CN105474780B - 空间薄膜设施的收拢展开支撑管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宇航飞行器设备，公开了一种空间薄膜设施的收拢展开支撑管，包括：横截面呈“Ω”形状的上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]，它们的半圆形凹面相对，两侧平面状边缘相互对应胶接，组成豆荚状的薄壁支撑管。航天器发射阶段，薄壁支撑管压平呈扁平条状绕其自身或一鼓轮上卷曲收拢。航天器发射到预定轨道后，薄壁支撑管展开，从平卷状态恢复为长管状态。上述上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]由高比模量纤维增强树脂基复合材料制备。本发明解决了原有结构体积大、结构复杂、展开稳定性和可靠性低等问题，具有弹性恢复力大、弹性恢复率高、弹性恢复可靠性好、密度低、强度高、刚度大、成本低等优点。<pb pnum="1" />

Description

空间薄膜设施的收拢展开支撑管

技术领域

本发明涉及宇航飞行器机载设备，尤其是一种用于航天器机载大型空间薄膜设施的收拢展开支撑管。

背景技术

随着人类对太空资源需求的激增，无论是军事领域还是商业领域，航天器机载大型空间薄膜设施，例如空间天线、太阳能电池阵、太阳能帆板、太阳防护罩、太空居住舱等大型空间薄膜设施的使用越来越多。但是，这些空间薄膜设施重量重、收藏体积大，受到运载工具的限制，其造价和发射成本都很高。因此，研制新型大尺寸可展开空间薄膜设施是当前的一项热门课题。尤其是质量轻、尺寸大、刚度好的空间薄膜设施的支撑结构，还难以解决。

支撑管主要用于大型空间薄膜设施，要求在航天器发射时卷绕收拢，航天器在轨飞行时展开，并将空间薄膜设施牢固支撑为一个完整的阵面。目前，公知的航天器用支撑管主要分为铰接展开型和直线展开型两类。铰接展开型支撑管分为弹簧驱动式或电机驱动式。对于弹簧驱动的可展开支撑管，其结构形式相对简单，但展开过程不可逆，展开过程中可能对航天器产生较大冲击载荷；电机驱动可展开支撑管展开过程比较稳定，对结构造成的冲击载荷较小，但其展开控制系统控制环节多，展开可靠性较低。直线展开支撑管包括套筒管、金属管状杆等。套筒管由一组径向尺寸依次减小的多个薄壁套筒相互连接而成。套筒管展开后具有较高的刚度和强度，但由于受套筒管长度和数目的限制，其展开长度较短，不适于制备超大尺寸空间薄膜设施。目前可贮存的管状伸展件均由金属材料制作，空间环境中温度因素对金属管状杆的展开性能有很大影响，当太阳光照射不均匀时，将引起支撑管弯曲、振动。此外，充气式展开支撑管是近年来开始研究的新型空间结构，该结构由柔性材料制备，在地面可折叠收拢，发射到太空后，依靠压缩气体充气展开，其优点是收拢体积小、质量轻，缺点是展开过程不可控，且容易发生气体泄漏，需要持续充入气体或将结构进行固化以维持其结构刚度。

树脂基复合材料具有比模量大、比强度高、热稳定性能好、抗疲劳性及振动阻尼特性优良、可设计性和制造工艺性能好等特点，利用树脂基复合材料制备可展开薄壁支撑管，可有效解决目前公知的航天器支撑管收藏效率低、发射体积大、结构复杂、展开稳定性和可靠性低等诸多问题，为航天器可展支撑管结构的研制提供了新的技术手段，将极大地推进可展开航天器结构的发展。

发明内容

为了解决现有技术收藏效率低、发射体积大、结构复杂、展开稳定性和可靠性低等问题，本发明的目的在于提供一种空间薄膜设施的收拢展开支撑管。利用本发明，不但达到空间薄膜设施收拢展开的要求，而且体积小、质量轻、展开刚度强。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种空间薄膜设施的收拢展开支撑管，该装置包括：

两个横截面呈“Ω”形状的薄壁壳体，它们中间的半圆形凹面相对，两侧平面状边缘相互对应胶接，组成豆荚状的薄壁支撑管。航天器发射阶段，上述薄壁支撑管沿Y方向压平至与XOZ面平行的平面内，两个薄壁壳体半圆面压平，相互贴紧，支撑管呈扁平条状绕一鼓轮上卷曲，直至完全收拢状态。航天器发射到预定轨道后，薄壁支撑管由展开机构控制展开，从平卷状态恢复为长管状态。

上述两个薄壁壳体的横截面也可由多段圆弧相切而成，薄壁壳体边缘为平面状，两个薄壁壳体粘接通过平面状边缘对应胶接。

上述薄壁壳体由高比模量纤维增强树脂基复合材料制备，该复合材料包括：树脂基体，含量范围为60％～70％；纤维增强材料，含量范围为30～40％。上述树脂基体包括至少一种选自下列的材料：环氧树脂、聚氨酯、聚氰酸酯、有机硅聚酰亚胺、双马来酰亚胺、不饱和聚酯。上述纤维增强体包括至少一种选自下列的材料：石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维。

本发明空间薄膜设施的收拢展开支撑管，由于采取上述的技术方案，利用高比模量材料制备可弹性记忆恢复的薄壁支撑管，用于制备大型空间薄膜设施，该支撑管在发射阶段可收拢卷绕成较小的体积，从而，减小发射质量、发射体积、降低发射成本。发射到预定轨道后，支撑管由展开机构控制展开，使空间薄膜设施整体展开成型，有效保持薄膜设施良好的机械性能和持久的尺寸稳定性。因此，本发明取得了重量轻、贮存体积小、收藏效率高、应变内能较小、展开可靠性高、收拢展开过程可逆、易操作、成本低等有益效果。

本发明空间薄膜设施的收拢展开支撑管，可广泛应用于空间天线、太阳能电池阵、太阳能帆板、太阳防护罩、太空居住舱等大型空间薄膜设施。

附图说明

图1是本发明空间薄膜设施的收拢展开支撑管伸展状态构型；

图2是本发明的支撑管压平状态构型；

图3是本发明的支撑管卷曲收拢状态构型。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

图1是本发明空间薄膜设施的收拢展开支撑管伸展状态构型，如图1所示的实施例所示，该装置包括：

横截面呈“Ω”形状的上薄壁壳体1和下薄壁壳体2，上薄壁壳体1和下薄壁壳体2中间的半圆形凹面相对，两侧平面状边缘相互对应胶接，组成长度为0.5～30m的豆荚状薄壁支撑管。

上述上薄壁壳体1和下薄壁壳体2的横截面也可由多段圆弧相切而成，薄壁壳体边缘为平面状，上薄壁壳体1和下薄壁壳体2粘接通过平面状边缘对应胶接，增大胶接面积。

图2是本发明的支撑管压平状态构型；如图2的实施例所示，在航天器发射阶段，为缩小发射体积，薄壁支撑管需要收拢，收拢前，将制成的薄壁支撑管沿Y方向压平至与XOZ面平行的平面内，上薄壁壳体1和下薄壁壳体2的半圆面压平，相互贴紧，支撑管呈扁平条状。

图3是本发明的支撑管卷曲收拢状态构型；如图3所示，按图2处理后的扁平条状的支撑管绕鼓轮3上卷曲，直至完全收拢。

在航天器发射到预定轨道后，薄壁支撑管由展开机构控制展开，结构收拢过程中储存的弹性应变能得到释放，支撑管从平卷状态恢复为长管状态。

上述上薄壁壳体1和下薄壁壳体2均由高比模量纤维增强树脂基复合材料制备，该复合材料包括：树脂基体，占60～70％；纤维增强材料，占30～40％。

上述纤维增强材料采用纤维织物增强相，纤维增强相的体积含量不宜过高，因为低的纤维含量可以保证复合材料在卷曲收拢和展开过程中具有良好的综合性能和变形性。而纤维含量高的复合材料由于刚度过大导致在变形过程中发生材料破坏。所以本发明实施例中，纤维含量要限制在40％以下。为了保证复合材料的强度要求，优先选择纤维增强材料的含量范围为30～40％。因此，优先选择树脂基体材料的含量范围为60％～70％。

上述树脂基体包括至少一种选自下列的材料：环氧树脂、聚氨酯、聚氰酸酯、有机硅聚酰亚胺、双马来酰亚胺、不饱和聚酯。

上述纤维增强体包括至少一种选自下列的材料：石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维。

由于薄壁支撑管采用高比模量树脂基复合材料制备，其重量较轻，且在结构卷曲过程中不易造成材料断裂损伤，同时完全展开成型后其轴向承载力较大，可有效满足大尺寸结构质量轻、收藏比高、展开后结构刚度大的要求。

本发明空间薄膜设施的收拢展开支撑管的主要优点是重量轻、贮存体积小、收藏效率高、应变内能较小、展开可靠性高、收拢展开过程可逆易操作、成本低。本发明的薄壁支撑管可用于空间天线、太阳能电池阵、太阳能帆板、太阳防护罩、太空居住舱等大型空间薄膜设施的收拢与展开机构。

Claims (5)

1.一种空间薄膜设施的收拢展开支撑管，其特征在于，该支撑管包括：横截面呈“Ω”形状的上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]，上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]中间的半圆形凹面相对，两侧平面状边缘相互对应胶接，组成豆荚状的薄壁支撑管；

所述的上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]由高比模量纤维增强树脂基复合材料制备，该复合材料包括树脂基体，含量范围为60％～70％；纤维增强材料，含量范围为30～40％；

所述的薄壁支撑管可沿Y方向压平至与XOZ面平行的平面内，上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]的半圆面压平，相互贴紧，支撑管呈扁平条状绕鼓轮[3]上卷曲，直至完全收拢状态；

所述的薄壁支撑管可由展开机构控制展开，从平卷状态恢复为长管状态。

2.如权利要求1所述的支撑管，其特征在于：所述的上薄壁壳体[1]和下薄壁壳体[2]的横截面由多段圆弧相切而成，两者边缘均为平面状，可通过平面状边缘对应胶接。

3.如权利要求1所述的支撑管，其特征在于：所述的树脂基体包括至少一种选自下列材料：环氧树脂、聚氨酯、聚氰酸酯、有机硅聚酰亚胺、双马来酰亚胺、不饱和聚酯。

4.如权利要求1所述的支撑管，其特征在于：所述的纤维增强材料包括至少一种选自下列材料：石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维。

5.如权利要求1所述的支撑管，其特征在于：所述的薄壁支撑管为长度0.5～30m的长管。