CN112550777B - 一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，包括：简化结构模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，提取全展开状态下充气管骨架的空间拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的尺寸约束和角度；针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计可行的折叠方案；筛选出长径比最接近于1，折叠包络尺寸最小的折叠方案；依据第三步中筛选出来的折叠方案，对充气管所需弯折的位置依据各自的等分特征尺寸进行标记；确定完成折叠方案的折叠步骤，得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图；按照确定的折叠步骤、折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图，完成充气式倒锥形增阻离轨装置的折叠。

Description

一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法
技术领域
本发明涉及一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，属于航天器寿命末期增阻离轨装置设计领域。
背景技术
随着全世界航天活动的频繁开展，空间大尺寸寿命末期航天器数目骤增，它们严重威胁着在轨运行航天器的安全，也占据了很多有价值的轨道资源。因此，寿命期航天器的离轨技术成为当前空间碎片清理领域的研究重点。充气展开的倒锥形增阻离轨装置是增强寿命末期航天气动阻力、从而加速其离轨过程的可行技术方案。方案结构装置对应的折叠方案对最整体方案的综合技术优势及可靠性有较大影响。
相比目前国内外已有的球型、圆盘型、环形等概念型充气式增阻离轨构型，虽然该倒锥形装置具有气动稳定性较好、结构整体面质比高的优点，但其折叠方案的设计较为困难，不同折叠方案的折叠操作难易程度不同、得到最终折叠包络长径比不同、充气展开过程的平顺性差异也较大。因此，设计合适的折叠方案是确保整体结构折叠操作简单、折叠收拢比高、折叠包络长径比协调及折叠结构平顺可靠展开的关键，是总体方案设计中需要重点考虑技术难点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，以便使整体结构的折叠操作较为简单，并确保最终整体结构的折叠收拢比较高且展开过程平顺可靠。
本发明的技术解决方案是：
一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，步骤如下：
第一步：简化结构模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，提取全展开状态下充气管骨架的空间拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的尺寸约束和角度；
第二步：针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计可行的折叠方案；
第三步：筛选出长径比最接近于1，折叠包络尺寸最小的折叠方案；
第四步：依据第三步中筛选出来的折叠方案，对充气管所需弯折的位置依据各自的等分特征尺寸进行标记；
第五步：确定完成折叠方案的折叠步骤，得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图；
第六步：按照确定的折叠步骤、折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图，完成充气式倒锥形增阻离轨装置的折叠。
进一步的，所述第一步简化结构模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，提取全展开状态下充气管骨架的空间拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的尺寸约束和角度，具体为：
忽略充气管界面尺寸，将充气管简化为空间直线，并确定充气管与充气管连接处及纵向充气管与进气口连接处各刚性转接头的约束尺寸和方向。
进一步的，记单根纵向充气管的理论长度为Lz；单根环向充气管的理论长度为Lh；环向充气管与环向充气管转接处的沿各自长度方向的刚性尺寸约束为Lhc，相互间的夹角为135°，该相互间的夹角为V型转接头夹角。
进一步的，环向充气管与纵向充气管转接处的环向充气管沿其长度方向单侧的刚性尺寸约束为Lht，约束方向夹角180°，该约束方向夹角是指T型转接头环向管接头方向之间的夹角。
进一步的，环向充气管与纵向充气管转接处的纵向充气管沿其长度方向的约束Lzt，且与环向充气管端面的夹角为30°，该与环向充气管端面的夹角是指T型转接头纵向管接头方向与环向充气管端面的夹角。
进一步的，纵向充气管与进气口接头处沿其长度方向刚性尺寸约束为Lzj，且纵向充气管与环向充气管端面的夹角为60°。
进一步的，所述第二部针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计可行的折叠方案，具体为：
将可用于折叠的环向充气管部分，即长度为(Lh-2*Lhc-2*Lht)的环向充气管等分成2n段，n为正整数；
将可用于折叠的纵向充气管部分，即长度为(Lz-Lzt-Lzj)的环向充气管等分成2m+1段，m为正整数；
记实物充气管抽气拍扁后的最小厚度为T，以第一步中的充气管拓扑关系及尺寸约束条件下，以(Lh-2Lhc-2Lht-2n*T)>＝0且(Lz–Lzt-Lzj-(2m+1)*T)>＝0为条件，对所有可行的折叠方案的最终折叠拓扑包络进行编程显示。
进一步的，所述第三步筛选出长径比最接近于1，折叠包络尺寸最小的折叠方案，具体为：
记第i个可行折叠方案的最终折叠包络的高度为Hi，直径为Di，以Min(|Hi/Di–1|)且Min(Hi+Di)为条件筛选出唯一最终的折叠方案，并记该折叠方案对应的n和m值为N与M。
进一步的，所述第四步依据第三步中筛选出来的折叠方案，对充气管所需弯折的位置依据各自的等分特征尺寸进行标记，具体为：
根据第三步中筛选出的折叠方案对应的N和M，按照第二步中的规定完成纵向充气管与环向充气管的等分标记：其中，单边环向充气管的标记以其两端转接头尺寸约束位置为起点，分别朝着其中点处进行；纵向充气管的标记则以其三通接头处的尺寸约束位置为起点，朝着其进气口的方向标记；在每个折痕标记处标记明确充气管弯折的方向。
进一步的，所述第五步确定完成折叠方案的折叠步骤，得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图，具体为：
所有T型转接头处等效位置的折点在第i步折叠操作完成时，相对初始位置沿着其折叠面运动迹线运动dti，V型转接处的等效折点沿着其折叠面运动迹线运动dci；绘制得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明实现该装置模型折叠方案可靠迭代设计，最终选择确定的折叠方案已在直径为10m的样机中加以应用，得到的实物样机最终折叠包络与理论模型的误差小于15％。
(2)本方法可拓展应用到以充气管的作为骨架的任意构型柔性装置的折叠方案设计过程中，根据实际的折叠包络约束条件更改方案筛选标准后，可快速设计筛选出满足要求的折叠的方案。
(3)本方法有效解决了充气式倒锥形增阻离轨结构高收拢比折叠方案设计难点问题，使得折叠方案的设计过程快速有效。另外，在类似结构方案设计阶段就应用该方法进行相应折叠方案的设计，可快速甄别出结构设计参数对最终折叠方案的不利影响因素。经过多次的设计迭代，就可得出优化的结构设计方案。
附图说明
图1是该增阻离轨装置充气管的全展开态的空间拓扑关系图；
图2是折叠方案设计分析过程中的原理示意图；
图3是每一折叠操作步充气管转接头在折叠操作面上的折叠运动迹线和位置示意图，图中0代表初始状态，1代表第一步…,f代表最后一步；
图4是第1步折叠操作后样机与初始样机对比图；
图5是样机最终的折叠包络拓扑关系示意图；
图6是10m样机折叠前后拓扑关系对比示意图。
具体实施方式
充气展开的倒锥形增阻离轨装置是增强寿命末期航天气动阻力、从而加速其离轨过程的可行技术方案。方案结构装置对应的折叠方案对最整体方案的综合技术优势及可靠性有较大影响。
相比目前国内外已有的球型、圆盘型、环形等概念型充气式增阻离轨构型，虽然该倒锥形装置具有气动稳定性较好、结构整体面质比高的优点，但其折叠方案的设计较为困难，不同折叠方案的折叠操作难易程度不同、得到最终折叠包络长径比不同、充气展开过程的平顺性差异也较大。因此，设计合适的折叠方案是确保整体结构折叠操作简单、折叠收拢比高、折叠包络长径比协调及折叠结构平顺可靠展开的关键，是总体方案设计中需要重点考虑技术难点。
针对上述问题，本发明提供了一种新型倒锥形充气式增阻离轨装置的结构折叠设计方案，折叠方案的设计主要包括以下步骤：
第一步：简化装置结构模型，如图1所示，分析提取全展开状态下整体机构的充气管骨架的拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的位置及尺寸约束；
第二步：针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计多种可行的折叠方案；
第三步：筛选出长径比最接近于1，折叠收拢包络尺寸最小的折叠方案；
第四步：明确完成第三步中筛选出来的折叠方案所需的折叠操作位置、特征尺寸并做好折叠方向的标记；
第五步：确定完成折叠方案的折叠步骤，并分析计算每一折叠步骤中各折叠位置需要弯折的角度及需要达到的空间坐标位置；
第六步：结合样机的充气管的尺寸，评估每一步折叠操作中样机结构不发生明显的结构干涉；
第七步：分析计算输出每一折叠步骤样机折叠构型的拓扑关系图，明确折叠特征点在折叠操作台面上的具体位置，以便编写折叠操作细则，指导开展实际的折叠包装工作。
由于折叠方案的设计过程提取了装置结构充气管的拓扑关系、考虑了实物样机上客观存在的刚性尺寸约束，并采用编程计算的分析过程对折叠方案进行快速的多方案设计及优选。因而可对任意类似构型的样机完成对应折叠方案的快速可靠设计优选。
最终针对10m样机得出折叠方案可实现实物样机的高收拢比折叠，且折叠操作的过程较为简单，折叠结构的充气展开过程也较为平顺。
下面结合附图进行详细描述：
第一步：简化模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，构建充气管骨架的空间拓扑关系。如图1所示。
忽略充气管界面尺寸，将充气管简化为空间直线，并明确充气管与充气管连接处及纵向充气管与进气口连接处各刚性尺寸的约束尺寸和方向。记单根纵向充气管的理论长度为Lz；单根环向充气管的理论长度为Lh；环向充气管与环向充气管转接处的沿各自长度方向的刚性尺寸约束为Lhc，相互间的夹角为135°(V型转接头夹角)；环向充气管与纵向充气管转接处的环向充气管沿其长度方向单侧的刚性尺寸约束为Lht，约束方向夹角180°(T型转接头环向管接头方向)；环向充气管与纵向充气管转接处的纵向充气管沿其长度方向的约束Lzt，且与环向充气管端面的夹角为30°(T型转接头纵向管接头方向)；纵向充气管与进气口接头处沿其长度方向刚性尺寸约束为Lzj，且与环向充气管端面的夹角为60°；
第二步：将可用于折叠的环向充气管部分，即长度为(Lh-2*Lhc-2*Lht)的环向充气管等分成2n段(n为正整数)；将可用于折叠的纵向充气管部分，即长度为(Lz-Lzt-Lzj)的环向充气管等分成2m+1段(m为正整数)；
记实物充气管抽气拍扁后的最小厚度为T。以第一步中的充气管拓扑关系及尺寸约束条件下，初步以(Lh-2Lhc-2Lht-2n*T)>＝0且(Lz–Lzt-Lzj-(2m+1)*T)>＝0条件，对所有可行的折叠方案的最终折叠拓扑包络进行编程显示；
第三步：对第二步中得出的可行折叠方案进行优选。记第i个可行折叠方案的最终折叠包络的高度为Hi，直径为Di。以Min(|Hi/Di–1|)且Min(Hi+Di)为条件筛选出唯一最终的折叠方案，并记该折叠方案对应的n和m值为N与M。
第四步：根据第三步中筛选出的折叠方案对应的N和M，遵照第二步中的规定完成纵向充气管与环向充气管的等分标记。其中，单边环向充气管的标记以其两端转接头尺寸约束位置为起点，分别朝着其中点处进行；纵向充气管的标记则以其三通接头处的尺寸约束位置为起点，朝着其进气口的方向标记；在每个折痕标记处标记明确充气管弯折的方向。
第五步：确定完成折叠方案的折叠步骤，并分析计算每一折叠步骤中各折叠位置需要弯折的角度及需要达到的空间坐标位置；
所有T型转接头处等效位置的折点在第i步折叠操作完成时，应沿着其折叠面运动迹线运动dti(相对初始位置)，V型转接处的等效折点应沿着其折叠面运动迹线运动dci。T型、V型转接头位置示意见图2。绘制折叠方案转接头处折点的运动迹线图和完成每一折叠步的环向管的位置示意图，图3所示。
第六步：结合样机的充气管的尺寸及弯折处的最小圆角，评估确保每一步折叠操作中样机结构不发生明显的结构干涉和变形不协调的现象；
第七步：分析计算输出每一折叠步骤样机折叠构型的拓扑关系图，图4是第1步折叠操作后样机与初始样机对比图；图5是样机最终的折叠包络拓扑关系示意图。明确折叠特征点在折叠操作台面上的具体位置及蒙皮在纵向充气管收拢方式，以便编写折叠操作细则，指导开展实际的折叠包装工作。
本发明实现该装置模型折叠方案可靠迭代设计，最终选择确定的折叠方案已在直径为10m的样机中加以应用，得到的实物样机最终折叠包络与理论模型的误差小于15％，如图6所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于步骤如下：
第一步：简化结构模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，提取全展开状态下充气管骨架的空间拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的尺寸约束和角度；
第二步：针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计可行的折叠方案；
第三步：筛选出长径比最接近于1，折叠包络尺寸最小的折叠方案；
第四步：依据第三步中筛选出来的折叠方案，对充气管所需弯折的位置依据各自的等分特征尺寸进行标记；
第五步：确定完成折叠方案的折叠步骤，得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图；
第六步：按照确定的折叠步骤、折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图，完成充气式倒锥形增阻离轨装置的折叠。
2.根据权利要求1所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：所述第一步简化结构模型，利用结构本身的特征尺寸及角度，提取全展开状态下充气管骨架的空间拓扑关系，并明确充气管间刚性转接头的尺寸约束和角度，具体为：
忽略充气管界面尺寸，将充气管简化为空间直线，并确定充气管与充气管连接处及纵向充气管与进气口连接处各刚性转接头的约束尺寸和方向。
3.根据权利要求2所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：记单根纵向充气管的理论长度为Lz；单根环向充气管的理论长度为Lh；环向充气管与环向充气管转接处的沿各自长度方向的刚性尺寸约束为Lhc，相互间的夹角为135°，该相互间的夹角为V型转接头夹角。
4.根据权利要求3所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：环向充气管与纵向充气管转接处的环向充气管沿其长度方向单侧的刚性尺寸约束为Lht，约束方向夹角180°，该约束方向夹角是指T型转接头环向管接头方向之间的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：环向充气管与纵向充气管转接处的纵向充气管沿其长度方向的约束Lzt，且与环向充气管端面的夹角为30°，该与环向充气管端面的夹角是指T型转接头纵向管接头方向与环向充气管端面的夹角。
6.根据权利要求5所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：纵向充气管与进气口接头处沿其长度方向刚性尺寸约束为Lzj。
7.根据权利要求6所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：所述第二步针对第一步中提取得到的拓扑关系，设计可行的折叠方案，具体为：
将可用于折叠的环向充气管部分，即长度为（Lh-2*Lhc-2*Lht）的环向充气管等分成2n段，n为正整数；
将可用于折叠的纵向充气管部分，即长度为（Lz-Lzt-Lzj）的纵向充气管等分成2m+1段，m为正整数；
记实物充气管抽气拍扁后的最小厚度为T，以第一步中的充气管拓扑关系及尺寸约束条件下，以（Lh - 2Lhc - 2Lht - 2n*T）>=0且（Lz – Lzt - Lzj -（2m+1）*T）>=0为条件，对所有可行的折叠方案的最终折叠拓扑包络进行编程显示。
8.根据权利要求7所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：所述第三步筛选出长径比最接近于1，折叠包络尺寸最小的折叠方案，具体为：
记第i个可行折叠方案的最终折叠包络的高度为Hi，直径为Di，以Min（|Hi/Di –1|）且Min（Hi + Di）为条件筛选出唯一最终的折叠方案，并记该折叠方案对应的n和m值为N与M。
9.根据权利要求8所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：所述第四步依据第三步中筛选出来的折叠方案，对充气管所需弯折的位置依据各自的等分特征尺寸进行标记，具体为：
根据第三步中筛选出的折叠方案对应的N和M，按照第二步中的规定完成纵向充气管与环向充气管的等分标记：其中，单边环向充气管的标记以其两端转接头尺寸约束位置为起点，分别朝着其中点处进行；纵向充气管的标记则以其三通接头处的尺寸约束位置为起点，朝着其进气口的方向标记；在每个折痕标记处标记明确充气管弯折的方向。
10.根据权利要求9所述的一种充气式倒锥形增阻离轨装置折叠方法，其特征在于：所述第五步确定完成折叠方案的折叠步骤，得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图，具体为：
所有T型转接头处等效位置的折点在第i步折叠操作完成时，相对初始位置沿着其折叠面运动迹线运动dti，V型转接处的等效折点沿着其折叠面运动迹线运动dci；绘制得到折叠方案转接头处折点的运动迹线图以及每一折叠步骤的环向管的位置示意图。
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