CN112379562B - 一种可展开式薄膜遮光罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可展开式薄膜遮光罩，能够满足星载大型载荷对大型化、轻量化、大收纳比可展开式薄膜遮光罩的需求。所述的可展开式薄膜遮光罩包括：可展开骨架、遮光薄膜和压紧释放装置；可展开骨架整体为斜切式六棱柱结构，具备沿高度方向折叠和展开的功能；遮光薄膜为斜切式六棱柱结构，覆盖在所述可展开骨架的外表面；当所述可展开骨架沿高度方向折叠或展开时，带动所述遮光薄膜展开或折叠。联动装置用于使所述大连杆展开机构和小连杆展开机构同步展开或折叠；压紧释放装置用于所述可展开骨架处于折叠状态时，压紧可展开骨架，使其保持在折叠状态。

Description

一种可展开式薄膜遮光罩

技术领域

本发明涉及一种遮光罩，具体涉及一种大型可展开式薄膜遮光罩。

背景技术

随着空间探索活动的不断深入开展，未来空间任务对大口径相机的需求日益增加。传统的遮光罩一般为碳纤维蜂窝板构成的刚性结构体，刚性遮光罩由于发射体积过大、重量过大、刚度不足而不能满足运载的要求，可展开式薄膜遮光罩由于具备轻质、大收纳比等优点而受到极大重视。

1995年，美国JPL提出一种充气式展开遮光罩，结构设计为斜切角圆柱面形，直径为3.65m，通过周边沿轴向的10个不等高充气管展开6层铝/Kapton薄膜，并采用光固化方法提高结构的刚度；但该遮光罩充气系统较为复杂，光固化效果不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可展开式薄膜遮光罩，能够满足星载大型载荷对大型化、轻量化、大收纳比可展开式薄膜遮光罩的需求。

所述的可展开式薄膜遮光罩包括：可展开骨架、遮光薄膜和压紧释放装置；

所述可展开骨架整体为斜切式六棱柱结构，具备沿高度方向折叠和展开的功能，包括：两套大连杆展开机构、两套小连杆展开机构、底隔框、中隔框、上隔框和联动装置；

所述可展开骨架沿高度方向从下往上依次为底隔框、中隔框、上隔框；所述底隔框为一条边开口的六边形薄壁板框架，两套大连杆展开机构和两套小连杆展开机构分别通过根部铰链固定在底隔框上；所述中隔框为半六边形薄壁板框架；所述大连杆展开机构的中部通过杆间铰链与中隔框相连，所述小连杆展开机构的顶部通过杆间铰链与所述中隔框相连；两套大连杆展开机构的顶部通过顶部铰链所述上隔框相连；

所述根部铰链、杆间铰链以及顶部铰链中均设置有涡卷弹簧作为铰链驱动弹簧，当所述可展开骨架处于折叠状态时，所述涡卷弹簧变形储能；

所述遮光薄膜为斜切式六棱柱结构，覆盖在所述可展开骨架的外表面；当所述可展开骨架沿高度方向折叠或展开时，带动所述遮光薄膜展开或折叠。

所述联动装置用于使所述大连杆展开机构和小连杆展开机构同步展开或折叠；

所述压紧释放装置用于所述可展开骨架处于折叠状态时，压紧可展开骨架，使其保持在折叠状态。

作为本发明的一种优选方式：所述大连杆展开机构包括：四根以上通过杆间铰链依次相连的连杆；所述小连杆展开机构包括：两根以上通过杆间铰链依次相连的连杆。

作为本发明的一种优选方式：所述联动装置包括：联动绳和联动绳轮；在每个所述大连杆展开机构的根部铰链和杆间铰链处各设置一个联动绳轮；在每个小连杆展开机构的根部铰链和位于中间的杆间铰链位置处各设置一个联动绳轮；

每个大连杆展开机构上，相邻两个联动绳轮上环绕有联动绳；每个小连杆展开机构上，相邻两个联动绳轮上环绕有联动绳；

位于同侧的大连杆展开机构和小连杆展开机构根部铰链处的联动绳轮，用于实现大连杆展开机构和小连杆展开机构之间的联动；

两套大连杆展开机构根部铰链处的联动绳轮上环绕有联动绳，用于实现两套大连杆展开机构之间的联动。

作为本发明的一种优选方式：所述联动绳轮采用内置方式，设置在对应位置处的连杆内部；同时，所述联动绳通过一对导向轮导入对应位置处的连杆内部。

作为本发明的一种优选方式：所述遮光薄膜包括：多层薄膜、脊索和边索；所述多层薄膜由两层以上聚酯薄膜拼接而成；拼接过程中，在薄膜边缘处埋入索套，并加入边索；在薄膜每个棱边埋入索套，并加入脊索；

所述遮光薄膜底部通过压板与底隔框连接，所述脊索和所述边索通过拉力机构与所述可展开骨架相连，当可展开骨架完全展开后，所述拉力机构对所述边索和所述脊索施加张拉力，维持所述遮光薄膜的形状。

作为本发明的一种优选方式：采用origami折纸技术对多层薄膜进行有序低应力折叠，使其能够跟随所述可展开骨架沿高度方向折叠或展开。

作为本发明的一种优选方式：所述压紧释放装置包括：分离螺母、压紧杆和分离弹簧；

所述分离螺母固定在压紧座内部，所述压紧座设置在底隔框上；遮光罩处于折叠状态，所述压紧杆穿过所述中隔框和上隔框与所述分离螺母螺纹连接，压紧所述可展开骨架；所述分离弹簧套装在所述压紧杆外部，一端与所述上隔框抵触，另一端通过与所述压紧杆相连的导向套相连，通过所述导向套压缩分离弹簧；

遮光罩需要展开时，分离螺母工作断开与所述压紧杆之间的连接，压紧杆释放后在分离弹簧的弹力作用下，向上回缩，解除对遮光罩的压紧。

作为本发明的一种优选方式：在所述导向套和所述分离弹簧外部套装有防逃帽，所述防逃帽与所述上隔框相连。

有益效果：

(1)本发明的遮光罩采用“遮光薄膜+体式可展开骨架”的方案，以最小的重量代价实现最大的遮挡面积和刚度，满足了大口径相机遮光空间、重量轻、展开后刚度大的需求。

(2)本发明遮光罩中的遮光薄膜采用origami折纸技术对薄膜进行有序低应力折叠，收纳比可达7：1～100：1，满足了大型遮光罩更小收纳尺寸的需求。

(3)本发明遮光罩中的联动装置采用“储能机构(铰链中的涡卷弹簧)+联动绳”有序联动控制技术，驱动方式简单可靠，能够满足遮光罩展开过程的有序性和可靠性的需求。

(4)遮光薄膜采用“薄膜多层+边索+脊索”方案，满足了遮光薄膜遮光和维形的需求。

附图说明

图1为本发明的遮光罩展开状态示意图；

图2为本发明的遮光罩收拢状态示意图；

图3为本发明的遮光罩展开过程示意图；

图4为本发明中连杆机构示意图；

图5为本发明的联动装置布置示意图；

图6为本发明中遮光薄膜组件示意图；

图7为本发明中压紧释放装置压紧状态和释放状态的示意图。

其中：1-大连杆展开机构；2-小连杆展开机构；3-底隔框；4-中隔框；5-上隔框；6-联动装置；7-遮光薄膜；8-压紧释放装置；9-根部铰链；10-连杆；11-杆间铰链；12-顶部铰链； 13-薄膜多层；14-脊索；15-边索；16-分离螺母；17-压紧杆；18-分离弹簧；19-防逃帽

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种轻质、收纳比大、展开状态刚度高的大型可展开式薄膜遮光罩，收拢时遮光罩压紧在底隔框上，展开后形成斜切式多边形体式结构，适用于空间光学卫星。

如图1-图3所示，该遮光罩包括：可展开骨架、遮光薄膜7和压紧释放装置8；其中可展开骨架作为遮光罩的主支撑结构，直接关系到展开后遮光罩的位置精度、型面精度和基频；可展开骨架包括：两套大连杆展开机构1、两套小连杆展开机构2、底隔框3、中隔框4、上隔框5和联动装置6；其中图1为遮光罩展开状态，图2为遮光罩收拢状态，图3为遮光罩展开过程示意图。

可展开骨架沿高度方向从下往上依次为底隔框3、中隔框4、上隔框5；其中底隔框3为一条边开口的六边形薄壁板框架，材料为碳纤维蜂窝板(为方便描述，令底隔框中，与开口边相对的边为边A，与边A相连的两条边分别为边B和边C)；两套大连杆展开机构1和两套小连杆展开机构2通过根部铰链9固定在底隔框3上，其中两套大连杆展开机构1的底部分别通过根部铰链9固定在底隔框3边A的两端；两套小连杆展开机构2的底部分别通过根部铰链9固定在底隔框3边B和边C不与边A相连的一端；中隔框4为半个六边形薄壁板框架(即仅具有与底隔框3的边A、边B和边C对应的边框)；中隔框4与大连杆展开机构1 和小连杆展开机构2之间通过杆间铰链11连接，其中小连杆展开机构2的顶部与中隔框4 相连，大连杆展开机构1的中部与中隔框4相连；上隔框5为条形薄壁板，两套大连杆展开机构1的顶部通过顶部铰链12上隔框5相连。

每个铰链(包括根部铰链9、杆间铰链11以及顶部铰链12)中均设置有涡卷弹簧作为铰链驱动弹簧，当连杆机构折叠时，铰链中的涡卷弹簧储能。

遮光薄膜7覆盖在该遮光罩可展开骨架的外表面；中隔框4和上隔框5能够在两套大连杆展开机构1和两套小连杆展开机构2的作用下向上延伸展开或向下折叠，从而带动遮光薄膜7展开或折叠；该遮光罩展开后为斜切式多边形立体式结构。

大连杆展开机构1和小连杆展开机构2之间通过联动装置6来保证展开的同步性。

压紧释放装置8用于在该遮光罩处于折叠状态时，压紧遮光罩，使其能够保持在折叠状态。

该遮光罩的使用原理为：

四套连杆机构(包括两套大连杆展开机构1和两套小连杆展开机构2)具备沿高度方向折叠和展开的功能，四套连杆机构带动遮光薄膜组件7折叠后，将遮光罩收拢，此时四套连杆机构折叠收拢在底隔框3上，并由多个压紧释放装置8压紧(如图2所示)，此时铰链中的涡卷弹簧储能；当压紧释放装置解锁后，四套连杆机构在各铰链处涡卷弹簧驱动力的作用下向上展开，从而带动上隔框5和中隔框4向上延伸展开；展开过程中，通过联动装置6来保证大连杆展开机构1和小连杆展开机构2展开的同步性，从而保证在整个展开过程中，中隔框4和上隔框5保持为水平状态。四套连杆机构展开过程中，带动遮光薄膜7展开；最后依靠各个连杆机构铰链中的锁钩实现到位锁定，形成一个具有一定刚度的斜切式体式结构。展开后的遮光罩构型如图1所示，展开过程如图3所示。

具体的：大连杆展开机构1的结构如图4所示，包括：根部铰链9、两根以上连杆10、杆间铰链11和顶部铰链12。本例中，大连杆展开机构1包括四根连杆10；根部铰链9固定在底隔框3上，顶部铰链12与上隔框5相连，四根连杆通过杆间铰链11依次相连，其中位于中间的两根连杆10连接处的杆间铰链11设置在中隔框4上。

同样，小连杆展开机构2包括：根部铰链、两根以上连杆和杆间铰链。小连杆展开机构 2中连杆的个数少于大连杆展开机构1中连杆的个数；本例中，小连杆展开机构2包括两根连杆；两根连杆通过杆间铰链相连后一端通过根部铰链固定在底隔框3上，另一端通过杆间铰链11固定在中隔框4上。

四套连杆机构的同步联动通过联动装置6实现，联动装置6采用绳传动方式，同时，为保证联动的同步性，联动绳需施加一定的预紧力。如图5所示，联动装置6包括：联动绳和联动绳轮；每个大连杆展开机构1上设置有四个联动绳轮，分别设置在根部铰链和三个杆间铰链位置处；每个小连杆展开机构2上设置有两个联动绳轮，分别设置在根部铰链和位于中间的杆间铰链位置处；每个大连杆展开机构1上，相邻两个联动绳轮上环绕有联动绳，小连杆展开机构2上的两个联动绳轮上环绕有联动绳；为方便描述，令每个大连杆展开机构1上的四个联动绳轮从下往上依次为轮A、轮B、轮C和轮D，小连杆展开机构2上的两个联动绳轮从下往上依次为轮E和轮F；则轮A与轮B之间、轮B与轮C之间、轮C与轮D之间、轮 E和轮F之间均环绕有联动绳；同时为实现大连杆展开机构1和小连杆展开机构2的联动，轮A和轮E之间均环绕有联动绳；为实现两套大连杆展开机构1之间的联动，两套大连杆展开机构1根部铰链处的联动绳轮上环绕有联动绳。由此，通过具有预紧力的联动绳和联动绳轮的配合实现四套连杆机构的同步联动。且每个大连杆展开机构1中，轮A、轮B、轮C和轮D的半径依次为2R→R→R→2R，以实现从下往上90°→180°→180°→90°的同步展开。

同时，通过联动装置6还可实现连杆机构展开驱动力矩(由铰链中的涡卷弹簧提供)的均衡施加，特别是在某铰链驱动性能降低(铰链驱动力矩下降、铰链中的涡卷弹簧断裂但未卡死)时，联动装置6也可进行各铰链线间展开力矩的传递，保证连杆机构顺利展开、锁定。

如图6所示，遮光薄膜7包括：多层薄膜13、脊索14和边索15；根据构型需求，遮光薄膜为斜切式六棱柱结构(由于用于空间光学卫星，采用斜切式六棱柱结构，斜切角度与光照角度相关)；多层薄膜13由多层聚酯膜拼接而成，具体为由多层薄膜错孔位叠加后，进行缝制得到。在缝制的过程中，在薄膜边缘处埋入索套，并加入边索15；在薄膜每个棱边埋入索套，并加入脊索14，通过边索15对薄膜边缘进行加强，通过脊索14来维持薄膜所需的六边形。遮光薄膜7底部通过压板与底隔框3连接，脊索14和边索15通过拉力装置与可展开骨架相连，当可展开骨架完全展开后，对边索15和脊索14施加张拉力，从而保证遮光薄膜 7维持所需形状。

根据遮光薄膜7展开构型和收拢的要求，采用origami折纸技术对多层薄膜13进行有序低应力折叠，使其能够跟随可展开骨架沿高度方向折叠或展开。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，对压紧释放装置的结构进行进一步的详细描述。

如图7为压紧释放装置压紧状态和释放状态的示意图。压紧释放装置包括：分离螺母16、压紧杆17和分离弹簧18；其中分离螺母16为火工分离螺母，通过四个螺钉固定在压紧座内部，压紧座设置在底隔框3；中隔框4和上隔框5上与压紧座对应的位置设置有用于使压紧杆17穿过的安装孔；遮光罩处于折叠状态，需要压紧时，将压紧杆17前端的螺纹与分离螺母16的螺纹旋合并预紧，此时压紧杆17压紧可展开骨架，分离弹簧18套装在压紧杆17外部，一端上隔框5抵触，另一端通过与压紧杆17相连的导向套相连，通过导向套压缩分离弹簧18，即可实现遮光罩的压紧。

入轨展开前，所有压紧释放装置的分离螺母16按指令分两次顺序点火工作，释放压紧杆17，压紧杆18在分离弹簧18的弹力作用下，向上回缩，解除对遮光罩的压紧，为展开做准备。

为避免释放后，压紧杆17以及分离弹簧18弹出脱落，在导向套和分离弹簧18外部套装有防逃帽19，防逃帽19与上隔框5相连。

实施例3：

在上述实施例1或实施例2的基础上，联动绳轮采用内置的设计，避免联动绳轮外置导致铰链承受额外的侧向弯矩；同时，联动绳相应的采用内部走线，通过一对导向轮将联动绳导入连杆内部(即连杆采用空心杆，联动绳轮设置在连杆内部，相应的，联动绳从连杆内部走线)。这种走线方式与外部走线相比，能够有效的消除运动过程中，联动绳与其他零部件钩挂的风险。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可展开式薄膜遮光罩，其特征在于，包括：可展开骨架、遮光薄膜(7)和压紧释放装置(8)；

所述可展开骨架整体为斜切式六棱柱结构，具备沿高度方向折叠和展开的功能，包括：两套大连杆展开机构(1)、两套小连杆展开机构(2)、底隔框(3)、中隔框(4)、上隔框(5)和联动装置(6)；

所述可展开骨架沿高度方向从下往上依次为底隔框(3)、中隔框(4)、上隔框(5)；所述底隔框(3)为一条边开口的六边形薄壁板框架，令底隔框(3)中，与开口边相对的边为边A，与边A相连的两条边分别为边B和边C；两套大连杆展开机构(1)和两套小连杆展开机构(2)分别通过根部铰链(9)固定在底隔框(3)上；其中两套大连杆展开机构(1)的底部分别通过根部铰链(9)固定在底隔框(3)边A的两端；两套小连杆展开机构(2)的底部分别通过根部铰链(9)固定在底隔框(3)边B和边C不与边A相连的一端；

所述中隔框(4)为半六边形薄壁板框架；所述大连杆展开机构(1)的中部通过杆间铰链(11)与中隔框(4)相连，所述小连杆展开机构(2)的顶部通过杆间铰链(11)与所述中隔框(4)相连；两套大连杆展开机构(1)的顶部通过顶部铰链(12)所述上隔框(5)相连；

所述根部铰链(9)、杆间铰链(11)以及顶部铰链(12)中均设置有涡卷弹簧作为铰链驱动弹簧，当所述可展开骨架处于折叠状态时，所述涡卷弹簧变形储能；

所述遮光薄膜(7)为斜切式六棱柱结构，覆盖在所述可展开骨架的外表面；当所述可展开骨架沿高度方向折叠或展开时，带动所述遮光薄膜(7)展开或折叠；

所述联动装置(6)用于使所述大连杆展开机构(1)和小连杆展开机构(2)同步展开或折叠；

所述压紧释放装置(8)用于所述可展开骨架处于折叠状态时，压紧可展开骨架，使其保持在折叠状态；

所述大连杆展开机构(1)包括：四根以上通过杆间铰链(11)依次相连的连杆(10)；所述小连杆展开机构(2)包括：两根以上通过杆间铰链(11)依次相连的连杆(10)；

所述联动装置(6)包括：联动绳和联动绳轮；在每个所述大连杆展开机构(1)的根部铰链(9)和杆间铰链(11)处各设置一个联动绳轮；在每个小连杆展开机构(2)的根部铰链(9)和位于中间的杆间铰链位置处各设置一个联动绳轮；

每个大连杆展开机构(1)上，相邻两个联动绳轮上环绕有联动绳；每个小连杆展开机构(2)上，相邻两个联动绳轮上环绕有联动绳；

位于同侧的大连杆展开机构(1)和小连杆展开机构(2)根部铰链处的联动绳轮，用于实现大连杆展开机构(1)和小连杆展开机构(2)之间的联动；

两套大连杆展开机构(1)根部铰链处的联动绳轮上环绕有联动绳，用于实现两套大连杆展开机构(1)之间的联动；

所述联动绳轮采用内置方式，设置在对应位置处的连杆(10)内部；同时，所述联动绳通过一对导向轮导入对应位置处的连杆(10)内部；

所述遮光薄膜(7)包括：多层薄膜(13)、脊索(14)和边索(15)；所述多层薄膜(13)由两层以上聚酯薄膜拼接而成；拼接过程中，在薄膜边缘处埋入索套，并加入边索(15)；在薄膜每个棱边埋入索套，并加入脊索(14)；

所述遮光薄膜(7)底部通过压板与底隔框(3)连接，所述脊索(14)和所述边索(15)通过拉力机构与所述可展开骨架相连，当可展开骨架完全展开后，所述拉力机构对所述边索(15)和所述脊索(14)施加张拉力，维持所述遮光薄膜(7)的形状。

2.如权利要求1所述的可展开式薄膜遮光罩，其特征在于：采用origami折纸技术对多层薄膜(13)进行有序低应力折叠，使其能够跟随所述可展开骨架沿高度方向折叠或展开。

3.如权利要求1所述的可展开式薄膜遮光罩，其特征在于：所述压紧释放装置(8)包括：分离螺母(16)、压紧杆(17)和分离弹簧(18)；

所述分离螺母(16)固定在压紧座内部，所述压紧座设置在底隔框(3)上；遮光罩处于折叠状态，所述压紧杆(17)穿过所述中隔框(4)和上隔框(5)与所述分离螺母(16)螺纹连接，压紧所述可展开骨架；所述分离弹簧(18)套装在所述压紧杆(17)外部，一端与所述上隔框(5)抵触，另一端通过与所述压紧杆(17)相连的导向套相连，通过所述导向套压缩分离弹簧(18)；

遮光罩需要展开时，分离螺母(16)工作断开与所述压紧杆(17)之间的连接，压紧杆(17 )释放后在分离弹簧(18)的弹力作用下，向上回缩，解除对遮光罩的压紧。

4.如权利要求3所述的可展开式薄膜遮光罩，其特征在于：在所述导向套和所述分离弹簧(18)外部套装有防逃帽(19)，所述防逃帽(19)与所述上隔框(5)相连。

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