CN110371324B - 一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆 - Google Patents

Abstract

一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，涉及一种太阳帆。四根伸展臂以支撑轴为中心呈十字形排布进行铰接，四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，八个复合型负刚度蜂窝结构固定围合为正八边形组成伸展臂单体，多个伸展臂单体沿轴向固定组成伸展臂，四个帆面设置在四根伸展臂之间，帆面的直角顶点与支撑轴侧壁固接，帆面的两个锐角顶点与对应的伸展臂外端固接，支撑轴上下两端分别固定有上压缩装置及下压缩装置，伸展臂、上压缩装置及下压缩装置均通过温度控制实现轴向伸展。可以通过温度控制实现二阶段智能展开，具有形状记忆功能，能够实现多个稳态，可靠性强、保型好、稳定性强。

Description

一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆

技术领域

本发明涉及一种太阳帆，尤其是一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆。

背景技术

目前人类在卫星通讯、宇宙探索等前沿领域，对太阳帆航天器的需求越来越迫切，作为利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器，由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种推进资源是无穷无尽的，推进的持续力只依赖于太阳帆薄膜与制动器的寿命和光源的距离，这种推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供一定的加速度。

机械驱动的太阳帆存在可靠性差、折叠体积大、重量大、耗能大、同步展开性能低的问题，而充气式展开的太阳帆保型差、充气器械重量大、稳定性差、中间过程不可控。

多稳态结构是近年来引起国内外广泛关注的一种新型轻质多功能结构，由于具备如负刚度效应、多稳态效应、可重复特性等特殊的性质或功能，使其在冲击吸能、形态转换超材料、可展开结构等方面具有较为广泛的应用前景。多稳态结构是一种具有较高的初始刚度和可恢复性的机械超结构，它利用梁屈曲模式的跳变来实现负刚度效应。多稳态结构具有多稳态特性，梁在屈曲过程中会发生不可逆变形，卸载后无法恢复到初始状态，这样就出现了一种类似的自锁现象，从而将一部分变形能储存在结构中。

形状记忆聚合物是一种具有在一定热、电、磁、光条件刺激下主动回复变形并保持形状的特点的高分子聚合物，增加碳纤维增强相后，其强度也会增大很多。

综上，如能够利用多稳态结构结合形状记忆聚合物研发一种性能更加良好的太阳帆，对解决传统太阳帆存在的诸多问题具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，包括支撑轴、上压缩装置、下压缩装置、四个帆面以及四根伸展臂，所述四根伸展臂以支撑轴为中心呈十字形排布，且每根伸展臂内端与支撑轴侧壁中间铰接，伸展臂包括若干复合型负刚度单胞，所述复合型负刚度单胞包括曲梁结构及三个支撑结构，所述曲梁结构采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构采用尼龙，三个支撑结构分别与曲梁结构中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构位于同侧并与位于中间的支撑结构对向设置，曲梁结构两侧对称设置有两个刚性块以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，所述复合型负刚度蜂窝结构的四个复合型负刚度单胞两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞的曲梁结构中间固定有弹簧，每八个复合型负刚度蜂窝结构环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成伸展臂单体，多个所述伸展臂单体沿轴向依次固定组成伸展臂，所述四个帆面均采用薄膜材料并制为等腰直角三角形，四个帆面分别设置在四根伸展臂之间，每个帆面的直角顶点与支撑轴侧壁对应位置固接，每个帆面的两个锐角顶点分别与对应的两根伸展臂外端固接，所述支撑轴上下两端分别固定有上限位板及下限位板，所述上压缩装置及所述下压缩装置与伸展臂结构相同并分别间隔套设在支撑轴侧壁上下两端，上压缩装置与所述上限位板固接，下压缩装置与所述下限位板固接，伸展臂、上压缩装置及下压缩装置均通过温度控制实现轴向伸展。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的太阳帆可以通过温度控制实现二阶段智能展开，组成上压缩装置、下压缩装置和伸展臂的复合型负刚度单胞具有形状记忆功能，通过温度控制能够实现多个稳态，实现在轴向方向的伸展，可靠性强、保型好、稳定性强，一阶段通过温度控制上压缩装置和下压缩装置伸展使伸展臂展开至水平，二阶段通过温度控制伸展臂进行伸展，进而使太阳帆全面展开，同步展开性能高，而且具有零泊松比效应，能保证截面尺寸不变，曲梁结构有多个稳定状态，温度不变即可进行自锁，不需要辅助设施，对解决传统太阳帆存在的诸多问题具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的复合型负刚度单胞由展开状态至压缩状态的示意图；

图2是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在压缩状态的示意图；

图3是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在展开状态的示意图；

图4是本发明的伸展臂单体的轴测图；

图5是本发明的伸展臂在压缩状态的示意图；

图6是本发明的伸展臂在伸展状态的示意图；

图7是本发明的由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆在展开状态的示意图；

图8是本发明的支撑轴的轴测图；

图9是图8的横向剖切图；

图10是本发明的接头的轴测图；

图11是本发明的由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆在折叠状态的轴测图，为便于观看，帆面均未表示；

图12是图11的主视图；

图13是本发明的由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆在展开状态的轴测图，为便于观看，帆面均未表示；

图14是图13的主视图；

图15是本发明的伸展臂在展开至水平时上压缩装置和下压缩装置的主视示意图；

图16是本发明的曲梁结构的两种变种结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图15所示，本发明公开了一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，包括支撑轴12、上压缩装置15、下压缩装置16、四个帆面14以及四根伸展臂11，所述四根伸展臂11以支撑轴12为中心呈十字形排布，且每根伸展臂11内端与支撑轴12侧壁中间铰接，伸展臂11包括若干复合型负刚度单胞1，所述复合型负刚度单胞1包括曲梁结构1-1及三个支撑结构1-2，所述曲梁结构1-1采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构1-2采用尼龙，三个支撑结构1-2分别与曲梁结构1-1中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构1-2位于同侧并与位于中间的支撑结构1-2对向设置，曲梁结构1-1两侧对称设置有两个刚性块1-3以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞1组合固定成复合型负刚度蜂窝结构2，所述复合型负刚度蜂窝结构2的四个复合型负刚度单胞1两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞1的曲梁结构1-1中间固定有弹簧2-1，每八个复合型负刚度蜂窝结构2环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成伸展臂单体3，多个所述伸展臂单体3沿轴向依次固定组成伸展臂11，所述四个帆面14均采用薄膜材料并制为等腰直角三角形，四个帆面14分别设置在四根伸展臂11之间，每个帆面14的直角顶点与支撑轴12侧壁对应位置固接，每个帆面14的两个锐角顶点分别与对应的两根伸展臂11外端固接，所述支撑轴12上下两端分别固定有上限位板12-1及下限位板12-2，所述上压缩装置15及所述下压缩装置16与伸展臂11结构相同并分别间隔套设在支撑轴12侧壁上下两端，上压缩装置15与所述上限位板12-1固接，下压缩装置16与所述下限位板12-2固接，伸展臂11、上压缩装置15及下压缩装置16均通过温度控制实现轴向伸展。

具体实施方式二：如图1、5、12所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述若干复合型负刚度单胞1处于展开状态并在高于所述曲梁结构1-1的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述伸展臂11，当对伸展臂11的全部曲梁结构1-1同时升温至相同温度，全部曲梁结构1-1回复至展开状态释放预应力使伸展臂11轴向伸展，所述上压缩装置15及所述下压缩装置16轴向伸展与伸展臂11轴向伸展形式相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而改变曲梁结构1-1的温度。

具体实施方式四：如图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述复合型负刚度蜂窝结构2之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构2接口处设置为坡面。

具体实施方式五：如图1、16所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一1-11和曲梁变种结构二1-12，所述曲梁变种结构一1-11的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二1-12的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。

参照图1所示，在曲梁结构1-1上增加刚性块1-3以增大曲梁结构1-1该处的横截面尺寸，如果在不同的部位增加更多的刚性块1-3，或改变不同部位曲梁结构1-1的横截面积，参照图16所示，对曲梁结构1-1进行变种，如中间窄两端宽的曲梁变种结构一1-11和中间宽两端窄的曲梁变种结构二1-12，在横截面尺寸相对较小的位置则容易发生屈曲，可以实现多稳态功能，有利于结构稳定在弯曲时的构型，参照图2～3所示，复合型负刚度蜂窝结构2增加弹簧2-1使得其在压缩和展开的时候，在弹簧2-1内部存储有预应力，更易复合型负刚度蜂窝结构2的压缩和展开。

参照图1～6所示，将由尼龙制成的支撑结构1-2和由含增强纤维的形状记忆聚合物制成的曲梁结构1-1固定组合成伸展臂11，其中，曲梁结构1-1可采用环氧树脂形状记忆聚合物并在表面设置纤维进行增强，在初始展开状态下放入温度箱中在90℃条件下进行高温固化2小时，在120℃条件下再进行高温固化1小时，然后，取出伸展臂11对曲梁结构1-1粘贴电加热片，将贴有电加热片的伸展臂11放入100～120℃的温度箱，具体温度根据曲梁结构1-1材料的玻璃化转变温度Tg来确定，一般比Tg高0～20℃，在温度箱中放置10分钟，材料达到Tg变软后从温度箱取出，通过压缩机器或外力对伸展臂11进行压缩，参照图5所示，使伸展臂11处于压缩状态，材料恢复常温并保持形状不动，当通过温度控制器控制电加热片对伸展臂11的全部曲梁结构1-1同时升温至相同温度，全部曲梁结构1-1回复至展开状态释放预应力使伸展臂11轴向伸展，参照图6所示，伸展臂11则处于伸展状态，上压缩装置15及下压缩装置16伸展方式与伸展臂11相同，电加热片均通过电线与温度控制器电性连接，电线布置在伸展臂11、上压缩装置15及下压缩装置16的内部，通电后通过温度控制器对电加热片进行温度调控，如若想让其停止在某一状态，在达到该状态时停止升温并保持温度即可进行自锁。

参照图7～11所示，支撑轴12采用正八棱柱结构以配合上压缩装置15及下压缩装置16的套设，支撑轴12与四根伸展臂11对应的四个侧壁分别竖向挖设有凹槽12-3，每个凹槽12-3的中间位置横向对称制有两个铰接孔12-4，伸展臂11与支撑轴12通过接头13铰接，接头13主体为正八棱柱结构其一端与伸展臂11内端插接并通过黏合剂进行固定，接头13另一端对称制有两个铰接杆头13-1与对应的两个铰接孔12-4进行铰接，凹槽12-3的设置便于伸展臂11向下摆动时的收放，伸展臂11外端焊接有连接杆11-1，帆面14的直角顶点与支撑轴12侧壁对应位置通过黏合剂进行固定，帆面14的两个锐角顶点分别通过弹性连接绳17与对应的两根伸展臂11外端的连接杆11-1系紧固定，帆面14两直角边分别沿其长度方向间隔设定有多个节点并通过粘结剂与对应的伸展臂11相应位置粘接固定，粘接时伸展臂11处于压缩状态而帆面14采用“Z”字形折叠,保证伸展臂11在伸展状态时帆面14被拉伸为平面，帆面14与伸展臂11粘接的节点与电热片错位设置，上压缩装置15上端及下压缩装置16下端分别与上限位板12-1及下限位板12-2通过黏合剂进行固定，考虑到承载大小不同(下压缩装置16伸展后对四根伸展臂11或四个接头13的支撑力大于上压缩装置15伸展后对四根伸展臂11或四个接头13的支撑力)，下压缩装置16的复合型负刚度单胞1数量多于上压缩装置15的复合型负刚度单胞1数量。

参照图11～15所示，在展开过程中，一阶段，对下压缩装置16进行升温，随着下压缩装置16的逐渐伸展，四个伸展臂11被顶升至水平状态，对上压缩装置15进行升温，上压缩装置15逐渐伸展下压住四个伸展臂11，保证了四个伸展臂11固定不动，二阶段，对四根伸展臂11进行升温，使得四根伸展臂11逐渐伸展，直至四个帆面14从“Z”字形折叠状态至完全展开。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，其特征在于：包括支撑轴(12)、上压缩装置(15)、下压缩装置(16)、四个帆面(14)以及四根伸展臂(11)，所述四根伸展臂(11)以支撑轴(12)为中心呈十字形排布，且每根伸展臂(11)内端与支撑轴(12)侧壁中间铰接，伸展臂(11)包括若干复合型负刚度单胞(1)，所述复合型负刚度单胞(1)包括曲梁结构(1-1)及三个支撑结构(1-2)，所述曲梁结构(1-1)采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构(1-2)采用尼龙，三个支撑结构(1-2)分别与曲梁结构(1-1)中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构(1-2)位于同侧并与位于中间的支撑结构(1-2)对向设置，曲梁结构(1-1)两侧对称设置有两个刚性块(1-3)以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞(1)组合固定成复合型负刚度蜂窝结构(2)，所述复合型负刚度蜂窝结构(2)的四个复合型负刚度单胞(1)两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞(1)的曲梁结构(1-1)中间固定有弹簧(2-1)，每八个复合型负刚度蜂窝结构(2)环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成伸展臂单体(3)，多个所述伸展臂单体(3)沿轴向依次固定组成伸展臂(11)，所述四个帆面(14)均采用薄膜材料并制为等腰直角三角形，四个帆面(14)分别设置在四根伸展臂(11)之间，每个帆面(14)的直角顶点与支撑轴(12)侧壁对应位置固接，每个帆面(14)的两个锐角顶点分别与对应的两根伸展臂(11)外端固接，所述支撑轴(12)上下两端分别固定有上限位板(12-1)及下限位板(12-2)，所述上压缩装置(15)及所述下压缩装置(16)与伸展臂(11)结构相同并分别间隔套设在支撑轴(12)侧壁上下两端，上压缩装置(15)与所述上限位板(12-1)固接，下压缩装置(16)与所述下限位板(12-2)固接，伸展臂(11)、上压缩装置(15)及下压缩装置(16)均通过温度控制实现轴向伸展。

2.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，其特征在于：所述若干复合型负刚度单胞(1)处于展开状态并在高于所述曲梁结构(1-1)的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述伸展臂(11)，当对伸展臂(11)的全部曲梁结构(1-1)同时升温至相同温度，全部曲梁结构(1-1)回复至展开状态释放预应力使伸展臂(11)轴向伸展，所述上压缩装置(15)及所述下压缩装置(16)轴向伸展与伸展臂(11)轴向伸展形式相同。

3.根据权利要求2所述的一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而改变曲梁结构(1-1)的温度。

4.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，其特征在于：所述复合型负刚度蜂窝结构(2)之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构(2)接口处设置为坡面。

5.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁智能驱动展开的太阳帆，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一(1-11)和曲梁变种结构二(1-12)，所述曲梁变种结构一(1-11)的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二(1-12)的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。

Images