CN110844120A - 一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及航天技术领域，具体地，涉及一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构。该大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构包括安装平台、至少两个充气杆、供气装置、帆面组件、电源以及控制装置；充气杆包括底套管、筒形外壳、端盖、热塑性可刚化薄膜以及加热装置；充气杆具有折叠状态和展开状态；供气装置包括气瓶、开关阀以及气体管路；气体管路流体连通地连接于气瓶与底套管的中心通孔之间；帆面组件包括连接于相邻的充气杆之间的帆面；电源与加热装置电连接；控制装置与电源和加热装置信号连接，用于控制电源的开关以及加热装置的加热温度。该结构具有折叠体积小、展开空间尺寸大、结构可靠性高的特点。

Description

一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构

技术领域

本申请涉及航天技术领域，具体地，涉及一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构。

背景技术

现有展开结构能够从压缩、收拢状态自主改变形状，伸展成展开的工作状态，具有质量轻、收拢体积小的优势。适用于工程的可展开结构起源于航空航天领域，可展开结构在起飞/发射、飞行状态下收拢便于安装和运载，在到达任务位置后展开结构，进行工作任务。随着航天飞行器任务越来越复杂，难度越来越大，空间可展开结构得到了越来越广泛的应用，对该类结构的要求也越来越高。基于以上趋势，空间可展开结构逐步向着更大结构尺度，更高可靠性，更高的展开/收拢体积比的方向发展。而空间结构尺寸的增加与结构可靠性的提升本身是相互矛盾的，空间结构尺寸越大，为了保证结构可靠性，对组成结构的杆/板单元及其材料刚度要求越大，而刚性材料天然的不具有良好的可折叠性。

发明内容

为了解决大尺度空间展开结构的刚性与可折叠性的矛盾，本申请实施例提供了一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构，该结构具有折叠体积小、展开空间尺寸大、结构可靠性高的特点。

本申请实施例提供了一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构，包括安装平台、至少两个充气杆、供气装置、帆面组件、电源以及控制装置；所述充气杆、所述供气装置、所述电源以及所述控制装置均固定安装于所述安装平台上；

所述充气杆包括底套管、筒形外壳、端盖、热塑性可刚化薄膜以及加热装置；所述筒形外壳套设于所述底套管的外周侧，一端与所述底套管固定连接、另一端设置有开口，在所述筒形外壳与所述底套管之间形成用于容置所述热塑性可刚化薄膜的容置空腔；所述端盖设置于所述筒形外壳的开口侧；所述热塑性可刚化薄膜的一端与所述底套管密封连接、另一端与所述端盖密封连接，并在所述热塑性可刚化薄膜、所述底套管与所述端盖之间形成充气腔体；所述底套管设置有与所述充气腔体连通的中心通孔；所述加热装置固定安装于所述筒形外壳的内周面，用于加热所述热塑性可刚化薄膜；所述充气杆具有折叠状态和展开状态，当所述充气杆处于折叠状态时，所述热塑性可刚化薄膜位于由所述容置空腔内；当所述充气杆处于展开状态时，所述热塑性可刚化薄膜的充气腔体内充满气体并膨胀伸出所述筒形壳体；

所述供气装置包括气瓶、开关阀以及气体管路；所述气瓶内储存有压缩气体；所述开关阀安装于所述气体管路上，所述气体管路流体连通地连接于所述气瓶与所述底套管的所述中心通孔之间；

所述帆面组件包括连接于相邻的所述充气杆之间的帆面；

所述电源与所述加热装置、所述开关阀和所述控制装置均电连接；

所述控制装置与所述开关阀和所述加热装置信号连接，用于控制所述开关阀的开关以及所述加热装置的加热温度。

优选地，所述供气装置还包括减压阀，所述减压阀安装于所述开关阀与所述底套管之间的所述气体管路中。

优选地，所述供气装置还包括限压阀，所述限压阀安装于所述减压阀与所述底套管之间的所述气体管路中。

优选地，所述筒形外壳和所述端盖上均设置有用于挂接所述帆面的多个挂点。

优选地，所述帆面组件还包括连接于所述帆面的侧边的挂绳，所述挂绳的端部与所述挂点连接。

优选地，所述帆面组件还包括弹性连接于对应的所述挂点和所述挂绳之间的预紧恒力弹簧，所述预紧恒力弹簧用于张紧所述帆面。

优选地，所述帆面采用轻质柔性薄膜材料制成。

优选地，所述帆面组件还包括用于对折叠的所述帆面进行自动解锁的包装件。

优选地，所述安装平台为立方体形壳体，在所述安装平台的每个侧面均设置有一个所述充气杆，在所述安装平台的内部安装有所述供气装置、所述电源以及所述控制装置。

优选地，所述控制装置包括用于控制所述加热装置的加热温度的温度控制单元。

采用本申请实施例中提供的大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构，具有以下有益效果：

上述大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构的充气杆利用热塑性可刚化薄膜的加热软化、冷却刚化的特点，并在热塑性可刚化薄膜加热软化的同时采用气体膨胀做功作为展开结构动力，使充气杆从折叠状态膨胀到展开状态，解决现有大尺度空间展开结构的刚性与可折叠性的矛盾，基于热塑性可刚化薄膜实现了高展开/折叠比的空间大型刚化结构，采用紧凑型折叠方式保证大型结构的小收拢体积和展开过程的流畅性。因此，上述大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构具有折叠体积小、展开空间尺度大、结构可靠性高的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构在展开时的结构示意图；

图2为图1中提供的大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构在折叠时的结构示意图；

图3为图1中提供的充气杆的结构示意图；

图4为图1中提供的充气杆处于折叠状态时的结构示意图；

图5为图1中提供的充气杆处于展开状态时的结构示意图；

图6为图1中提供的帆面组件与充气杆的装配结构示意图及局部放大图；

图7为图1中提供的大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构中供气装置的气路原理图；

图8为图1中提供的大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构的工作原理图。

附图标记：

1-安装平台；2-充气杆；3-供气装置；4-帆面；5-电源；6-控制装置；

11-底套管；12-筒形外壳；13-端盖；14-热塑性可刚化薄膜；15-加热装置；16-挂点；31-气瓶；32-开关阀；33-气体管路；34-减压阀；35-限压阀；41-挂绳；42-预紧恒力弹簧；61-温度控制单元；111-中心通孔。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

1-安装平台1；2-充气杆2；3-供气装置3；4-帆面4；5-电源5；6-控制装置6；

11-底套管11；12-筒形外壳12；13-端盖13；14-热塑性可刚化薄膜14；15-加热装置15；16-挂点16；31-气瓶31；32-开关阀32；33-气体管路33；34-减压阀34；35-限压阀35；41-挂绳41；42-预紧恒力弹簧42；61-温度控制单元61；111-中心通孔111

如图1和图2结构所示，本申请实施例提供了一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构，包括安装平台1、至少两个充气杆2、供气装置3、帆面组件、电源5以及控制装置6；充气杆2、供气装置3、电源5以及控制装置6均固定安装于安装平台1上；

如图3、图4和图5结构所示，充气杆2包括底套管11、筒形外壳12、端盖13、热塑性可刚化薄膜14以及加热装置15；筒形外壳12套设于底套管11的外周侧，一端与底套管11固定连接、另一端设置有开口，开口用作在热塑性可刚化薄膜14加热软化且充气膨胀时的出口，在筒形外壳12与底套管11之间形成用于容置热塑性可刚化薄膜14的容置空腔；端盖13设置于筒形外壳12的开口侧；热塑性可刚化薄膜14的一端与底套管11密封连接、另一端与端盖13密封连接，并在热塑性可刚化薄膜14、底套管11与端盖13之间形成充气腔体；底套管11设置有与充气腔体连通的中心通孔111；加热装置15固定安装于筒形外壳12的内周面，用于加热热塑性可刚化薄膜14；充气杆2具有折叠状态和展开状态；如图4结构所示，当充气杆2处于折叠状态时，热塑性可刚化薄膜14位于由容置空腔内；如图5结构所示，当充气杆2处于展开状态时，热塑性可刚化薄膜14的充气腔体内充满气体并膨胀伸出筒形壳体；热塑性可刚化薄膜14可以采用聚酰胺纤维和玻璃纤维混编薄膜、环氧树脂纤维和石墨纤维混编薄膜等材料；

供气装置3包括气瓶31、开关阀32以及气体管路33；气瓶31内储存有压缩气体；开关阀32安装于气体管路33上，气体管路33流体连通地连接于气瓶31与底套管11的中心通孔111之间；气瓶31也可以用其它的储气容器替代；开关阀32可以为电磁阀、电动阀等容易实现自动控制的阀门，用于控制气体管路33的通断控制；如图7结构所示，在图中以设置有六个充气杆2的大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构为例进行说明，气瓶31与充气杆2之间通过气体管路33连通，为了方便控制充气杆2的展示时间，在气体管路33上设置有开关阀32，开关阀32通过控制装置6进行控制开关；为了使充气杆2能够均匀充气伸展，并防止充气杆2内部压力过高，还可以在开关阀32与充气杆2之间设置有限压阀35和减压阀34，并且减压阀34设置在开关阀32与限压阀35之间的气体管路33上；

帆面组件包括连接于相邻的充气杆2之间的帆面4；在充气杆2处于折叠状态时，帆面4也被折叠放置在充气杆2之间，并且帆面4的端部与充气杆2连接，以便在充气杆2伸展的同时能够使帆面4顺利展开；为了避免由于各充气杆2展开过程的不一致性导致可能的展开过程阻滞，帆面4先采用“L”型折叠方式折叠形成条带形结构，再将折叠形成的条带形结构进行“Z”型折叠；

电源5与加热装置15、开关阀32和控制装置6均电连接；如图8结构所示，电源5向大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构提供所需的电能，即，电源5向加热装置15提供加热所需的电能、开关阀32开关过程中所需的电能以及控制装置6在控制过程中所需的电能；电源5可以为蓄电池、太阳能电池等能够提供电能的能源；

控制装置6与开关阀32和加热装置15信号连接，用于控制开关阀32的开关以及加热装置15的加热温度；如图8结构所示，在充气杆2从折叠状态进入展开状态时，控制装置6控制加热装置15开始对热塑性可刚化薄膜14进行加热，并在热塑性可刚化薄膜14加热软化的状态下控制开关阀32开启，气瓶31内的压缩气体经过气体管路33、底套管11的中心通孔111进入充气杆2内，在充入气体的压力作用下热塑性可刚化薄膜14逐渐膨胀展开，使充气杆2从端部逐次向外展开，在展开以后热塑性可刚化薄膜14冷却刚化，从而形成刚化的充气杆2。控制装置6还可以包括用于控制加热装置15的加热温度的温度控制单元61，热塑性刚化薄膜刚化转变温度需要与温度控制单元61的控制温度配合设计，保证热塑性刚化薄膜在展开前通过温度控制单元61控制升温至刚化转变温度以上，又不会使加热温度超出过多而浪费电源5的能源消耗，热塑性刚化薄膜在伸出筒形壳体之后脱离加热装置15的温控范围后冷却至刚化转变温度以下，柔性充气杆2转化为刚性充气杆2。

上述大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构的充气杆2利用热塑性可刚化薄膜14的加热软化、冷却刚化的特点，并在热塑性可刚化薄膜14加热软化的同时采用气体膨胀做功作为展开结构动力，使充气杆2从折叠状态膨胀到展开状态，解决现有大尺度空间展开结构的刚性与可折叠性的矛盾，基于热塑性可刚化薄膜14实现了高展开/折叠比的空间大型刚化结构，采用紧凑型折叠方式保证大型结构的小收拢体积和展开过程的流畅性。因此，上述大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构具有折叠体积小、展开空间尺度大、结构可靠性高的特点。

一种具体的实施方式中，如图7结构所示，供气装置3还可以包括减压阀34，减压阀34安装于开关阀32与底套管11之间的气体管路33中。通过设置于气体管路33中的减压阀34可以将从气瓶31中流出的高压气体转化为充气杆2所需的低压气体，防止因热塑性可刚化薄膜14在加热软化的过程中因气体压力过高而损坏的现象出现，从而提高了充气杆2的安全性和可靠性，还有利于充气杆2的均匀膨胀和顺利展开。

如图7结构所示，供气装置3还可以包括限压阀35，限压阀35安装于减压阀34与底套管11之间的气体管路33中。通过设置于气体管路33中的限压阀35能够对进入充气杆2内的气体的压力进行控制，同时还能保证进入充气杆2内的气体压力的稳定，使得各充气杆2内的气压相等，从而使各充气杆2在工作中气压稳定可靠。

如图3和图6结构所示，筒形外壳12和端盖13上均设置有用于挂接帆面4的多个挂点16，为了方便帆面4与充气杆2之间的连接，在筒形外壳12的端部和端盖13上均设置有挂点16，同时，帆面组件还包括连接于帆面4的侧边的挂绳41、以及弹性连接于对应的挂点16和挂绳41之间的预紧恒力弹簧42，挂绳41的端部与挂点16连接，预紧恒力弹簧42用于张紧帆面4。

通过设置在充气杆2上的多个挂点16，挂点16的设置位置和数量可以与设置的帆面4端点相对应，使得每个帆面4的端点均由对应的挂点16进行连接，由于在挂绳41和挂点16之间还设置有用于预紧的预紧恒力弹簧42，使得在充气杆2展开之后帆面4的每个侧边能够通过具有一定预紧力的绳索牵拉，保证帆面4展开后处于张紧状态。

为了方便帆面4的折叠和预紧，上述帆面4可以采用如聚酰亚胺薄膜、镀铝聚酯薄膜等轻质柔性薄膜材料制成。帆面组件还可以包括用于对折叠的帆面4进行自动解锁的包装件，通过包装件能够对折叠的帆面4进行捆扎，防止在不需要展开的时候帆面4因没有约束而自动展开，影响整个结构的使用；同时，包装件还具有自动解锁功能，即，在充气杆2充气展开的过程中，包装件在充气杆2展开的过程中能够自动解锁，防止因包装件的约束而影响帆面4顺利展开的现象出现。包装件可以为黏扣结构、搭扣结构等具有捆扎包装功能的零部件。

在上述大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构的各种实施例中，安装平台1可以为立方体形壳体，在安装平台1的每个侧面均设置有一个充气杆2，在安装平台1的内部安装有供气装置3、电源5以及控制装置6。在本申请实施例中，均以在立方体形壳体的每个侧面设置有充气杆2的结构为例进行说明，即，设置有六个充气杆2，但是，并不意味着大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构中仅可以设置六个充气杆2，还可以设置其它数量的充气杆2，如：三个、四个、五个、六个、七个、八个等任意数量。在充气杆2和帆面4展开之后，可以构成规则形状，也可以为不规则形状。安装平台1可以为立方体形壳体，也可以框架结构等任意形状的安装平台1。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种大型可刚化空间充气展开杆件及挂帆结构，其特征在于，包括安装平台、至少两个充气杆、供气装置、帆面组件、电源以及控制装置；所述充气杆、所述供气装置、所述电源以及所述控制装置均固定安装于所述安装平台上；

所述充气杆包括底套管、筒形外壳、端盖、热塑性可刚化薄膜以及加热装置；所述筒形外壳套设于所述底套管的外周侧，一端与所述底套管固定连接、另一端设置有开口，在所述筒形外壳与所述底套管之间形成用于容置所述热塑性可刚化薄膜的容置空腔；所述端盖设置于所述筒形外壳的开口侧；所述热塑性可刚化薄膜的一端与所述底套管密封连接、另一端与所述端盖密封连接，并在所述热塑性可刚化薄膜、所述底套管与所述端盖之间形成充气腔体；所述底套管设置有与所述充气腔体连通的中心通孔；所述加热装置固定安装于所述筒形外壳的内周面，用于加热所述热塑性可刚化薄膜；所述充气杆具有折叠状态和展开状态，当所述充气杆处于折叠状态时，所述热塑性可刚化薄膜位于由所述容置空腔内；当所述充气杆处于展开状态时，所述热塑性可刚化薄膜的充气腔体内充满气体并膨胀伸出所述筒形壳体；

所述供气装置包括气瓶、开关阀以及气体管路；所述气瓶内储存有压缩气体；所述开关阀安装于所述气体管路上，所述气体管路流体连通地连接于所述气瓶与所述底套管的所述中心通孔之间；

所述帆面组件包括连接于相邻的所述充气杆之间的帆面；

所述电源与所述加热装置、所述开关阀和所述控制装置均电连接；

所述控制装置与所述开关阀和所述加热装置信号连接，用于控制所述所述开关阀的开关以及所述加热装置的加热温度。

2.根据权利要求1所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述供气装置还包括减压阀，所述减压阀安装于所述开关阀与所述底套管之间的所述气体管路中。

3.根据权利要求2所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述供气装置还包括限压阀，所述限压阀安装于所述减压阀与所述底套管之间的所述气体管路中。

4.根据权利要求3所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述筒形外壳和所述端盖上均设置有用于挂接所述帆面的多个挂点。

5.根据权利要求4所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述帆面组件还包括连接于所述帆面的侧边的挂绳，所述挂绳的端部与所述挂点连接。

6.根据权利要求5所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述帆面组件还包括弹性连接于对应的所述挂点和所述挂绳之间的预紧恒力弹簧，所述预紧恒力弹簧用于张紧所述帆面。

7.根据权利要求6所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述帆面采用轻质柔性薄膜材料制成。

8.根据权利要求7所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述帆面组件还包括用于对折叠的所述帆面进行自动解锁的包装件。

9.根据权利要求1-8任一项所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述安装平台为立方体形壳体，在所述安装平台的每个侧面均设置有一个所述充气杆，在所述安装平台的内部安装有所述供气装置、所述电源以及所述控制装置。

10.根据权利要求1-8所述的杆件及挂帆结构，其特征在于，所述控制装置包括用于控制所述加热装置的加热温度的温度控制单元。

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