CN108333710B - 一种空间可重构镜面支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天技术领域。技术方案是：一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：该装置包括镜面部分和用于支撑镜面部分的长方体框架部分；所述长方体框架部分包括位于装置两侧的衬托架、四个铰接衬托架之间的展开固定机构、用于锁紧展开固定机构的第一弹簧卡位块和八个第一旋转电机；所述镜面部分共四组，每组镜面部分包括正六边形镜面、固定在衬托架上的底座、用于铰接相邻两组镜面部分的固定矩形块、用于锁紧镜面部分的第二弹簧卡位块、粗调重构镜面角度的中部夹层、精调重构镜面角度的Stewart平台和第二旋转电机。该装置发射前被收拢压缩，到达太空后子镜面展开组装成一个大镜面，并可重构变换成两个小镜面，提高了空间利用率。

Description

一种空间可重构镜面支撑结构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体是一种空间可重构镜面支撑结构。

背景技术

在航天领域，受到重量和体积的限制，运载火箭可搭载运输的资源非常有限，工作台在进入工作点后，往往面临工作需求大但功能不足的问题。为了解决这一问题，技术人员通常在发射阶段将工作台收拢压缩，进入工作点后使其展开重组，从而大大减小了发射所需要的空间，这种方式在各种空间科学，特别是在资源约束极严的深空探索中被广泛应用。但是，这种方式的设计通常涉及到较多自由度，且各个部件之间需要精密配合，这一点在实践中不容易做到。因此，研究设计各种可重构装置对空间科学以至国防相关的航天技术有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间可重构镜面支撑结构，该装置在发射前被收拢压缩，大大减小了发射所需要的空间，到达太空后子镜面不仅可以展开组装成一个大镜面，也可以进行重构变换成两个小镜面。

本发明提供了以下技术方案：

一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：该装置包括镜面部分和用于支撑镜面部分的长方体框架部分；

所述长方体框架部分包括位于装置两侧并与镜面部分固定连接的衬托架、四个铰接在两个衬托架之间并用于展开装置的展开固定机构、用于锁紧展开固定机构的第一弹簧卡位块和带动框架部分变形的八个第一旋转电机；

所述镜面部分共四组，每组镜面部分包括正六边形镜面、固定在衬托架上的底座、用于铰接相邻两组镜面部分的固定矩形块、用于锁紧镜面部分的第二弹簧卡位块、用于粗调重构镜面角度的中部夹层、用于精调重构镜面角度的Stewart平台和带动两组相邻镜面部分进行相对转动的第二旋转电机；

所述底座通过四杆机构与中间夹层连接；所述Stewart平台的底部固定在中部夹层上；所述正六边形镜面固定在Stewart平台的工作平台上。

每个展开固定机构包括分别与两侧衬托架铰接的第一杆和第二杆、一端与第二杆固定连接且另一端设有弧形曲面和弧形凹槽的第二连接块、一端与第一杆固定连接且另一端通过圆柱销与第二连接块铰接的第一连接块、横向穿插并固定在第一连接块上的第一圆杆、可滑动地定位在第一连接块两侧滑槽中的第二圆杆、一端可绕第一圆杆转动且另一端与第二圆杆固定的伸缩杆、穿套在伸缩杆上的第一伸缩弹簧、用于带动伸缩杆绕第一圆杆转动的第一扭转弹簧、用于带动第一连接块和第二连接块进行相对转动的第二扭转弹簧以及设置在第一连接块侧面以配合第一弹簧卡位块的楔形块；

所述第二圆杆可沿弧形曲面运动并卡嵌至弧形凹槽中，以便将第一杆和第二杆固定；所述第一扭转弹簧一端固定在第一圆杆上，另一端固定在伸缩杆上；所述第二扭转弹簧一端固定在第一连接块上，另一端固定在第二连接块上；所述伸缩杆和第一伸缩弹簧均为两组且对称安装在第二连接块弧形曲面两侧；所述第一连接块上开设有用于通过第一圆杆和圆柱销的通孔；所述展开固定机构之间还设置有与第二弹簧卡位块相配合的定位杆。

所述四杆机构包括一端可转动地铰接在底座第一铰链孔处的主动杆、一端可转动地铰接在底座第二铰链孔处的从动杆、两端分别与主动杆和从动杆铰接的中间杆以及固定在第一铰链孔处以带动主动杆转动的第三旋转电机；所述从动杆的中间部分与中间夹层固定连接。

所述衬托架的外轮廓为矩形；所述衬托架的尺寸大小与底座相适应；所述衬托架与四个展开固定机构铰接的轴线互相平行；所述衬托架两侧开设有用于安装第一弹簧卡位块的第一凹槽，所述第一凹槽的位置与楔形块位置相对应。

所述底座的尺寸大小与镜面相适应；所述底座一侧面开设有若干均匀分布用以安装固定矩形块的矩形槽；所述底座反面开设用于安装第二弹簧卡位块的第二凹槽，所述第二凹槽的位置与定位杆位置相对应。

所述第一弹簧卡位块包括固定在第一凹槽中且表面开有第一卡槽的第一外壳、可滑动地定位在第一卡槽中的第一顶杆以及穿套在第一顶杆上以带动第一顶杆伸缩的第二伸缩弹簧；所述第一卡槽内侧开设有第一通孔；所述第一顶杆末端插入第一通孔并可沿第一通孔的轴线方向滑动；所述第二弹簧卡位块两两配合使用。

所述第二弹簧卡位块包括固定在第二凹槽中且表面开有第二卡槽的第二外壳、可滑动地定位在第二卡槽中的第二顶杆以及穿套在第二顶杆上以带动第二顶杆伸缩的第三伸缩弹簧；所述第二卡槽内侧开设有第二通孔；所述第二顶杆末端插入第二通孔并可沿第二通孔的轴线方向滑动；所述第二弹簧卡位块两两配合使用。

所述固定矩形块一端固定在底座侧面的矩形槽中，另一端延伸至正六边形镜面所在平面且开有通孔；所述矩形块的长度为底座凹槽长度的一半。

所述第一旋转电机安装在与展开固定机构的铰接处并带动框架部分绕铰接轴线转动变形；所述第二旋转电机的转动轴穿过相邻两组镜面部分相对应的两块固定矩形块的通孔，从而将两组相邻的镜面部分连接为一体。

所述楔形块顶端为三角形。

本发明的有益效果是：本发明中的四组镜面部分在发射前通过展开固定机构收拢压缩，大大缩减了发射所需要的空间；当装置到达工作地点后，展开固定机构将装置展开，在第一旋转电机的带动下框架部分旋转变形，在第二旋转电机的带动下镜面部分重构为一个大镜面，并且可以在第三旋转电机带动下将大镜面重构为两个小镜面，从而实现一种装置进行多种工作任务的需求。另外，本发明中通过第一弹簧卡位块和第二弹簧卡位块将框架部分和镜面部分固定连接，保证了装置的稳定性和工作可靠性。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明所述框架部分的立体结构示意图。

图3是本发明所述展开固定机构的立体结构示意图之一(正面)。

图4是本发明所述展开固定机构的立体结构示意图之二(侧面)。

图5是图3中A部放大结构示意图。

图6是本发明所述第一连接块的立体结构示意图。

图7是本发明所述第二连接块的立体结构示意图。

图8是本发明所述楔形块的立体结构示意图。

图9是本发明所述第一弹簧卡位的立体结构示意图。

图10是本发明所述镜面部分的立体结构示意图之一(侧面)。

图11是本发明所述镜面部分的立体结构示意图之二(底面)。

图12是本发明所述Stewart平台的立体结构示意图。

图13是本发明所述底座的立体结构示意图之一(正面)。

图14是本发明所述底座的立体结构示意图之二(反面)。

图15是本发明所述第二弹簧卡位块的立体结构示意图。

图16是本发明所述中部夹层的立体结构示意图。

图17～21是本发明所述展开固定机构的工作示意图。

图22～25是本发明所述第一弹簧卡位块的工作示意图。

图26～29是本发明所述第二弹簧卡位块的工作示意图。

图30～38是本发明所述镜面部分重构的工作示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种空间可重构镜面支撑结构，包括镜面部分2和用于支撑镜面部分的长方体框架部分1；

一、框架部分

如图2所示，框架部分包括衬托架1-1、展开固定机构1-2、第一弹簧卡位块1-3和第一旋转电机1-4。

所述衬托架安装在装置的两侧，外轮廓为矩形，与镜面部分的底座2-1固定连接。衬托架的尺寸大小与底座相适应。衬托架两侧开设有用于安装第一弹簧卡位块的第一凹槽1-1-1，第一凹槽的位置与楔形块位置相对应。所述衬托架四个角通过铰链与展开固定机构两端铰接，铰链的轴线均互相平行以保证框架部分可以在第一旋转电机的带动下旋转变形。

如图3～5所示，所述展开固定机构共四个，分别铰接在两个衬托架之间，与衬托架组合成长方体。每个展开固定机构包括第一杆1-2-1、第二杆1-2-2、第一连接块1-2-3、第二连接块1-2-4、第一圆杆1-2-5、第二圆杆1-2-6、伸缩杆1-2-7、第一伸缩弹簧1-2-8、第一扭转弹簧1-2-9、第二扭转弹簧1-2-10和楔形块1-2-11。其中，第一杆和第二杆分别与两侧衬托架铰接。所述第一连接块一端与第一杆固定连接，另一端开有销孔与第二连接块通过圆柱销1-2-12铰接，第一连接块两侧还开设有用于通过第一圆杆的通孔和用于第二圆杆滑动的滑槽1-2-3-1。所述第二连接块一端与第二杆固定连接，另一端设置有弧形曲面和弧形凹槽。所述第一圆杆横向穿插并固定在第一连接块上。所述第二圆杆的两端可滑动地定位在第一连接块的两侧滑槽中。所述伸缩杆一端穿套在第一圆杆上并可绕第一圆杆转动，另一端与第二圆杆固定。所述第一伸缩弹簧穿套在伸缩杆上用于带动伸缩杆伸缩。所述第一扭转弹簧用于带动伸缩杆绕第一圆杆转动，其一端固定在第一圆杆上，另一端固定在伸缩杆上。所述第二扭转弹簧用于提供第一连接块和第二连接块相对转动的扭转力，其一端固定在第一连接块上，另一端固定在第二连接块上。所述楔形块设置在第一连接块侧面，顶端为三角形，以用配合第一弹簧卡位块将衬托架和展开固定机构固定连接。所述伸缩杆和第一伸缩弹簧均为两组且对称安装在第二连接块的弧形曲面两侧。当展开固定机构展开时，第二圆杆沿弧形曲面运动直至卡嵌至弧形凹槽中，从而将第一杆和第二杆固定。所述展开固定机构之间还设置有定位杆1-2-13。

如图9所示，所述第一弹簧卡位块1-3用于配合楔形块以固定变形后的框架部分，包括第一外壳1-3-1、第一顶杆1-3-2以及第二伸缩弹簧1-3-3。其中，所述第一外壳固定在衬托架的第一凹槽中，其表面开设有第一卡槽1-3-4用于放置第一顶杆，第一卡槽内侧还开设有第一通孔。所述第一顶杆固定在第一卡槽中，其末端插入第一通孔，以保证第一顶杆可沿第一通孔的轴线方向滑动。所述第二伸缩弹簧穿套在第一顶杆上用以带动第一顶杆伸缩，其一端固定在第一卡槽内壁，另一端固定在第一顶杆上。所述第一弹簧卡位块两两配合使用以夹紧楔形块。

如图2所示，所述第一旋转电机安装在衬托架的铰链处，用以带动框架部分绕铰链的轴线转动变形。

二、镜面部分

如图10、图11所示，镜面部分共四组，每组镜面部分包括正六边形镜面2-6、底座2-1、固定矩形块2-2、第二弹簧卡位块2-3、中部夹层2-4、Stewart平台2-5和第二旋转电机2-7。

如图13、图14所示，所述底座固定在衬托架上以承载中间夹层和Stewart平台，其尺寸大小与正六边形镜面相适应。如图12、图13所示，所述底座一侧面开设有若干(图中显示3个)均匀分布的矩形槽2-1-3，用以安装固定矩形块。底座的反面开设有用于安装第二弹簧卡位块的第二凹槽2-1-4，第二凹槽的位置与定位杆1-2-13位置相对应。所述底座中部侧面上开有第一铰链孔2-1-1，用于铰接四杆机构的主动杆(第三旋转电机2-4-4固定在底座上，该电机的电机轴与主动杆固定，实现铰接)；所述底座正面开有第二铰链孔2-1-2，用于铰链四杆机构的从动杆。

如图15所示，所述第二弹簧卡位块用于配合定位杆锁紧展开后的镜面部分，包括第二外壳2-3-1、第二顶杆2-3-2以及第三伸缩弹簧2-3-3。所述第二外壳固定在第二凹槽中，表面开有第二卡槽2-3-4用于放置第二顶杆，第二卡槽内侧还开设有第二通孔。所述第二顶杆固定在第二卡槽中，其末端插入第二通孔中，以保证第二顶杆可沿第二通孔的轴线方向滑动。所述第三伸缩弹簧穿套在第二顶杆上用以带动第二顶杆伸缩，其一端固定在第二卡槽内壁，另一端固定在第二顶杆上。所述第二弹簧卡位块两两配合使用以夹紧定位杆。

如图16所示，所述中间夹层通过四杆机构与底座连接，用于粗调重构镜面的角度。所述四杆机构包括主动杆2-4-1、从动杆2-4-3、中间杆2-4-2以及第三旋转电机2-4-4。所述主动杆一端可转动地铰接在底座第一铰链孔处，另一端与中间杆铰接。所述从动杆一端可转动地铰接在底座第二铰链孔处，另一端与中间杆铰接；从动杆的中间部分固定在中间夹层上。所述第三旋转电机固定在第一铰链孔处，其转动轴带动主动杆转动。

如图1所示，所述固定矩形块用于连接相邻的另一镜面部分，其一端固定在底座侧面的矩形槽中，另一端延伸至正六边形镜面所在平面并且沿槽宽方向开设有通孔。所述第二旋转电机2-7固定在该固定矩形块上，该电机的电机轴穿过固定矩形块上的通孔与相邻组的镜面部分的固定矩形块固定，从而带动两组相邻镜面部分绕转动轴进行相对转动。所述矩形块的长度为底座凹槽长度的一半。

如图12所示，所述Stewart平台(常规机构)用于精调重构镜面的角度，其底部固定在中部夹层的从动杆2-4-3上，上部的工作平台上固定着正六边形镜面。

本发明所述展开固定机构的工作原理如下(如图17～21所示)：

1、初始状态时，第二圆杆在第一扭转弹簧在扭力的作用下抵靠在第一连接块的滑槽中，第一连接块在第二扭转弹簧扭力的作用下带动第一杆绕圆柱销转旋转展开；

2、第一杆继续旋转，第二圆杆开始接触到第二连接块的弧形曲面，之后继续沿弧形曲面滑动，同时第二圆杆也沿着第一连接块的滑槽滑动；

3、第一杆继续旋转，直至第二圆杆到达第二连接块的弧形曲面的尽头后，第二圆杆卡嵌至第二连接块的弧形凹槽处，同时伸缩杆在第一扭转弹簧的扭力作用下绕第一圆杆转回到初始状态，最终第二杆与第一杆在一条直线上。

本发明所述第一弹簧卡位块的工作原理如下(如图22～25所示)：

1、楔形块向上运动抵达第一顶杆的边界处；

2、楔形块继续向上运动，第一顶杆受楔形块的力而向一侧运动；

3、楔形块到达工作位置后，第一顶杆在第二伸缩弹簧的弹力作用下回到原来的位置，从而锁紧展开固定机构。

本发明所述第二弹簧卡位块的工作原理如下(如图26～29所示)：

1、底座在第二旋转电机的带动下开始运动，直至定位杆与第二弹簧卡位块的第二顶杆边界接触；

2、底座继续向下运动，第二顶杆受到定位杆的力而向一侧运动；

3、底座到达工作位置后，第二顶杆在第三伸缩弹簧的弹力作用下回到原来的位置，从而实现第二弹簧卡位块对镜面部分的锁紧。

本发明所述镜面部分重构为大镜面的工作原理如下(如图30～37所示)：

1、如图30～32所示，整个装置在展开固定机构的带动下展开；

2、如图33～34所示，整个装置在第一旋转电机的带动下实现变形，直至框架部分位于同一水平面上；

3、如图35～37所示，上方的镜面部分在第二旋转电机的带动下绕第二旋转电机的绕转动轴转动，直至上方镜面部分底座上的第二弹簧卡位块锁紧定位杆，最终四个镜面部分构成一个大镜面；

4、Stewart平台对正六边形镜面进行角度微调，使正六边形镜面达到工作状态。至此，镜面部分被重构为一个大镜面。

本发明所述镜面部分重构为两个小镜面的工作原理如下(如图38所示)：

1、第三旋转电机带动四杆机构的主动杆转动，由于从动杆与中部夹层固定连接，所以中部夹层与底座间会产生角度，此时相邻两个镜面部分便构成了一个小镜面；

2、Stewart平台对正六边形镜面进行角度微调，使正六边形镜面达到工作状态。至此，大镜面被重构为两个小镜面。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：该镜面支撑结构包括镜面部分（2）和用于支撑镜面部分的长方体框架部分（1）；

所述长方体框架部分包括位于镜面支撑结构两侧并与镜面部分固定连接的衬托架（1-1）、四个铰接在两个衬托架之间并用于展开镜面支撑结构的展开固定机构（1-2）、用于锁紧展开固定机构的第一弹簧卡位块（1-3）和带动框架部分变形的八个第一旋转电机（1-4）；

所述镜面部分共四组，每组镜面部分包括正六边形镜面（2-6）、固定在衬托架上的底座（2-1）、用于铰接相邻两组镜面部分的固定矩形块（2-2）、用于锁紧镜面部分的第二弹簧卡位块（2-3）、用于粗调重构镜面角度的中部夹层（2-4）、用于精调重构镜面角度的Stewart平台（2-5）和带动两组相邻镜面部分进行相对转动的第二旋转电机（2-7）；

所述底座通过四杆机构与中间夹层连接；所述Stewart平台的底部固定在中部夹层上；所述正六边形镜面固定在Stewart平台的工作平台上；

每个展开固定机构包括分别与两侧衬托架铰接的第一杆（1-2-1）和第二杆（1-2-2）、一端与第二杆固定连接且另一端设有弧形曲面和弧形凹槽的第二连接块（1-2-4）、一端与第一杆固定连接且另一端通过圆柱销（1-2-12）与第二连接块铰接的第一连接块（1-2-3）、横向穿插并固定在第一连接块上的第一圆杆（1-2-5）、可滑动地定位在第一连接块两侧滑槽（1-2-3-1）中的第二圆杆（1-2-6）、一端可绕第一圆杆转动且另一端与第二圆杆固定的伸缩杆（1-2-7）、穿套在伸缩杆上的第一伸缩弹簧（1-2-8）、用于带动伸缩杆绕第一圆杆转动的第一扭转弹簧（1-2-9）、用于带动第一连接块和第二连接块进行相对转动的第二扭转弹簧（1-2-10）以及设置在第一连接块侧面以配合第一弹簧卡位块的楔形块（1-2-11）；

所述第二圆杆可沿弧形曲面运动并卡嵌至弧形凹槽中，以便将第一杆和第二杆固定；所述第一扭转弹簧一端固定在第一圆杆上，另一端固定在伸缩杆上；所述第二扭转弹簧一端固定在第一连接块上，另一端固定在第二连接块上；所述伸缩杆和第一伸缩弹簧均为两组且对称安装在第二连接块弧形曲面两侧；所述第一连接块上开设有用于通过第一圆杆和圆柱销的通孔；所述展开固定机构之间还设置有与第二弹簧卡位块相配合的定位杆（1-2-13）。

2.根据权利要求1所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述四杆机构包括一端可转动地铰接在底座第一铰链孔（2-1-1）处的主动杆（2-4-1）、一端可转动地铰接在底座第二铰链孔（2-1-2）处的从动杆（2-4-3）、两端分别与主动杆和从动杆铰接的中间杆（2-4-2）以及固定在第一铰链孔处以带动主动杆转动的第三旋转电机（2-4-4）；所述从动杆的中间部分与中间夹层固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述衬托架的外轮廓为矩形；所述衬托架的尺寸大小与底座相适应；所述衬托架与四个展开固定机构铰接的轴线互相平行；所述衬托架两侧开设有用于安装第一弹簧卡位块的第一凹槽（1-1-1），所述第一凹槽的位置与楔形块位置相对应。

4.根据权利要求3所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述底座的尺寸大小与镜面相适应；所述底座一侧面开设有若干均匀分布用以安装固定矩形块的矩形槽（2-1-3）；所述底座反面开设用于安装第二弹簧卡位块的第二凹槽（2-1-4），所述第二凹槽的位置与定位杆位置相对应。

5.根据权利要求4所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述第一弹簧卡位块包括固定在第一凹槽中且表面开有第一卡槽（1-3-4）的第一外壳（1-3-1）、可滑动地定位在第一卡槽中的第一顶杆（1-3-2）以及穿套在第一顶杆上以带动第一顶杆伸缩的第二伸缩弹簧（1-3-3）；所述第一卡槽内侧开设有第一通孔；所述第一顶杆末端插入第一通孔并可沿第一通孔的轴线方向滑动；所述第一弹簧卡位块两两配合使用。

6.根据权利要求5所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述第二弹簧卡位块包括固定在第二凹槽（2-1-4）中且表面开有第二卡槽的第二外壳（2-3-1）、可滑动地定位在第二卡槽中的第二顶杆（2-3-2）以及穿套在第二顶杆上以带动第二顶杆伸缩的第三伸缩弹簧（2-3-3）；所述第二卡槽内侧开设有第二通孔；所述第二顶杆末端插入第二通孔并可沿第二通孔的轴线方向滑动；所述第二弹簧卡位块两两配合使用。

7.根据权利要求6所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述固定矩形块一端固定在底座侧面的矩形槽中，另一端延伸至正六边形镜面所在平面且开有通孔；所述固定矩形块的长度为底座凹槽长度的一半。

8.根据权利要求7所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述第一旋转电机安装在衬托架与展开固定机构的铰接处并带动框架部分绕铰接轴线转动变形；所述第二旋转电机的转动轴穿过相邻两组镜面部分相对应的两块固定矩形块的通孔，从而将两组相邻的镜面部分连接为一体。

9.根据权利要求8所述的一种空间可重构镜面支撑结构，其特征在于：所述楔形块顶端为三角形。