CN112259949A - 高收纳比模块化折展支撑桁架 - Google Patents

Abstract

高收纳比模块化折展支撑桁架，涉及航空航天机械技术领域，特别涉及飞行器的构架式天线和空间粉尘探测器的高收纳比模块化折展支撑桁架。本发明由收拢状态到展开状态的变化过程中，一方面由中心杆压缩弹簧驱动中心杆滑块带动斜腹杆展开，另一方面由外杆压缩弹簧驱动曲柄滑块机构带动斜腹杆展开，片簧驱动下弦杆辅助展开。底盘和外杆连接头中锁止机构的设计，使得支撑桁架的展开弧度可控，可展开为平面或曲面。斜腹杆中凹槽和弹性定位销的配合对斜腹杆的伸缩杆和伸缩杆的相对位置进行限位，限制了斜腹杆的最大展开长度。曲柄滑块机构的设计保证了在折展支撑桁架展开过程中相邻两上弦杆或相邻两斜腹杆展开的同步性。

Description

高收纳比模块化折展支撑桁架

技术领域

本发明涉及航空航天机械技术领域，特别涉及飞行器的构架式天线和空间粉尘探测器的高收纳比模块化折展支撑桁架。

背景技术

随着航空航天技术的蓬勃发展，飞行器结构越来越趋向于大型化，对空间折展机构提出了更高的要求。折展支撑桁架是构架式折展天线和空间粉尘探测器的重要组成部分，起到支撑金属反射网或薄膜、保持结构精度、维持结构稳定的重要作用，现有的折展支撑桁架收纳比不高且多数为单模块设计，限制了折展支撑桁架的展开口径，同时与运载工具的空间容积和发射成本形成矛盾，因此研制一种可满足大口径、轻量化、高收纳比的折展支撑桁架需求迫切。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可进行模块化拼接的高收纳比折展支撑桁架，可应用于空间折展天线、空间粉尘(包括微小空间碎片和微流星体)探测器等设计中，拓展了航天器的功能，符合未来航空航天技术的发展趋势和应用需求。

本发明的技术解决方案是：高收纳比模块化折展支撑桁架，包括上连接块、中心杆滑块、中心杆、中心杆压缩弹簧、底盘、片簧、上弦杆、下弦杆、斜腹杆、外杆、外杆滑块、连杆、套环、外杆压缩弹簧和外杆连接头；

所述的上连接块内壁下端通过键槽与中心杆固定相对位置，通过周向等分的若干个转动副与上弦杆相连接；

所述的中心杆滑块通过周向等分的若干个转动副与斜腹杆相连接；

所述的中心杆上下两端均设有限位作用的键，使其与上连接块和底盘保持固定的相对位置，顶端留有螺纹孔以用于安装外部设备；

所述的中心杆压缩弹簧安装于上连接块与底盘之间，用于驱动支撑桁架展开；

所述的底盘通过周向等分的若干个转动副和锁止机构与下弦杆相连接，通过键槽与中心杆保持固定的相对位置，底盘通过螺栓与片簧固连；所述的片簧安装在底盘上，用于辅助支撑桁架机构的展开；

所述的上弦杆、下弦杆和斜腹杆均为伸缩杆，伸缩杆之间设有压缩弹簧作为展开辅助，斜腹杆连接于上弦杆和下弦杆之间，共同构成支撑桁架的骨架；

所述的外杆上下两端均设有限位作用的键，使其与外杆连接头保持固定的相对位置，顶端留有螺纹孔以用于安装外部设备；

所述的外杆滑块通过若干个转动副与连杆相连接；

所述的连杆通过转动副将外杆滑块和套环相连；

所述的套环位于相邻两上弦杆或两斜腹杆靠近外杆连接头一端；

所述的外杆压缩弹簧安装于外杆滑块和外杆连接头之间，用于驱动支撑桁架展开；

所述的外杆连接头通过转动副将相邻两上弦杆、相邻两下弦杆、相邻两斜腹杆或相邻两模块组合在一起。

进一步地，所述上弦杆和下弦杆均包括多节，上弦杆和下弦杆远离中心杆的一端均采用外杆连接、定位和支撑。

所述的外杆连接头通过呈180°角度的多个转动副与上弦杆、下弦杆和斜腹杆相连，或者通过周向3等分的转动副其它模块相连。

进一步地，外杆连接头、上弦杆、套环、连杆和第一外杆滑块构成第一曲柄滑块机构；所述外杆连接头安装在外杆一端，其两端与上弦杆配合连接，套环安装在上弦杆靠近外杆连接头一端；所述第一外杆滑块安装在外杆上，通过连杆与套环外端连接，实现桁架伸缩时第一外杆滑块在外杆上的滑动；所述第一曲柄滑块机构实现高收纳比模块化折展支撑桁架在展开过程中相邻两上弦杆的同步展开。

进一步地，外杆连接头、斜腹杆、套环、连杆和第二外杆滑块构成第二曲柄滑块机构；所述外杆连接头安装在外杆一端，外杆连接头设有若干转动副，用于连接上弦杆和斜腹杆，套环安装在相邻两斜腹杆靠近外杆连接头一端；所述第二外杆滑块安装在外杆上，通过连杆与套环外端连接，实现桁架伸缩时外杆滑块在外杆上的滑动；所述外杆上第二外杆滑块与外杆另一端设有外杆压缩弹簧，用于驱动支撑桁架展开；所述第二曲柄滑块机构实现高收纳比模块化折展支撑桁架在展开过程中相邻两斜腹杆的同步展开。

进一步地，所述第一曲柄滑块机构和第二曲柄滑块机构在单肋中由中心杆向外延伸的方向交替安装。

进一步地，所述上弦杆和下弦杆的末端设有外杆连接头，所述外杆连接头通过周向3等分的转动副与其它相同结构的模块相连。

进一步地，所述斜腹杆包括一对伸缩杆；其中一个伸缩杆内壁上设有凹槽，另一个伸缩杆外壁上设有弹性定位销，通过弹性定位销与凹槽的配合对斜腹杆中两个伸缩杆间的相对位置进行限位，限制斜腹杆的最大展开长度。

进一步地，所述底盘包括锁止机构、凹槽和键槽；所述锁止机构为弧形结构，用于限制下弦杆在折展支撑桁架展开过程中的转动角度；凹槽用于安装片簧，辅助折展支撑桁架的展开；键槽通过键与中心杆保持固定的相对位置，确保安装精度。

进一步地，所述中心杆包括螺纹孔、键槽和键槽；螺纹孔用于安装外部设备；键槽用于定位上连接块，确保安装精度；键槽用于定位底盘，确保安装精度。

进一步地，所述中心杆通过周向6等分的转动副将6条肋组合在一起构成六棱柱式折展支撑桁架。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过底盘和外杆连接头中锁止机构的设计，使得支撑桁架的展开弧度可控，可展开为平面或曲面；

(2)本发明通过可伸缩的上弦杆、下弦杆和斜腹杆设计，质量轻，使其具有较大的收纳比；

(3)本发明通过外杆连接头和外杆连接头中周向3等分的转动副的设计为折展支撑桁架的模块化拼接提供了接口，结构紧凑，可满足构架式天线或空间粉尘探测器等不同展开口径的需求。

附图说明

图1为折展支撑桁架的结构示意图。

图2为折展支撑桁架单肋的组成示意图。

图3为折展支撑桁架单肋A区的组成示意图。

图4为中心杆结构示意图。

图5为底盘结构示意图。

图6为折展支撑桁架单肋B区的组成示意图。

图7为折展支撑桁架单肋C区的组成示意图。

图8为折展支撑桁架单肋D区的组成示意图。

图9为折展支撑桁架单肋E区的组成示意图。

图10为折展支撑桁架部分结构收拢示意图。

具体实施方式

为了更好地理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案作详细地说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的高收纳比模块化折展支撑桁架作进一步详细地说明。

在本申请实施例提供的技术方案中，高收纳比模块化折展支撑桁架，该六棱柱式支撑桁架含六条肋，包括上连接块100，中心杆滑块200，中心杆300，中心杆压缩弹簧400，底盘500，片簧600，上弦杆700，下弦杆800，斜腹杆900，外杆1000，外杆连接头1100，连杆1200，套环1300，外杆压缩弹簧1400和外杆滑块1500。所述的上连接块100内壁下端通过键槽与中心杆300固定相对位置，通过周向等分的6个转动副与上弦杆700相连接。所述的中心杆滑块200通过周向等分的6个转动副与斜腹杆900相连接。所述的中心杆300上下两端均设计有限位作用的键，使其与上连接块100和底盘500保持固定的相对位置，顶端留有螺纹孔以用于安装天线金属反射网或空间粉尘探测器薄膜等。所述的中心杆压缩弹簧400和外杆压缩弹簧1400作为驱动支撑桁架展开的主要驱动形式。所述的底盘500通过周向等分的6个转动副和锁止机构与下弦杆800相连接，通过键槽与中心杆300保持固定的相对位置，通过螺栓与片簧600固连。所述的片簧600为冗余设计，其主要作用为辅助支撑桁架机构的展开。所述的上弦杆700、下弦杆800和斜腹杆900为支撑桁架的主要骨架，均为伸缩杆。所述的外杆1000与前述的中心杆300的作用一致，主要起到连接、定位和支撑作用。所述的外杆连接头1100通过呈180°角度的多个转动副与上弦杆700、下弦杆800和斜腹杆900相连，或者通过周向3等分的转动副与其它模块相连。所述的连杆1200、套环1300、外杆压缩弹簧1400和外杆滑块1500是保证同一模块中相邻两上弦杆或相邻两斜腹杆同步展开的主要组成部分。

具体的，如图1所示，根据本发明实施例的高收纳比模块化折展支撑桁架1包括上连接块100、中心杆滑块200、中心杆300、中心杆压缩弹簧400、底盘500和片簧600，折展支撑桁架1由六条肋组成，每条肋又包含上弦杆700、下弦杆800、斜腹杆900、外杆1000、外杆连接头1100、连杆1200、套环1300、外杆压缩弹簧1400和外杆滑块1500。高收纳比模块化折展支撑桁架1在中心杆压缩弹簧400和外杆压缩弹簧1400的驱动下展开为图示构型，片簧600在展开过程中起到辅助作用，上弦杆700、下弦杆800和斜腹杆900均为可伸缩结构，使得折展支撑桁架1具有较高的收纳比，底盘500中锁止机构的设计限制了折展支撑桁架1的展开程度，起到了限位和控制展开弧度的作用，曲柄滑块机构主要包括外杆连接头1100、上弦杆700或斜腹杆900、套环1300、连杆1200和外杆滑块1500，该机构的设计保证了相邻两上弦杆700或相邻两斜腹杆900展开的同步性。

如图2所示，以高收纳比模块化折展支撑桁架1的任意一条肋为例对其组成进行说明，主要分为A、B、C、D、E五个区域。

如图3所示，该图为折展支撑桁架1单肋的A区。上连接块100内壁下端通过键槽与中心杆300固定相对位置，通过周向等分的6个转动副与上弦杆700相连接；中心杆滑块200是传递压缩弹簧驱动力的重要组成部分，通过周向等分的6个转动副与斜腹杆900相连接；中心杆300为折展支撑桁架1的重要支撑组成，是将上连接块100、中心杆滑块200、中心杆300、中心杆压缩弹簧400、底盘500等组合在一起的载体；中心杆压缩弹簧400为支撑桁架1展开的主要驱动形式；底盘500通过周向等分的6个转动副和锁止机构与下弦杆800相连接，通过键槽与中心杆300保持固定的相对位置，通过螺栓与片簧600固连。

如图4所示，该图为中心杆300的结构示意图。螺纹孔310主要用于安装天线的金属反射网、支撑杆或空间粉尘探测器的薄膜等；键槽320主要用于定位上连接块100，确保安装精度；键槽330主要用于定位底盘500，确保安装精度；外杆1000中键槽的设计与键槽320和键槽330的功能一致，主要作用是定位和确保安装精度。

如图5所示，该图为底盘500的结构示意图。锁止机构510为弧形设计，主要用于限制下弦杆800在折展支撑桁架1展开过程中的转动角度，一方面起到了定位作用，另一方面可以控制展开面的弧度，以满足不同构型(平面或曲面)的需求；凹槽520的设计是为了安装片簧600，辅助折展支撑桁架1的展开；键槽530通过键与中心杆300保持固定的相对位置，确保安装精度。

如图6所示，该图为折展支撑桁架1单肋的B区。上弦杆700由伸缩杆710和伸缩杆720组成；下弦杆800由伸缩杆810和伸缩杆820组成；斜腹杆900由伸缩杆910和伸缩杆920组成，伸缩杆910内壁上设计有凹槽911，伸缩杆920外壁上设计有弹性定位销921，通过弹性定位销921与凹槽911的配合对斜腹杆900的伸缩杆910和伸缩杆920的相对位置进行限位，限制了斜腹杆900的最大展开长度，保证展开结构的稳定性。

如图7所示，该图为折展支撑桁架1单肋的C区。上弦杆700、下弦杆800和斜腹杆900通过第一外杆连接头1110、第二外杆连接头1120与第一外杆1010连接，曲柄滑块机构主要包括第二外杆连接头1120、上弦杆700、套环1300、连杆1200和外杆滑块1500，该机构的设计保证了相邻两上弦杆700展开的同步性。

如图8所示，该图为折展支撑桁架1单肋的D区。上弦杆700、下弦杆800和斜腹杆900通过第一外杆连接头1110、第三外杆连接头1130与第二外杆1020连接，其中第三外杆连接头1130中有与底盘500中锁止机构510相似的设计，曲柄滑块机构主要包括第一外杆连接头1110、斜腹杆900、套环1300、连杆1200和外杆滑块1500，该机构的设计保证了相邻两斜腹杆900展开的同步性，外杆压缩弹簧1400为曲柄滑块机构的运动提供驱动力。

如图9所示，该图为折展支撑桁架1单肋的E区。第四外杆连接头1140和第五外杆连接头1150通过周向3等分的转动副与其它相同结构的模块相连，通过模块化设计可满足不同展开口径的需求。

如图10所示，该图为折展支撑桁架1部分结构收拢后的示意图。从图2中可以看出，折展支撑桁架1单肋由三部分相似的结构组成，因此，此处仅展示了单肋中含中心杆300部分的收拢示意图。从图10中可以看出，折展支撑桁架1具有较高的收纳比，相比于非伸缩杆设计的支撑桁架，折展支撑桁架1的收纳比超出部分即为：在保证不干涉的条件下，上弦杆700、下弦杆800或斜腹杆900的伸缩杆相互嵌套的最大程度比例。折展支撑桁架1的收纳比的特点在于，在满足一定条件下，伸缩杆的长度越长，收拢时伸缩杆相互嵌套的比例越大，收纳比越高。

本发明的工作原理：

高收纳比模块化折展支撑桁架由收拢状态到展开状态的变化过程中，一方面由中心杆压缩弹簧400驱动中心杆滑块200带动斜腹杆900展开，另一方面由外杆压缩弹簧1400驱动曲柄滑块机构带动斜腹杆900展开，片簧600驱动下弦杆800辅助展开。锁止机构510的设计限制了下弦杆800在折展支撑桁架1展开过程中的转动角度，一方面起到了限位作用，另一方面可以控制展开面的弧度，以满足不同构型(平面或曲面)的需求。斜腹杆900中凹槽911和弹性定位销921的配合对斜腹杆900的伸缩杆910和伸缩杆920的相对位置进行限位，限制了斜腹杆900的最大展开长度。曲柄滑块机构的设计保证了在折展支撑桁架展开过程中相邻两上弦杆700或相邻两斜腹杆900展开的同步性。中心杆300和外杆1000中上端的螺纹孔为天线金属反射网、支撑杆或空间粉尘探测器薄膜的安装提供了安装位置，第四外杆连接头1140和第五外杆连接头1150为折展支撑桁架的模块化拼接提供了接口。

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：包括上连接块、中心杆滑块、中心杆、中心杆压缩弹簧、底盘、片簧、上弦杆、下弦杆、斜腹杆、外杆、外杆滑块、连杆、套环、外杆压缩弹簧和外杆连接头；

所述的上连接块内壁下端通过键槽与中心杆固定相对位置，通过周向等分的若干个转动副与上弦杆相连接；

所述的中心杆滑块通过周向等分的若干个转动副与斜腹杆相连接；

所述的中心杆上下两端均设有限位作用的键，使其与上连接块和底盘保持固定的相对位置，顶端留有螺纹孔以用于安装外部设备；

所述的中心杆压缩弹簧安装于上连接块与底盘之间，用于驱动支撑桁架展开；

所述的底盘通过周向等分的若干个转动副和锁止机构与下弦杆相连接，通过键槽与中心杆保持固定的相对位置，底盘通过螺栓与片簧固连；所述的片簧安装在底盘上，用于辅助支撑桁架机构的展开；

所述的上弦杆、下弦杆和斜腹杆均为伸缩杆，伸缩杆之间设有压缩弹簧作为展开辅助，斜腹杆连接于上弦杆和下弦杆之间，共同构成支撑桁架的骨架；

所述的外杆上下两端均设有限位作用的键，使其与外杆连接头保持固定的相对位置，顶端留有螺纹孔以用于安装外部设备；

所述的外杆滑块通过若干个转动副与连杆相连接；

所述的连杆通过转动副将外杆滑块和套环相连；

所述的套环位于相邻两上弦杆或两斜腹杆靠近外杆连接头一端；

所述的外杆压缩弹簧安装于外杆滑块和外杆连接头之间，用于驱动支撑桁架展开；

所述的外杆连接头通过转动副将相邻两上弦杆、相邻两下弦杆、相邻两斜腹杆或相邻两模块组合在一起。

2.根据权利要求1所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述上弦杆和下弦杆均包括多节，上弦杆和下弦杆远离中心杆的一端均采用外杆连接、定位和支撑。

所述的外杆连接头通过呈180°角度的多个转动副与上弦杆、下弦杆和斜腹杆相连，或者通过周向3等分的转动副其它模块相连。

3.根据权利要求2所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：外杆连接头、上弦杆、套环、连杆和第一外杆滑块构成第一曲柄滑块机构；所述外杆连接头安装在外杆一端，其两端与上弦杆配合连接，套环安装在上弦杆靠近外杆连接头一端；所述第一外杆滑块安装在外杆上，通过连杆与套环外端连接，实现桁架伸缩时第一外杆滑块在外杆上的滑动；所述第一曲柄滑块机构实现高收纳比模块化折展支撑桁架在展开过程中相邻两上弦杆的同步展开。

4.根据权利要求3所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：外杆连接头、斜腹杆、套环、连杆和第二外杆滑块构成第二曲柄滑块机构；所述外杆连接头安装在外杆一端，外杆连接头设有若干转动副，用于连接上弦杆和斜腹杆，套环安装在相邻两斜腹杆靠近外杆连接头一端；所述第二外杆滑块安装在外杆上，通过连杆与套环外端连接，实现桁架伸缩时外杆滑块在外杆上的滑动；所述外杆上第二外杆滑块与外杆另一端设有外杆压缩弹簧，用于驱动支撑桁架展开；所述第二曲柄滑块机构实现高收纳比模块化折展支撑桁架在展开过程中相邻两斜腹杆的同步展开。

5.根据权利要求4所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述第一曲柄滑块机构和第二曲柄滑块机构在单肋中由中心杆向外延伸的方向交替安装。

6.根据权利要求2所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述上弦杆和下弦杆的末端设有外杆连接头，所述外杆连接头通过周向3等分的转动副与其它相同结构的模块相连。

7.根据权利要求1所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述斜腹杆包括一对伸缩杆；其中一个伸缩杆内壁上设有凹槽，另一个伸缩杆外壁上设有弹性定位销，通过弹性定位销与凹槽的配合对斜腹杆中两个伸缩杆间的相对位置进行限位，限制斜腹杆的最大展开长度。

8.根据权利要求1所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述底盘包括锁止机构、凹槽和键槽；所述锁止机构为弧形结构，用于限制下弦杆在折展支撑桁架展开过程中的转动角度；凹槽用于安装片簧，辅助折展支撑桁架的展开；键槽通过键与中心杆保持固定的相对位置，确保安装精度。

9.根据权利要求1所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述中心杆包括螺纹孔、键槽和键槽；螺纹孔用于安装外部设备；键槽用于定位上连接块，确保安装精度；键槽用于定位底盘，确保安装精度。

10.根据权利要求1所述的高收纳比模块化折展支撑桁架，其特征在于：所述中心杆通过周向6等分的转动副将6条肋组合在一起构成六棱柱式折展支撑桁架。

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