CN105966640B - 一种可重复变构型桁架式航天器结构 - Google Patents

Abstract

一种可重复变构型桁架式航天器结构，它涉及一种航天器。现有航天器存在结构固定封闭且冗余复杂，难以实现航天器故障的在轨维修与设备升级维护的问题。本发明中对接环设在底板的底部，系统驱动机构和支撑框架均设置在底板的顶部，传动机构的底部设在系统驱动机构上，传动机构的顶部设置在支撑框架上，两个固定支撑板均竖直并列设在支撑框架上且二者相对设置，N‑2个展开板的底部依次铰接在底板的边缘处，每个展开板对应设置有一个锁紧机构，每两个相邻的展开板通过对应的一套桁架变构型机构与传动机构相连接，N‑2个展开板在N‑4套桁架变构型机构以及传动机构的控制下同步作出展开和收拢动作。本发明用于航天航空领域。

Description

一种可重复变构型桁架式航天器结构

技术领域

本发明涉及一种变构型桁架式航天器结构，属于航天航空领域。

背景技术

随着载人飞船、空间站、长寿命卫星等航天器长期在轨运行工作，未来在轨服务技术具有巨大的应用前景。随着卫星平台结构日益复杂、规模更为庞大，传统卫星平台显现出很大的局限性，例如传统卫星多是结构不变、封闭完好的多面体，通常情况下是将各子系统例如热控、通信、姿轨控制、推进等有效载荷集成在一起，再加上为提高可靠性增加的冗余设计，使得整个卫星结构复杂，难以实现在轨维修。总之，现有航天器存在结构固定封闭且冗余复杂，难以实现航天器故障的在轨维修与设备升级维护的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可重复变构型桁架式航天器结构，以解决现有航天器存在结构固定封闭且冗余复杂，难以实现航天器故障的在轨维修与设备升级维护的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种可重复变构型桁架式航天器结构，它包括对接环、底板、支撑框架、传动机构、系统驱动机构、N-4套桁架变构型机构、两个固定支撑板、N-2个展开板和N-2个锁紧机构；

所述对接环设置在底板的底部，所述系统驱动机构和支撑框架均设置在底板的顶部，所述传动机构的底部设置在系统驱动机构上，所述传动机构的顶部设置在支撑框架上，所述两个固定支撑板均竖直并列设在支撑框架上且二者相对设置，所述N-2个展开板的底部依次铰接在底板的边缘处，每个展开板对应设置有一个锁紧机构，每两个相邻的展开板之间对应设置有一套桁架变构型机构，每两个相邻的展开板通过对应的一套桁架变构型机构与传动机构相连接，N-2个展开板在N-4套桁架变构型机构以及传动机构的控制下同步作出展开和收拢动作。

N的取值范围为6至12。

所述系统驱动机构包括总电机、总减速器、轴承用支架、联轴器和轴承，所述总电机设置在底板上，所述总电机的输出轴上依次设置有总减速器、轴承用支架、联轴器和轴承。

所述传动机构包括丝杠、螺母和螺母座，所述丝杠竖直设置且其下端依次穿过轴承和联轴器与总电机的输出轴相连接，所述螺母座设置在螺母上，所述螺母座在螺母的带动下沿丝杠的长度方向与丝杠滑动配合。

所述支撑框架的外形为N棱柱形框架，所述支撑框架包括顶盖、N个外斜杆和四个内斜杆，所述丝杠的上端通过中节点固定连接在顶盖的中心处，所述N个外斜杆均匀布置，每个外斜杆的上端通过一个杆接头与顶盖相连接，每个外斜杆的下端设置在底板上，每个内斜杆的上端固定连接在中节点上，每个内斜杆的下端对应有一个外斜杆且其与对应的外斜杆的下端相连接。

每套桁架变构型机构包括驱动杆、展开杆、连接杆、横杆接头、左横杆和右横杆，展开杆的上端铰接在中节点上，所述驱动杆的一端铰接在螺母座上，所述驱动杆的另一端铰接在展开杆上，所述展开杆的下端与连接杆的一端相铰接，连接杆的另一端通过横杆接头分别与两个并列设置的左横杆和右横杆相连接，所述左横杆对应连接有两个相邻展开板中的一个展开板，所述左横杆对应连接有两个相邻展开板中的另一个展开板。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中传动机构采用丝杠和螺母相配合实现传动工作，丝杠和螺母将旋转运动转化为直线运动，因丝杠为自锁螺旋，因而使传动机构具有自锁功能，可省去系统展开状态下的锁定机构，对机构简化与减重具有重要意义。

2、本发明的支撑框架和N-4套桁架变构型机构之间相互配合设置能够增加了航天器承载能力，减轻了主承力结构质量，提高了有效载荷载承比，并且本发明在传统桁架航天器构型上改进，具有很好的继承性。

3、本发明中每套桁架变构型机构收拢于同一平面，即展开杆和外斜杆形成的平面上，对有效载荷的布局影响小。桁架变构型机构能够使支撑框架内部的有效载荷暴露于航天器外部以便于维修和升级，变构型具有惯量变化大和展收包络空间比大的特点。

4、本发明中每个锁紧机构对应一个展开板和一个边框杆，该锁紧机构能够将展开板和边框杆锁定，锁紧牢靠安全，有效提高了本发明的结构刚度。

5、本发明中所有结构都是由航空航天常用材料加工制造，材料资源丰富，加工工艺成熟，所用材料密度小，刚度强度大，可有效减轻机构重量，轻质便于本发明的应用推广。

6、本发明能够实现卫星平台在轨展开为通信卫星提供了更大的散热面积和对地对日面积。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为图1的左视结构示意图；

图4为图1中A处局部剖视图；

图5为图1中B处局部剖视图；

图6为图1中C处局部剖视图；

图7为本发明处于收拢状态时的使用状态图，图中N的取值为6；

图8为本发明处于全部展开后的使用状态图，图中N的取值为6；

图9为图8中D处的放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括包括对接环15、底板16、支撑框架19、传动机构、系统驱动机构、N-4套桁架变构型机构、两个固定支撑板17、N-2个展开板18和N-2个锁紧机构；

所述对接环15设置在底板16的底部，所述系统驱动机构和支撑框架19均设置在底板16的顶部，所述传动机构的底部设置在系统驱动机构上，所述传动机构的顶部设置在支撑框架19上，所述两个固定支撑板17均竖直并列设在支撑框架19上且二者相对设置，所述N-2个展开板18依次铰接在底板16的边缘处，每个展开板18对应设置有一个锁紧机构，每两个相邻的展开板18之间对应设置有一套桁架变构型机构，每两个相邻的展开板18通过对应的一套桁架变构型机构与传动机构相连接，N-2个展开板18在N-4套桁架变构型机构以及传动机构的控制下同步作出展开和收拢动作。

本发明中每个锁紧机构包括SJJG支架32、套筒33、母座34、锁芯35、锁钩36、滑腔37、连接销38、SJJG轴承支架39、SJJG轴承40、SJJG丝杠41、SJJG螺母42、底盖43、SJJG电机44、SJJG减速器45、公座46、锁杆47和调节螺母48。其为一种已有的成品件，其他能够实现将展开板18和边框杆23锁定的锁紧机构均可。

本发明中每个展开板18通过公铰28、第一母铰29、第二母铰30和铰链轴31实现与底板16的铰接。

具体实施方式二：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式中N的取值范围为6至12。当N的取值为6时，即有2套桁架变构型机构、4个展开板18和4个锁紧机构，本发明在收拢状态下的外形为六棱柱形；当N的取值为8时，即有4套桁架变构型机构、6个展开板18和6个锁紧机构，本发明在收拢状态下的外形为八棱柱形，同理本发明在收拢状态下的外形为七棱柱形、九棱柱形及其他的棱柱形。

本发明中底板16的形状与N的具体取值相关，当N的取值为6时，底板16为六边形板。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式中所述系统驱动机构包括总电机1、总减速器2、轴承用支架3、联轴器4和轴承5，所述总电机1设置在底板16上，所述总电机1的输出轴上依次设置有总减速器2、轴承用支架3、联轴器4和轴承5。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1、图8和图9说明本实施方式，本实施方式中所述传动机构包括丝杠6、螺母7和螺母座8，所述丝杠6竖直设置且其下端依次穿过轴承5和联轴器4与总电机1的输出轴相连接，所述螺母座8设置在螺母7上，所述螺母座8在螺母7的带动下沿丝杠6的长度方向与丝杠6滑动配合。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式中所述支撑框架19的外形为N棱柱形框架，所述支撑框架19包括顶盖、N个外斜杆24和四个内斜杆25，所述丝杠6的上端通过中节点20固定连接在顶盖的中心处，所述N个外斜杆24均匀布置，每个外斜杆24的上端通过一个杆接头27与顶盖相连接，每个外斜杆24的下端设置在底板16上，每个内斜杆25的上端固定连接在中节点20上，每个内斜杆25的下端对应有一个外斜杆24且其与对应的外斜杆24的下端相连接。

本实施方式中当N的取值为6时，所述支撑框架19中的顶盖包括六根边框杆23和六根连边杆22，所述六根连边杆22交汇于中节点20处，每两个相邻连边杆22之间设置有一根边框杆23，相邻的边框杆23之间通过一个边节点21相连接。

本实施方式中每个锁紧机构分为锁紧部26和被锁部56，锁紧部26设置在其对应展开板18朝向的边框杆23上，被锁部56设置在其对应的展开板18上。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式中每套桁架变构型机构包括驱动杆9、展开杆10、连接杆11、横杆接头12、左横杆13和右横杆14，展开杆10的上端铰接在中节点20上，所述驱动杆9的一端铰接在螺母座8上，所述驱动杆9的另一端铰接在展开杆10上，所述展开杆10的下端与连接杆11的一端相铰接，连接杆11的另一端通过横杆接头12分别与两个并列设置的左横杆13和右横杆14相连接，所述左横杆13对应连接有两个相邻展开板18中的一个展开板18，所述右横杆14对应连接有两个相邻展开板18中的另一个展开板18。

本实施方式中展开杆10对应有一个外斜杆24，展开杆10上沿其长度方向开设有一个槽，该展开杆10对应的外斜杆24穿过该槽，外斜杆24为展开杆10正常实现收缩和伸出的动作起到导向作用。如此设置既能够使展开杆10沿外斜杆24侧面滑动从而能够控制其对应的两个展开板18同步实现收拢和展开的动作。同时还能够保证外斜杆24位置不变，保证支撑框架19的稳定性。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式四或五相同。

工作过程：

当N的取值为6时，本发明在初始时处于收拢状态，呈六棱柱构型，即本发明采用4个锁紧机构分别将四个展开板18和四个边框杆23锁定。变构型时，四个锁紧机构同步解锁，总电机1通过总减速器2、联轴器3驱动传动机构中的丝杠6转动，从而驱动螺母7和螺母座8产生直线运动，螺母座8依次通过每套桁架变构型机构中的驱动杆9、展开杆10和连接杆11带动左横杆13和右横杆14沿着横杆接头12同步转动，从而实现与左横杆13和右横杆14相连接的两个展开板18的展开动作，由于丝杠6为自锁螺旋，当本发明完全展开后，即四个展开板全部展开与底板16处于同一平面上，总电机1停止工作，在自锁螺旋的作用下本发明能够保持展开状态不变，省去了复杂的锁定机构，有效的简化了航天器的结构并降低了质量。

当本发明需要作出收拢动作时，其收拢过程是展开的逆行，首先本发明处于展开状态，收拢时总电机1带动丝杠反转，从而实现N-2个展开板18的同步收拢过程，收拢到位后N-2个锁紧机构进行锁定即可。

Claims (5)

1.一种可重复变构型桁架式航天器结构，其特征在于：它包括对接环（15）、底板（16）、支撑框架（19）、传动机构、系统驱动机构、N-4套桁架变构型机构、两个固定支撑板（17）、N-2个展开板（18）和N-2个锁紧机构,N为6～12的整数；

所述对接环（15）设置在底板（16）的底部，所述系统驱动机构和支撑框架（19）均设置在底板（16）的顶部，所述传动机构的底部设置在系统驱动机构上，所述传动机构的顶部设置在支撑框架（19）上，所述两个固定支撑板（17）均竖直并列设在支撑框架（19）上且二者相对设置，所述N-2个展开板（18）的底部依次铰接在底板（16）的边缘处，每个展开板（18）对应设置有一个锁紧机构，每两个相邻的展开板（18）之间对应设置有一套桁架变构型机构，每两个相邻的展开板（18）通过对应的一套桁架变构型机构与传动机构相连接，N-2个展开板（18）在N-4套桁架变构型机构以及传动机构的控制下同步作出展开和收拢动作。

2.根据权利要求1所述的一种可重复变构型桁架式航天器结构，其特征在于：所述系统驱动机构包括总电机（1）、总减速器（2）、轴承用支架（3）、联轴器（4）和轴承（5），所述总电机（1）设置在底板（16）上，所述总电机（1）的输出轴上依次设置有总减速器（2）、轴承用支架（3）、联轴器（4）和轴承（5）。

3.根据权利要求2所述的一种可重复变构型桁架式航天器结构，其特征在于：所述传动机构包括丝杠（6）、螺母（7）和螺母座（8），所述丝杠（6）竖直设置且其下端依次穿过轴承（5）和联轴器（4）与总电机（1）的输出轴相连接，所述螺母座（8）设置在螺母（7）上，所述螺母座（8）在螺母（7）的带动下沿丝杠（6）的长度方向与丝杠（6）滑动配合。

4.根据权利要求3所述的一种可重复变构型桁架式航天器结构，其特征在于：所述支撑框架（19）的外形为N棱柱形框架，所述支撑框架（19）包括顶盖、N个外斜杆（24）和四个内斜杆（25），所述丝杠（6）的上端通过中节点（20）固定连接在顶盖的中心处，所述N个外斜杆（24）均匀布置，每个外斜杆（24）的上端通过一个杆接头（27）与顶盖相连接，每个外斜杆（24）的下端设置在底板（16）上，每个内斜杆（25）的上端固定连接在中节点（20）上，每个内斜杆（25）的下端对应有一个外斜杆（24）且其与对应的外斜杆（24）的下端相连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种可重复变构型桁架式航天器结构，其特征在于：每套桁架变构型机构包括驱动杆（9）、展开杆（10）、连接杆（11）、横杆接头（12）、左横杆（13）和右横杆（14），展开杆（10）的上端铰接在中节点（20）上，所述驱动杆（9）的一端铰接在螺母座（8）上，所述驱动杆（9）的另一端铰接在展开杆（10）上，所述展开杆（10）的下端与连接杆（11）的一端相铰接，连接杆（11）的另一端通过横杆接头（12）分别与两个并列设置的左横杆（13）和右横杆（14）相连接，所述左横杆（13）对应连接有两个相邻展开板（18）中的一个展开板（18），所述右横杆（14）对应连接有两个相邻展开板（18）中的另一个展开板（18）。