CN110550237B - 一种薄壁伸展臂的展开控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄壁伸展臂的展开控制装置，包括若干形状记忆结构，若干所述形状记忆结构间隔设置在所述伸展臂的至少一侧；所述伸展臂在展开状态下，所述形状记忆结构的一端与所述伸展臂固定连接，另一端展开至所述伸展臂之外；所述伸展臂在卷绕收藏状态下，所述形状记忆结构折叠并覆在所述伸展臂上，约束所述伸展臂使其保持收藏状态；处于折叠记忆态下的所述形状记忆结构可在外部刺激的驱动下展开，解除对所述伸展臂的约束，以实现所述伸展臂的展开。本发明采用若干个形状记忆结构约束卷绕收藏的伸展臂，通过外部刺激驱动形状记忆结构依次变形，实现伸展臂的受控平稳展开。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天展开机构技术领域，特别涉及一种薄壁伸展臂的展开控制装置。
背景技术
受运载火箭包络限制，大型空间结构在发射时都处于折叠或卷绕等收藏状态，入轨后在展开机构作用下恢复至工作状态。薄壁伸展臂是一种细长形的薄壁结构件，可将其截面压扁后实现小包络卷绕收藏的同时，展开后具有较好的比刚度，可用在重力梯度杆、太阳帆、电池阵等产品上，兼具展开驱动和展开后承载等功能。目前国内外研究的薄壁伸展臂一般采用柔性粘扣+充气驱动、电机控速等展开控制方法。柔性粘扣+充气驱动分别实现结构的展开状态约束和展开驱动，需要设计气源气路及控制系统，存在气路气密性和柔性粘扣力学性能的离散性等可靠性问题；电机控速一般需要设计刚性传动机构，重量较大。
发明内容
本发明的目的是针对薄壁伸展臂无控展开过程冲击大、现有展开控制方法存在的可靠性低或质量大等问题，提出了一种薄壁伸展臂的展开控制装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种薄壁伸展臂的展开控制装置，包括若干形状记忆结构，若干所述形状记忆结构间隔设置在所述伸展臂的至少一侧；
所述伸展臂在展开状态下，所述形状记忆结构的一端与所述伸展臂固定连接，另一端展开至所述伸展臂之外；
所述伸展臂在卷绕收藏状态下，所述形状记忆结构折叠并覆在所述伸展臂上，约束所述伸展臂使其保持收藏状态；处于折叠记忆态下的所述形状记忆结构能够在外部刺激的驱动下展开，解除对所述伸展臂的约束，以实现所述伸展臂的展开。
进一步的，所述伸展臂为长条的薄壁壳状结构，其截面能够被压扁呈一字形；若干所述形状记忆结构沿所述伸展臂的长度方向间隔设置在所述伸展臂的至少一侧；
所述伸展臂的收藏过程为：所述伸展臂的一端固定在一芯轴上，其截面压扁呈一字型并卷绕在所述芯轴上；在卷绕过程中，将所述形状记忆结构远离伸展臂的一端向靠近所述伸展臂方向翻转180°以覆在所述伸展臂上，约束伸展臂防止其截面形状恢复；
所述伸展臂从收藏状态受控展开过程为：沿着与所述伸展臂的卷绕方向相反的方向，依次对所述形状记忆结构施加外部刺激，驱动其结构恢复至原始态，解除其对伸展臂的约束，所述伸展臂展开。
进一步的，所述伸展臂由一薄壁板一体弯折成型，或由若干薄壁板拼接而成。
进一步的，所述伸展臂由高韧性的金属或复合材料制成；
或，所述伸展臂由形状记忆材料制成。
进一步的，若所述伸展臂由形状记忆材料制成，则所述形状记忆材料为形状记忆聚合物或者形状记忆合金。
进一步的，所述伸展臂的截面为豆荚形、Y字形或C字形：
若所述伸展臂的截面为豆荚形，则所述伸展臂的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构；
若所述伸展臂的截面为Y字形，则所述伸展臂的一侧间隔设置若干所述形状记忆结构，此侧为Y字形的顶端；
若所述伸展臂的截面为C字形，则所述伸展臂的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构。
进一步的，所述形状记忆结构在展开状态下呈片状结构。
进一步的，所述外部刺激为电、磁或者光照。
进一步的，所述形状记忆结构由形状记忆材料制成。
进一步的，所述形状记忆材料为形状记忆聚合物或者形状记忆合金。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、薄壁伸展臂是一种细长形的薄壁结构件，通过设计合理的截面，可将其截面压扁呈一字形，从而可绕圆柱状的心轴实现小包络卷绕收藏；同时，薄壁伸展臂在应变能作用下展开后，截面恢复，具有较好的比刚度，可用于重力梯度杆、太阳帆、电池阵等产品的展开机构。薄壁伸展臂在无控状态下展开具有较大的冲击和不确定性，会影响航天器的姿态轨道控制，甚至造成其他结构失效导致任务失败。本发明采用若干个形状记忆结构约束卷绕收藏的伸展臂，通过光照或主动加热等外部刺激形式驱动形状记忆结构依次变形，实现伸展臂的受控平稳展开；
2、本发明提供的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，形状记忆结构在伸展臂长度方向间隔布置，结构体积和质量小，展开控制效果不随伸展臂长度增加而显著变化，具有质量轻、收藏效率高、适用范围广等优点；
3、本发明提供的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，形状记忆结构可在太阳光照刺激下受控展开，不消耗航天器能源。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明的优选实施例提供的伸展臂完全展开状态示意图；
图2是本发明的优选实施例提供的伸展臂的卷绕收藏状态示意图；
图3是本发明的优选实施例提供的图2在A处的局部放大图；
图4是本发明的优选实施例提供的伸展臂的可能的三种截面结构形式示意图；
图5是本发明的优选实施例提供的形状记忆结构在外部刺激下形态转换示意图；
图6是本发明的优选实施例提供的伸展臂在形状记忆结构形态转换控制下展开过程示意图；
图7是本发明的优选实施例提供的外部刺激为加热电路的电路布置示意图；
图8是本发明的优选实施例提供的外部刺激为加热电路的电路布置示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图8对本发明提供的一种薄壁伸展臂的展开控制装置进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1至图6，一种薄壁伸展臂的展开控制装置，包括若干形状记忆结构2，若干所述形状记忆结构2间隔设置在所述伸展臂1的至少一侧；
所述伸展臂1在展开状态下，所述形状记忆结构2的一端与所述伸展臂1固定连接，另一端展开至所述伸展臂1之外，此时，形状记忆结构2处于原始态；
所述伸展臂1在卷绕收藏状态下，所述形状记忆结构2的一端相对于另一端翻折并覆在所述伸展臂1上，约束所述伸展臂1使其保持收藏状态，此时，形状记忆结构2处于记忆态；处于折叠记忆态下的所述形状记忆结构2能够在外部刺激的驱动下展开，解除对所述伸展臂1的约束，以实现所述伸展臂1的展开。
请参考图2和图3，在本实施例中，所述伸展臂1为长条的薄壁壳状结构，其截面能够被压扁呈一字形；若干所述形状记忆结构2沿所述伸展臂1的长度方向间隔设置在所述伸展臂1的至少一侧；
所述伸展臂1的收藏过程为：所述伸展臂1的一端固定在一芯轴3上，其截面压扁呈一字型并卷绕在所述芯轴3上；请参考图5，在卷绕过程中，将所述形状记忆结构2远离伸展臂1的一端(所述伸展臂1在展开状态下，展开至所述伸展臂1之外的那端)向靠近所述伸展臂1方向翻转180°以覆在所述伸展臂1上，约束伸展臂1防止其截面形状恢复，使其保持收藏状态，此时形状记忆结构2处于记忆态；进一步的，芯轴3为柱状结构，伸展臂1绕芯轴3小包络卷绕收藏呈螺旋状多层结构；
所述伸展臂1从收藏状态受控展开过程为：请参考图6，沿着与所述伸展臂1的卷绕方向相反的方向，依次对所述形状记忆结构2施加外部刺激(即先卷绕在芯轴3上的形状记忆结构2后被刺激，后卷绕在芯轴3上的形状记忆结构2先被刺激)，驱动其结构恢复至原始态，解除其对伸展臂1的几何约束，所述伸展臂1展开。
在本实施例中，所述伸展臂1通过一薄壁板一体弯折成型，或由若干薄壁板拼接而成。
作为一种实施例，所述伸展臂1由高韧性的金属或复合材料制成，对应的其展开驱动力为弹性恢复力；
作为另一种实施例，所述伸展臂1由形状记忆材料制成，对应的驱动展开力为相应材料的敏感源，如形状记忆聚合物或者形状记忆合金等。
请参考图4，所述伸展臂1的截面为豆荚形、Y字形或C字形：
若所述伸展臂1的截面为豆荚形，即通过两个截面为Ω形的薄壁板对接而成，则所述伸展臂1的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构2，即若干所述形状记忆结构2间隔设置在Ω形薄壁板的两对接端的外侧；若干形状记忆结构2与伸展臂1形成鱼骨型结构；本说明书中的附图是以伸展臂1的截面为豆荚形为例的，其材料可为高韧高强碳纤维复合材料；
若所述伸展臂1的截面为Y字形，则所述伸展臂1的一侧间隔设置若干所述形状记忆结构2，此侧为Y字形的顶端，Y字形的顶端为V形端，底端为I形端；
若所述伸展臂1的截面为C字形，则所述伸展臂1的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构2，即若干所述形状记忆结构2间隔设置在C字形截面的上下两端。
所述形状记忆结构2在展开状态下呈片状结构，其具有至少两个结构形态，分别为原始态和记忆态，且其结构形态可在外部刺激下受控转换的同时不发生结构破坏。
本发明对外部刺激不做具体限制，如电、磁或者光照以及其他形式。所述形状记忆结构2由形状记忆材料制成，本发明对形状记忆材料不做具体限制，可以为形状记忆聚合物或者形状记忆合金。
作为一种实施例，以所述形状记忆材料为形状记忆聚合物为例，通过设计其记忆态和原始态的转变温度，结构形态在太阳光照下可以在两个结构形态下受控转换，并在记忆态下具有一定的刚度和强度，足以约束相应的伸展臂1收藏状态。
作为另外一种实施例，请参考图7和图8，外部刺激为加热电路4，伸展臂1的两侧均间隔设置有若干形状记忆结构2，加热电路4包括电连接的导线41和电阻丝42，伸展臂1的两侧分别设置一导线41，形状记忆结构2上设置有电阻丝42，形状记忆结构2的形态在加热电路作用下可以在两个结构形态(原始态和记忆态)下受控转换。
Claims (9)
1.一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，包括若干形状记忆结构，若干所述形状记忆结构间隔设置在所述伸展臂的至少一侧；
所述伸展臂在展开状态下，所述形状记忆结构的一端与所述伸展臂固定连接，另一端展开至所述伸展臂之外；
所述伸展臂在卷绕收藏状态下，所述形状记忆结构折叠并覆在所述伸展臂上，约束所述伸展臂使其保持收藏状态；处于折叠记忆态下的所述形状记忆结构能够在外部刺激的驱动下展开，解除对所述伸展臂的约束，以实现所述伸展臂的展开；
所述伸展臂为长条的薄壁壳状结构，其截面能够被压扁呈一字形；若干所述形状记忆结构沿所述伸展臂的长度方向间隔设置在所述伸展臂的至少一侧；
所述伸展臂的收藏过程为：所述伸展臂的一端固定在一芯轴上，其截面压扁呈一字型并卷绕在所述芯轴上；在卷绕过程中，将所述形状记忆结构远离伸展臂的一端向靠近所述伸展臂方向翻转180°以覆在所述伸展臂上，约束伸展臂防止其截面形状恢复；
所述伸展臂从收藏状态受控展开过程为：沿着与所述伸展臂的卷绕方向相反的方向，依次对所述形状记忆结构施加外部刺激，驱动其结构恢复至原始态，解除其对伸展臂的约束，所述伸展臂展开。
2.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述伸展臂由一薄壁板一体弯折成型，或由若干薄壁板拼接而成。
3.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述伸展臂由高韧性的金属或复合材料制成；
或，所述伸展臂由形状记忆材料制成。
4.如权利要求3所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，若所述伸展臂由形状记忆材料制成，则所述形状记忆材料为形状记忆聚合物或者形状记忆合金。
5.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述伸展臂的截面为豆荚形、Y字形或C字形：
若所述伸展臂的截面为豆荚形，则所述伸展臂的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构；
若所述伸展臂的截面为Y字形，则所述伸展臂的一侧间隔设置若干所述形状记忆结构，此侧为Y字形的顶端；
若所述伸展臂的截面为C字形，则所述伸展臂的两侧分别间隔设置若干所述形状记忆结构。
6.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述形状记忆结构在展开状态下呈片状结构。
7.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述外部刺激为电、磁或者光照。
8.如权利要求1所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述形状记忆结构由形状记忆材料制成。
9.如权利要求8所述的一种薄壁伸展臂的展开控制装置，其特征在于，所述形状记忆材料为形状记忆聚合物或者形状记忆合金。
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