CN110217408B - 一种新型平面可展开结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型平面可展开结构。本发明为相邻行方形单元错缝分布的方形单元。所述的方形单元包括n层单层结构、n‑1个竖向支撑结构。竖向支撑结构将相邻两层单层结构连接在一起组成一个方形单元。单层结构通过特定的A型锁定机构、B型锁定机构、C型锁定机构、X向短杆和、Y向长杆的配合实现可收拢。本发明可用作太空中的超大尺度空间太阳能电站微波发射天线、卫星的大型平面相控阵天线及其他大型、超大型空间结构。所利用的新型平面收拢展开构型及锁定方式，具有展开精度高、刚度大、收展比大等优点，适用于空间大尺度、超大尺度天线及电池阵结构。

Description

一种新型平面可展开结构
技术领域
本发明属于空间可展开结构技术领域，涉及一种新型平面可展开结构。
背景技术
空间太阳能电站是在太空布置大面积的太阳能电池阵和电源转换装置，并通过太空中的微波发射天线将能量以微波的形式传回地面。这样可以避免地面气候条件对太阳能收集的不良影响，达到长期有效的收集太阳能的目的。空间太阳能电站有望解决能源危机和火力发电带来的环境污染问题，因此成为各国研究的热点。微波发射天线采用平面微带相控阵天线，兆瓦级发电量的空间太阳能电站天线直径至少需要200米。这种超大口径天线在尺寸上较现有卫星天线提高十倍以上，未来随着空间电站的技术发展，甚至会需要公里级的天线，因此空间微波发射天线成为空间太阳能电站建造的一个关键技术。受运载火箭尺寸和运载能力限制，建造时需要把空间太阳能电站的天线分为多个子阵，每个子阵的质量和尺寸控制在运载火箭单次发射的运载能力范围内，发射入轨后，在太空进行组装，实现结构一体化。目前国外已经提出的空间太阳能的结构方案中，大型结构的子阵几何构型多采用六边形单元、三角形单元、长条形单元、方块单元，且每个子阵为固定不可收拢结构，发射时子阵之间采用折叠的方式，如附图1(a)、(b)所示。以日本提出的分布式绳系太阳能电站(Tether SPS)概念为例，其电池阵和微波发射天线采用双层平板结构，尺寸为2.5km×2.5km。结构的基本组成单元为单元板(100m×95m)，由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统，如附图1(c)所示。
对于超大尺寸的天线，如果子阵不可收拢，将导致飞船发射次数、组装难度增加。因此子阵需要采用可收拢结构，这样飞船可以一次性携带更多子阵，并有效减少发射次数。同时，采用可收拢子阵方案，在地面可以多个子阵预拼装收拢，这样既增大展开后的面积，又减少在轨拼装难度，同时也能更好地保证展开和拼装结构的精度和刚度。此外，新一代大型星载相控阵天线和太阳能电池阵的发展，也要求发射时结构可收拢折叠、在轨展开后能实现大口径的平面结构。因此提出本专利方案，以提供一种具有较高收拢/展开体积比的新型平面可展开结构。
发明内容
本发明的目的就是提供一种新型平面可展开结构。
本发明为相邻行方形单元错缝分布的方形单元。所述的方形单元包括n层单层结构、n-1个竖向支撑结构。竖向支撑结构将相邻两层单层结构连接在一起组成一个方形单元。
所述的单层结构包括多个A型锁定机构、多个B型锁定机构、多个C型锁定机构、多对X向短杆和多根Y向长杆。X向短杆两两连接，通过Y向长杆连接成“品”字形；两根X向短杆之间通过B型锁定机构连接，一根X向短杆与一根Y向长杆之间通过C型锁定机构连接，两根X向短杆与一根Y向长杆之间通过A型锁定机构连接。
所述的A型锁定机构包括节点壳、转动接头、齿条、扭簧。一对转动接头分别通过销轴设置在节点壳上，销轴置于转动接头内部分布嵌套有扭簧，转动接头能够绕销轴转动；一对转动接头分别与齿条两侧啮合，通过转动接头与齿条的配合抬升齿条；一对转动接头与齿条上均设有杆件接头用于杆件的连接。一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆。
所述的B型锁定机构与A型锁定机构相比，少了齿条上的杆件接头。一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆。
所述的C型锁定机构与A型锁定机构相比，少了一个转动接头。转动接头上的杆件接头接一根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆。
所述的竖向支撑结构包括多对等长杆，每对等长杆通过B型锁定机构连接；多对等长杆两端分别与相邻两层单层结构对应的A型/B型/C型锁定机构侧面连接。
所述的多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设杆件接头连接一对单层结构；
所述的多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设转动接头和齿条连接一对单层结构，转动接头上设置有杆件接头。
本发明可用作太空中的超大尺度空间太阳能电站微波发射天线、卫星的大型平面相控阵天线及其他大型、超大型空间结构。所利用的新型平面收拢展开构型及锁定方式，具有展开精度高、刚度大、收展比大等优点，适用于空间大尺度、超大尺度天线及电池阵结构。
附图说明
图1(a)为现有一种六边形单元拼接示意图；
图1(b)为现有一种子阵折叠方式示意图；
图1(c)为一种空间太阳能电站结构概念示意图；
图2为本发明展开状态平面布局示意图；
图3为图2中方形单元的整体结构示意图；
图4为图3中单层结构的结构示意图；
图5为单层结构收拢过程中某状态的结构示意图；
图6为单层结构的收拢结构示意图；
图7为图5中A型锁定机构收拢状态结构示意图；
图8为图5中B型锁定机构收拢状态结构示意图；
图9为图5中C型锁定机构收拢状态结构示意图；
图10为实施例1中竖向支撑结构连接结构示意图；
图11为实施例2中竖向支撑结构连接结构示意图；
图12为实施例2中方形单元工作过程示意图；
图13为A型锁定机构工作过程示意图；
图14为B型锁定机构工作过程示意图；
图15为C型锁定机构工作过程示意图。
具体实施方式
如图2所示,一种新型平面可展开结构，在展开完成后平面布局为相邻行方形单元错缝分布，基本模块为“品”字形结构的方形单元。
以竖向可收拢的“品”字形模块为例进行详细描述。如图3所示，方形单元包括两层单层结构1、竖向支撑结构2。单层结构1为“品”字形，竖向支撑结构2将两层单层结构1连接在一起组成一个方形单元。
如图4～6所示，单层结构1包括四个A型锁定机构3、六个B型锁定机构4、三个C型锁定机构5、五对X向短杆6和五根Y向长杆7。X向短杆两两连接，通过Y向长杆连接成“品”字形；两根X向短杆之间通过B型锁定机构连接，一根X向短杆与一根Y向长杆之间通过C型锁定机构5连接，两根X向短杆与一根Y向长杆之间通过A型锁定机构连接。
如图7所示，A型锁定机构3包括节点壳8、转动接头9、齿条10、扭簧11、销轴12。节点壳8是整个展开锁定机构的骨架；一对转动接头9分别通过销轴12对称设置在节点壳8上，销轴12置于转动接头9内部分布嵌套有扭簧；转动接头在扭簧11的驱动下，可绕销轴转动一对转动接头9分别与齿条10两侧啮合，通过转动接头9与齿条10的配合抬升齿条10；一对转动接头9与齿条10上均设有杆件接头13用于杆件的连接。一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆。实现三杆连接处的展开与收拢。
如图8所示，B型锁定机构4与A型锁定机构3相比，少了齿条10上的杆件接头13。一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆，实现两根X向短杆连接处的展开与收拢。
如图9所示，C型锁定机构5与A型锁定机构3相比，少了一个转动接头9。转动接头上的杆件接头接一根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆，实现异向杆件连接处的展开与收拢。
实施例1：如图10所示，竖向支撑结构2包括多对等长杆，每对等长杆通过B型锁定机构连接；多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设杆件接头13连接一对单层结构；此时竖向不可收拢。
实施例2：如图11所示，竖向支撑结构2包括多对等长杆，每对等长杆通过B型锁定机构连接；多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设转动接头9和齿条10连接一对单层结构，转动接头9上有杆件接头13，展开锁定原理与单层结构1相同；此时竖向可收拢。
工作过程如下：
如图12～15所示，在收拢状态下单层结构各杆件均沿Y向，每个方形单元的一组对边(每条边由两根X向短杆和一个锁定机构组成)向内折叠收于Y向长杆之间，且该锁定机构靠近Y向长杆中部。
约束解除后，在扭簧驱动下，各锁定机构的转动接头开始转动，X向短杆随着转动接头一起转动，且与Y向的夹角由0度增大，Y向长杆沿X向的间距增大；呈“V”型连接两根X向短杆的锁定机构，随着展开过程向Y向长杆杆端移动。当“V”形夹角增大到180度(即X向短杆6与Y向的夹角达到90度)，两X向短杆共线且沿X向，X向短杆与Y向长杆组成方形子阵，结构达到完全展开状态，锁定机构完成锁定。
当竖向可收拢时，竖向支撑结构2采用与单层结构1相同的收展原理。
以按缩比尺寸设计的竖向可收拢“品”字形模块为例，展开状态下，该模块X向最大长度为911mm，Y向最大长度为878mm，竖向最大高度为377mm；收拢状态下，X向最大长度为103mm，Y向最大长度为697mm，竖向最大高度为93mm；该模块X向收展比为8.84，Y向收展比为1.26，竖向收展比为4.04，XY平面面积收展比为11，体积收展比为44。如果进一步优化杆件尺寸、多个模块排列，还可以得到更大的收展比，在此不进一步展开叙述。
上述实施例用来解释说明本专利，而不是对本专利进行限制，在本专利的精神和权利要求的保护范围内，对本专利作出的任何修改和改变，都落入本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型平面可展开结构，为相邻行方形单元错缝分布的方形单元；其特征在于：所述的方形单元包括n层单层结构、n-1个竖向支撑结构；竖向支撑结构将相邻两层单层结构连接在一起组成一个方形单元；
所述的单层结构包括多个A型锁定机构、多个B型锁定机构、多个C型锁定机构、多对X向短杆和多根Y向长杆；X向短杆两两连接，通过Y向长杆连接成“品”字形；两根X向短杆之间通过B型锁定机构连接，一根X向短杆与一根Y向长杆之间通过C型锁定机构连接，两根X向短杆与一根Y向长杆之间通过A型锁定机构连接；
所述的A型锁定机构包括节点壳、转动接头、齿条、扭簧；一对转动接头分别通过销轴设置在节点壳上，销轴置于转动接头内部分布嵌套有扭簧，转动接头能够绕销轴转动；一对转动接头分别与齿条两侧啮合，通过转动接头与齿条的配合抬升齿条；一对转动接头与齿条上均设有杆件接头用于杆件的连接；一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆；
所述的B型锁定机构与A型锁定机构相比，少了齿条上的杆件接头；一对转动接头上的杆件接头分别接两根X向短杆；
所述的C型锁定机构与A型锁定机构相比，少了一个转动接头；转动接头上的杆件接头接一根X向短杆，齿条上的杆件接头接一根Y向长杆；
所述的竖向支撑结构包括多对等长杆，每对等长杆通过B型锁定机构连接；多对等长杆两端分别与相邻两层单层结构对应的A型/B型/C型锁定机构侧面连接。
2.如权利要求1所述的一种新型平面可展开结构，其特征在于：所述的多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设杆件接头连接一对单层结构。
3.如权利要求1所述的一种新型平面可展开结构，其特征在于：所述的多对等长杆两端通过在一对单层结构的A型/B型/C型锁定机构侧面增设转动接头和齿条连接一对单层结构，转动接头上设置有杆件接头。
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