CN104627387A - 可反向展开成形包覆的空间充气结构 - Google Patents

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本发明是可反向展开成形包覆的空间充气结构，目的在于提供一种可以实现反向展开成形、包覆倒锥结构的空间充气结构。包含：包覆罩体（1）、定向展开翻转结构（2、3）、定向伸展锁定机构（4），包覆罩体（1）均分为多片扇形面，扇形面直线边缘缝制相互配合的拉链轨；定向展开翻转结构（2、3）包括：复合环（3）和数量与扇形面相等的管状充气桁架（2）结构，定向展开翻转结构（2、3）整体在锥体母线方向上形成“U”形结构，使所述包覆罩体（1）的扇形面形成包覆结构；定向伸展锁定机构（4）为充气伸展的管状结构，在顶端设置拉链头结构。与传统形式的空间结构相比，空间充气结构具有成本低、体积小、重量轻等优势。

Description

可反向展开成形包覆的空间充气结构
技术领域
本发明涉及一种空间充气结构，具体涉及具有反向展开成形、包覆倒锥结构功能的空间充气结构。
背景技术
目前，空间充气展开结构的应用研究主要有大型展开天线、望远镜、太阳能帆板、星球居住地等，这些充气结构在自由空间向前和周围展开并形成预定形状，无法实现其反向展开成形后对运载器表面的包覆。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种可以实现反向展开成形、包覆倒锥结构的空间充气结构设计方法，利用充气膜结构最小应力稳定理论和自主导向伸展结构实现其空间反向展开成形并形成整体包覆的功能。
本发明是一种可反向展开成形包覆的空间充气结构，设置于锥体底部内，在充气时展开到锥体外部，包覆锥体；其中，包含：包覆罩体、定向展开翻转结构、定向伸展锁定机构，包覆罩体均分为多片扇形面，扇形面直线边缘缝制相互配合的拉链轨，拉链轨约束端位于扇形面底部方向，拉链轨自由端位于扇形面顶部方向；每片包覆罩体的中间位置沿着锥体母线方向缝制有袋套结构，用于放置定向展开翻转结构的管状充气桁架；
定向展开翻转结构包括：复合环和数量与扇形面相等的管状充气桁架结构，复合环包括多组环结构（I～V），所述多组环结构（I～V）沿锥体底面圆周方向设置，且沿锥体母线方向依次层叠，从锥体底部向锥体外部逐步扩展到外部，且所述多组环结构（I～V）相互之间存在偏转角；管状充气桁架与最外侧环结构（V）相连且存在偏转角；所述各个偏转角使得在充气展开后，定向展开翻转结构整体在锥体母线方向上形成“U”形结构，使所述包覆罩体的扇形面形成包覆结构；
定向伸展锁定机构为充气伸展的管状结构，在顶端设置拉链头结构，设置于每2个所述包覆罩体的扇形面之间，与扇形面直线边缘的拉链轨的拉链轨形成拉链系统。
如上所述的可反向展开成形包覆的空间充气结构，其中，定向伸展锁定机构为全柔性的充气内管和充气外管组合结构，内管为导向管，顶端设置约束环和单向阀，外管为伸展管，套于导向管之外；导向管和伸展管为独立气室，二者之间设置的单向阀实现气体的导通；伸展管的外部顶端设置所述拉链头结构。
如上所述的可反向展开成形包覆的空间充气结构，其特征在于，所述扇形面的数量为4个。
本装置充分利用空间真空、失重环境设计一种新型的空间展开结构解决了运载器的表面措施工程化问题。本发明利用充气膜结构最小应力稳定理论和自主导向伸展结构实现其空间反向展开成形并形成整体包覆的功能。可反向展开成形包覆的空间充气结构是由高强薄膜材料通过充气使其内部产生一定的预张应力以展开形成特定空间形状的一种空间结构。
地面状态下，可反向展开成形包覆的空间充气结构和包覆罩体折叠收纳在运载器舱体底部，到空间后，可反向展开成形包覆的空间充气结构在其内部气体压力的作用下向外部、反向膨胀展开，基于薄膜结构的最小应力稳定理论充气结构中的管状充气桁架反向翻转带动包覆罩体包裹在运载器表面，最终形成整体结构使用。与传统形式的空间结构相比，空间充气结构具有成本低、体积小、重量轻等优势。
附图说明
图1是可反向展开成形包覆的空间充气结构成形状态的主视图。
图2是可反向展开成形包覆的空间充气结构成形状态的左视图。
图3是可反向展开成形包覆的空间充气结构安装状态结构示意图。
图4是可反向展开成形包覆的空间充气结构展开过程结构示意图。
图5定向伸展锁定机构的结构示意图。
其中，1-包覆罩体，2-管状充气桁架，3-复合环，4-定向伸展锁定机构，5-气体发生器，6-伸展管，7-单向阀，8-约束环，9-导向管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
本发明所述的一种可反向展开成形包覆的空间充气结构包含：包覆罩体1、定向展开翻转结构（2、3）、定向伸展锁定机构4；用于从锥形飞行器底部伸出，并反向展开，包覆整个锥体；包覆罩体1均分为4片扇形面，扇形面直线边缘缝制拉链轨，拉链轨相互配合，拉链轨约束端位于扇形面底部方向，拉链轨自由端位于扇形面顶部方向，即展开后，拉链轨起点即约束端位于锥体底部方向，拉链轨终点即自由端位于锥体顶部方向，每片包覆罩体1的中间位置沿着锥体母线方向缝制有袋套结构，用于放置定向展开翻转结构（2、3）的管状充气桁架2。地面折叠收纳在运载器舱体底部环形盒内。由充气结构内腔残余气体和气体发生器6进行充气来支持空间展开成形。
每片包覆罩体1与定向展开翻转结构（2、3）采用接触边缘两点固定结构，即，管状充气桁架2的两端与包覆罩体1固定；其余部位为自由状态，便于实现所述可反向展开成形包覆的空间充气结构的地面折叠收纳和空间展开成形。
定向展开翻转结构（2、3）采用柔性薄膜材料制成的多组环、管组合的充气结构方案，实现包覆罩体1能够按照预定空间展开成形并包覆运载器。
定向展开翻转结构（2、3）利用充入的气体展开成形，气体来源是自身携带的残余气体和气体发生器5的二次充气，充入的气体带动包覆罩体1从运载器舱体内伸出、展开、翻转至运载器表面并形成基本包覆状态；
其中，在本实施例中，定向展开翻转结构（2、3）为5组复合环3和4个管状充气桁架2结构。复合环3各环间采用片状复合支承约束，是多个环之间采用复合支承约束的单层膜面充气结构，折叠时按照环之间的各约束面水平放置，其余膜材料尽量铺平，顺序放置。管状充气桁架2套入包覆罩体1上缝制的套状结构内，与各扇形片一起呈Z字形折叠，折叠宽度180mm。
利用只能承受拉力的柔性薄膜材料在受到气体压力作用时朝气体密度低的方向变形直至位移和形状趋于稳定的工作原理，通过对结构不同膜面的形状，支承点平面分布进行设计，使得在展开时，多个环结构以稳定的结构形式逐个从运载器舱内顺序展开至运载器舱外；
复合环具体参数：
环Ⅰ：直径中心径
环Ⅱ：直径中心径
与环Ⅰ距离：120mm，偏转角：0°；
环Ⅲ：直径中心径
与环Ⅱ距离：120mm，偏转角：26°
环Ⅳ：直径中心径
与环Ⅲ距离：120mm，偏转角：90°
环Ⅴ：直径中心径
与环Ⅳ距离：120mm，偏转角：110°
管状充气桁架2参数：直径长度3800mm。管状充气桁架2热合在复合环Ⅴ面上，4根均布，桁架中心与复合环Ⅴ中心相交并具有指定锥度。并且，由于复合环3的各个环之间的角度约束关系，管状充气桁架2从舱体内伸出后，翻转180°指向锥体顶端，成为包覆罩体1的管状充气桁架2，使包覆罩体1按片展开包覆在运载器表面。
应予说明，虽然举例说明了各个环之间的角度以及距离，明确了约束关系，但是，这些参数以及环的个数均不是限定条件，只要能够使得展开后，管状充气桁架2能够翻转，指向锥体顶端，多个环的各种个数以及偏转角度的组合均可以使用。
定向伸展锁定机构4采用全柔性的内管和外管组合的结构方案，内管为导向管9，内置顶端约束环8和单向阀7，用于控制气体流量以及气体的导通；导向管9和伸展管6为独立气室，二者之间放置单向阀7。定向伸展锁定机构4热合在最外侧环结构Ⅴ的面上，整体位于两个管状充气桁架2中间位置；地面折叠时，伸展管6在导向管9充气状态下预先收纳在导向管9外周，然后排空导向管9内气体，将双管同时折叠放置在环Ⅴ面上；在空间中使用时，先给导向管9充气，当导向管9保持有一定刚性后，单向阀7开启，伸展管6在内腔压力作用下沿轴向方向逐渐伸展到位。伸展管6的顶端连接有拉链系统的拉链头，拉链头随伸展管6的运动从锥底到锥顶地拉合拉链轨，将包覆罩体1组件连接成一整体锥套结构，以自然铺设状态套装在运载器表面。其中，定向伸展锁定机构4利用气体发生器5持续补气增压带动拉链结构动作使包覆罩体1拉合成一个整体锥套，拉链结构动作起点位于锥体底部，动作终点在锥体顶部。
具体参数：
导向管9：直径长度300mm；
伸展管6：直径长度3200mm；
约束环8：直径外径
单向阀7：压力5kPa。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种可反向展开成形包覆的空间充气结构，设置于锥体底部内，在充气时展开到锥体外部，包覆锥体；其特征在于，包含：包覆罩体（1）、定向展开翻转结构（2、3）、定向伸展锁定机构（4），包覆罩体（1）均分为多片扇形面，扇形面直线边缘缝制相互配合的拉链轨，拉链轨约束端位于扇形面底部方向，拉链轨自由端位于扇形面顶部方向；每片包覆罩体（1）的中间位置沿着锥体母线方向缝制有袋套结构，用于放置定向展开翻转结构（2、3）的管状充气桁架（2）；
定向展开翻转结构（2、3）包括：复合环（3）和数量与扇形面相等的管状充气桁架（2）结构，复合环（3）包括多组环结构（I～V），所述多组环结构（I～V）沿锥体底面圆周方向设置，且沿锥体母线方向依次层叠，从锥体底部向锥体外部逐步扩展到外部，且所述多组环结构（I～V）相互之间存在偏转角；管状充气桁架（2）与最外侧环结构（V）相连且存在偏转角；所述各个偏转角使得在充气展开后，定向展开翻转结构（2、3）整体在锥体母线方向上形成“U”形结构，使所述包覆罩体（1）的扇形面形成包覆结构；
定向伸展锁定机构（4）为充气伸展的管状结构，在顶端设置拉链头结构，设置于每2个所述包覆罩体（1）的扇形面之间，与扇形面直线边缘的拉链轨的拉链轨形成拉链系统。
2.如权利要求1所述的可反向展开成形包覆的空间充气结构，其特征在于，定向伸展锁定机构（4）为全柔性的充气内管和充气外管组合结构，内管为导向管（9），顶端设置约束环（8）和单向阀（7），外管为伸展管（6），套于导向管（9）之外；导向管（9）和伸展管（6）为独立气室，二者之间设置的单向阀（7）实现气体的导通；伸展管（6）的外部顶端设置所述拉链头结构。
3.如权利要求2所述的可反向展开成形包覆的空间充气结构，其特征在于，所述扇形面的数量为4个。
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