CN104459935A - 镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构 - Google Patents
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Abstract
镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，涉及空间光学领域，解决了现有美国NASA在SERT研究计划中提出的2007SSP集成对称聚光系统主镜方案存在的充气硬化薄膜结构在太空中易被粒子击穿而难于维持预期主镜面形且易漏气、可靠性低的问题。该结构包括90°铰链、电控锁、180°铰链、电机、转台连接支撑座、滑动导向杆、铰支杆、内板、外板、薄膜镜调整架、薄膜镜、上板、桁架杆件、内板铰支件、丝杠限位套、桁架杆承力底座、运动丝杠、丝杠滑动螺帽、电机座调整垫、电机座、滑动导向环、无油衬套、铰支杆转轴和限位器。本发明结构简单、易于加工、装配操作便捷，避免了复杂组合结构所引起的加工制造难题，可大幅降低结构件加工装调成本，缩短加工周期，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，具体一种镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构。
背景技术
薄膜聚光镜是利用薄膜反射面将空间平行光线反射并汇聚相交于某一位置的一种光能转换装置，该装置可通过改变光能密度提高单位面积光电转换的效率并减小光电转换电池阵接收面面积。薄膜聚光镜因其轻质、可经受空间的各种恶劣环境的影响而逐渐应用于空间太阳能电站的光能收集。
与本发明最为接近的已有技术是《Technology Challenges and OpportunitiesforVery Large In-Space Structural Systems》一文中第4页图4所公开的美国NASA在SERT研究计划中提出的2007 SSP集成对称聚光系统主镜方案。该主镜的结构如图1所示，由镜框25、薄膜拼接镜26和固定绳索27组成，镜框25及薄膜拼接镜26为充气硬化薄膜结构，薄膜拼接镜26通过固定绳索27与镜框25固定连接，拼成预期主镜面形。这种主镜结构的最大缺点是充气硬化薄膜结构在太空中很容易被粒子击穿而难于维持预期主镜面形，且容易出现漏气现象，不利于未来大型空间太阳能电站薄膜聚光系统主镜可靠性的提高。
发明内容
为了解决现有美国NASA在SERT研究计划中提出的2007 SSP集成对称聚光系统主镜方案存在的充气硬化薄膜结构在太空中易被粒子击穿而难于维持预期主镜面形且易漏气、可靠性低的问题，本发明提供一种镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，包括：
带有外部接口的转台连接支撑座和固定在转台连接支撑座上的电机；
下端固定在转台连接支撑座圆周上的至少四个滑动导向杆，所述至少四个滑动导向杆均匀分布；
滑动导向环，所述至少四个滑动导向杆均通过无油衬套滑动安装在滑动导向环圆周通孔中；
桁架杆承力底座，所述至少四个滑动导向杆上端均固定在桁架杆承力底座上；
通过至少四个桁架杆件与桁架杆承力底座固定相连的上板，所述至少四个桁架杆件保证上板与转台连接支撑座所在平面相互平行；
涡轮蜗杆机构，所述电机的输出轴与涡轮蜗杆机构中的涡轮相连；
上端通过丝杠限位套安装在桁架杆承力底座中心孔内且其下端与涡轮蜗杆机构中的涡轮啮合的运动丝杠；
固定在滑动导向环中心孔内的丝杠滑动螺帽，所述运动丝杠安装在丝杠滑动螺帽中，所述电机驱动运动丝杠与丝杠滑动螺帽产生相对转动位移，所述滑动导向环随运动丝杠的转动产生沿运动丝杠轴向的往复运动位移；
下端均通过铰支杆转轴安装在滑动导向环上的四个铰支杆，所述铰支杆可随铰支杆转轴转动；
均通过内板铰支件与铰支杆上端固定相连的四个内板，每个内板上端均通过至少两个90°铰链与上板边缘相连，所述90°铰链在内板展开90°时进行限位锁定；
与内板(8)一一对应安装的外板(9)，所述内板(8)通过至少两个180°铰链(3)和一个电控锁(2)与外板(9)固定相连，所述电控锁两端分别固定在内板和外板上，所述电控锁位于180°铰链相对位置上，所述180°铰链在外板展开180°时进行限位锁定；
每个内板外表面通过十二个薄膜镜调整架固定有十二个薄膜镜，每个外板外表面通过九个薄膜镜调整架固定有九个薄膜镜，所述内板上的薄膜镜与相应的外板上的薄膜镜相对设置，上板上表面通过九个薄膜镜调整架固定有九个薄膜镜。
进一步的，本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构还包括安装在滑动导向环内侧用于对滑动导向环运动位置进行限位保护的限位器。
进一步的，本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构还包括电机座调整垫和电机座；所述电机固定在电机座上，所述电机座通过电机座调整垫固定在转台连接支撑座上，所述涡轮蜗杆机构安装在电机座中。
所述薄膜镜采用单面镀铝聚酰亚胺膜直接加工成形，镜面面形无需充气保持，无漏气现象。
所述至少四个桁架杆件倾斜设置，每个桁架杆件上端均与上板所在平面成一锐角，每个桁架杆件下端均与桁架杆承力底座所在平面成一钝角。
所述滑动导向杆和无油衬套均为四个，这四个滑动导向杆均匀分布在转台连接支撑座和桁架杆承力底座之间，一个滑动导向杆对应安装有一个无油衬套。
所述桁架杆件为四个，这四个桁架杆件均匀分布在桁架杆承力底座和上板之间。
所述90°铰链的数量为至少八个，所述180°铰链的数量为至少八个。
所述薄膜镜调整架与薄膜镜的数量相等，即薄膜镜调整架与薄膜镜一一对应安装。
所述薄膜镜调整架与薄膜镜的数量均为93个，通过调整薄膜镜调整架来调整内板、外板和上板上的薄膜镜之间的相对关系。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了大型空间太阳能电站薄膜聚光系统主镜的折展定位，结构在发射阶段处于收拢状态，入轨以后按要求自行打开并锁定拼接薄膜聚光镜，使运载发射的体积大大减小，节约了设备发射的空间尺寸，利于更大尺寸拼接薄膜聚光镜的研制。
2、本发明结构上采用简洁化的处理方式，通过内板、铰支杆和滑动导向环之间的联动作用实现了拼接薄膜聚光镜结构的同步展开功能，保证了内板同步展开与拼接的精度，避免了因装配不当导致的展开失效或机械卡滞问题，大大了提高安全性和可靠性，这在空间项目的研制中是极其重要的一项考核指标。
3、本发明采用防卡滞热补偿设计方法，通过合理选择铰支杆、丝杠滑动螺帽、电机座调整垫和滑动导向环的材料和尺寸可实现拼接薄膜聚光镜结构在一定的温度范围内的无卡滞运动，有效避免因工作温度的变化导致的卡滞失效问题，利于未来大型空间太阳能电站薄膜聚光系统主镜展开结构可靠性的提高。
4、本发明中的薄膜镜采用单面镀铝聚酰亚胺膜直接加工成形，镜面面形无需充气保持，避免了薄膜充气结构在空间出现漏气的现象，利于未来大型空间太阳能电站薄膜聚光系统主镜可靠性的提高。
5、本发明结构简单、易于加工、装配操作便捷，避免了复杂组合结构所引起的加工制造难题，可大幅降低结构件加工装调成本，缩短加工周期。本发明适应性好，使用范围广泛，尤其适用于空间展开机构。
附图说明
图1为现有美国NASA在SERT研究计划中提出的2007 SSP集成对称聚光系统主镜的结构示意图。
图2为本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构的立体图。
图3为本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构的主视图。
图4为图3所示的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构的俯视图。
图5为本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构中的主承力部件连接装配示意图。
图6为本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构中的主承力部件连接装配主视图。
图7为本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构展开效果示意图。
图中：1、90°铰链，2、电控锁，3、180°铰链，4、电机，5、转台连接支撑座，6、滑动导向杆，7、铰支杆，8、内板，9、外板，10、薄膜镜调整架，11、薄膜镜，12、上板，13、桁架杆件，14、内板铰支件，15、丝杠限位套，16、桁架杆承力底座，17、运动丝杠，18、丝杠滑动螺帽，19、电机座调整垫，20、电机座，21、滑动导向环，22、无油衬套，23、铰支杆转轴，24、限位器，25、镜框，26、薄膜拼接镜，27、固定绳索。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2至图7所示，本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，主要由90°铰链1、电控锁2、180°铰链3、电机4、转台连接支撑座5、滑动导向杆6、铰支杆7、内板8、外板9、薄膜镜调整架10、薄膜镜11、上板12、桁架杆件13、内板铰支件14、丝杠限位套15、桁架杆承力底座16、运动丝杠17、丝杠滑动螺帽18、电机座调整垫19、电机座20、滑动导向环21、无油衬套22、铰支杆转轴23和限位器24组成。
如图5和图6所示(图5和图6中均省略了两个内板8和两个外板9以及其上的组件，方便观察内部的转台连接支撑座5、滑动导向杆6、铰支杆7、桁架杆件13、桁架杆承力底座16、滑动导向环21和无油衬套22等结构)，转台连接支撑座5、滑动导向杆6、铰支杆7、桁架杆件13、桁架杆承力底座16、滑动导向环21和无油衬套22为主承力部件。转台连接支撑座5提供与外部连接接口，电机座20通过电机座调整垫19固定在转台连接支撑座5上，电机座20中设置有涡轮蜗杆机构，电机4固定在电机座20上，电机4的输出轴与涡轮蜗杆机构中的涡轮相连，运动丝杠17下端与涡轮蜗杆机构中的涡轮啮合，涡轮蜗杆机构中的涡轮将电机4输出轴的转动转变为与电机4输出轴垂直相交的运动丝杠17的转动，丝杠滑动螺帽18固定在滑动导向环21的中心孔内，运动丝杠17中间安装在丝杠滑动螺帽18中，且与丝杠滑动螺帽18相对转动，运动丝杠17上端通过丝杠限位套15安装在桁架杆承力底座16的中心孔内，在电机4的驱动下，运动丝杠17与丝杠滑动螺帽18产生相对转动位移，与丝杠滑动螺帽18固连的滑动导向环21随着动丝杠17的转动，产生沿着运动丝杠17轴向的往复运动位移。
滑动导向杆6上端固定在桁架杆承力底座16上，滑动导向杆6中间通过无油衬套22安装在滑动导向环21的圆周通孔内，无油衬套22用于减小滑动摩擦阻力，滑动导向杆6下端固定在转台连接支撑座5上。滑动导向杆6和无油衬套22的数量相等，滑动导向杆6和无油衬套22的个数均为至少四个，至少四个滑动导向杆6均匀分布在滑动导向环21的通孔中。在本实施方式中滑动导向杆6和无油衬套22均为四个，这四个滑动导向杆6均匀分布在转台连接支撑座5和桁架杆承力底座16之间，一个滑动导向杆6对应安装有一个无油衬套22。
铰支杆7下端通过铰支杆转轴23安装在滑动导向环21圆周边缘，铰支杆7下端可以随着铰支杆转轴23转动，铰支杆7上端固定在内板铰支件14上，内板铰支件14固定在内板8上部。铰支杆7、内板铰支件14和铰支杆转轴23的数量相等，铰支杆7、内板铰支件14和铰支杆转轴23的数量均为四个，这四个铰支杆7下端均匀分布在滑动导向环21圆周边缘上，且每个铰支杆7对应连接一个内板8。
桁架杆件13下端固定在桁架杆承力底座16圆周边缘，其上端固定在上板12圆周边缘，且桁架杆件13倾斜设置，桁架杆件13下端与桁架杆承力底座16所在平面成一钝角，桁架杆件13上端与上板12所在平面成一锐角，该钝角与该锐角之和为180°，桁架杆件13保证上板12与转台连接支撑座5所在平面相互平行。桁架杆件13的数量为至少四个，至少四个桁架杆件13均匀分布在桁架杆承力底座16圆周边缘上。在本实施方式中桁架杆件13为四个，这四个桁架杆件13均匀分布在桁架杆承力底座16和上板12之间。
薄膜镜调整架10与薄膜镜11的数量相等，薄膜镜调整架10与薄膜镜11的数量均为93个，即薄膜镜调整架10与薄膜镜11一一对应安装。上板12上表面通过九个薄膜镜调整架10固定有九个薄膜镜11。内板8和外板9的数量相等，内板8和外板9的数量均为四个，90°铰链1的数量为至少八个，180°铰链3的数量为至少八个，电控锁2的数量为四个。每个内板8上端均通过至少两个90°铰链1与上板12的边缘相连，90°铰链1一端与内板8相连，另一端与上板12相连，每个内板8外表面通过十二个薄膜镜调整架10固定有十二个薄膜镜11，90°铰链1及电机4提供内板8展开驱动力，90°铰链1在内板8展开过程中起机械限位作用，保证内板8展开角度达90°时进行限位锁定，保证内板8展开的位置精度。每个外板9侧端均通过至少两个180°铰链3和一个电控锁2与内板8连接固定，180°铰链3一端与内板8相连，另一端与外板9相连，电控锁2一端固定在外板9上，另一端固定在内板8上，如图2、图3、图5或图6所示，电控锁2位于180°铰链3相对位置，即电控锁2位于180°铰链3的相对立面，两者位于外板9的同一侧面，且安装距离与外板9的宽度尺寸一致，电控锁2采用现有市售的即可，其工作原理为公知，在此不在赘述。每个外板9外表面通过九个薄膜镜调整架10固定有九个薄膜镜11，每个内板8外表面上的薄膜镜11与相应的外板9外表面上的薄膜镜11相对设置。180°铰链3提供外板9展开驱动力，外板9在180°铰链3和电控锁2的作用下实现四处展开运动，通过合理设置电控锁2的打开次序可以对外板9实施不同的展开策略，180°铰链3在外板9展开过程中起机械限位作用，保证外板9展开角度达180°时进行限位锁定，保证外板9展开的位置精度。通过薄膜镜调整架10调整薄膜镜11指向最终预期位置，通过调整薄膜镜调整架10来调整内板8、外板9和上板12上的薄膜镜11之间的相对关系。
电机4通过与运动丝杠17连接的滑动导向环21提供内板8同步展开驱动力，滑动导向环21沿着运动丝杠17轴向往复运动，驱动内板8同步折展运动，限位器24安装在滑动导向环21内侧，装配完毕后确定限位器24的最终位置，当电机4通电转动后，限位器24对滑动导向环21运动位置进行限位保护。
本发明的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，薄膜镜11全部展开的过程如下：
首先通过电控锁2和180°铰链3的作用使外板9展开180°，然后将电机4通电，运动丝杠17随着电机4的输出轴转动，在电机4的驱动下，运动丝杆17与丝杠滑动螺帽18产生相对转动位移，滑动导向环21随着动丝杠17的转动产生沿着运动丝杠17轴向的往复运动位移，此时，铰支杆7随着滑动导向环21沿着转动轴23转动，驱动内板8同步折展运动，内板8在90°铰链1的作用下展开90°，此时，限位器24对滑动导向环21运动位置进行限位保护，达到限定位置后滑动导向环21停止运动，完成整个薄膜镜11的全部展开功能，即先展开外板9，再展开内板8，开展后的结构如图7所示，四个内板8和四个外板9间隔排布，其上安装的薄膜镜11表面位于一个平面上。
本实施方式中，薄膜镜11采用单面镀铝聚酰亚胺膜直接加工成形，镜面面形无需充气保持，避免了薄膜充气结构在空间出现漏气的现象，利于未来大型空间太阳能电站薄膜聚光系统主镜可靠性的提高。
本发明通过四个内板8和四个外板9的折展定位实现整个镜面的折展定位，内板8在铰支杆7、内板铰支件14、滑动导向环21和铰支杆转轴23的作用下实现四处同步折展运动；通过合理选择滑动导向环21在滑动导向杆6上的位移量可以调整内板8的展开角度。通过合理匹配丝杠滑动螺帽18、电机座调整垫19和滑动导向环21三者之间的装配关系，可以实现内板8平稳无卡滞的展开；通过合理选择铰支杆7、内板铰支件14、丝杠滑动螺帽18、电机座调整垫19与滑动导向环21的材料和尺寸可实现镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构在一定的温度范围内的无卡滞运动；铰支杆7、内板8、内板铰支件14、与滑动导向环21的装配方式在简化装调难度的同时保证了内板8同步展开与拼接的精度，避免了因装配不当导致的展开失效或机械卡滞问题，保证了内板8展开运动的同步性及可靠性。
Claims (10)
1.镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，包括：
带有外部接口的转台连接支撑座(5)和固定在转台连接支撑座(5)上的电机(4)；
下端固定在转台连接支撑座(5)圆周上的至少四个滑动导向杆(6)，所述至少四个滑动导向杆(6)均匀分布；
滑动导向环(21)，所述至少四个滑动导向杆(6)均通过无油衬套(22)滑动安装在滑动导向环(21)圆周通孔中；
桁架杆承力底座(16)，所述至少四个滑动导向杆(6)上端均固定在桁架杆承力底座(16)上；
通过至少四个桁架杆件(13)与桁架杆承力底座(16)固定相连的上板(12)，所述至少四个桁架杆件(13)保证上板(12)与转台连接支撑座(5)所在平面相互平行；
涡轮蜗杆机构，所述电机(4)的输出轴与涡轮蜗杆机构中的涡轮相连；
上端通过丝杠限位套(15)安装在桁架杆承力底座(16)中心孔内且其下端与涡轮蜗杆机构中的涡轮啮合的运动丝杠(17)；
固定在滑动导向环(21)中心孔内的丝杠滑动螺帽(18)，所述运动丝杠(17)安装在丝杠滑动螺帽(18)中，所述电机(4)驱动运动丝杠(17)与丝杠滑动螺帽(18)产生相对转动位移，所述滑动导向环(21)随运动丝杠(17)的转动产生沿运动丝杠(17)轴向的往复运动位移；
下端均通过铰支杆转轴(23)安装在滑动导向环(21)上的四个铰支杆(7)，所述铰支杆(7)可随铰支杆转轴(23)转动；
均通过内板铰支件(14)与铰支杆(7)上端固定相连的四个内板(8)，每个内板(8)上端均通过至少两个90°铰链(1)与上板(12)边缘相连，所述90°铰链(1)在内板(8)展开90°时进行限位锁定；
与内板(8)一一对应安装的外板(9)，所述内板(8)通过至少两个180°铰链(3)和一个电控锁(2)与外板(9)固定相连，所述电控锁(2)两端分别固定在内板(8)和外板(9)上，所述电控锁(2)位于180°铰链(3)相对位置上，所述180°铰链(3)在外板(9)展开180°时进行限位锁定；
每个内板(8)外表面通过十二个薄膜镜调整架(10)固定有十二个薄膜镜(11)，每个外板(9)外表面通过九个薄膜镜调整架(10)固定有九个薄膜镜(11)，所述内板(8)上的薄膜镜(11)与相应的外板(9)上的薄膜镜(11)相对设置，上板(12)上表面通过九个薄膜镜调整架(10)固定有九个薄膜镜(11)。
2.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，还包括安装在滑动导向环(21)内侧用于对滑动导向环(21)运动位置进行限位保护的限位器(24)。
3.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，还包括电机座调整垫(19)和电机座(20)；所述电机(4)固定在电机座(20)上，所述电机座(20)通过电机座调整垫(19)固定在转台连接支撑座(5)上，所述涡轮蜗杆机构安装在电机座(20)中。
4.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述薄膜镜(11)采用单面镀铝聚酰亚胺膜直接加工成形，镜面面形无需充气保持，无漏气现象。
5.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述至少四个桁架杆件(13)倾斜设置，每个桁架杆件(13)上端均与上板(12)所在平面成一锐角，每个桁架杆件(13)下端均与桁架杆承力底座(16)所在平面成一钝角。
6.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述滑动导向杆(6)和无油衬套(22)均为四个，这四个滑动导向杆(6)均匀分布在转台连接支撑座(5)和桁架杆承力底座(16)之间，一个滑动导向杆(6)对应安装有一个无油衬套(22)。
7.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述桁架杆件(13)为四个，这四个桁架杆件(13)均匀分布在桁架杆承力底座(16)和上板(12)之间。
8.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述90°铰链(1)的数量为至少八个，所述180°铰链(3)的数量为至少八个。
9.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述薄膜镜调整架(10)与薄膜镜(11)的数量相等，即薄膜镜调整架(10)与薄膜镜(11)一一对应安装。
10.根据权利要求1所述的镜面自动折展定位拼接薄膜聚光镜结构，其特征在于，所述薄膜镜调整架(10)与薄膜镜(11)的数量均为93个，通过调整薄膜镜调整架(10)来调整内板(8)、外板(9)和上板(12)上的薄膜镜(11)之间的相对关系。
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