CN104765122A - 空间可伸缩桁架式二元光学相机及其在轨工作方法 - Google Patents

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Abstract

空间可伸缩桁架式二元光学相机及其在轨工作方法，属于航天中的空间可重复展开领域，本发明为解决现有空间可折展构架式支撑臂的结构复杂、质量大，存在难以重复折展的问题。本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的分块式可展开光学主镜通过三个球铰安装在支撑臂上；支撑臂包括多个架构式可折展单元。其在轨工作方法为：发射时，支撑臂和分块式可展开光学主镜均为折叠模式，光学相机为发射收拢模式；入轨后，切换到支撑臂展开模式，支撑臂展开；支撑臂展开到位后，切换到在轨运行模式，分块式可展开光学主镜展开；切换到在轨收拢模式时，支撑臂折叠，分块式可展开光学主镜展开。本发明用于大口径空间相机。

Description

空间可伸缩桁架式二元光学相机及其在轨工作方法
技术领域
本发明属于航天中的空间可重复展开领域。
背景技术
随着空间科学技术的迅猛发展，发展大口径空间相机在空间探测等领域的应用呈现出愈发重要的意义。对于有着高观测指标的空间相机而言，其主镜的尺寸必须十分巨大，当然由此带来的制造与发射难度也会很大。对于主镜尺寸为米级的下一代太空望远镜的光学系统来说，传统一体化的主反射镜的体积质量是惊人的。这样的尺寸与质量无论是从发射成本还是从发射难度上来说，要求都是非常高的。所以发射数米或更大直径的望远镜就需要新的运载工具，或者是设计灵巧的望远镜系统，利用现有的运载工具来发射。
空间可折展支撑臂是空间折展机构中形式最为丰富、研究最早、应用最为广泛的一维空间折展机构。空间支撑臂的主要作用是展开柔性太阳能帆板，支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜。作为重力梯度杆、磁强针等展开装置，以及分离电子设备以减少相互之间的干扰等。纵观国内外相关领域的发展，目前应用于航天领域的空间支撑臂主要有以下4种形式：薄壁管状支撑臂、套筒管状支撑臂、构架式支撑臂和膨胀硬化式支撑臂。其中构架式支撑臂的种类有盘压杆式支撑臂和铰接杆式支撑臂。但目前现有的构架式支撑臂的展开机构结构复杂，质量大以及存在难以重复折展的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有空间可折展构架式支撑臂的结构复杂、质量大，存在难以重复折展的问题，提供了一种空间可伸缩桁架式二元光学相机及其在轨工作方法。
本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机，它包括分块式可展开光学主镜、球铰和支撑臂；
分块式可展开光学主镜包括2N个分块子镜，其中：N为正整数，且N≥3；每个分块子镜包括子块支撑框架、微调器、镜片支撑板和镜片，镜片安装在镜片支撑板上，镜片支撑板通过微调器嵌装入子块支撑框架；相邻两个分块子镜之间安装有弹簧铰链驱动器和锁定器；
支撑臂包括多个架构式可折展单元、拉索、控速索、底座和驱动控制器；架构式可折展单元包括两个三角框架、三个上折叠臂、三个下折叠臂和三个弹簧铰链；上折叠臂和下折叠臂通过弹簧铰链相连接行成三个支撑杆，两个三角框架通过三个支撑杆相连接，两个三角框架平行设置；
架构式可折展单元固定在底座上，驱动控制器安装在底座内；拉索和控速索均安装在每个架构式可折展单元的两个三角框架之间；
分块式可展开光学主镜通过三个球铰安装在支撑臂的顶端；底座通过法兰盘安装在卫星星体上。
本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其在轨工作方法包括四种工作模式，分别为：发射收拢模式、支撑臂展开模式、在轨运行模式和在轨收拢模式；
发射收拢模式：发射状态时，支撑臂和分块式可展开光学主镜均为折叠模式；
支撑臂展开模式：入轨后，驱动控制器驱动电机正转，拉索和控速索释放，支撑臂在弹簧铰链的驱动下展开，展开到位后锁定刚化，将折叠状态的分块式可展开光学主镜送到指定位置；
在轨运行模式：支撑臂展开到位后，锁定器解锁，分块式可展开光学主镜在弹簧铰链驱动器的弹性势能作用下展开，展开到位后，锁定器锁定刚化，支撑臂和分块式可展开光学主镜均为展开模式；
在轨收拢模式：驱动控制器驱动电机反转，拉索拉动支撑臂中第一个架构式可折展单元中弹簧铰链的一对滚轮，产生作用在滚轮的弯矩，并在横杆的弯折作用下使弹簧铰链沿滚轮转动，从而使弹簧铰链弯折解锁，并在控速索的作用下向内侧折叠，第一个架构式可折展单元收拢，其他架构式可折展单元在拉索和控速索的作用下依次收拢，支撑臂收拢完成。
本发明的优点：
1、本发明实现了大口径甚至超大口径光学主镜的分块设计，发射时将子镜折叠起来，以减少发射时所占的空间，入轨后再将它展开成工作状态，从而实现数米级主镜的空间望远镜的升空发射；
2、本发明实现了主镜在大口径下具有较高的展开精度和刚度，可满足大口径星载望远镜主镜的要求；
3、本发明主镜展开过程由弹簧铰链驱动展开，展开运动简单、可靠性高，不需要刻意增加另额外的电机组件，展开控制简单，质量轻；
4、本发明支撑臂可实现重复展收，展开与收拢只需一个位于底座的驱动控制装置控制，折展机构结构简单，可大大减轻机构的重量；
5、本发明的整体结构收拢后体积很小、收拢刚度大，便于运输，能够有效节省发射火箭上有效载荷空间；
6、本发明的光学主镜和支撑臂都可随着主镜孔径的增大进一步扩展，机构适应性强，容易扩展；
7、本发明所有结构都是由航天常用材料加工制造，材料资源丰富，加工工艺成熟，便于所述机构的技术实施；本发明也满足其他可展开探测机构的基本要求，便于展开技术的推广。
附图说明
图1是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机在轨运行模式的结构示意图；
图2是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机支撑臂展开模式的结构示意图；
图3是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机发射收拢模式的结构示意图；
图4是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机在轨收拢模式的结构示意图；
图5是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的架构式可折展单元的结构示意图；
图6是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的分块式可展开光学主镜的结构示意图；
图7是本发明所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的弹簧铰链的结构示意图；
图8是采用四棱柱支撑臂的空间可伸缩桁架式二元光学相机的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述空间可伸缩桁架式二元光学相机，它包括分块式可展开光学主镜1、球铰2和支撑臂3；
分块式可展开光学主镜1包括2N个分块子镜，其中：N为正整数，且N≥3；每个分块子镜包括子块支撑框架9、微调器10、镜片支撑板11和镜片14，镜片14安装在镜片支撑板11上，镜片支撑板11通过微调器10嵌装入子块支撑框架9；相邻两个分块子镜之间安装有弹簧铰链驱动器12和锁定器13；
支撑臂3包括多个架构式可折展单元4、拉索5、控速索6、底座7和驱动控制器8；架构式可折展单元4包括两个三角框架15、三个上折叠臂16、三个下折叠臂18和三个弹簧铰链17；上折叠臂16和下折叠臂18通过弹簧铰链17相连接行成三个支撑杆，两个三角框架15通过三个支撑杆相连接，两个三角框架15平行设置；
架构式可折展单元4固定在底座7上，驱动控制器8安装在底座7内；拉索5和控速索6均安装在每个架构式可折展单元4的两个三角框架15之间；
分块式可展开光学主镜1通过三个球铰2安装在支撑臂3的顶端；底座7通过法兰盘安装在卫星星体上。
本实施方式中，微调器10通过控制压电陶瓷的通断电实现镜片的六个自由度运动，以满足主镜的功能需要。
本实施方式中，弹簧铰链17实现锁定和解锁双重作用。
具体实施方式二：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，两个三角框架15还安装有六根斜拉索19。
本实施方式中，六根斜拉索19用于提高架构式可折展单元4的刚度和稳定性。
具体实施方式三：下面结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其在轨工作方法包括四种工作模式，分别为：发射收拢模式、支撑臂展开模式、在轨运行模式和在轨收拢模式；
发射收拢模式：发射状态时，支撑臂3和分块式可展开光学主镜1均为折叠模式，参见图3所示；
支撑臂展开模式：入轨后，驱动控制器8驱动电机正转，拉索5和控速索6释放，支撑臂3在弹簧铰链17的驱动下展开，展开到位后锁定刚化，将折叠状态的分块式可展开光学主镜1送到指定位置，参见图2所示；
在轨运行模式：支撑臂3展开到位后，锁定器13解锁，分块式可展开光学主镜1在弹簧铰链驱动器12的弹性势能作用下展开，展开到位后，锁定器13锁定刚化，支撑臂3和分块式可展开光学主镜1均为展开模式，参见图1所示；
在轨收拢模式：驱动控制器8驱动电机反转，拉索5拉动支撑臂3中第一个架构式可折展单元4中弹簧铰链17的一对滚轮20，产生作用在滚轮20的弯矩，并在横杆22的弯折作用下使弹簧铰链17沿滚轮20转动，从而使弹簧铰链17弯折解锁，并在控速索6的作用下向内侧折叠，第一个架构式可折展单元4收拢，其他架构式可折展单元4在拉索5和控速索6的作用下依次收拢，支撑臂3收拢完成，参见图4所示。
具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述分块式可展开光学主镜1折叠模式为：2N个分块子镜中每一对分块子镜状态相同，均平行紧密贴合，N对分块子镜围成锥形。
具体实施方式五：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述分块式可展开光学主镜1的展开模式为：2N个分块子镜围成圆形平面。
具体实施方式六：下面结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述支撑臂3折叠模式为：弹簧铰链17折叠收拢并锁定，上折叠臂16和下折叠臂18向内侧折叠收拢，三角框架15平行靠拢，在控速索6的作用下，支撑臂3折叠到最小体积状态。
本实施方式中，使支撑臂3处于折叠模式，能够减小发射火箭时光学相机所占用的有效空间，同时具有较高的振动稳定性。
本发明中，支撑臂3根据分块式可展开光学主镜1中分块子镜的个数，可以是三菱柱、四棱柱或其他任意形式，如图8所示，对于超大口径的二元光学望远镜，可以采用一个架构式可折展单元4构成，以提高支撑臂3的刚度和精度。
本发明中，空间可伸缩桁架式二元光学相机采用电机作为主驱动源，安装于弹性铰链内的弹簧作为辅助驱动源的混合驱动形式。
本发明提出了一种基于空间可伸缩桁架式二元光学相机及其在轨工作方法，涉及光学主镜的分块设计、驱动展开、锁定刚化、镜片的六自由度控制及支撑臂的重复折展。本发明的目的是为了设计一种可应用于大孔径甚至超大口径的分块式可展开光学主镜并解决构架式支撑臂展开机构结构复杂、质量大，难以重复折展的问题。空间可伸缩桁架式二元光学相机在发射时处于收拢状态，入轨后，拉索5和控速索6释放，支撑臂3在弹簧铰链17的驱动作用下同步展开，展开到位后自动锁定刚化，然后分块式可展开光学主镜1的锁定器13解锁，分块式可展开光学主镜1展开，展开到位后锁定器13自动锁定刚化；机构收拢时，驱动控制器8中的电机反转，拉索5首先拉动支撑臂3第一个模块中弹簧铰链17上的滚轮20使弹簧铰链17解锁，在控速索6的作用下支撑臂3的第一个模块逐步收拢，然后拉索5解锁支撑臂3的第二个模块，支撑臂3的其他模块依次逐步收拢。本发明机构的收拢体积小，折展只需一个位于机构底座的驱动装置控制，省去了传统构架式支撑臂笨重的释放筒，具有运动简单可靠，可适应大口径望远镜的需要，以及可模块化拓展等特点。

Claims (6)

1.空间可伸缩桁架式二元光学相机，其特征在于：它包括分块式可展开光学主镜(1)、球铰(2)和支撑臂(3)；
分块式可展开光学主镜(1)包括2N个分块子镜，其中：N为正整数，且N≥3；每个分块子镜包括子块支撑框架(9)、微调器(10)、镜片支撑板(11)和镜片(14)，镜片(14)安装在镜片支撑板(11)上，镜片支撑板(11)通过微调器(10)嵌装入子块支撑框架(9)；相邻两个分块子镜之间安装有弹簧铰链驱动器(12)和锁定器(13)；
支撑臂(3)包括多个架构式可折展单元(4)、拉索(5)、控速索(6)、底座(7)和驱动控制器(8)；架构式可折展单元(4)包括两个三角框架(15)、三个上折叠臂(16)、三个下折叠臂(18)和三个弹簧铰链(17)；上折叠臂(16)和下折叠臂(18)通过弹簧铰链(17)相连接行成三个支撑杆，两个三角框架(15)通过三个支撑杆相连接，两个三角框架(15)平行设置；
架构式可折展单元(4)固定在底座(7)上，驱动控制器(8)安装在底座(7)内；拉索(5)和控速索(6)均安装在每个架构式可折展单元(4)的两个三角框架(15)之间；
分块式可展开光学主镜(1)通过三个球铰(2)安装在支撑臂(3)的顶端；底座(7)通过法兰盘安装在卫星星体上。
2.根据权利要求1所述的空间可伸缩桁架式二元光学相机，其特征在于：两个三角框架(15)还安装有六根斜拉索(19)。
3.基于权利要求1所述空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其特征在于：其在轨工作方法包括四种工作模式，分别为：发射收拢模式、支撑臂展开模式、在轨运行模式和在轨收拢模式；
发射收拢模式：发射状态时，支撑臂(3)和分块式可展开光学主镜(1)均为折叠模式；
支撑臂展开模式：入轨后，驱动控制器(8)驱动电机正转，拉索(5)和控速索(6)释放，支撑臂(3)在弹簧铰链(17)的驱动下展开，展开到位后锁定刚化，将折叠状态的分块式可展开光学主镜(1)送到指定位置；
在轨运行模式：支撑臂(3)展开到位后，锁定器(13)解锁，分块式可展开光学主镜(1)在弹簧铰链驱动器(12)的弹性势能作用下展开，展开到位后，锁定器(13)锁定刚化，支撑臂(3)和分块式可展开光学主镜(1)均为展开模式；
在轨收拢模式：驱动控制器(8)驱动电机反转，拉索(5)拉动支撑臂(3)中第一个架构式可折展单元(4)中弹簧铰链(17)的一对滚轮(20)，产生作用在滚轮(20)的弯矩，并在横杆(22)的弯折作用下使弹簧铰链(17)沿滚轮(20)转动，从而使弹簧铰链(17)弯折解锁，并在控速索(6)的作用下向内侧折叠，第一个架构式可折展单元(4)收拢，其他架构式可折展单元(4)在拉索(5)和控速索(6)的作用下依次收拢，支撑臂(3)收拢完成。
4.根据权利要求3所述的空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其特征在于：所述分块式可展开光学主镜(1)折叠模式为：2N个分块子镜中每一对分块子镜状态相同，均平行紧密贴合，N对分块子镜围成锥形。
5.根据权利要求3所述的空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其特征在于：所述分块式可展开光学主镜(1)的展开模式为：2N个分块子镜围成圆形平面。
6.根据权利要求3所述的空间可伸缩桁架式二元光学相机的在轨工作方法，其特征在于：所述支撑臂(3)折叠模式为：弹簧铰链(17)折叠收拢并锁定，上折叠臂(16)和下折叠臂(18)向内侧折叠收拢，三角框架(15)平行靠拢，在控速索(6)的作用下，支撑臂(3)折叠到最小体积状态。
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