CN111071484B - 基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构及展开方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构及展开方法，展开机构包括合金底座、45°铰链和杆件系统，杆件系统包括多个180°铰链和多根复合材料空心杆件，相邻的两根所述的复合材料空心杆件之间通过一个180°铰链连接，折叠状态下的空间展开机构的多根复合材料空心杆件从下到上平行设置，45°铰链和多个180°铰链均包括合金转换头和由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，由形状记忆聚合物复合材料制成的所述片层的两端各通过一个合金转接头与相应位置处的结构连接。本发明改变了形状记忆聚合物复合材料在大型可展开结构中的实际应用较少的现状，能够实现负载的在轨任务。
Description
技术领域
本发明创造属于空间展开技术领域，尤其是涉及一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构及展开方法。
背景技术
形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)是一类可感知外部激励、主动响应、具有形状记忆效应的聚合物材料，具有自感知、自诊断、自驱动等能力，是一种新型的智能材料。由形状记忆聚合物与碳纤维制备而成的复合材料具有高应变破坏率、高单位模量、低密度的特性，是应用于空间展开领域的理想材料。与传统的空间展开材料相比，形状记忆聚合物复合材料具有更加优异的力学性能和可设计性，仅仅通过热激励就能回复至初始状态，是可反复的变形与回复循环体系。
此外，形状记忆聚合物复合材料具有良好的阻尼性能，在其玻璃化温度时阻尼因子能够达到0.5，用于机械结构中能够起到缓冲、减振的作用。基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构技术日益成熟，在航空航天领域的应用得到了广泛的重视和认可，国外已经进行了基于形状记忆聚合物的空间可展开结构的在轨实验展开和性能验证。
然而，目前形状记忆聚合物复合材料在航天领域的应用还存在以下几个方面的问题：
一、形状记忆聚合物复合材料在航空航天领域的应用尚处于理论和试验验证阶段，国外提出的一些智能空间可展开结构理念主要是利用复合材料的小应变、大角度弯曲特性实现结构更大的展开\压缩比，而国内则尚无形状记忆聚合物复合材料在大型可展开结构中的实际应用先例。
二、传统的空间展开结构虽然能达到展开的效果，但是其结构复杂，可靠性低，成本高，而且在展开过程中容易引起航天器较大的振动响应。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构及展开方法，改变了形状记忆聚合物复合材料在大型可展开结构中的实际应用较少的现状，能够实现负载的在轨任务。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，包括一个与安装面连接的合金底座和一个用于连接合金底座与杆件系统的45°铰链，所述的杆件系统包括多个180°铰链和多根复合材料空心杆件，相邻的两根所述的复合材料空心杆件之间通过一个180°铰链连接，折叠状态下的所述空间展开机构的多根复合材料空心杆件从下到上平行设置，最下端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与45°铰链连接，最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与负载连接，所述的45°铰链和多个所述180°铰链均包括合金转换头和由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，由形状记忆聚合物复合材料制成的所述片层的两端各通过一个合金转接头与相应位置处的结构连接。
进一步的，45°铰链的所述片层两端的所述的合金转换头为与合金底座连接的第一合金转接头和与复合材料空心杆件连接的第二合金转接头，所述的第一合金转接头与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的实心结构，与合金底座连接端为中空夹持结构；
所述的第二合金转接头与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的空心结构，与复合材料空心杆件连接端为中空的圆柱形结构。
进一步的，180°铰链的所述片层两端的所述合金转换头为与前一节复合材料空心杆件连接的第三合金转接头和与后一节复合材料空心杆件连接的第四合金转接头，所述的第三合金转接头和第四合金转接头的结构均与第二合金转接头的结构相同。
进一步的，所述45°铰链和多个所述180°铰链均包括两个由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，且分别为内侧形状记忆聚合物复合材料片层和外侧形状记忆聚合物复合材料片层，45°铰链的初始形状为45°弧形结构，45°铰链的赋形后的形状为平直结构，180°铰链的初始形状为180°弧形结构，180°铰链的赋形后的形状为平直结构。
进一步的，在内、外侧形状记忆聚合物复合材料片层上均粘贴一个电加热膜。
进一步的，所述形状记忆聚合物复合材料为环氧形状记忆聚合物复合材料或氰酸酯形状记忆聚合物复合材料。
进一步的，最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端连接的负载为高速拍摄相机、空间抓取结构、信号采集设备或可展开天线。
进一步的，所述180°铰链设置三个，分别为一级180°铰链、二级180°铰链和三级180°铰链，所述复合材料空心杆件设置4根，分别为一级复合材料空心杆件、二级复合材料空心杆件、三级复合材料空心杆件和四级复合材料空心杆件。
基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构的展开方法，其特征在于：包括按照铰链的连接顺序顺次展开，具有如下步骤：
1)对粘贴在45°铰链表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到两个片层上，在热激励下，两个片层展开，45°铰链由45°逐渐回复至0°，45°铰链展直，此时一级复合材料杆件与安装面成45°夹角；
2)对一级180°铰链上的电加热膜通电，两个片层在热激励下由180°逐渐回复至原始状态0°，两个片层回复过程中产生的回复力驱动二级复合材料空心杆件在平面内转动180°，同时带动二级铰链、三级铰链及三级复合材料空心杆件、四级复合材料空心杆件在平面转动180°，当一级180°铰链展平后，二级复合材料空心杆件与一级复合材料空心杆件处于同一直线上，并与安装面成45°夹角；
3)对二级180°铰链上的电加热膜通电，两个片层在热激励下展开至初始状态，两个片层产生的回复力驱动三级复合材料空心杆件在平面内转动180°，至此，一级复合材料空心杆件、二级复合材料空心杆件和三级复合材料空心杆件展开至同一直线上，与安装面成45°夹角；
4)对三级180°铰链上的电加热膜进行通电，两个片层在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°。
进一步的，仅展开45°铰链和三级180°铰链，具体步骤如下：
1)对粘贴在45°铰链表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到两个片层上，在热激励下，两个片层展开，由45°逐渐回复至0°，45°铰链展直，一级复合材料空心杆件与安装面成45°夹角；
2)对三级180°铰链上的电加热膜进行通电，两个片层在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°。
相对于现有技术，本发明创造所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构具有以下优势：
本发明所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，
1)本发明充分利用形状记忆聚合物复合材料(SMP)的形状记忆效应，通过铰链的方式对杆件进行连接，实现机构的收拢和展开功能顺利实现，其展开/收纳比高达3.5，能够节约大量的整星资源。
2)本发明采用热激励的方式驱动环氧形状记忆聚合物复合材料片层展开，展开过程平稳无突变，而且由于环氧形状记忆聚合物复合材料片层材料阻尼较大，展开过程产生的振动被大大削弱，传递到航天器安装面上的振动极弱。
3)本发明采用的铰链形式均为双片层，分内外侧，在保证能够提供足够的驱动力的同时，还能使环氧形状记忆聚合物复合材料片层不致太宽或太厚，以此提高片层的回复率。
4)本发明的铰链片层材料除了能采用环氧形状记忆聚合物复合材料，还能采用氰酸酯形状记忆聚合物复合材料，均能实现结构展开功能。此外，亦可用完整杆折叠而成的结构代替铰链、空心复合材料杆件交替连接而成的展开系统。
5)本发明中的铰链个数及安装方向可调，扩大了本发明的可应用领域。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构的收拢示意图；
图2为45°铰链结构示意图。
图3为45°铰链中的一级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层的结构示意图；
图4为45°铰链中的一级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层的结构示意图；
图5为45°铰链中的第一合金转接头的结构示意图；
图6为45°铰链中的第一合金转接头的结构示意图；
图7为一级180°铰链的结构示意图；
图8为一级180°铰链中的二级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层的结构示意图；
图9为一级180°铰链的二级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层的结构示意图；
图10为一级180°铰链中的第三合金转接头的结构示意图；
图11为一级180°铰链中的第四合金转接头的结构示意图；
图12为180°铰链回复前后示意图；
图13为本发明创造实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的变结构空间展开机构的完全展开示意图；
图14为本发明创造实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的变结构空间展开机构的45°铰链和三级180°铰链展开后的示意图；
图15为本发明创造实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的变结构空间展开机构的三级180°铰链展开后的示意图。
附图标记说明：
1-合金底座，2-第一合金转接头，3-一级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，4-一级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，5-第二合金转接头，6-一级复合材料空心杆件，7-第三合金转接头，8-二级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，9-二级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，10-第四合金转接头，11-二级复合材料空心杆件，12-第三合金转接头，13-第四合金转接头，14-三级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，15-三级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，16-三级复合材料空心杆件，17-第三合金转接头，18-四级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，19-四级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层，20-第四合金转接头，21-四级复合材料空心杆件，22-45°铰链，23-一级180°铰链，24-二级180°铰链，25-三级180°铰链。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1-图11所示，一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，包括一个与安装面连接的合金底座1和一个用于连接合金底座1与杆件系统的45°铰链22，所述的杆件系统包括多个180°铰链和多根复合材料空心杆件，相邻的两根所述的复合材料空心杆件之间通过一个180°铰链连接，折叠状态下的所述空间展开机构的多根复合材料空心杆件从下到上平行设置，最下端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与45°铰链连接，最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与负载连接，所述的45°铰链和多个所述180°铰链均包括合金转换头和由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，由形状记忆聚合物复合材料制成的所述片层的两端各通过一个合金转接头与相应位置处的结构连接。
45°铰链的所述片层两端的所述的合金转换头为与合金底座连接的第一合金转接头2和与复合材料空心杆件连接的第二合金转接头5，所述的第一合金转接头2与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的实心结构，与合金底座连接端为中空夹持结构；
所述的第二合金转接头5与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的空心结构，与复合材料空心杆件连接端为中空的圆柱形结构。
180°铰链的所述片层两端的所述合金转换头为与前一节复合材料空心杆件连接的第三合金转接头7(12、17)和与后一节复合材料空心杆件连接的第四合金转接头10(13、20)，所述的第三合金转接头7(12、17)和第四合金转接头10(13、20)的结构均与第二合金转接头5的结构相同。
所述45°铰链和多个所述180°铰链均包括两个由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，且分别为内侧形状记忆聚合物复合材料片层和外侧形状记忆聚合物复合材料片层，45°铰链的初始形状为45°弧形结构，45°铰链的赋形后的形状为平直结构，180°铰链的初始形状为180°弧形结构，180°铰链的赋形后的形状为平直结构。
在内、外侧形状记忆聚合物复合材料片层上均粘贴一个电加热膜，机构展开的驱动力来自铰链环氧形状记忆聚合物复合材料在热驱动下的回复力，其值约在4.6N-5.5N范围内，而热驱动则是由粘贴在铰链内外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层表面上的28Ω电加热膜通电后提供(通电电压29V)。电加热膜与铰链片层之间使用聚酰亚胺双面胶进行粘贴，外部再按45°角缠绕聚酰亚胺单面胶带，聚酰亚胺双面胶及单面胶带具有耐高温的特性，且为航天科目内产品，结构可靠性能够得到保证，如图12所示为180°铰链回复前后示意图。
所述形状记忆聚合物复合材料为环氧形状记忆聚合物复合材料或氰酸酯形状记忆聚合物复合材料。
最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端连接的负载为高速拍摄相机、空间抓取结构、信号采集设备或可展开天线。
180°铰链设置三个，分别为一级180°铰链23、二级180°铰链24和三级180°铰链25，所述复合材料空心杆件设置4根，分别为一级复合材料空心杆件6、二级复合材料空心杆件11、三级复合材料空心杆件16和四级复合材料空心杆件21。
基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构的展开方法，包括按照铰链的连接顺序顺次展开，具有如下步骤：
1)对粘贴在45°铰链22表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到一级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层3和一级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层4上，在热激励下，两个片层展开，45°铰链22由45°逐渐回复至0°，45°铰链22展直，此时一级复合材料杆件6与安装面成45°夹角；
2)对一级180°铰链23上的电加热膜通电，二级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层8和二级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层9在热激励下由180°逐渐回复至原始状态0°，两个片层回复过程中产生的回复力驱动二级复合材料空心杆件11在平面内转动180°，同时带动二级铰链24、三级铰链25及三级复合材料空心杆件16、四级复合材料空心杆件21在平面转动180°，当一级180°铰链23展平后，二级复合材料空心杆件11与一级复合材料空心杆件6处于同一直线上，并与安装面成45°夹角；
3)对二级180°铰链24上的电加热膜通电，三级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层14和三级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层15在热激励下展开至初始状态，两个片层产生的回复力驱动三级复合材料空心杆件16在平面内转动180°，至此，一级复合材料空心杆件6、二级复合材料空心杆件11和三级复合材料空心杆件16展开至同一直线上，与安装面成45°夹角；
4)对三级180°铰链25上的电加热膜进行通电，四级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层18和四级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层19在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件21及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°，最终展开状态如图13所示。
仅展开45°铰链22和三级180°铰链25，具体步骤如下：
1)对粘贴在45°铰链22表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到一级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层3和一级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层4上，在热激励下，两个片层展开，由45°逐渐回复至0°，45°铰链22展直，一级复合材料空心杆件6与安装面成45°夹角；
2)对三级180°铰链25上的电加热膜进行通电，四级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层18和四级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层19在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件21及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°，最终展开状态如图14所示。
仅展开三级180°铰链25，具体步骤如下：
对三级180°铰链25上的电加热膜进行通电，四级内侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层18和四级外侧环氧形状记忆聚合物复合材料片层19在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件21及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°，最终展开状态如图15所示。
在一种基于形状记忆聚合物复合材料的变结构空间展开机构分级展开过程中，其自由端携载的高速相机(或空间抓取结构)经历各种角度变化，能够完成不同角度的拍摄任务(或空间捕获任务)。
本发明可实现携载相机全方位进行拍摄(或空间抓取结构完成不同角度的空间捕获任务)，能够完成航天器在轨运动时被预期完成的不同角度的图像采集任务(或空间捕获任务)。质量轻、展开\收纳比值大的特点使其在航天领域的应用前景极为广阔，自由端除了携载高速相机或抓取结构之外，还能携载其它信息采集设备，甚至可以作为天线伸展臂用于卫星天线的展开。形状记忆聚合物复合材料变结构空间展开机构及展开方法的发明为国内将形状记忆聚合物复合材料应用于航天领域的大型空间展开机构提供了思路，不仅扩展了形状记忆聚合物复合材料的应用领域，而且加快了航天领域的大型空间展开技术的进展，对国内航天科技的发展有深远影响。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：包括一个与安装面连接的合金底座(1)和一个用于连接合金底座(1)与杆件系统的45°铰链(22)，所述的杆件系统包括多个180°铰链和多根复合材料空心杆件，相邻的两根所述的复合材料空心杆件之间通过一个180°铰链连接，折叠状态下的所述空间展开机构的多根复合材料空心杆件从下到上平行设置，最下端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与45°铰链连接，最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端与负载连接，所述的45°铰链和多个所述180°铰链均包括合金转换头和由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，由形状记忆聚合物复合材料制成的所述片层的两端各通过一个合金转接头与相应位置处的结构连接。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：45°铰链的所述片层两端的所述的合金转换头为与合金底座连接的第一合金转接头和与复合材料空心杆件连接的第二合金转接头，所述的第一合金转接头与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的实心结构，与合金底座连接端为中空夹持结构；
所述的第二合金转接头与聚合物复合材料片层连接端为两侧面带弧度的空心结构，与复合材料空心杆件连接端为中空的圆柱形结构。
3.根据权利要求2所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：180°铰链的所述片层两端的所述合金转换头为与前一节复合材料空心杆件连接的第三合金转接头和与后一节复合材料空心杆件连接的第四合金转接头，所述的第三合金转接头和第四合金转接头的结构均与第二合金转接头的结构相同。
4.根据权利要求3所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：所述45°铰链和多个所述180°铰链均包括两个由形状记忆聚合物复合材料制成的片层，且分别为内侧形状记忆聚合物复合材料片层和外侧形状记忆聚合物复合材料片层，45°铰链的初始形状为45°弧形结构，45°铰链的赋形后的形状为平直结构，180°铰链的初始形状为180°弧形结构，180°铰链的赋形后的形状为平直结构。
5.根据权利要求4所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：在内、外侧形状记忆聚合物复合材料片层上均粘贴一个电加热膜。
6.根据权利要求5所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：所述形状记忆聚合物复合材料为环氧形状记忆聚合物复合材料或氰酸酯形状记忆聚合物复合材料。
7.根据权利要求6所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：最上端的复合材料空心杆件的未连接180°铰链的一端连接的负载为高速拍摄相机、空间抓取结构、信号采集设备或可展开天线。
8.根据权利要求7所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构，其特征在于：所述180°铰链设置三个，分别为一级180°铰链(23)、二级180°铰链(24)和三级180°铰链(25)，所述复合材料空心杆件设置4根，分别为一级复合材料空心杆件(6)、二级复合材料空心杆件(11)、三级复合材料空心杆件(16)和四级复合材料空心杆件(21)。
9.根据权利要求8所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构的展开方法，其特征在于：包括按照铰链的连接顺序顺次展开，具有如下步骤：
1)对粘贴在45°铰链(22)表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到两个片层上，在热激励下，两个片层展开，45°铰链(22)由45°逐渐回复至0°，45°铰链(22)展直，此时一级复合材料空心杆件(6)与安装面成45°夹角；
2)对一级180°铰链(23)上的电加热膜通电，两个片层在热激励下由180°逐渐回复至原始状态0°，两个片层回复过程中产生的回复力驱动二级复合材料空心杆件(11)在平面内转动180°，同时带动二级180°铰链(24)、三级180°铰链(25)及三级复合材料空心杆件(16)、四级复合材料空心杆件(21)在平面转动180°，当一级180°铰链(23)展平后，二级复合材料空心杆件(11)与一级复合材料空心杆件(6)处于同一直线上，并与安装面成45°夹角；
3)对二级180°铰链(24)上的电加热膜通电，两个片层在热激励下展开至初始状态，两个片层产生的回复力驱动三级复合材料空心杆件(16)在平面内转动180°，至此，一级复合材料空心杆件(6)、二级复合材料空心杆件(11)和三级复合材料空心杆件(16)展开至同一直线上，与安装面成45°夹角；
4)对三级180°铰链(25)上的电加热膜进行通电，两个片层在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件(21)及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°。
10.根据权利要求8所述的基于形状记忆聚合物复合材料的空间展开机构的展开方法，其特征在于：仅展开45°铰链(22)和三级180°铰链(25)，具体步骤如下：
1)对粘贴在45°铰链(22)表面上的两片电加热膜通电，电加热膜产生大量的热量并将之传递到两个片层上，在热激励下，两个片层展开，由45°逐渐回复至0°，45°铰链(22)展直，一级复合材料空心杆件(6)与安装面成45°夹角；
2)对三级180°铰链(25)上的电加热膜进行通电，两个片层在热驱动下回复至初始状态，两个片层产生的回复力带动四级复合材料空心杆件(21)及其自由端携载的相机或空间抓取结构在平面内转动180°。
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