后的支撑骨架。充液开始前，可展结构呈卷曲状态，便于缩小放置空间，开始充液，导向管最先被液体充满，从而带动囊状物平展开来，继续充液，导向管开始膨胀变形并产生形变力，从而带动囊状物一起形变，达到体积变化的目的。

对所设计的可展结构充填的液体为光敏材料，当充液完成以后，对结构进行保压，置于外部环境下，经过数个小时的光线照射，液态光敏材料凝固成型，强度增大，从而保持最终的形态。所述的囊状物和导向管均为弹性材料制成，厚度均匀；使得充液过程中，横向与竖向的尺寸变化更大，从而保证展开结构的平整性。

囊状物的材料硬度比导向管的硬度略小，保证了导向管有的动力能带动囊状物变化。

本发明在研究枯叶蛱蝶鳞翅羽化展开发育过程和形态变化特征等基础上为研制新型空间可展结构提供的仿生数据；前翅的三角形结构与后翅多边形结构为后期航天器空间结构提供参考形状；翅脉在鳞翅上的分布规律以及交叉互通网络为空间可展结构稳定性提供设计模型，将其加工成弹性薄壁管式空腔结构，形成管道网络，可通过不断充注高压填充液体的方式实现仿生结构的平展与加固。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：（1）本发明提供的基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构可提供高比表可展面积，结构充液后，体积和表面积都变大数倍，如图4所示；（2）本发明产品具有良好的结构稳定性与形态灵活性，采用充液的方式提供动力，冲击力较小，稳定性高，导向管端部中心点的轨迹如图2所示；图2中其运动轨迹的过渡光滑平稳，说明整个过程中受力没有较大突变；本发明产品采用橡胶制成，使得可展结构的形状易改动；（3）本发明产品对储存空间要求较低，由于其是柔软的橡胶体，可以放置于更多狭小的空间内，避免占用其它配套结构的使用空间。

附图说明

图1是枯叶蛱蝶鳞翅蛹内发育后期与羽化后平展后对比图；其中，A为鳞翅羽化后完全平展图，B为蛹内发育期鳞翅展开图；

图2是可展结构导向管端部中心点的轨迹图；

图3是本发明基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构的结构示意图；其中，1-囊状物；2-导向管；3-充液端；4-固定端，5-自由端；

图4是本发明基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构充液过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图3所示，基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，包括囊状物1和导向管2，所述囊状物1的两端分别为固定端4和自由端5，所述的导向管2固定在囊状物1内，且导向管2的充液端3固定在囊状物的固定端4处，导向管2呈树状分布于囊状物1内部，并作为囊状物1展开后的支撑骨架；所述的囊状物1和导向管2均为弹性材料制成，厚度均匀；所述的囊状物1的材料硬度小于导向管2的硬度。其中，所述的弹性材料为橡胶。

导向管2的分布规律与蝴蝶翅脉分布近似，共九根分支管呈树状分布，每三根分支管汇聚成到一个主管道，最后汇总为三个主管道，直接与充液舱相连。

基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，是将基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构包裹在卫星外表面，囊状物1的固定端4固定在卫星内部，自由端5自由放置；充液开始前，基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，通过导向管2的充液端3对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液，使得囊状物1自动慢慢打开变为平直状态，然后体积再慢慢变大，最后在保压条件下接受光照使液体硬化，而导向管2内液体硬化使得导向管2成为支撑展开结构的骨架。其中，对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液的液体为液态光敏材料。

本发明是由导向管2的运动带动展开结构运动，囊状物1的保存可以是卷曲的，这样的方式在有效缩小储存空间的同时不至于阻碍结构的展开与充液。展开结构在整个充液过程中是一边充液，同时伴随着结构体积变大，九根导向管同时同压充液。

人造卫星太阳能电池的可展开结构一般是大而长的结构，卫星的发射成本较高，缩小卫星体积就意味着成本的大幅削减。将本发明可展结构包裹在卫星外表面，囊状物1的固定端4固定在卫星内部，自由端5自由放置；充液开始前，基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，通过导向管的充液端对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液，使得囊状物1自动慢慢打开变为平直状态，然后体积再慢慢变大，最后在保压条件下接受光照使液体硬化，而导向管2内液体硬化使得导向管2成为支撑展开结构的骨架，整个过程时实现小体积物体变成大体积展开物的过程，充液过程时比较平稳的过程，不容易对结构造成太大的振动，从而保证结构的可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定                                                 。

Claims (4)

1.基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，其特征在于包括囊状物和导向管，所述囊状物的两端分别为固定端和自由端，所述的导向管固定在囊状物内，且导向管的充液端固定在囊状物的固定端处，导向管呈树状分布于囊状物内部，并作为囊状物展开后的支撑骨架，所述的囊状物和导向管均为弹性材料制成，厚度均匀；所述的囊状物的材料硬度小于导向管的硬度，导向管的分布规律与蝴蝶翅脉分布近似，共九根分支管呈树状分布，每三根分支管汇聚成到一个主管道，最后汇总为三个主管道，直接与充液舱相连。

2.根据权利要求1所述的基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，其特征在于所述的弹性材料为橡胶。

3.权利要求1或2所述的基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，其特征在于将基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构包裹在卫星外表面，囊状物固定端固定在卫星内部，自由端自由放置；充液开始前，基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，通过导向管的充液端对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液，使得囊状物自动慢慢打开变为平直状态，然后体积再慢慢变大，最后在保压条件下接受光照使液体硬化，而导向管内液体硬化使得导向管成为支撑展开结构的骨架。

4. 根据权利要求3所述的基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，其特征在于对基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构进行充液的液体为液态光敏材料。