CN107238993A - 一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，包括固接在空间相机底座的遮光罩底座，和沿遮光罩底座分布的收拢筒，在收拢筒上套有充气管骨架，还包括张拉在充气管骨架表面用于充气管骨架展开控制的调整索‑杆，以及粘接在充气管骨架外侧构成遮光罩的索网加强的遮光薄膜；在遮光罩底座上设有与充气管骨架对应并连通的充气罐；其中，遮光罩底座上的充气罐和收拢筒按照正n边形顶点位置的沿径向方向依次向内排列的方式与遮光罩底座固定连接。本发明展开过程仅利用调整索的索长/索力进行反馈控制，无需其他驱动和传感装置，且具有结构简单、重量轻、体积小、储存空间要求低和制造成本低等优点，符合航天器的轻量化要求。

Description

一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构

技术领域

本发明涉及到空间大型展开结构技术领域，特别是一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构。

背景技术

遮光罩是空间相机光学系统的重要部分，它既能隔绝在观测时接收到的大密度热流，保持空间相机结构的热稳定性，还可以阻止部分地气光和其他杂光进入相机镜头，同时利用表面材料特性，最大限度地吸收进入遮光罩的杂散光，保证较高的成像信噪比，提高相机成像质量。

目前主要的遮光罩结构有蜂窝夹层式、内置光阑式和薄壁壳体式等几种类型，经过分析发现有以下几种局限性：第一，大多数遮光罩采用金属、树脂基复合材料等刚性材料作为罩体，造成遮光罩尺寸大，重量大，收缩后体积仍然很大的问题；第二，遮光罩多采用丝杠、空间支架、卷尺弹簧等机械式的展开结构，导致遮光罩结构复杂；第三，传统遮光罩需要多种驱动和传感装置，其控制系统较为复杂。

发明内容

为避免以上传统设计方案的局限性，本发明设计了一种新的遮光罩结构----空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构。这种结构能很好地满足遮光罩在航天方面的轻量化要求，可以实现遮光罩遮光和隔热的功能，同时满足航天领域的轻量化要求。它在展开前是柔性的，其摆放和折叠形式较为自由，占用较小的发射空间，当其工作时，展开结构通过充气顺序膨胀并带动薄膜可控展开，完全展开后利用材料或结构刚化技术成为遮光罩的支撑结构，具有结构简单、重量轻、收缩后体积小、储存空间要求低、稳定性高、制造成本低和可控展开等优点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，包括固接在空间相机底座的遮光罩底座，和沿遮光罩底座周向分布的收拢筒，在收拢筒上套有与遮光罩底座固接、用于遮光罩展开和支撑的充气管骨架，还包括张拉在充气管骨架表面用于充气管骨架展开控制的调整索-杆，以及粘接在充气管骨架外侧构成遮光罩的索网加强的遮光薄膜；在遮光罩底座上设有与充气管骨架对应并连通的充气罐；其中，遮光罩底座上的充气罐和收拢筒按照正n边形顶点位置的沿径向方向依次向内排列的方式与遮光罩底座固定连接；

充气管骨架和调整索-杆收拢时，沿收拢筒平行折叠收拢，并通过遮光罩底座与空间相机底座固连、锁紧；充气管骨架和调整索-杆展开时，充气罐向充气管骨架充气，充气管按顺序膨胀并驱动遮光薄膜展开。

进一步，所述遮光罩底座为圆环形结构，遮光罩底座上分布的n个充气罐和n个与其数量相对应的收拢筒通过n根导气管连通。

进一步，所述充气管骨架包括n根轴向充气管、n个连接在收拢筒上的搭扣环和若干组沿轴向充气管环向分布的环向充气管。

进一步，所述收拢筒为空心的两级凸台结构，轴向充气管套在两级凸台上，第一级凸台直径小于折叠的轴向充气管直径；第二级凸台直径大于折叠的轴向充气管直径，且在与轴向充气管内壁接触的表面、第二级凸台外周壁上涂有固体减摩材料并固化的减摩涂层。

进一步，所述与轴向充气管内壁接触的表面为大弧度面或圆角结构。

进一步，所述轴向充气管的顶部设有搭扣环，为环状弹性结构，每个搭扣环粘接在第二级凸台与减摩涂层下方，搭扣环外环直径等于轴向充气管直径，内环直径小于收拢筒第二级凸台的直径。

进一步，所述调整索-杆包括若干组环向调整杆、n根连接在轴向充气管上的展开调整索和设在遮光罩底座上与其对应的n个索控制模块；若干组环向调整杆环向分布在轴向充气管之间。

进一步，每根展开调整索一端与索控制模块相连，另一端与轴向充气管上部相连，并按照对角位置分成n/2组，相邻每组展开调整索固接在轴向充气管上的高度不同。

进一步，n个索控制模块按照正n边形顶点位置沿径向排列在充气罐外侧，调节与之相连的展开调整索。

进一步，所述索网加强的遮光薄膜由矩形的膜材首尾相连接构成筒状结构，位于充气管骨架构成的正n棱柱内部，通过与轴向充气管粘接的方式实现位置的固定。

本发明与现有技术相比有以下几个优点：

1.与传统遮光罩相比，本发明采用充气遮光薄膜结构，具有结构简单、重量轻、体积小、储存空间要求低和制造成本低等优点，符合航天器的轻量化要求。

2.本发明通过底座的收拢筒和搭扣环结构实现充气薄膜遮光罩结构在收拾状态的锁定和充气时的顺序展开，不需要设计额外的控制装置，使得整个结构更加简单稳定。

3.本发明展开过程仅利用调整索的索长/索力进行反馈控制，无需其他驱动和传感装置，降低系统复杂程度。

附图说明

图1(a)是充气薄膜遮光罩充气骨架展开结构图；

图1(b)充气薄膜遮光罩主视图；

图1(c)充气薄膜遮光罩俯视图；

图2是充气薄膜遮光罩收拢结构图；

图3是充气薄膜遮光罩底座结构图；

图4是收拢筒结构图；

图5是充气骨架收拢结构图。

图中：1.遮光罩底座，2.充气罐，3.收拢筒，3a.第一级凸台，3b.第二级凸台，3c.减摩涂层，4.导气管，5.搭扣环，6.轴向充气管，7.环向充气管，8.环向调整杆，9.展开调整索，10.索控制模块，11.遮光薄膜，12.索网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图2所示，一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，包括固接在空间相机底座的遮光罩底座1，和沿遮光罩底座1周向分布的收拢筒3，在收拢筒3上套有与遮光罩底座1固接、用于遮光罩展开和支撑的充气管骨架，还包括张拉在充气管骨架表面用于充气管骨架展开控制的调整索-杆，以及粘接在充气管骨架外侧构成遮光罩的索网12加强的遮光薄膜11；在遮光罩底座1上设有与充气管骨架对应并连通的充气罐2。其中，遮光罩底座1上的充气罐2和收拢筒3按照正n边形顶点位置的沿径向方向依次向内排列的方式与遮光罩底座1固定连接；充气管骨架和调整索-杆收拢时，沿收拢筒3平行折叠收拢，并通过遮光罩底座1与空间相机底座固连、锁紧；充气管骨架和调整索-杆展开时，充气罐2向充气管骨架充气，充气管按顺序膨胀并驱动遮光薄膜11展开。

如图3所示，为遮光罩底座示意图，在遮光罩底座1上分布有n(n＝6～12)个充气罐2、n个收拢筒3和n根连通充气罐2和收拢筒3的导气管4。遮光罩底座1为圆环形结构，与空间相机底座固定连接，其正面按照正n边形顶点位置固接n个收拢筒3。n个充气罐2同样按照正n边形顶点位置沿径向排列在收拢筒3外侧，并通过导气管4与收拢筒3导通，为充气管骨架的展开提供动力。

其中，如图4所示，收拢筒3为空心的两级凸台结构，第一级凸台3a直径小于折叠的轴向充气管6直径；第二级凸台3b直径略大于轴向充气管6直径，且在与充气管内壁接触的表面、第二级凸台3b外周壁上涂有固体减摩材料形成减摩涂层3c。这种设计有四种作用：第一，空心的收拢筒结构通过导气管4与充气罐2相连接，可作为气流通道的一部分；第二，第一级凸台3a直径小于折叠的充气管，可以将充气管收拢套在筒外侧；第三，第二级凸台3b直径略大于充气管直径，并在第二级凸台与充气管内壁的接触面涂有固体减摩材料形成减摩涂层3c，保证折叠的充气管段部分的气密性，很好地实现充气管骨架的顺序展开，同时，接触面做成大弧度面或圆角，使充气管展开更加顺利；第四，第二级凸台3b通过与充气管内壁顶部的搭扣环5配合，使遮光罩结构保持收拢状态。

如图1结合图5所示，充气管骨架包括n根轴向充气管6、n(n＝6～12)个连接在收拢筒3上的搭扣环5和若干组沿轴向充气管6环向分布的环向充气管7。轴向充气管6的顶部设有搭扣环5，每个搭扣环5粘接在轴向充气管6内壁距离顶部一个收拢筒3第二级凸台3b轴向距离的位置，为环状弹性结构，其外环直径等于轴向充气管6直径，内环直径小于收拢筒第二级凸台3b的直径。

每根轴向充气管6套在收拢筒3上与底座1固定连接，处于收拾状态时，管壁向内折叠，压缩在收拢筒3外侧，并通过搭扣环5与收拢筒第二级凸台3b的配合，实现充气管骨架的收拢固定。充气时，轴向充气管6上部首先膨胀，按照从上到下的顺序逐渐展开，展开后利用自身的刚化材料特点实现结构的刚化作为遮光罩结构的支撑结构。每组环向充气管7连通n根轴向充气管6，收拢时随折叠的轴向充气管6自然收拢，充气展开后用于平衡各轴向充气管6的管内气压。

如图1所示，调整索-杆包括若干组环向调整杆8、n(n＝6～12)根连接在充气管6上的展开调整索9和设在遮光罩底座1上与其对应的n个索控制模块10。若干组环向调整杆8环向分布在轴向充气管6之间，可以准确地将轴向充气管6支撑到设计位置，保证遮光薄膜准确成形，很好地增强遮光罩结构的刚度，收缩时随充气管的折叠平行收拾，减小收缩空间。每根展开调整索9一端与索控制模块10相连，另一端与轴向充气管6上部相连，并按照对角位置分成n/2组，相邻每组展开调整索9固接在轴向充气管6上的高度存在一定高度差，通过索控制模块10对索长的调整，可以抑制充气管骨架出现大幅度晃动和不利振动，并有效防止其弯折。n个索控制模块10按照正n边形顶点位置沿径向排列在充气罐2外侧，通过调节与之相连的展开调整索9，保持遮光罩结构展开和工作的稳定性。

如图1所示，索网12加强的遮光薄膜11是一种索网加劲的索膜结构，由矩形的膜材首尾相连接构成筒状结构，位于充气管骨架构成的正n(n＝6～12)棱柱内部，通过与轴向充气管6粘接的方式实现位置的固定，作为棱柱结构的“面”。索网12布置在遮光薄膜11表面，作为外部约束限制膜结构的变形，分担膜面的应力，提高了膜结构抵抗变形和承受外荷载的能力。

如图2所示，当遮光罩处于收拾状态时，遮光薄膜处于松弛状态，没有刚度和固定的形状，随着折叠的充气管骨架采用折痕平行的的折叠方式收拢，防止展开时相互缠绕。完全展开后，充气管骨架和索网12对其施加充气压力和预应力，使之具有足够的刚度并张拉成设计的形状，实现遮光罩对位于其内部的空间相机遮光和隔热的功能。

下面说明空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构是如何进行展开的：

空间可展开大型充气薄膜遮光罩在卫星入轨前收拢包装于相机与整流罩之间的容腔内，收拢方式如图5所示，充气管骨架的轴向充气管6管壁向内折叠并沿中心轴线方向套在收拢筒3外侧，并且通过管内搭扣环5与收拢筒的第二级凸台3b的配合实现收拢状态的固定。同时，遮光薄膜、调整索-杆和充气管骨架的环向充气管7随轴向充气管6的折叠自然平行折叠，见图2。收拢包装好的遮光罩结构通过底座1与空间相机底座固连、锁紧，当卫星入轨后，由卫星上的控制系统启动展开程序。首先为充气薄膜遮光罩解除包装，延时几秒后发出充气命令，充气罐2通过导气管4向充气管骨架底部进行充气，纵向和横向的充气管按顺序膨胀并驱动遮光薄膜展开。同时，调整索-杆的控制模块通过展开调整索的索长进行反馈控制，结合环向调整杆8将遮光罩张拉到设计的形状。展开后充气管骨架利用自身材料刚化技术成为充气薄膜遮光罩的支撑结构，满足遮光罩高稳定性的要求，实现遮光罩遮光和隔热的功能。

其中，具体的展开方式为：如图5所示，开始充气后，轴向充气管6内壁与收拢筒的第二级凸台3b的过盈配合形成的具有气密性的空腔气压逐渐上升，当腔内气压超过阀值时，搭扣环5产生足够的弹性变形，轴向充气管6上部膨胀并沿着轴线方向逐渐展开，同时，在展开过程中因为气密性始终能保持折叠管段的收拢。并且，可以选择合适的减摩涂层3c，结合充气罐充入气体的流速，使展开过程更加稳定可靠。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，包括固接在空间相机底座的遮光罩底座(1)，和沿遮光罩底座(1)周向分布的收拢筒(3)，在收拢筒(3)上套有与遮光罩底座(1)固接、用于遮光罩展开和支撑的充气管骨架，还包括张拉在充气管骨架表面用于充气管骨架展开控制的调整索-杆，以及粘接在充气管骨架外侧构成遮光罩的索网(12)加强的遮光薄膜(11)；在遮光罩底座(1)上设有与充气管骨架对应并连通的充气罐(2)；其中，遮光罩底座(1)上的充气罐(2)和收拢筒(3)按照正n边形顶点位置的沿径向方向依次向内排列的方式与遮光罩底座(1)固定连接；

充气管骨架和调整索-杆收拢时，沿收拢筒(3)平行折叠收拢，并通过遮光罩底座(1)与空间相机底座固连、锁紧；充气管骨架和调整索-杆展开时，充气罐(2)向充气管骨架充气，充气管按顺序膨胀并驱动遮光薄膜(11)展开。

2.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述遮光罩底座(1)为圆环形结构，遮光罩底座(1)上分布的n个充气罐(2)和n个与其数量相对应的收拢筒(3)通过n根导气管(4)连通。

3.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述充气管骨架包括n根轴向充气管(6)、n个连接在收拢筒(6)上的搭扣环(5)和若干组沿轴向充气管(6)环向分布的环向充气管(7)。

4.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述收拢筒(3)为空心的两级凸台结构，轴向充气管(6)套在两级凸台上，第一级凸台(3a)直径小于折叠的轴向充气管(6)直径；第二级凸台(3b)直径大于折叠的轴向充气管(6)直径，且在与轴向充气管(6)内壁接触的表面、第二级凸台(3b)外周壁上涂有固体减摩材料并固化的减摩涂层(3c)。

5.根据权利要求4所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述与轴向充气管(6)内壁接触的表面为大弧度面或圆角结构。

6.根据权利要求4所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述轴向充气管(6)的顶部设有搭扣环(5)，为环状弹性结构，每个搭扣环(5)粘接在第二级凸台(3b)与减摩涂层(3c)下方，搭扣环(5)外环直径等于轴向充气管(6)直径，内环直径小于收拢筒第二级凸台(3b)的直径。

7.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述调整索-杆包括若干组环向调整杆(8)、n根连接在轴向充气管(6)上的展开调整索(9)和设在遮光罩底座(1)上与其对应的n个索控制模块(10)；若干组环向调整杆(8)环向分布在轴向充气管(6)之间。

8.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，每根展开调整索(9)一端与索控制模块(10)相连，另一端与轴向充气管(6)上部相连，并按照对角位置分成n/2组，相邻每组展开调整索(9)固接在轴向充气管(6)上的高度不同。

9.根据权利要求8所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，n个索控制模块(10)按照正n边形顶点位置沿径向排列在充气罐(2)外侧，调节与之相连的展开调整索(9)。

10.根据权利要求1所述的空间可展开大型充气薄膜遮光罩结构，其特征在于，所述索网(12)加强的遮光薄膜(11)由矩形的膜材首尾相连接构成筒状结构，位于充气管骨架构成的正n棱柱内部，通过与轴向充气管(6)粘接的方式实现位置的固定。