CN112407333B - 一种大折展比可展开舱段机构 - Google Patents

Abstract

一种大折展比可展开舱段机构，包括连接柱和多个折展单元；一个或两个以上折展单元收尾连接组成可折展桁架，可折展桁架分为结构相同的横向折展桁架和竖向折展桁架；多个横向折展桁架首尾通过连接柱相连组成可折展的上下两个正N边形桁架，上下连接柱由竖向可折展桁架相连组成可折展的正N棱柱桁架，上下两个正N边形桁架内分别布置有与连接柱连接的呈十字形布置的横向可折展桁架，十字形布置的横向可折展桁架交叉处相连有连接柱。本发明结构及紧凑，展开过程顺畅且机构之间不会发生干涉，较强的结构刚度。

Description

一种大折展比可展开舱段机构

技术领域

本发明涉及一种太空舱，具体涉及一种大折展比可展开舱段机构。

背景技术

在航天器的发展进程中，太空舱分别有刚性舱段、柔性舱段和建造式基地，刚性舱段起步较早，各国首先对刚性舱段进行研究，刚性舱段的主要材质为金属材料，根据不同的使用需求一个基地可分为多个舱段，舱段之间互有联系。但由于单个舱段的空间容纳有限，宇航员的活动受到一定限制。并且刚性舱段外形固定，在基地选址、舱段连接等技术上易受到地形条件的限制。舱段在质量和体积方面都会受到运载能力的限制，外太空基地如果需要扩展，则需要多次运载或更大的运载火箭来实现，这使得太空基地的建造成本大大增加。刚性舱段在总体布局、结构质量、运载能力、容纳体积、舱段密封性等诸多因素的影响下，难以满足未来深空探测活动中所需要承担的任务需求，相比刚性舱段，柔性舱段应用而生。我国空间技术相对来说起步较晚，先后出现了月球舱段和充气舱段，虽然有各自的优势，但总体来说，根据面向星球基地可展开舱段的设计要求，可展开舱段要求大折展比，展开过程顺畅且机构之间不会发生干涉；展开到位后具有较强的结构刚度；其外，作为在轨的展开机构要求可展开舱段桁架结构简单、可靠性高、轻量化的需求还没有得到有效改善。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种大折展比可展开舱段机构。该可展开舱段收拢结构紧凑，能够实现在轨展开，展开过程顺畅且机构之间不会发生干涉。

本发明的技术方案是：一种大折展比可展开舱段机构，包括连接柱和多个折展单元；一个或两个以上折展单元首尾连接组成可折展桁架，可折展桁架分为结构相同的横向折展桁架和竖向折展桁架；多个横向折展桁架首尾通过连接柱相连组成可折展的上下两个正N边形桁架，上下连接柱由竖向可折展桁架相连组成可折展的正N棱柱桁架，上下两个正N边形桁架内分别布置有与连接柱连接的呈十字形布置的横向可折展桁架，十字形布置的横向可折展桁架交叉处相连有连接柱。

本发明相比现有技术的有益效果是：

根据面向星球基地可展开舱段的设计要求，本发明可展开舱段折展比大，收拢结构紧凑，展开过程顺畅且机构之间不会发生干涉；展开到位后具有较强的结构刚度，展开后整个舱段系统能够完成锁定动作，当完全锁定整个舱段系统的拉索张紧，结构钢化；本发明作为在轨的可展开舱段桁架结构简单、可靠性高、轻量化。

下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1是本发明一个实施例的大折展比可展开舱段机构的展开状态图；

图2是本发明一个实施例的大折展比可展开舱段机构的折叠状态图；

图3是可折展桁架的结构图；

图4是折展单元的结构图；

图5是折叠铰链的折叠状态图；

图6是折叠铰链完全展开的示意图；

图7是公铰和母铰相连展开状态图；

图8是折叠铰链的弹性锁钩和锁舌配合关系图；

图9是移动副轴系的装配图；

图10是接头的结构图。

具体实施方式

参见图1-图6所示，一种大折展比可展开舱段机构，包括连接柱1和多个折展单元2；一个或两个以上折展单元2首尾连接组成可折展桁架，可折展桁架分为结构相同的横向折展桁架3-1和竖向折展桁架3-2；多个横向折展桁架3-1首尾通过连接柱1相连组成可折展的上下两个正N边形桁架，上下连接柱1由竖向可折展桁架3-2相连组成可折展的正N棱柱桁架，上下两个正N边形桁架内分别布置有与连接柱1连接的呈十字形布置的横向可折展桁架3-1，十字形布置的横向可折展桁架3-1交叉处相连有连接柱1。

其中N为6～10的正整数，作为可选地实施例，N取8，即构建为正8棱柱桁架，为便于空间造型和连接的便捷，上下两个正N边形桁架上中心的连接柱1为正方体，正8边形桁架顶点处的连接柱1为四棱台。可展开舱段在收拢状态径向包络直径小于5m；能够实现在轨展开，其展开后径向包络直径为23m；可展开桁架展开到位后一阶基频高于0.5Hz；可展开舱段的轻量化要求整体质量不超过1吨。驱动来说，轴向驱动和径向驱动相结合。

进一步地，如图4所示，所述折展单元2为可折展四棱柱桁架，可折展四棱柱桁架包含多个四边形底框2-1、多个侧杆2-2和多个拉索2-4；多个四边形底框2-1相间正对布置，且相对顶点之间布置有侧杆2-2，所述侧杆2-2可折展，侧杆2-2与四边形底框2-1铰接，同一个四边形底框2-1上的任意相邻两个侧杆2-2为侧向偏置方式折叠布置，位于同一直线上的相邻两个侧杆2-2折叠方向相同，相邻两个四边形底框2-1的相对两侧分别设置有斜交的拉索2-4。侧向偏置方式折叠布置是指一个侧杆2-2水平折叠，同时，与其相邻的侧杆2-2竖向折叠，二者折叠方向垂直；或者一个侧杆2-2竖向折叠，同时，与其相邻的侧杆2-2水平折叠，二者折叠方向垂直。较佳地，所述拉索2-4为柔性绳索或碳纤维绳。如此设置，连接强度高。侧杆2-2可优选用碳纤维管。为了防止舱段系统在收拢的状态下，斜拉索与杆件之间会发生缠绕的现象，从而影响舱段系统的顺利展开，在每根拉索的表面上布置两段橡胶索套，这样能够保证在舱段系统收拢的状态下，拉索与杆件之间不会发生缠绕的现象。

更进一步地，如图7所示，侧杆2-2通过折叠铰链2-3实现折展，所述折叠铰链2-3包含公铰2-31、母铰2-32、驱动杆2-33、移动副轴系2-34、弹簧2-35和双连杆2-36；公铰2-31和母铰2-32上分别设置有一个导向通道A和一对导轨槽B，每个导向通道A内布置有可滑动的驱动杆2-33，驱动杆2-33的一端伸出导向通道A，并与移动副轴系2-34连接，移动副轴系2-34可滑动地设置于一对导轨槽B内，驱动杆2-33的另一端至于导向通道A内，且端部固接有法兰，弹簧2-35套在位于导向通道A内的驱动杆2-33上，弹簧2-35的两端分别与导向通道A的限位面和法兰相抵，驱动杆2-33的移动方向与移动副轴系2-34移动方向相同；两对双连杆2-36通过销轴连接转动，每对双连杆2-36均为角形连杆且交错布置，每对双连杆2-36中，一个连杆的一端可转动地设置于公铰2-31中的移动副轴系2-34上，另一端可转动地设置于母铰2-32上，另一个连杆的一端可转动地设置于公铰2-31上，另一端可转动地设置于母铰2-32中的移动副轴系2-34上。该折叠铰链2-3定位准确，能够精准的限制折展单元2伸展杆的轴向、径向的各个方向自由度；锁定后具有力密封性，能够承受较大的冲击力，安全可靠的实现展开单元的锁定，可展开舱段机构使得连接铰链的数目众多，导致质量的增加，因此，需要选择一种简洁、可靠的折叠铰链折展过程中两个侧杆的转动角度为180°。

更进一步地，如图7所示，公较2-31和母铰2-32的对接面上分别设置有一一对应配合的定位孔2-311和定位凸台2-321，公较2-31与母铰2-32完全展开后通过插入定位孔2-311内的定位凸台2-321对接。

初始状态如图7所示，铰链折叠90°，公铰和母铰上的弹簧2-35(此时移动副轴系2-34处于公铰2-31和母铰2-32的端部，受导向通道的限位面和法兰作用)处于压缩状态；需要展开时，整个铰链压紧释放，安装在公铰3-31和母铰2-32上的弹簧2-35释放弹性势能，整个铰链在两个弹簧2-35的弹性势能作用下开始展开，双连杆2-36通过销轴在导轨槽B下运动，而驱动杆在导向通道A内滑动，移动副轴系2-34向导向通道A方向移动，如图8所示；展开到位后由公铰2-31和母铰2-32的定位凸台2-321与定位孔2-311进行定位。

更进一步地，为了提高锁定的可靠性，如图8所示，母铰2-32上设置有弹性锁钩2-322，公铰2-31上设置有锁舌2-312，所述弹性锁钩2-322具有与锁舌2-312适配的锁孔2-3220，公铰2-31和母铰2-32完全展开后，锁舌2-312插入锁孔2-3220内将公铰2-31和母铰2-32轴向锁紧。公铰2-31和母铰2-32完全展开后，弹性锁钩2-322的锁孔2-3220锁在锁舌2-312上，如图6所示，考虑加工公差累计和装配公差，弹性锁钩2-322和锁舌2-312有10°配合角度配合，保证到位锁定的可靠性，具有到位后轴向锁定的功能，也提高了结构刚度，并且在一定力学环境条件下不出现误解锁，通过轴系、最顶端定位凸台和定位孔的配合可实现承受压力和扭矩。

如图9所示，上述实施方式中，所使用的移动副轴系2-34包含移动副转轴、轴套2-341、深沟球轴承2-342和轴承端盖2-343；驱动杆2-33的一端与移动副转轴中部连接，移动副转轴两端安装有可在一对导轨槽B内滑动的深沟球轴承2-342，双连杆2-36与套在移动副转轴上的轴套2-341连接，深沟球轴承2-342端部通过安装在移动副转轴上的轴承端盖2-343定位，轴承端盖2-343通过安装在移动副转轴上的螺钉2-345锁紧。铰链由弹簧释放弹力作用在驱动杆上，驱动杆与移动副轴系通过螺纹连接，通过移动副轴系完成直线位移运动，整体可视为一个滑块。深沟球轴承2-342能实现移动副轴系滚动摩擦而减小摩擦力。双连杆作为与移动副转轴相连的运动传力件，通过轴套2-341配合在一起。

通常，如图10所示，所述四边形底框2-1包含连接杆2-11和接头2-12；四根连接杆2-11通过四个接头2-12连接形成四边形底框，侧杆2-2与接头2-12铰接。接头2-12设置有连接槽，侧杆2-2通过连接槽内的销轴连接，实现折展。可展开舱段的收拢状态的包络直径为4.9m，高度为2.3m，展开状态的包络直径为23m，高度为8.4m。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：包括连接柱(1)和多个折展单元(2)；

一个或两个以上折展单元(2)首尾连接组成可折展桁架，可折展桁架分为结构相同的横向折展桁架(3-1)和竖向折展桁架(3-2)；多个横向折展桁架(3-1)首尾通过连接柱(1)相连组成可折展的上下两个正N边形桁架，上下连接柱(1)由竖向可折展桁架(3-2)相连组成可折展的正N棱柱桁架，上下两个正N边形桁架内分别布置有与连接柱(1)连接的呈十字形布置的横向可折展桁架(3-1)，十字形布置的横向可折展桁架(3-1)交叉处相连有连接柱(1)；

所述折展单元(2)为可折展四棱柱桁架，可折展四棱柱桁架包含多个四边形底框(2-1)、多个侧杆(2-2)和多个拉索(2-4)；多个四边形底框(2-1)相间正对布置，且相对顶点之间布置有侧杆(2-2)，所述侧杆(2-2)可折展，侧杆(2-2)与四边形底框(2-1)铰接，同一个四边形底框(2-1)上的任意相邻两个侧杆(2-2)为侧向偏置方式折叠布置，位于同一直线上的相邻两个侧杆(2-2)折叠方向相同，相邻两个四边形底框(2-1)的相对两侧分别设置有斜交的拉索(2-4)；

侧杆(2-2)通过折叠铰链(2-3)实现折展，所述折叠铰链(2-3)包含公铰(2-31)、母铰(2-32)、驱动杆(2-33)、移动副轴系(2-34)、弹簧(2-35)和双连杆(2-36)；

公铰(2-31)和母铰(2-32)上分别设置有一个导向通道(A)和一对导轨槽(B)，每个导向通道(A)内布置有可滑动的驱动杆(2-33)，驱动杆(2-33)的一端伸出导向通道(A)，并与移动副轴系(2-34)连接，移动副轴系(2-34)可滑动地设置于一对导轨槽(B)内，驱动杆(2-33)的另一端至于导向通道(A)内，且端部固接有法兰，弹簧(2-35)套在位于导向通道(A)内的驱动杆(2-33)上，弹簧(2-35)的两端分别与导向通道(A)的限位面和法兰相抵，驱动杆(2-33)的移动方向与移动副轴系(2-34)移动方向相同；两对双连杆(2-36)通过销轴连接转动，每对双连杆(2-36)均为角形连杆且交错布置，每对双连杆(2-36)中，一个连杆的一端可转动地设置于公铰(2-31)中的移动副轴系(2-34)上，另一端可转动地设置于母铰(2-32)上，另一个连杆的一端可转动地设置于公铰(2-31)上，另一端可转动地设置于母铰(2-32)中的移动副轴系(2-34)上。

2.根据权利要求1所述一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：公较(2-31)和母铰(2-32)的对接面上分别设置有一一对应配合的定位孔(2-311)和定位凸台(2-321)，公较(2-31)与母铰(2-32)完全展开后通过插入定位孔(2-311)内的定位凸台(2-321)对接。

3.根据权利要求1或2所述一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：母铰(2-32)上设置有弹性锁钩(2-322)，公铰(2-31)上设置有锁舌(2-312)，所述弹性锁钩(2-322)具有与锁舌(2-312)适配的锁孔(2-3220)，公铰(2-31)和母铰(2-32)完全展开后，锁舌(2-312)插入锁孔(2-3220)内将公铰(2-31)和母铰(2-32)轴向锁紧。

4.根据权利要求3所述一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：所述移动副轴系(2-34)包含移动副转轴、轴套(2-341)、深沟球轴承(2-342)和轴承端盖(2-343)；驱动杆(2-33)的一端与移动副转轴中部连接，移动副转轴两端安装有可在一对导轨槽(B)内滑动的深沟球轴承(2-342)，双连杆(2-36)与套在移动副转轴上的轴套(2-341)连接，深沟球轴承(2-342)端部通过安装在移动副转轴上的轴承端盖(2-343)定位，轴承端盖(2-343)通过安装在移动副转轴上的螺钉(2-345)锁紧。

5.根据权利要求1、2或4所述一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：所述拉索(2-4)为柔性绳索或碳纤维绳。

6.根据权利要求5所述一种大折展比可展开舱段机构，其特征在于：所述四边形底框(2-1)包含连接杆(2-11)和接头(2-12)；四根连接杆(2-11)通过四个接头(2-12)连接形成四边形底框，侧杆(2-2)与接头(2-12)铰接。

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