CN109606743B - 一种轻小型微小卫星展开装置 - Google Patents

Abstract

一种轻小型微小卫星展开装置，适用于小型或微小型卫星太阳翼等负载的压紧、释放及展开，包括集中压紧限位组件(1)、分布释放组件(2)、柔性铰链组件(3)、固定绳索(4)，采用了自导向、自展开锁定的柔性展开组件，并配合使用了一点压紧、多点破断的分布式解锁组件，实现了太阳翼板的单点可靠压紧、同步释放及自展开、自锁定功能，机构整体冲击小、可靠性高、重量轻，更适用于微小卫星。

Description

一种轻小型微小卫星展开装置

技术领域

本发明涉及一种轻小型微小卫星展开装置，属于空间展开机构设计领域。

背景技术

本发明提出了一种新型的卫星太阳翼压紧、释放、展开及锁定装置，适用于小型或微小型卫星太阳翼等负载的压紧、释放及展开。近年来，小型、微小型卫星在轨应用日益增多，随着新技术的持续突破，卫星的重量和表面积不断降低，使得表贴电池片的形式制约了卫星的总可用功率，不能满足任务多元化情况下对总功率提高的需求，需要可展开式太阳翼来确保卫星的功率不能随重量的减小而降低。可展式太阳翼的压紧、释放及展开装置必须要有足够的刚度，轻质和高可靠性。展开组件一般作为星上太阳电池阵、可展开天线等结构及载荷的转动关节，一般与压紧组件及释放组件联合使用，在发射过程中处于折叠状态，当到达预定轨道后，压紧组件解锁，释放组件取消对展开负载的限位，由铰链组件释放能量实现太阳电池阵及可展开天线的展开动作，并展开到预定位置完成锁定，它的成败直接决定了太阳电池阵及可展开天线入轨后能否正常展开执行相应任务，若太阳电池阵无法展开，意味着航天器无法供电或电能不足，若可展开天线无法展开到位，则将影响整星对地及星间链路的通信状态，上述问题都将导致整星系统级任务失败。

目前卫星一般采用多点压紧组件在发射状态对太阳翼进行压紧，基于压紧杆的压紧及解锁形式需要设计多点压紧，单独破断，某一点解锁受限则影响机构的展开动作；采用刚性铰链作为在轨太阳翼的展开和锁定组件，组件整体结构复杂，重量大，另外需要配合展开联动组件和展开到位锁定组件，不适用于小型及微小型卫星轻量化需求下的太阳翼等负载展开；整个压紧、释放及展开装置复杂，研制周期长，不能满足微小型卫星任务快速响应、低成本的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，微小卫星太阳翼展开中重量大、结构复杂、研制周期长、响应慢、可靠性低的问题，以及解锁机构某点受限则对整机机构解锁都容易造成影响的情况，提出了一种轻小型微小卫星展开装置。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种轻小型微小卫星展开装置，包括集中压紧限位组件、分布释放组件、柔性铰链组件、固定绳索，用于连接两块压紧状态下太阳翼的柔性铰链组件安装于太阳翼侧面，对相邻两块压紧状态下太阳翼进行固定或释放的分布释放组件紧贴柔性铰链组件外侧安装，固定绳索一端连接于分布释放组件的绳索张力调节环上，另一端连接于集中压紧限位组件的球窝上，用于对所有与分布释放组件相连的固定绳索进行限位固定的集中压紧限位组件安装于卫星壳体外表面中心位置，太阳翼展开指令发送后，集中压紧限位组件释放固定绳索端头，分布释放组件带动相邻两块压紧状态下太阳翼展开，柔性铰链组件同时张开完成太阳翼展开。

所述集中压紧限位组件包括保护帽、限位上端盖、球窝、限位下端盖，所述限位上端盖与限位下端盖于压紧状态下连接，限位上端盖与限位下端盖连接处设置有用于连接固定绳索端头的球窝，限位上端盖与限位下端盖在展开指令发送后分离，太阳翼展开，固定绳索端头脱出，用于防止限位上端盖撞击太阳翼底部的保护帽设置于限位上端盖与太阳翼底部之间。

所述分布释放组件包括可卷曲压紧带、压紧钩、复位弹簧、绳索张力调节环、复位弹簧固定端，所述可卷曲压紧带一端固定于太阳翼板侧面，另一端紧贴另一块太阳翼板同侧表面并与用于固定两块太阳翼板的压紧钩通过旋转轴相连，且通过压紧钩锁紧端固定，压紧钩固定绳索连接端与复位弹簧一端相连，复位弹簧另一端连接于复位弹簧固定端，固定绳索端头穿过设置于压紧钩下方的绳索张力调节环与压紧钩固定绳索连接端相连，限位上端盖与限位下端盖分离时，固定绳索另一端释放，复位弹簧带动压紧钩沿旋转轴做顺时针转动，可卷曲压紧带通过压紧钩锁紧端固定一端解除限位，太阳翼展开。

所述柔性铰链组件包括铰链上基座、柔性带簧、抗扭转轴、铰链下基座，所述柔性带簧两端分别安装于铰链上基座、铰链下基座内侧，抗扭转轴与柔性带簧平行安装于铰链上基座、铰链下基座之间，铰链上基座外侧与一块太阳翼板侧面固定连接，铰链下基座外侧与另一块太阳翼板同侧表面固定连接，限位上端盖与限位下端盖分离时，两块太阳翼板通过柔性带簧进行展开。

所述太阳翼为可展开太阳翼板，所述分布释放组件、柔性铰链组件数量均为太阳翼板的两倍。

所述柔性铰链组件包括板间柔性铰链组件、根部柔性铰链组件，其中，根部柔性铰链组件设置于太阳翼板固定连接端侧面，板间柔性铰链组件设置于太阳翼板压紧端侧面。

所述太阳翼板尺寸为800mm×600mm，数量为2个。

所述可卷曲压紧带为钛合金材料，厚度为0.25mm，拉断力为4.6KN。

所述柔性带簧为高碳不锈钢，厚度0.3mm，长度200mm，中心角弧度为70°。

所述根部柔性铰链组件展开力矩大于400Nmm，板间柔性铰链组件展开力矩大于200Nmm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种轻小型微小卫星展开装置，通过柔性铰链组件能实现太阳翼板展开和锁定功能一体化。柔性带簧利用自身弯曲产生的应变能实现结构的自展开，在展开后依靠自身结构提供所需要的锁定力，达到自锁定状态，并通过抗扭转轴提升展开过程铰链的扭转刚度。柔性铰链优点是重量轻、结构机构一体化、无摩擦阻力及可靠性高，为微小卫星轻小型化的太阳翼展开及锁定提供了可行的方案；

(2)本发明通过单一集中压紧限位组件和分布释放组件实现微小卫星太阳翼板的压紧及释放，并在释放动作完成后，实现对太阳翼板随机展开路径的避让。单一集中压紧限位组件同时对多点压紧绳索进行解锁，减少了结构的复杂程度；分布释放装置及压紧钩的增力力臂设计降低了绳索预紧力的方案，实现对太阳翼板的压紧刚度，机构整体冲击小、可靠性高、重量轻，适用于微小卫星。

附图说明

图1为发明提供的展开装置整体示意图；

图2为发明提供的集中压紧限位组件局部剖视图；

图3为发明提供的分布式释放组件剖视图；

图4为发明提供的柔性铰链组件示意图；

图5为发明提供的弹性带簧反向弯矩与弯曲角度关系曲线图

具体实施方式

一种轻小型微小卫星展开装置，有太阳翼压紧和太阳翼展开两种工作状态，如图1所示，包括集中压紧限位组件1、分布式释放组件2、柔性铰链组件3和绳索4。集中压紧限位组件1，为单一触发源的触发装置，为满足微小卫星的要求，该触发源可以是火工或非火工触发装置，如记忆合金拔销器、石蜡解锁器等。并在压紧状态为绳索4提供限位，绳索与分布释放组件2连接，绳索数量根据任务需求进行设置。柔性铰链组件3为太阳翼板的展开驱动装置，在压紧状态不承载，在展开状态，分布释放组件完成太阳翼板释放后，柔性带簧通过储能释放完成太阳翼板展开，展开结束后依靠自身结构锁定。

如图2所示，在压紧状态，集中压紧限位组件的限位上端盖102和限位下端盖104为绳索4的端部球头提供限位，由触发源提供限位所需的预紧力，绳索4的数量由分布式释放组件的数量决定。在施加解锁信号后，触发源动作撤销限位预紧力，限位上端盖102相对于限位下端盖104上移，同时解除对所有绳索球头的限位，绳索在自身预紧力的作用下脱离球窝，完成多点同步解锁。

如图3所示，分布释放组件包括可卷曲压紧带201、压紧钩202、复位弹簧203和绳索张力调节环204。在压紧状态，绳索的球头位于压紧钩202长臂球窝内，由绳索张力调节环204对绳索张力进行调节，张紧后，压紧钩202将可卷曲压紧带201的端头压紧，为太阳翼板提供压紧刚度，同时，压紧钩长短力臂设计，降低了绳索的张紧力。在集中压紧限位组件解除对绳索球头的限位后，压紧钩在复位弹簧203的作用下复位，解除对可卷曲压紧带201端头的压紧，压紧带卷曲收拢，完成对太阳翼板的释放，柔性铰链组件带动太阳翼板展开。由于柔性带簧的展开过程不受人为限制，为随机展开，因此，太阳翼板的展开包络为随机状态。可卷曲压紧带收拢过程中，对展开路径不干涉，可完全避让展开包络。

如图4所示，柔性铰链机构主要包括铰链上基座301、柔性带簧302、抗扭转轴303和铰链下基座304。依据展开太阳翼板的展开力矩、抗扭刚度及锁定刚度需求。带状弹簧组件在弯曲过程中屈曲，材料大变形，带状弹簧组件内积聚了应变能，在所需的弯曲角度将带状弹簧组件固定；在带状弹簧组件的释放过程中，带状弹簧组件应变能释放，从弯曲状态恢复带状弹簧组件初始构型，带状弹簧组件展开的同时带动太阳翼板展开，完成驱动展开的功能，在展开到位后，带状弹簧组件的几何结构构型使得单片带状弹簧组件的反向弯曲的临界弯矩远大于正向弯曲的临界弯矩，带状弹簧组件利用自身结构锁定，保持较高刚度，完成锁定功能。在展开及锁定状态下，由抗扭转轴303提供部分机构运动的导向，提升抗扭刚度。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

一种轻小型微小卫星展开装置，对尺寸为800mm×600mm的两块太阳翼板进行压紧、释放、展开，包括集中压紧限位组件1、分布释放组件2、柔性铰链组件3、固定绳索4，分布释放组件2数量为4个，柔性铰链组件3数量为4个，分别位于分布释放组件100mm范围内，以保证在压紧过程中铰链不承受负载。

用于连接两块压紧状态下太阳翼的柔性铰链组件3安装于太阳翼侧面，对相邻两块压紧状态下太阳翼进行固定或释放的分布释放组件2紧贴柔性铰链组件3外侧安装，固定绳索4一端连接于分布释放组件2的绳索张力调节环206上，另一端连接于集中压紧限位组件1的球窝103上，用于对所有与分布释放组件2相连的固定绳索进行限位固定的集中压紧限位组件1安装于卫星壳体外表面中心位置，太阳翼展开指令发送后，集中压紧限位组件1释放固定绳索4端头，分布释放组件2带动相邻两块压紧状态下太阳翼展开，柔性铰链组件3同时张开完成太阳翼展开。

集中压紧限位组件1包括保护帽101、限位上端盖102、球窝103、限位下端盖104，所述限位上端盖102与限位下端盖104于压紧状态下连接，限位上端盖102与限位下端盖104连接处设置有用于连接固定绳索4端头的球窝103，限位上端盖102与限位下端盖104在展开指令发送后分离，太阳翼展开，固定绳索4端头脱出，用于防止限位上端盖102撞击太阳翼底部的保护帽101设置于限位上端盖102与太阳翼底部之间。

分布释放组件2包括可卷曲压紧带201、压紧钩202、复位弹簧203、绳索张力调节环204，所述可卷曲压紧带201一端固定于太阳翼板侧面，另一端紧贴另一块太阳翼板同侧表面并与用于固定两块太阳翼板的压紧钩202通过旋转轴相连，且通过压紧钩202锁紧端固定，压紧钩202固定绳索连接端与复位弹簧203一端相连，复位弹簧203另一端固定于复位弹簧固定端208，固定绳索4端头穿过设置于压紧钩202下方的绳索张力调节环204与压紧钩202固定绳索连接端相连，限位上端盖102与限位下端盖104分离时，固定绳索4另一端释放，复位弹簧203带动压紧钩202沿旋转轴做顺时针转动，可卷曲压紧带201通过压紧钩202锁紧端固定一端解除限位，太阳翼展开。

柔性铰链组件4包括铰链上基座301、柔性带簧302、抗扭转轴303、铰链下基座304，所述柔性带簧302两端分别安装于铰链上基座301、铰链下基座304内侧，抗扭转轴303与柔性带簧302平行安装于铰链上基座301、铰链下基座304之间，铰链上基座301外侧与一块太阳翼板侧面固定连接，铰链下基座304外侧与另一块太阳翼板同侧表面固定连接，限位上端盖102与限位下端盖104分离时，两块太阳翼板通过柔性带簧302进行展开。

与4个分布释放组件相连接的4个绳索4收拢并压紧于集中压紧限位组件1的球窝内，在压紧状态，集中压紧限位组件的单发火工触发源提供了预紧力。可卷曲压紧带201为钛合金，厚度为0.25mm，拉断力为4.6KN，满足预紧力为1.2KN的要求。柔性带簧302为高碳不锈钢，厚度0.3mm，长度200mm，中心角弧度为70°。在压紧状态下，太阳翼的前四阶模态及有效质量分数如下表所示，满足太阳翼板在压紧状态下基频大于60Hz的要求，则在压紧状态下，装置整体提供了有效的压紧力。

表1太阳翼前四阶模态及有效质量分数

在展开过程中，柔性带簧的展开规律如图5所示。其展开力矩实测值为根部柔性铰链组件大于400Nmm，板间柔性铰链组件大于200Nmm。柔性铰链可驱动太阳翼板展开。对于正向弯曲带簧，如图5所示，在9°弯曲时，应变能有一个拐点，之后平稳上升；对于反向弯曲，在5°弯曲时，应变能有一个拐点，之后平稳上升。反向弯曲的弯矩总是大于正向弯曲的弯矩。这就使得簧片结构展开后足以抵抗双向的外界干扰，铰链不发生变形，太阳翼板可正常锁定。装置提供了可靠的展开和锁定力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：包括集中压紧限位组件(1)、分布释放组件(2)、柔性铰链组件(3)、固定绳索(4)，用于连接两块压紧状态下太阳翼的柔性铰链组件(3)安装于太阳翼侧面，对相邻两块压紧状态下太阳翼进行固定或释放的分布释放组件(2)紧贴柔性铰链组件(3)外侧安装，固定绳索(4)一端连接于分布释放组件(2)的绳索张力调节环(204)上，另一端连接于集中压紧限位组件(1)的球窝(103)上，用于对所有与分布释放组件(2)相连的固定绳索进行限位固定的集中压紧限位组件(1)安装于卫星壳体外表面中心位置，太阳翼展开指令发送后，集中压紧限位组件(1)释放固定绳索(4)端头，分布释放组件(2)带动相邻两块压紧状态下太阳翼展开，柔性铰链组件(3)同时张开完成太阳翼展开。

2.根据权利要求1所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述集中压紧限位组件(1)包括保护帽(101)、限位上端盖(102)、球窝(103)、限位下端盖(104)，所述限位上端盖(102)与限位下端盖(104)于压紧状态下连接，限位上端盖(102)与限位下端盖(104)连接处设置有用于连接固定绳索(4)端头的球窝(103)，限位上端盖(102)与限位下端盖(104)在展开指令发送后分离，太阳翼展开，固定绳索(4)端头脱出，用于防止限位上端盖(102)撞击太阳翼底部的保护帽(101)设置于限位上端盖(102)与太阳翼底部之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述分布释放组件(2)包括可卷曲压紧带(201)、压紧钩(202)、复位弹簧(203)、绳索张力调节环(204)、复位弹簧固定端(208)，所述可卷曲压紧带(201)一端固定于太阳翼板侧面，另一端紧贴另一块太阳翼板同侧表面并与用于固定两块太阳翼板的压紧钩(202)通过旋转轴相连，且通过压紧钩(202)锁紧端固定，压紧钩(202)固定绳索连接端与复位弹簧(203)一端相连，复位弹簧(203)另一端连接于复位弹簧固定端(208)，固定绳索(4)端头穿过设置于压紧钩(202)下方的绳索张力调节环(204)与压紧钩(202)固定绳索连接端相连，限位上端盖(102)与限位下端盖(104)分离时，固定绳索(4)另一端释放，复位弹簧(203)带动压紧钩(202)沿旋转轴做顺时针转动，可卷曲压紧带(201)通过压紧钩(202)锁紧端固定一端解除限位，太阳翼展开。

4.根据权利要求3所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述柔性铰链组件(4)包括铰链上基座(301)、柔性带簧(302)、抗扭转轴(303)、铰链下基座(304)，所述柔性带簧(302)两端分别安装于铰链上基座(301)、铰链下基座(304)内侧，抗扭转轴(303)与柔性带簧(302)平行安装于铰链上基座(301)、铰链下基座(304)之间，铰链上基座(301)外侧与一块太阳翼板侧面固定连接，铰链下基座(304)外侧与另一块太阳翼板同侧表面固定连接，限位上端盖(102)与限位下端盖(104)分离时，两块太阳翼板通过柔性带簧(302)进行展开。

5.根据权利要求1所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述太阳翼为可展开太阳翼板，所述分布释放组件(2)、柔性铰链组件(3)数量均为太阳翼板的两倍。

6.根据权利要求5所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述柔性铰链组件(3)包括板间柔性铰链组件(3)、根部柔性铰链组件(3)，其中，根部柔性铰链组件(3)设置于太阳翼板固定连接端侧面，板间柔性铰链组件(3)设置于太阳翼板压紧端侧面。

7.根据权利要求5所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述太阳翼板尺寸为800mm×600mm，数量为2个。

8.根据权利要求3所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述可卷曲压紧带(201)为钛合金材料，厚度为0.25mm，拉断力为4.6KN。

9.根据权利要求4所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述柔性带簧(302)为高碳不锈钢，厚度0.3mm，长度200mm，中心角弧度为70°。

10.根据权利要求6所述的一种轻小型微小卫星展开装置，其特征在于：所述根部柔性铰链组件(3)展开力矩大于400Nmm，板间柔性铰链组件(3)展开力矩大于200Nmm。

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