CN110431278A - 可展开桅杆结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种可展开的桅杆结构(100)，其包括构造为当桅杆结构处于展开构造时采用管状形状的主体，以及在主体的壁中形成的多个开口(102)，以便在主体的壁中限定多个一体式带式弹簧铰链(103)，多个开口构造为当带式弹簧铰链弯折时允许主体沿着其纵向轴线收缩成收起构造。在收起构造中，一体式带式弹簧铰链构造为施加将结构推向展开构造的力。由于桅杆结构沿着其纵向轴线收缩，因此该结构在收起构造仅占据小体积。还公开了一种由层状复合材料制造可展开桅杆结构的方法。

Description

可展开桅杆结构

技术领域

本发明涉及可展开桅杆结构。更具体地，本发明涉及包括管状主体和多个带式弹簧铰链的可展开桅杆结构。

背景技术

可展开结构用于装置的物理尺寸需要暂时减小的各种应用中，例如用于存储或运输目的。广泛使用可展开结构的一个这样的领域是基于太空的应用领域，特别是在火箭整流罩中发射到太空中的卫星和其他太空飞行器。由于整流罩中仅存在有限的可用空间，因此使用能够在发射之前收起到小体积中的可展开结构。

已经开发了可展开桅杆，其中长的刚性桅杆部分通过带式弹簧铰链接合。这样的桅杆可以通过弯折带式弹簧铰链来收起，使得刚性桅杆部分向后折叠以彼此并排放置。带式弹簧铰链存储弹性应变能，弹性应变能使得一旦移除约束力，结构就自动展开。虽然这种折叠布置与完全展开的桅杆的长度相比减小了结构的总长度，但是尺寸的总减小受到刚性桅杆部分的长度的限制。例如，如果桅杆包括由带式弹簧铰链连接的相等长度的三个刚性部分，则收缩结构的总长度将大约是完全伸展结构的总长度的三分之一。因此，希望提供一种更紧凑形式的可展开桅杆结构。

本发明是在这种情况下作出的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种可展开桅杆结构，其包括构造为当桅杆结构处于展开构造时采用管状形状的主体，以及在主体的壁中形成的多个开口，以便在主体的壁中限定多个一体式带式弹簧铰链，多个开口构造为当带式弹簧铰链弯折时允许主体沿着其纵向轴线收缩成收起构造，其中，在收起构造中，一体式带式弹簧铰链构造为施加将结构推向展开构造的力。

在根据第一方面的一些实施例中，多个开口布置为沿着主体的纵向轴线间隔开的多个组，使得每组开口限定铰链部分，该铰链部分包括围绕纵向轴线布置的多个带式弹簧铰链，相邻的铰链部分通过壁的没有形成带式弹簧铰链的部分连接。在这样的实施例中，可展开桅杆结构还可包括多个加强构件，每个加强构件构造为加强壁的没有形成带式弹簧铰链的部分中的一个。例如，在根据第一方面的一些实施例中，主体的壁可以由层状复合材料形成，并且多个加强构件中的每一个可以包括复合材料的一个或多个附加层，使得壁的没有形成带式弹簧铰链的部分具有比铰链部分更高的刚度。

在根据第一方面的一些实施例中，主体的一部分内的多个开口中的每一个的长度选择为使得当结构处于收起构造时，该部分内的带式弹簧铰链能够朝向主体的中心向内折叠。

在根据第一方面的一些实施例中，多个开口构造为使得由开口限定的带式弹簧铰链在其端部较窄。

在根据第一方面的一些实施例中，主体沿着纵向轴线在宽度上。当桅杆结构处于收起构造时，锥形的角度可以选择为允许将壁在带式弹簧铰链中的一个的一端处的部分存储在壁在带式弹簧铰链中的一个的相对端处的部分内侧。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开桅杆结构还包括控制机构，该控制机构构造为一旦移除约束力控制桅杆结构从收起构造展开的速度，该控制机构构造为施加部分抵消由带式弹簧铰链施加的力的制动力。该控制机构可以包括通过至少一个纤维连接到桅杆结构的端部的涡电流阻尼器，涡电流阻尼器构造为生成与展开速度成比例的阻尼力。

在根据第一方面的一些实施例中，当处于展开构造时，主体构造为在垂直于纵向轴线的平面中具有圆形横截面。

在根据第一方面的一些实施例中，管状结构构造为使得垂直于纵向轴线的横截面包括一个或多个直边段，并且还包括多个弯边段，带式弹簧铰链形成在弯边段中。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开桅杆结构包括在可展开天线组件中，可展开天线组件包括主反射器和次反射器，主反射器设置在可展开桅杆结构的一端，次反射器设置在可展开桅杆结构的与主反射器相对的端部处。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开桅杆结构包括在可展开望远镜组件中，该可展开望远镜组件包括设置在可展开桅杆结构的一端处的传感器和沿着可展开桅杆结构设置的一个或多个光学元件。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开桅杆结构可以用作分离机构的一部分以将第一主体(例如宇宙飞船)与第二主体(例如有效载荷)分离，其中，可展开桅杆结构构造为在释放将可展开桅杆结构保持在收起构造的约束力时推动第一主体远离第二主体。

在根据第一方面的一些实施例中，一种系统包括可展开桅杆结构以及保持和释放机构，该保持和释放机构构造为施加约束力以将该结构保持在收起构造。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造根据第一方面的可展开桅杆结构的方法，该方法包括以下步骤：在一个或多个复合层板中形成多个开口；围绕成形为限定主体的壁的弯曲心轴铺设一个或多个复合层板；固化一个或多个复合层板以形成主体的壁；和移除心轴。

在根据第二方面的一些实施例中，该方法还包括沿着主体的纵向轴线间隔地围绕心轴铺设一个或多个附加层的步骤，以便形成构造为加强壁的没有形成带式弹簧铰链的部分的加强构件。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的可展开桅杆结构的立体图；

图2示出了图1的可展开桅杆结构的立体图，其中顶部带式弹簧部分处于收缩构造；

图3是示出根据本发明的实施例的制造类似于图1所示的可展开桅杆的方法的流程图；

图4示出了根据本发明的实施例的可展开桅杆结构的平面图；和

图5示出了图4的可展开桅杆结构的立体图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，仅简单地通过说明的方式示出和描述了本发明的某些示例性实施例。如本领域技术人员将认识到的，在不脱离本发明的范围的情况下，可以以各种不同的方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述将被认为本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。

现在参考图1和图2，示出了根据本发明的实施例的可展开桅杆结构100。在图1中，示出了处于展开构造的桅杆结构100。桅杆结构100能够收缩成收起构造，结构100在收起构造占据比展开构造更小的体积，并且可以随后通过将结构100伸展成图1所示的构造来展开。收起构造还可以称为折叠构造，并且展开构造可以称为伸展构造。

本实施例的可展开桅杆结构100包括薄壁主体101。主体101构造为当桅杆结构100处于展开构造时采用管状形状，如图1所示。在本实施例中，当处于展开构造时，本体101构造为在垂直于纵向轴线的平面中具有圆形横截面。然而，在其他实施例中，可以使用不同的横截面形状，例如椭圆形或多边形横截面。

桅杆结构100还包括形成在主体101的壁中的多个开口102。多个开口102构造为在主体101的壁中限定多个一体的带式弹簧铰链103。多个开口102构造为当带式弹簧铰链102弯折时允许主体101沿着其纵向轴线收缩成收缩构造。在收缩构造中，一体式带式弹簧铰链102构造为施加展开力，该展开力将结构100推向展开构造。

在本实施例中，多个开口102布置为沿着主体101的纵向轴线间隔开的组，使得每组开口102限定铰链部分111、112、113，铰链部分111、112、113包括围绕纵向轴线布置的多个带式弹簧铰链103。在本实施例中，每个铰链部分111、112、113包括四个开口102，这四个开口102一起限定围绕中心纵向轴线布置的四个带式弹簧铰链103。在其他实施例中，通过形成适当数目的开口，可以在一个铰链部分内设置任何数目的带式弹簧铰链。

相邻组的开口102，即沿着纵向轴线彼此相邻的铰链部分111、112、112，通过壁的没有形成带式弹簧铰链的部分连接。在本实施例中，这些部分是环形的，因为管状主体101具有圆形横截面，并且在下文中称为“环形部分”。

通过以这种方式将开口布置成组，形成了包括交替的铰链部分111、112、113和环形部分121、122、123、124的可展开桅杆结构100。在本实施例中，单纯通过示例的方式示出了三层结构，其包括在任一端连接到环形部分121、122、123、124中的一个的三个铰链部分111、112、113。然而，在其他实施例中，可以设置任何数量的层。例如，在一个实施例中，可展开桅杆结构可以仅包括在任一端具有环形部分的单个铰链部分。

现在将参照图2描述图1的桅杆结构能够通过其收缩和展开的机构的示例，图2示出了顶部铰链部分111中的带式弹簧铰链103部分收缩的可展开桅杆结构100。

在本实施例中，每个铰链部分111、112、113内的开口102的长度选择为使得当结构处于收缩构造时，每个铰链部分111、112、113内的带式弹簧铰链103可以朝向主体101的中心向内折叠而不会彼此干扰，如图2所示。例如，在一些实施例中，开口102的长度可以选择为使得当带式弹簧铰链103如图2所示向内折叠时，在完全收缩构造中，每个带式弹簧铰链103朝向结构100的中心轴线向内突出而不与同一铰链部分中的任何其他带式弹簧铰链接触。在其他实施例中，一个部分内的带式弹簧铰链可以在收起构造中彼此接触，但可以布置为使得带式弹簧铰链在结构伸展时不防止彼此展开。例如，在一些实施例中，在收起构造中，折叠的带式弹簧铰链可以在结构的中心附近彼此重叠。

向内折叠带式弹簧铰链103意味着每个铰链在与该铰链的曲率半径相反的方向上折叠。这称为带式弹簧铰链的“反方向”弯折，与本实施例的带式弹簧铰链103向外折叠时发生的“同方向”弯折相反。在其他实施例中，当结构收缩成收起构造时，带式弹簧铰链可以向外折叠。

与使用同方向弯折相比，反方向的弯折导致更多的弹性应变能存储在带式弹簧铰链中。因此，如图2所示，通过在桅杆结构收缩成收起构造时向内折叠带式弹簧铰链103，存储了更大量的能量。这增加了当桅杆结构100处于收缩构造时由带式弹簧铰链103施加在结构上的峰值力，结果是与带式弹簧铰链103向外折叠的情况相比，结构100可以更快地展开和/或可以移动更大的质量。向内折叠带式弹簧铰链103的另一个优点是，与带式弹簧铰链103向外弯曲的情况相比，结构100在收缩构造中将占据更小的体积。

如图2所示，当一个铰链部分111、112、113内的带式弹簧铰链103弯折时，桅杆结构100沿着其纵向轴线收缩。由于结构100沿着纵向轴线收缩，因此与现有技术的结构相比，收缩构造中的结构的最终体积减小。因此，图2所示的收缩/展开机构提供了高度紧凑的可展开桅杆结构。

在一些实施例中，环形部分121、122、123、124可以通过一个或多个加强构件来加强，结果使环形部分121、122、123、124中的壁刚度高于铰链部分111、112、113中的壁刚度。加强构件可以帮助环形部分在结构收缩时抵抗扭曲和/或弯折。在环形部分121、122、123、124与铰链部分111、112、113相比高度相对较短的实施例中，环形部分121、122、123、124的加强可以是特别有利的。

在本实施例中，主体101的壁由层状复合材料形成，例如环氧-碳纤维复合材料，并且多个加强构件中的每一个都包括复合材料的一个或多个附加层。结果，壁的没有形成带式弹簧铰链的部分，即环形部分121、122、123、124，具有比铰链部分111、112、113更高的刚度。在其他实施例中，可以使用不同的加强形式，例如结合到环形部分的内表面或外表面或嵌入在壁本身内的金属或陶瓷条或箍。此外，在一些实施例中，可以省略加强构件。

如图1和图2所示，在本实施例中，多个开口102构造为使得由开口102限定的带式弹簧铰链103在其端部较窄。结果，当结构100收缩时，带式弹簧铰链103具有在其与环形部分121、122、123、124交接的点附近弯折的倾向，使得结构以均匀且可预测的方式收缩。在本实施例中，这通过在带式弹簧铰链103与环形部分121、122、123、124交接的每个角处形成半径来实现。通过避免充当应力集中部的尖角，半径减少了在带式弹簧与环形部分之间的接合处断裂的可能性。在其他实施例中，可以使用不同形状的开口来实现类似结果。此外，在其他实施例中，带式弹簧铰链103可以形成为沿着其长度具有均匀的宽度。也就是说，在一些实施例中，可以省略带式弹簧铰链的每个角处的半径。

现在将参照图3描述制造图1和图2所示的可展开桅杆结构的方法。首先，在步骤S301中，在一个或多个复合层板中形成多个开口。桅杆结构可以由任何合适的材料形成。例如，桅杆结构可以由复合材料形成，该复合材料包括高强度/刚度纤维和低刚度/柔顺性树脂基体，比如环氧-碳纤维复合材料。

接下来，在步骤S302中，复合层板围绕弯曲心轴铺设，以形成具有正确形状和厚度的层压件，该弯曲心轴成形为限定主体的壁。心轴表面的曲率将限定带式弹簧铰链的曲率。如果环形部分需要加强，则在步骤S302中，可以沿着主体的纵向轴线间隔地围绕心轴铺设一个或多个附加层板，以形成加强构件。

然后，在步骤S303中，固化复合层板以硬化复合材料并形成主体的壁。可以在受控的温度和压力环境中，比如在高压釜中，固化和后固化(如果需要)复合材料层板。最后，在步骤S304中，从心轴移除完成的桅杆结构。桅杆结构然后准备好使用，并且可以通过使带式弹簧铰链弯折而沿着其纵向轴线收缩成收缩构造。

在本发明的一些实施例中，可以提供控制机构来控制一旦移除约束力桅杆结构从收缩构造展开的速度。控制机构可以构造为通过施加制动力来控制展开速度，该制动力部分抵消由带式弹簧铰链施加的力。在一些实施例中，控制机构可以包括通过一个或多个纤维连接到桅杆结构的端部的涡电流阻尼器，涡电流阻尼器构造为生成与由带式弹簧铰链施加的力导致的展开速度成比例的阻尼力。在其他实施例中，可以使用不同的阻尼机构。

涡电流阻尼器提供的耗散阻尼力矩/力与展开速度成比例。因此，如果带式弹簧铰链施加原本将导致结构的快速展开的大展开力，则涡电流阻尼器将施加成比例的高耗散阻尼力矩/力。相反，如果展开力以及因此展开速度低，则涡流阻尼器将在展开期间施加成比例较低的力矩/力。

控制机构的使用使得能够调节展开速度，以便通过在展开期间控制能量的释放来避免发生在桅杆结构和连接到桅杆结构的任何装置上的冲击和结构损坏。

在上述实施例中，桅杆结构沿着其长度具有均匀的直径。然而，在其他实施例中，桅杆结构可以沿着纵向轴线在宽度上成锥形。例如，在一些实施例中，锥形的角度可以选择为允许当桅杆结构处于收缩构造时，壁在带式弹簧铰链中的一个的一端处的一部分存储在壁在带式弹簧铰链中的一个的相对端处的部分内侧。这种布置可以进一步减小处于收缩构造的桅杆结构所占据的体积。

本发明的实施例可以用于各种应用，包括但不限于：

·四线或螺旋线圈天线的展开；

·用于可展开天线的二次反射镜的展开；

·用于太空望远镜的光学装置的展开；

·远离主机平台的敏感科学仪器的展开；和

·用于将一个主体与另一个主体分离的分离机构。

例如，在一个实施例中，可展开桅杆结构可以包括在可展开天线组件中，该可展开天线组件包括主反射器和次反射器，主反射器设置在可展开桅杆结构的一端，次反射器设置在可展开桅杆结构的与主反射器相对的端部处。通过这种方式，当桅杆结构处于收缩构造时，天线组件的尺寸可以减小。

作为另一示例，在另一实施例中，可展开桅杆结构可以包括于可展开望远镜组件中，该可展开望远镜组件包括设置在可展开桅杆结构的一端处的传感器和沿着可展开桅杆结构设置的一个或多个光学元件。通过这种方式，当桅杆结构处于收缩构造时，可展开望远镜组件的尺寸可以减小。

作为另一示例，在另一实施例中，可展开桅杆结构可以构造为充当用于将第一主体(例如宇宙飞船)与第二主体(例如有效载荷)分离的分离机构。当用作分离机构时，可展开桅杆结构构造为当释放将结构保持在收起构造的约束力时推动第一主体远离第二主体。

已经描述了本发明的实施例，其中可展开桅杆结构的主体构造为沿着其纵向轴线收缩成收缩构造。这可以通过构造多个开口以提供带式弹簧铰链和连接壁部分的适当尺寸来实现，使得该结构可以沿着纵向轴线收缩而带式弹簧铰链不会彼此干涉。由于该结构沿着其纵向轴线收缩，因此实现了紧凑的收缩构造。在展开期间，桅杆结构沿着其纵向轴线伸展。与现有技术的结构相反，这实现了直线运动，在现有技术的结构中，刚性部分枢转并在彼此上向后折叠。而且，在本发明的实施例中，一旦结构展开，带式弹簧铰链就锁定以成为桅杆的壁的一部分，从而进一步增加展开结构的整体刚度。

在本发明的实施例中，其中形成开口的主体构造为在展开构造中采用管状形状。术语“管状”在本文中用于指具有封闭周缘的任何薄壁中空结构，而不限于具有圆形横截面的结构。根据本发明的另一实施例，具有非圆形横截面的管状结构的示例在图4和图5中示出。在该实施例中，横截面通常是方形的，沿着方形的每一侧具有凹入段，该凹入段形成带式弹簧铰链。在图4和图5所示的实施例中，当使用反方向的弯折时，带式弹簧铰链向外折叠，而当使用同方向的弯折时，带式弹簧铰链向内折叠。虽然在图4中示出了正方形横截面，但是在其他实施例中，横截面可以基于任何规则或不规则的多边形。当使用基于多边形的截面时，该截面可以包括一个或多个直边段和多个弯边段，带式弹簧铰链形成在弯边段中。

已经描述了本发明的实施例，其中管状结构可以通过沿着其纵向轴线收缩该结构而被放置成收起构造。这种折叠布置使得能够显著降低处于收起构造的结构的高度。由于连接环形部分在收起构造中保持基本不变形，所以在收起构造中结构高度的总体减小取决于带式弹簧部分与环形部分的相对高度以及每个带式弹簧部分能够收缩的程度。在一些实施例中，每个带式弹簧部分的高度可以大于或等于连接部分的高度，使得可以实现高度的大致50％或更大的总减小。此外，在一些实施例中，每个带式弹簧部分的高度可以显著大于连接环形部分的高度，从而能够显著降低结构的高度。

此外，在一些实施例中，可以提供一种系统，该系统包括可展开桅杆结构以及保持和释放机构(HDRM)，该保持和释放机构构造为施加约束力以将结构保持在收起构造中，其中主体沿着其纵向轴线收缩。该系统可以通过释放约束力来自动地展开桅杆结构，于是在收起构造中存储在变形的带式弹簧铰链中的弹性能量施加将结构朝向展开构造推动的力。

虽然这里已经参考附图描述了本发明的某些实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，许多变化和修改将是可能的。

Claims (18)

1.一种可展开桅杆结构，包括：

主体，其构造为当所述桅杆结构处于展开构造时采用管状形状；和

多个开口，其形成在所述主体的壁中，以便在所述主体的壁中限定多个一体式带式弹簧铰链，所述多个开口构造为当所述带式弹簧铰链弯折时允许所述主体沿着其纵向轴线收缩成收起构造，

其中，在所述收起构造中，所述一体式带式弹簧铰链构造为施加将所述结构推向所述展开构造的力。

2.根据权利要求1所述的可展开桅杆结构，其中，所述多个开口布置为沿着所述主体的纵向轴线间隔开的多个组，使得每组开口限定铰链部分，所述铰链部分包括围绕所述纵向轴线布置的多个带式弹簧铰链，相邻的铰链部分通过所述壁的没有形成带式弹簧铰链的部分连接。

3.根据权利要求2所述的可展开桅杆结构，还包括：

多个加强构件，每个加强构件构造为加强所述壁的没有形成带式弹簧铰链的部分中的一个。

4.根据权利要求3所述的可展开桅杆结构，其中，所述主体的壁由层状复合材料形成，并且所述多个加强构件中的每一个包括所述复合材料的一个或多个附加层，使得所述壁的没有形成带式弹簧铰链的部分具有比所述铰链部分更高的刚度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述主体的一部分内的所述多个开口中的每一个的长度选择为使得当所述结构处于收起构造时，所述部分内的所述带式弹簧铰链能够朝向所述主体的中心向内折叠。

6.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述多个开口构造为使得由所述开口限定的带式弹簧铰链在其端部较窄。

7.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述主体沿着所述纵向轴线在宽度上成锥形。

8.根据权利要求7所述的可展开桅杆结构，其中，所述锥形的角度选择为当所述桅杆结构处于所述收起构造时，允许将所述壁在所述带式弹簧铰链中的一个的一端处的部分存储在所述壁在所述带式弹簧铰链中的所述一个的相对端处的部分内侧。

9.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，还包括：

控制机构，其构造为控制一旦移除约束力所述桅杆结构从所述收起构造展开的速度，所述控制机构构造为施加部分抵消由所述带式弹簧铰链施加的力的制动力。

10.根据权利要求9所述的可展开桅杆结构，其中，所述控制机构包括：

涡电流阻尼器，其通过至少一个纤维连接到所述桅杆结构的端部，所述涡电流阻尼器构造为生成与由所述带式弹簧铰链施加的力成比例的阻尼力。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述主体构造为当处于所述展开构造时在垂直于所述纵向轴线的平面中具有圆形横截面。

12.根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述管状结构构造为使得垂直于所述纵向轴线的横截面包括一个或多个直边段，并且还包括多个弯边段，所述带式弹簧铰链形成在所述弯边段中。

13.一种可展开天线组件，包括根据前述权利要求中任一项所述的可展开桅杆结构，所述天线组件还包括：

主反射器，其设置在所述可展开桅杆结构的一端处；和

次反射器，其设置在所述可展开桅杆结构的与所述主反射器相对的端部处。

14.一种可展开望远镜组件，包括权利要求1至12中任一项所述的可展开桅杆结构，所述望远镜组件还包括：

传感器，其设置在所述可展开桅杆结构的一端处；和

一个或多个光学元件，其沿着所述可展开桅杆结构设置。

15.一种用于将第一主体与第二主体分离的分离机构，所述分离机构包括根据权利要求1至12中任一项所述的可展开桅杆结构，其中，所述可展开桅杆结构构造为在释放将所述结构保持在所述收起构造的约束力时推动所述第一主体远离所述第二主体。

16.一种系统，包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的可展开桅杆结构；和

保持和释放机构，其构造为施加约束力以将所述结构保持在所述收起构造。

17.一种制造根据权利要求1所述的可展开桅杆结构的方法，所述方法包括：

在一个或多个复合层板中形成所述多个开口；

围绕成形为限定所述主体的壁的弯曲心轴铺设所述一个或多个复合层板；

固化所述一个或多个复合层板以形成所述主体的壁；和

移除所述心轴。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

沿着所述主体的纵向轴线间隔地围绕所述心轴铺设一个或多个附加层，以便形成加强构件，所述加强构件构造为加强所述壁的没有形成带式弹簧铰链的部分。