CN108583939A - 一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构，该机构主要包括第二杆组、第三杆组、实现光能吸收的复合材料薄膜、同步展开装置以及驱动机构，其中，第二杆组杆件端部通过中心铰链依次连接，第三杆组通过自锁铰链与第二杆组连接；同步展开装置使第二杆组同步展开，同时限制展开角度；第三杆组最外侧的杆件上装有电机作为驱动，钢丝绳的一端固定在第三杆组外侧的杆件上，另一端与机构另一侧的电机相连接，第二杆组和第三杆组上分别装配有滑轮和环形凹槽，钢丝绳绕过滑轮和环形凹槽，电机转动，通过钢丝绳传递拉力实现整个机构的展开。本发明的结构简单、紧凑、可靠，可实现航天器卫星太阳翼的展开，具有高功质比、稳定性好等优点。

Description

一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种空间展开机构，尤其涉及一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构。

背景技术

随着航天科技的进步以及人类对太空探索的需求越来越迫切，大型的空间展开机构得到越来越多的应用，包括大口径天线、大型太阳翼等。由于火箭运载舱包络空间有限，空间展开机构的尺寸会受到严格限制。

展开机构的种类繁多，其中，应用较多、发展迅速的是杆状构架式展开机构。自1975年作为磁强计支架首次用于美国空军S-3卫星后，已多次用于各类航天器。近年来，随着在吸光薄膜复合材料的研究上取得的成功，美国、日本、俄罗斯、中国和欧空局等世界各航天大国均已开展了大变形柔性空间展开机构的研究，特别是美国对该项技术的研究及其产业化处于国际领先地位。

虽然科研人员在空间展开机构领域开展了深入长期的研究工作，但目前在以下两个方面仍存在瓶颈：(1)空间展开机构的收纳比以及功质比较低；(2)传统的太阳翼机构的驱动较为复杂。

发明内容

本发明旨在解决上述空间展开机构存在的瓶颈，提出一种基于折纸技艺的卫星太阳翼空间展开机构，实现整个空间展开机构的高功质比和高收纳比，且驱动机构较为简单。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构，包括：均含若干个杆件的第二杆组B和第三杆组C、吸收光能的复合材料薄膜6以及驱动机构；

第二杆组B的每个杆件的端部依次由中心铰链J连接，绕中心铰链J作平面展开；

中心铰链J具体为：第二杆组B的杆件的端部均设有销孔和销轴，上一杆的销孔与下一杆的销轴组合成铰链，依此顺序连接，最终形成多个铰链，即中心铰链J；

第二杆组B的每个杆件的另一端通过自锁铰链对应连接第三杆组C的杆件，实现相对180°的翻折锁定；

复合材料薄膜6展开后呈扇环形，其设置于第三杆组C的杆件之间；

所述驱动机构驱动第二杆组B、第三杆组C和复合材料薄膜6展开。

进一步地，所述空间展开结构还包括：限制第二杆组B的杆件作设定角度展开的同步展开装置；

所述同步展开装置包括：含多个杆件的第一杆组A和滑块；

第二杆组B包括：两侧的两主杆和位于所述两主杆之间的若干副杆，其中，所述副杆上均开有滑槽2，滑槽2上嵌有沿其滑动的滑块；

每一所述滑块上活动连接两个第一杆组A的杆件，所述两个第一杆组A的杆件的另一端与对应滑块所嵌的第二杆组B的副杆相邻的两杆件对应活动连接。

进一步地，所述自锁铰链包括自锁铰链一D1和自锁铰链二D2；

第三杆组C同样包括：两侧的两主杆和位于两主杆之间的若干副杆；

第二杆组B的主杆通过自锁铰链二D2与第三杆组C的主杆连接，第二杆组B的副杆通过自锁铰链一D1与第三杆组C的副杆连接。

进一步地，自锁铰链一D1包括：零件一一E1、零件一二E2、零件一三E3和弹簧E4；

零件一一E1的外缘沿顺时针方向依次为：第四凸部e16、第二凹部e15、第三凸部e14、第二凸部e13、第一凹部e12、第一凸部e11和两爪部9；

零件一三E3包括：与第二凹部e15相匹配的第五凸部e32、高度低于第五凸部e32并与零件一一E1的第四凸部e16活动连接的伸出部e31、与零件一一E1的第三凸部e14相匹配的第三凹部e33、零件一三E3侧面的镂空e34、零件一三E3正面的镂空e35和两爪部9；

弹簧E4固定于零件一三E3正面的镂空e35内；

零件一二E2包括：穿过零件一三E3侧面的镂空e34与零件一三E3活动连接并与弹簧E4接触的杆部e23和高出杆部e23并与杆部e23连接的杆头；

所述杆头包括：与零件一一E1的第一凹部e12相匹配的第六凸部e21和与零件一一E1的第二凸部e13相匹配的第四凹部e22；

第二杆组B的副杆的端部与零件一三E3的端部的两爪部9固定连接，第三杆组C的副杆的端部与零件一一端部的两爪部9固定连接；

零件一一E1和零件一三E3相对旋转180°完成锁定：过程中，零件一一E1的第二凸部e13压迫零件一二E2上位于零件一三E3侧面镂空e34外侧的第六凸部e21，从而压缩弹簧E4，接着，弹簧E4驱使零件一二E2回位，各相匹配的部位接合，完成锁定。

进一步地，自锁铰链二D2包括：零件二一F1、零件二二F2、零件二三F3、零件二四F4和固连于零件二二F2下顶角处的弹簧滑块子系统F5；

零件二一F1的下顶角与零件二二F2的上顶角活动连接，零件二一F1的上顶角设置与弹簧滑块子系统F5相匹配的钩状凸起f11；

零件二三F3与零件二四F4活动连接，且两者分别对应活动连接零件二一F1和零件二二F2；

第二杆组B的主杆的端部与零件二一F1端部的两爪部9固定连接，第三杆组C的主杆的端部与零件二二F2的端部的两爪部9固定连接；

零件二一F1与零件二二F2相对旋转180°完成锁定：过程中，零件二一F1的上顶角与零件二五F2的下顶角接触，同时，零件二一F1上的钩状凸起f11挤压弹簧滑块子系统F5中的滑块并压缩弹簧，接着，弹簧驱使弹簧滑块子系统F5的滑块回位并与零件二一F1上顶角的钩状凸起f11卡合，实现锁定。

进一步地，复合材料薄膜6的内径为第二杆组B的杆件的长度，外径为第二杆组B的杆件长度与第三杆组C的杆件长度之和。

进一步地，所述驱动机构包括：绳扣3、钢丝绳4、电机5、两滑轮7和两环形凹槽8，其中，绳扣3沿第二杆组B的两外侧杆的外侧和第三杆组C的两外侧杆的外侧均匀布置；

两滑轮7分别固定在所述展开机构的两侧，第三杆组C的最外侧杆上；

两环形凹槽8分别位于第二杆组B的两最外侧杆的端部；

钢丝绳4的一端固定在第三杆组C的一外侧杆的外侧，然后依次绕过两滑轮7、两环形凹槽8以及绳扣3，另一端固定于电机5的转轴上，电机5设置在第三杆组C的另一侧的外侧杆的外侧。

进一步地，所述设定角度为36°。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明只有一个单输入驱动电机，并用钢丝绳机构输出驱动力，在第三组杆件中的外侧杆上装有滑轮，通过一组钢丝绳即完成整个空间展开机构的二级展开，与传统的直板展开式展开机构相比，驱动结构简单、紧凑，减少了空间展开机构的重量，展开过程中的可控性较好；

(2)在传统的折纸艺术中，一张纸经过折纸大师的操作，可以得到千变万化的折纸模型，如传统的折扇，其具有高收纳比的特点，折叠轨迹比较简单；本发明的展开机构受此启发，亦具有高收纳比、高功质比的特点，第二杆组和第三杆组可通过自锁铰链实现180°的翻折，第一组杆和滑块等构成的同步展开装置不仅能够保证整个空间展开机构的同步展开，而且还增加了其在展开过程中以及展开完成后的稳定性；

(3)本发明中采用柔性薄膜材料代替传统的金属蜂窝板，大大减少了整个空间展开机构的重量。

附图说明

图1是本发明的同步展开机构与第二杆组的连接示意图；

图2是本发明的空间展开机构第二杆组和第三杆组的连接示意图；

图3是本发明的空间展开机构第二杆组的副杆与滑块的连接示意图；

图4是本发明的自锁铰链一完成锁定时的示意图；

图5是本发明的自锁铰链一初始状态时的示意图；

图6是本发明的自锁铰链一中零件一三的结构示意图；

图7是本发明的自锁铰链一连接第二杆组的副杆与第三杆组的副杆的示意图；

图8是本发明的自锁铰链二初始状态时的示意图；

图9是本发明的自锁铰链二中弹簧滑块子系统的结构示意图；

图10是本发明的自锁铰链二展开过程中的示意图；

图11是本发明的自锁铰链二完成锁定时连接第二杆组的主杆和第三杆组的主杆的示意图；

图12是本发明的空间展开机构完全收拢时的整体结构示意图；

图13是本发明的空间展开机构杆二一和杆二五上的环形凹槽示意图；

图14是空间展开机构中一个单元在一级展开过程中的示意图；

图15是空间展开机构中一个单元一级展开完成时的示意图；

图16是空间展开机构四个单元完全展开后的俯视图；

图17是空间展开机构十个单元完全展开后的俯视图；

图中标识：

A：第一杆组；B：第二杆组；C：第三杆组；A1：杆一一；A2：杆一二；A3：杆一三；A4：杆一四；A5：杆一五；A6：杆一六；B1：杆二一；B2：杆二二；B3：杆二三；B4：杆二四；B5：杆二五；C1：杆三一；C2：杆三二；C3：杆三三；C4：杆三四；C5：杆三五；O1：滑块一；O2：滑块二；O3：滑块三；J：中心铰链；

D1：自锁铰链一；D2：自锁铰链二；E1：零件一一；E2：零件一二；E3：零件一三；E4：弹簧；e11：第一凸部；e12：第一凹部；e13：第二凸部；e14：第三凸部；e15：第二凹部；e16：第四凸部；e31：伸出部；e32：第五凸部；e33：第三凹部；e34：零件一三侧面的镂空；e35：零件一三正面的镂空；e21：第六凸部；e22：第四凹部；e23：杆部；

F1：零件二一；F2：零件二二；F3：零件二三；F4：零件二四；F5：弹簧滑块子系统；f11：钩状凸起；

1：销孔；2：滑槽；3：绳扣；4：钢丝绳；5：电机；6：复合材料薄膜；7：滑轮；8：环形凹槽；9：爪部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的空间展开机构进行详细的说明。

如图1、图2和图12所示的空间展开结构，主要包括：第二杆组B、第三杆组C、同步展开装置和驱动机构；

第二杆组B包括：通过中心铰链J自上而下依次连接的杆二一B1、杆二二B2、杆二三B3、杆二四B4和杆二五B5，其中，杆二二B2、杆二三B3和杆二四B4上设置滑槽2；

中心铰链J具体为：杆二一B1、杆二二B2、杆二三B3、杆二四B4以及杆二五B5的端部均设有销孔和销轴，杆二一B1的销孔与杆二二B2的销轴组合成铰链，杆二二B2的销孔与杆二三B3的销轴组合成铰链，杆二三B3的销孔与杆二四B4的销轴组合成铰链，杆二四B4的销孔与杆二五B5的销轴组合成铰链；

同步展开装置限制第二杆组中相邻杆件作36°展开，其包括：第一杆组A和滑块；

第一杆组A包括：杆一一A1、杆一二A2、杆一三A3、杆一四A4、杆一五A5和杆一六A6；

滑块包括：滑块一O1、滑块二O2或滑块三O3；

参照图1和图3，滑块由长方体和位于其下底面的一个细圆柱组合而成，中间镂空部分与杆件上的滑槽2的形状相同，滑块上的细圆柱与第一杆组中的杆件两端都有相同直径的销孔连接；

连接杆一一A1和杆一二A2的滑块一O1嵌在杆二二B2上，并沿杆二二B2上的滑槽2滑动，杆一一A1的另一端与杆二一B1以及杆一二A2的另一端与杆二三B3之间通过销活动连接；

连接杆一三A3和杆一四A4的滑块二O2嵌在杆二三B3上，并沿杆二三B3上的滑槽2滑动，杆一三A3的另一端与杆二二B2以及杆一四A4的另一端与杆二四B4之间通过销活动连接；

连接杆一五A5和杆一六A6的滑块三O3嵌在杆二四B4上，并沿杆二四B4上的滑槽2滑动，杆一五A5的另一端与杆二三B3以及杆一六A6的另一端与杆二五B5之间通过销活动连接。

参照图2，第三杆组C包括：与杆二一B1通过自锁铰链二D2连接的杆三一C1、与杆二二B2通过自锁铰链一D1连接的杆三二C2、与杆二三B3通过自锁铰链一D1连接的杆三三C3、与杆二四B4通过自锁铰链一D1连接的杆三四C4和与杆二五B5通过自锁铰链二D2连接的杆三五C5；

参照图4-7，自锁铰链一D1包括：零件一一E1、零件一二E2、零件一三E3和弹簧E4；

零件一一E1的第四凸部e16与零件一三E3的伸出部e31通过销活动连接，零件一一E1的第二凸部e13与第一凸部e11间形成第一凹部e12；

弹簧E4固定连接在零件一三E3正面的镂空e35内；

零件一二E2的杆部e23穿过零件一三E3侧面的镂空e34与零件一三E3通过销活动连接，且与弹簧E4相接触；零件一二E2的杆头与杆部e23为一体结构，经过折弯处理，使得杆头高于杆部e23；

零件一三E3侧面的镂空e34一定程度上限制零件一二E2的旋转角度；

当空间展开机构完成一级展开后，零件一一E1和零件一三E3相对旋转180°完成锁定(状态从图5到图4)：零件一一E1和弹簧E4在第一步展开过程中会产生相对转动，在此转动过程中，零件一一E1的第二凸部e13与零件一二E2的第六凸部e21发生接触，同时给弹簧E4一定大小的压力，接着，弹簧E4驱使零件一二E2回位，同时，零件一一E1的第三凸部e14与零件一三E3的第三凹部e33匹配接合，零件一一E1的第二凹部e15与零件一三E3的第五凸部e32匹配结合，零件一一E1的第二凸部e13与零件一二E2的第四凹部e22匹配结合，零件一一E1的第一凹部e12与零件一二E2的第六凸部e21匹配结合；从而，零件一二E2和弹簧E4组成的锁定系统将零件一一E1、零件一二E2锁定，保证其在第二步展开过程中或者完全展开后零件一一E1和零件一二E2不会产生相对转动；

零件一三E3端部的两爪部9的销孔1与杆二二B2、二三B3或二四B4的端部对应的孔铰接，实现固定；零件一一E1端部的两爪部9的销孔1与杆三二C2、杆三三C3或杆三四C4的端部对应的孔铰接，实现固定。

参照图8-11，自锁铰链二D2包括：零件二一F1、零件二二F2、零件二三F3、零件二四F4和固连于零件二二F2底部槽内的弹簧滑块子系统F5，弹簧滑块子系统F5的结构如图9所示；

零件二一F1的下顶角与零件二二F2的上顶角通过销活动连接，零件二一F1的上顶角设置与弹簧滑块子系统F5相匹配的钩状凸起f11；

零件二三F3与零件二四F4间通过销活动连接，且两者分别通过销对应活动连接零件二一F1和零件二二F2；

当空间展开机构完成一级展开后，零件二一F1和零件二二F2相对旋转180°完成自我锁定功能(状态从图8到图10，再到图11)：零件二一F1和零件二二F2在第一步展开过程中产生相对转动，在此过程中，零件二一F1和零件二五F5接触，同时给弹簧滑块子系统F5中滑块弹簧一定大小的压力，当零件二一F1与零件二二F2完全卡合时，弹簧滑块子系统F5的滑块会立刻卡在零件二一F1的钩状凸起f11的槽里，最终将零件二一F1与零件二二F2锁定，保证其在二级展开过程中或完全展开后零件二一F1和零件二二F2不会产生相对转动；

零件二一F1端部的两爪部9的销孔1与杆二一B1或杆二五B5的端部对应的孔铰接，实现固定；零件二二F2端部的两爪部9的销孔1与杆三一C1的端部或杆三五C5的端部对应的孔铰接，实现固定。

第三杆组C中的杆三一C1和杆三二C2之间、杆三二C2和杆三三C3之间、杆三三C3和杆三四C4之间以及杆三四C4和杆三五C5之间分别固连完全展开角为36度的扇环形柔性复合材料薄膜6；

复合材料薄膜6的内径为杆二二B2的长度，外径为杆二二B2与杆三二C2的长度之和。

参照图12所示的空间展开机构的整体示意图，除了上述已作说明的第一杆组A，第二杆组B，第三杆组C等，图12中还包括空间展开机构的驱动机构，该驱动机构包括：两个分别固定于杆三一C1和杆三五C5上的滑轮7、钢丝绳4、绳扣3、两环形凹槽8以及电机5，其中，绳扣3沿杆二一B1、杆三一C1、杆二五B5和杆三五C5的外侧均匀布置；两环形凹槽8分别开在杆杆二一B1和杆二五B5的端部，如图13所示；

钢丝绳4的一端固定在杆三一C1的外侧，然后依次绕过固定在杆三一C1上的滑轮7，杆二一B1和杆二五B5的端部的环形凹槽8、固定在杆三五C5上的滑轮7以及绳扣5，另一端固定于电机5的转轴上，电机5设置在杆三五C5的外侧；当电机5启动时，传递给钢丝绳4一定的拉力，通过绳力的传递进而完成此空间展开机构的完全展开。

参照图14至17，其中，图14展示的是本发明的一个单元一级展开过程中的状态，图15为一个单元一级展开完成并且自锁铰链完成锁定时的状态，图16为本发明的空间展开机构四个单元完全展开，即二级展开完成后的状态。

本发明的实施例给出的为四单元空间展开机构，每个单元完全展开时的角度为三十六度，如果将其设计成十个单元，则整个空间展开机构呈现为一个完整的圆的形状，如图17所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，附图与具体实施方式不用于限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

包括：均含多个杆件的第二杆组(B)和第三杆组(C)、吸收光能的复合材料薄膜(6)以及驱动机构；

第二杆组(B)的杆件的端部依次由中心铰链(J)连接，绕中心铰链(J)作平面展开；

第二杆组(B)的每个杆件的另一端通过自锁铰链对应连接第三杆组(C)的杆件，实现相对180°的翻折锁定；

第三杆组(C)的杆件之间设置展开后呈扇环形的复合材料薄膜(6)；

所述驱动机构驱动第二杆组(B)、第三杆组(C)和复合材料薄膜(6)展开。

2.根据权利要求1所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

所述空间展开结构还包括限制第二杆组(B)的杆件作设定角度展开的同步展开装置；

所述同步展开装置包括：含多个杆件的第一杆组(A)和滑块；

第二杆组(B)包括：两侧的两主杆和位于两主杆之间的若干副杆，其中，所述副杆上均开有滑槽(2)，滑槽(2)上嵌有沿其滑动的滑块；

每一滑块上活动连接两第一杆组(A)的杆件，所述两第一杆组(A)的杆件的另一端与对应滑块所嵌的第二杆组(B)的副杆相邻的两杆件对应活动连接。

3.根据权利要求2所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

所述自锁铰链包括自锁铰链一(D1)和自锁铰链二(D2)；

第三杆组(C)包括：两侧的两主杆和位于两主杆之间的若干副杆；

第二杆组(B)的主杆通过自锁铰链二(D2)与第三杆组(C)的主杆连接，第二杆组(B)的副杆通过自锁铰链一(D1)与第三杆组(C)的副杆连接。

4.根据权利要求3所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

自锁铰链一(D1)包括：零件一一(E1)、零件一二(E2)、零件一三(E3)和弹簧(E4)；

零件一一(E1)的外缘沿顺时针方向依次为：第四凸部(e16)、第二凹部(e15)、第三凸部(e14)、第二凸部(e13)、第一凹部(e12)、第一凸部(e11)和两爪部(9)；

零件一三(E3)包括：与第二凹部(e15)相匹配的第五凸部(e32)、低于第五凸部(e32)并与零件一一(E1)的第四凸部(e16)活动连接的伸出部(e31)、与零件一一(E1)的第三凸部(e14)相匹配的第三凹部(e33)、零件一三(E3)侧面的镂空(e34)、零件一三(E3)正面的镂空(e35)和两爪部(9)；

弹簧(E4)固定于零件一三(E3)正面的镂空(e35)处；

零件一二(E2)包括：穿过零件一三(E3)侧面的镂空(e34)与零件一三(E3)活动连接并与弹簧(E4)接触的杆部(e23)和高出杆部(e23)并与其连接的杆头；

所述杆头包括：与零件一一(E1)的第一凹部(e12)相匹配的第六凸部(e21)和与零件一一(E1)的第二凸部(e13)相匹配的第四凹部(e22)；

第二杆组(B)的副杆的端部与零件一三(E3)端部的两爪部(9)固定连接，第三杆组(C)的副杆的端部与零件一一(E1)端部的两爪部(9)固定连接。

5.根据权利要求3或4所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

自锁铰链二(D2)包括：零件二一(F1)、零件二二(F2)、零件二三(F3)、零件二四(F4)和固连于零件二二(F2)底部的弹簧滑块子系统(F5)；

零件二一(F1)的下顶角与零件二二(F2)的上顶角活动连接，零件二一(F1)的上顶角设置与弹簧滑块子系统(F5)相匹配的钩状凸起(f11)；

零件二三(F3)与零件二四(F4)间活动连接，且两者分别对应活动连接零件二一(F1)和零件二二(F2)；

第二杆组(B)的主杆的端部与零件二一(F1)端部的两爪部(9)固定连接，第三杆组(C)的主杆的端部与零件二二(F2)端部的两爪部(9)固定连接。

6.根据权利要求1所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

复合材料薄膜(6)的内径为第二杆组(B)的杆件的长度，外径为第二杆组(B)的杆件长度与第三杆组(C)的杆件长度之和。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，

所述驱动机构包括：绳扣(3)、钢丝绳(4)、电机(5)、两滑轮(7)和两环形凹槽(8)，其中，绳扣(3)沿第二杆组(B)的最外侧杆和第三杆组(C)的最外侧杆均匀布置；

两滑轮(7)分别固定在所述展开机构的两侧，第三杆组(C)的最外侧杆上；

两环形凹槽(8)分别位于第二杆组(B)的两最外侧杆的端部；

钢丝绳(4)的一端固定在第三杆组(C)的一外侧杆的外侧，然后依次绕过两滑轮(7)、两环形凹槽(8)以及绳扣(3)，另一端固定在电机(5)的转轴上，电机(5)设置在第三杆组(C)的另一侧的外侧杆的外侧。

8.根据权利要求2所述的应用于卫星太阳翼的空间展开机构，其特征在于，所述设定角度为36°。