CN112433358A - 一种空间超大口径遮光罩 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空间超大口径遮光罩，包括：用于对遮光罩进行伞式展开的伞式展开机构以及对遮光罩进行一维展开的剪式展开机构；伞式展开机构通过电机主动驱动同步进行伞式展开动作；剪式展开机构固定在伞式展开机构的上方，数量可根据发射条件调整，剪式展开机构由独立的步进电机驱动，多个剪式展开机构可同步展开，也可单一展开。遮光罩结构展开前，进入太空轨道后，能够完成遮光罩展开和收缩的动作，能适应在轨拼接模块、在轨更换模块、在轨维修模块的操作；展开后，结构具有一定结构刚度，能适应空间望远镜变轨和对接等较大冲击的空间环境影响。

Description

一种空间超大口径遮光罩
技术领域
本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种空间超大口径遮光罩。
背景技术
空间望远镜的成像质量，除受到其本身光学系统的设计、加工、装调外，也同时受到在轨运行过程中空间外来杂散光的影响。遮光罩结构，作为抑制空间杂散光的有效装置，一直在进行结构设计的更新及优化。
随着空间望远镜成像质量的逐步提高，其口径也在不断增大，但火箭的运载能力是一定的，其最大发射质量、最大包络空间是受到限制的。遮光罩结构也随之受到限制，包括遮光罩形状由圆形发展为方形、正多边形，整体结构也从整体式遮光罩发展为折叠展开式、三维展开式、充气式等多种展开结构。
空间望远镜面向未来的发展，是口径进一步增大，这是不仅是运载火箭所局限的地方，也是加工制造能力所受到限制的地方。业内目前提出了拼接式空间望远镜的设计思路，即将望远镜的主镜拆成小块的子镜，在太空中完成拼接过程，这种拼接过程包含为展开式和在轨组装式两种形式。这样单次发射状态下的载荷，既不超过机械加工能力的极限，也满足运载火箭的发射要求，同时在轨拼接后的望远镜主镜光学尺寸能超出现有能力的制衡。
太空中完成拼接后的超大口径空间望远镜，其遮光罩根据其使用轨道不同，基本存在两种形式，一种为绕地球环绕轨道，通常遮光罩形态为桶形遮光罩；另一种为日地L2轨道，因为阳光辐射确定，遮光罩形态通常为单侧的伞形遮光罩。
而当前已有设计的展开式遮光罩，其展开结构包含了折叠展开式、多维展开式、充气展开式等多种形式。动力源包含弹簧、充气、电机驱动等多种形式。展开结构中折叠展开式通常用于小口径光学系统；多维展开式包含多种展开形式，通常为铰链结构，以卷尺弹簧、拉绳及电机等作为动力源，卷尺弹簧展开后提供锁定刚度支持，不具备收缩功能。
展开机构通常为一维展开结构，结构尺寸大于通光口径尺寸，三维展开结构复杂，精度不易控制且重复展开性差；充气展开式，其气密性问题无法支持长时间使用，且结构易受到空间微粒撞击造成漏气现象，结构本身即便在充气刚化状态下，结构刚度低，在微振动源下会造成较大响应。
发明内容
为了克服已有得技术问题，本发明提供了一种绕地球轨道的超大口径展开式遮光罩结构。遮光罩结构展开前，进入太空轨道后，能够完成遮光罩展开和收缩的动作，能适应在轨拼接模块、在轨更换模块、在轨维修模块的操作；展开后遮光罩结构具有一定结构刚度，能适应空间望远镜变轨和对接等较大冲击的空间环境影响。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：一种空间超大口径遮光罩，与空间望远镜的舱体连接，包括：用于对遮光罩进行伞式展开的伞式展开机构、对遮光罩进行一维展开的剪式展开机构、连接在所述剪式展开机构上的柔性遮光布料；所述伞式展开机构包括至少3个伞式展开单元，所述剪式展开机构包括至少3个剪式展开单元，所述伞式展开单元的数量与所述剪式展开单元的数量相等；所述剪式展开机构固定在所述伞式展开机构上，所述剪式展开机构的运动方向与所述空间望远镜的轴向平行。
优选地，柔性遮光布料通过运动铰链连接在所述剪式展开机构内侧；利用所述伞式展开机构将柔性遮光布料径向尺寸压缩到符合整流罩包络尺寸内。
优选地，伞式展开单元包括：所述伞式展开单元由直线运动机构提供主动驱动；直线运动机构和展开后的机械锁紧动作为所述伞式展开机构提供必要结构刚度；所述直线运动机构固定在空间望远镜外侧舱体上，通过电机驱动完成展开操作；展开完成后，直线运动机构停止工作完成运动锁定。
优选地，直线运动机构包括：电机、蜗杆、蜗轮、滚珠丝杠副、直线导轨、支撑结构件、下方铰链；直线运动机构中由电机主动驱动，电机驱动蜗杆带动蜗轮转动，支撑结构件下部连接下方铰链，所述下方铰链连接所述滚珠丝杠副带动支撑结构件沿所述直线导轨运动，完成所述直线运动机构的运动。
优选地，所述伞式展开单元还包括：定轴铰链，上方铰链、下方铰链、上方臂、下方臂、螺纹连接装置；所述定轴铰链设置在直线运动机构与上方臂直角连接处，所述上方臂用于连接所述定轴铰链、所述上方铰链以及剪式展开机构；通过定轴铰链、上方铰链、支撑结构件以及上方铰链配合完成伞式展开单元的同步旋转展开运动。
优选地，所述伞式展开机构为机械式锁紧；所述第一螺纹连接装置包括：螺纹电机、弹性螺母、刚性锁紧螺钉；每个伞式展开单元包括平行安装在直线运动机构顶部两侧的两个所述第一螺纹连接装置；通过所述电机堵转，完成预压力自锁锁紧工作，支撑结构件停止运动，同时通过第一螺纹连接装置的螺纹电机驱动刚性锁紧螺钉对所述伞式展开单元进行机械式结构运动锁定。
优选地，所述剪式展开机构包括：步进电机、编码器、多边形伸缩架、驱动滑轨、第二螺纹连接装置、弹性张拉绳索、支架；剪式展开机构用于完成放大倍数遮光罩伸展操作，由每个独立的步进电机单独驱动；步进电机作用驱动滑轨使多边形伸缩架伸展，需同时展开时，展开动作由编码器保证每个独立的步进电机同时驱动，完成剪式展开机构的展开动作；步进电机与编码器连接，步进电机设置在多边形伸缩架一侧，多边形伸缩架通过驱动滑轨连接在支架上，第二螺纹连接装置设置在驱动滑轨上。
优选地，伸缩架为菱形伸缩架。
优选地，所述剪式展开机构的限位和锁紧动作，由编码器保证每个独立的步进电机同时抱闸，进行多边形伸缩架的运动机构锁定；驱动滑轨上的第二螺纹连接装置同时进行多边形伸缩架的结构锁定，完成剪式展开机构的机械锁紧动作。
优选地，还包括弹性张拉绳索，剪式展开机构之间通过弹性张拉绳索连接；所述弹性张拉绳索布置为斜向及纵向方向。
本发明能够取得以下技术效果：
1、伞式展开机构用来将遮光罩径向尺寸压缩到符合整流罩包络尺寸内，保证遮光罩在收缩状态下能装入运载火箭整流罩内。
2、直线运动机构为同步运动展开，保证一次展开过程中的同步性。
3、剪式展开机构可以保证遮光罩沿光轴方向伸展后能满足遮光要求。剪式展开机构具有重复展开功能，保证遮光罩内部组装模块在发生损坏情况下可以进行维修及更换。
4、剪式展开机构为一维展开机构，利用电机完成单套剪式机构的展开工作；多组剪式展开机构展开：利用电机、编码器完成展开动作的一致性。
5、弹性张拉绳索可以增强剪式展开机构之间相互的联系，同时利用绳索拉伸产生的预应力，减少运动铰处轴承间隙，提高系统刚度。提高系统高度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的整体结构示意图。
图2a是本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的伞式展开机构的结构示意图。
图2b-2c是本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的伞式展开机构的展开过程剖面示意图。
图3a是本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的剪式展开机构结构示意图。
图3b是本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的剪式展开机构结构的展开示意图。
其中的附图标记包括：
伞式展开机构1、剪式展开机构2、柔性遮光布料3、直线运动机构11、电机111、蜗杆112、蜗轮113、滚珠丝杠副114、直线导轨115、支撑结构件116、下方铰链117、定轴铰链12、上方铰链13、上方臂14、第一螺纹连接装置15、螺纹电机151、刚性锁紧螺钉152、弹性螺母153、步进电机21、编码器22、多边形伸缩架23、驱动滑轨24、第二螺纹连接装置25、弹性张拉绳索26、支架27、运动铰链31。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种空间超大口径遮光罩进行详细说明。
图1示出了本发明的一个实施例的一种空间超大口径遮光罩的整体结构图。
如图1所示，为本发明实施例的一种空间超大口径遮光罩，包括：用于对遮光罩进行伞式展开的伞式展开机构1以及对遮光罩进行一维展开的剪式展开机构2；伞式展开机构1通过电机111主动驱动同步进行伞式展开动作；剪式展开机构2固定在伞式展开机构1的上方，剪式展开机构2数量不做限定，在满足发射条件下，可通过增加剪式展开机构2的数量提高遮光罩侧向刚度，剪式展开机构2由独立步进电机21驱动，所有剪式展开机构2可同步展开，也可单一展开。伞式展开机构1位于空间望远镜舱体上，使遮光罩展开前，满足运载火箭整流罩的包络尺寸要求，又可以满足多种轨道的使用。
在发射前，剪式展开机构2和伞式展开机构1均处于收缩状态，保证收缩状态下的遮光罩位于整流罩包络尺寸内，在发射入轨后，完成空间望远镜的在轨组装工作。而后打开伞式展开机构1，完成遮光罩的第一步展开工作。在伞式展开机构1展开锁定后，缓慢伸展剪式展开机构2，完成遮光罩的二次展开，直至二次展开完成，机构锁定。当有需要收缩遮光罩时，首先对剪式展开机构2进行收缩工作。而后根据需要，完成伞式展开机构1的收缩工作。
剪式展开机构2固定在伞式展开机构1上，剪式展开机构2的运动方向与空间望远镜的轴向平行。
展开运动时，伞式展开机构1先做伞式展开动作，带动剪式展开机构2到预定位置，剪式展开机构2后沿轴向展开，牵引柔性遮光布料3形成筒型的遮光罩。
伞式展开机构1包括至少3个伞式展开单元，剪式展开机构2包括至少3个剪式展开单元，所述伞式展开单元的数量与所述剪式展开单元的数量相等。
在收缩时，伞式展开单元与空间望远镜的舱体贴合，伞式展开单元的长度方向平行空间望远镜的轴向；伞式展开机构1的一端与舱体铰接，打开时，沿铰链旋转，另一端远离舱体，直到伞式展开单元与空间望远镜的轴向垂直。
本发明的一个实施例中，一种空间超大口径遮光罩还包括：用于遮挡外部杂散光的柔性遮光布料3，柔性遮光布料3通过运动铰链31连接在剪式展开机构2内侧；利用伞式展开机构1将柔性遮光布料3径向尺寸压缩到符合整流罩包络尺寸内。柔性遮光布料3能够进行折叠，且能满足热控和遮光要求，折叠后可反复使用。
本发明的一个实施例中，一种空间超大口径遮光罩，伞式展开机构1和剪式展开机构2满足重复展开和收缩的操作要求。整套运动机构满足重复展开和收回的操作，适用于未来超大口径空间望远镜的维护及功能拓展等操作。
图2示出了本发明一种空间超大口径遮光罩的伞式展开机构的结构示意图；图2a-2c示出了直线运动机构的结构剖面示意图以及伞式展开机构的展开方式示意图。
如图2所示，为本发明实施例的一种空间超大口径遮光罩的伞式展开机构1包括：伞式展开单元由直线运动机构11提供主动驱动；直线运动机构11和展开后的机械锁紧动作为伞式展开机构1提供必要结构刚度；所述直线运动机构11固定在空间望远镜外侧舱体上，通过电机111驱动完成展开操作；展开完成后，直线运动机构11停止工作完成运动锁定。
直线运动机构11包括：电机111、蜗杆112、蜗轮113、滚珠丝杠副114、直线导轨115、支撑结构件116、下方铰链117；直线运动机构11中由电机111主动驱动，电机111驱动蜗杆112带动蜗轮113转动，支撑结构件116下部连接下方铰链117，所述下方铰链117连接所述滚珠丝杠副114带动支撑结构件116沿所述直线导轨115运动，完成所述直线运动机构11的运动。
伞式展开单元还包括：定轴铰链12，上方铰链13、上方臂14、第一螺纹连接装置15；定轴铰链12设置在直线运动机构11与上方臂14直角连接处，上方臂14用于连接定轴铰链12、上方铰链13以及剪式展开机构2；通过定轴铰链12、上方铰链13以及下方铰链117的配合完成伞式展开单元的同步旋转展开运动。伞式展开过程中，直线运动机构11完成整个行程范围运动，展开到位后，下方铰链117位于直线导轨115行程的终端。多个伞式展开单元上的直线运动机构11进行同步运动，保证伞式展开过程同步展开。
伞式展开机构1的限位和锁紧，为机械式限位和锁紧；通过电机111堵转，完成预压力自锁锁紧工作，进行机械限位。直线导轨115终端提供单向机械限位功能，电机111堵转，蜗杆112和蜗轮113完成预压力自锁锁紧工作，支撑结构件116停止运动，定轴铰链12、上方铰链13以及下方铰链117同时固定不动，通过直线运动机构11、支撑结构件116以及上方臂14形成稳定的三角形支撑结构(如图2c)，进行了伞式展开机构1的运动锁定；运动终端通过第一螺纹连接装置15完成螺纹连接的机械锁紧动作对伞式展开机构1进行结构锁定，每个伞式展开单元配备两个第一螺纹连接装置15，其中弹性螺母153的外壳与滚珠丝杠副114连接，弹性螺母153可以在螺纹电机151未锁紧状态下，通过弹簧弹性压缩，不阻碍滚珠丝杠副114的运动。螺纹电机151驱动刚性锁紧螺钉152，进行第一螺纹连接装置15的锁定，为结构提供硬连接。利用机械限位及锁紧结构进行展开后的限位及锁紧工作，为伞式展开机构1提供了必要结构刚度。
图3示出了本发明一种空间超大口径遮光罩的剪式展开机构的结构示意图；图3a为剪式展开机构未展开的状态，3b为剪式展开机构展开后的状态。
如图3所示，为本发明实施例的一种空间超大口径遮光罩的剪式展开机构2包括：多个独立的步进电机21、编码器22、多边形伸缩架23、驱动滑轨24、第二螺纹连接装置25、弹性张拉绳索26、支架27；剪式展开机构2用于完成放大倍数遮光罩伸展操作，由每个独立的步进电机21单独驱动；步进电机21作用驱动滑轨24使多边形伸缩架23伸展，需同时展开时，展开动作由编码器22保证每个独立的步进电机21同时驱动，完成剪式展开机构2的展开动作；步进电机21与编码器22连接，步进电机21设置在多边形伸缩架23一侧，多边形伸缩架23通过驱动滑轨24连接在支架27上，本发明一个实施例中为菱形伸缩架；第二螺纹连接装置25设置在驱动滑轨24上。剪式展开机构2的展开，由独立的步进电机21驱动连接多边形伸缩架23的驱动滑轨24运动，使多边形伸缩架23伸展，展开柔性遮光布料3，每个剪式展开机构2通过弹性张拉绳索26连接，剪式展开机构2之间由于无法兰结构连接，刚度损失严重；通过布置斜向及纵向弹性张拉绳索26，既可以增强剪式展开机构2之间相互的联系，同时利用弹性张拉绳索26拉伸产生的预应力，减少多边形伸缩架23运动铰处轴承间隙，提高系统刚度。当需要同时展开多个剪式展开机构2时，通过编码器22控制多个步进电机21同时驱动，从而完成多个剪式展开机构2的同步展开。
剪式展开机构2的限位和锁紧动作，由编码器22保证每个独立的步进电机21同时抱闸，进行多边形伸缩架23的运动机构锁定；驱动滑轨24上的第二螺纹连接装置25同时进行多边形伸缩架23的结构锁定，完成剪式展开机构2的机械锁紧动作。
剪式展开机构2的限位操作通过步进电机21抱闸，至此驱动滑轨24停止运动，多边形伸缩架23同时停止工作，驱动滑轨24上留有单向机械限位，完成运动机构的锁定；限位处包含第二螺纹连接装置25，通过第二螺纹连接装置25进行剪式展开机构2的结构锁紧。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间超大口径遮光罩，与空间望远镜的舱体连接，其特征在于，包括：用于对遮光罩进行伞式展开的伞式展开机构(1)、对遮光罩进行一维展开的剪式展开机构(2)以及连接在所述剪式展开机构(2)上的柔性遮光布料(3)；所述伞式展开机构(1)包括至少3个伞式展开单元，所述剪式展开机构(2)包括至少3个剪式展开单元，所述伞式展开单元的数量与所述剪式展开单元的数量相等；所述剪式展开机构(2)固定在所述伞式展开机构(1)上，所述剪式展开机构(2)的运动方向与所述空间望远镜的轴向平行。
2.如权利要求1所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述柔性遮光布料(3)通过运动铰链(31)连接在所述剪式展开机构(2)内侧；利用所述伞式展开机构(1)将柔性遮光布料(3)径向尺寸压缩到符合整流罩包络尺寸内。
3.如权利要求1所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述伞式展开单元由直线运动机构(11)提供主动驱动；直线运动机构(11)和展开后的机械锁紧动作为所述伞式展开机构(1)提供必要结构刚度；所述直线运动机构(11)固定在空间望远镜外侧舱体上，通过电机(111)驱动完成展开操作；展开完成后，直线运动机构(11)停止工作完成运动锁定。
4.如权利要求3所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述直线运动机构(11)包括：电机(111)、蜗杆(112)、蜗轮(113)、滚珠丝杠副(114)、直线导轨(115)、支撑结构件(116)、下方铰链(117)；直线运动机构(11)中由电机(111)主动驱动，电机(111)驱动蜗杆(112)带动蜗轮(113)转动，支撑结构件(116)下部连接下方铰链(117)，所述下方铰链(117)连接所述滚珠丝杠副(114)带动支撑结构件(116)沿所述直线导轨(115)运动，完成所述直线运动机构(11)的运动。
5.如权利要求3所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述伞式展开单元还包括：定轴铰链(12)，上方铰链(13)、上方臂(14)、第一螺纹连接装置(15)；所述定轴铰链(12)设置在直线运动机构(11)与上方臂(14)直角连接处，所述上方臂(14)用于连接所述定轴铰链(12)、所述上方铰链(13)以及剪式展开机构(2)；通过定轴铰链(12)、上方铰链(13)、支撑结构件(116)以及下方铰链(117)配合完成伞式展开单元的同步旋转展开运动。
6.如权利要求5所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述伞式展开机构(1)为机械式锁紧；所述第一螺纹连接装置(15)包括：螺纹电机(151)、刚性锁紧螺钉(152)、弹性螺母(153)；每个伞式展开单元包括平行安装在直线运动机构(11)顶部两侧的两个所述第一螺纹连接装置(15)；通过所述电机(111)堵转，完成预压力自锁锁紧工作，支撑结构件(116)停止运动，同时通过第一螺纹连接装置(15)的螺纹电机(151)驱动刚性锁紧螺钉(152)对所述伞式展开单元进行机械式结构锁定。
7.如权利要求1所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述剪式展开机构(2)包括：步进电机(21)、编码器(22)、多边形伸缩架(23)、驱动滑轨(24)、第二螺纹连接装置(25)、弹性张拉绳索(26)、支架(27)；所述剪式展开机构(2)用于完成放大倍数遮光罩伸展操作，由每个独立的步进电机(21)单独驱动；所述步进电机(21)作用驱动所述驱动滑轨(24)使所述多边形伸缩架(23)伸展，需同时展开时，展开动作由所述编码器(22)保证每个独立的所述步进电机(21)同时驱动，完成所述剪式展开机构(2)的展开动作；所述步进电机(21)与所述编码器(22)连接，所述步进电机(21)设置在所述多边形伸缩架(23)一侧，所述多边形伸缩架(23)通过所述驱动滑轨(24)连接在所述支架(27)上，所述第二螺纹连接装置(25)设置在所述驱动滑轨(24)上。
8.如权利要求7所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述多边形伸缩架(23)为菱形伸缩架。
9.如权利要求7所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，所述剪式展开机构(2)的限位和锁紧动作，由所述编码器(22)保证每个独立的所述步进电机(21)同时抱闸，进行所述多边形伸缩架(23)的运动机构锁定；所述驱动滑轨(24)上的第二螺纹连接装置(25)同时进行所述多边形伸缩架(23)的结构锁定，完成剪式展开机构(2)的机械锁紧动作。
10.如权利要求7所述的一种空间超大口径遮光罩，其特征在于，还包括弹性张拉绳索(26)，所述剪式展开机构(2)之间通过弹性张拉绳索(26)连接；所述弹性张拉绳索(26)布置为斜向及纵向方向。
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