CN112635954A - 可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链，包括：开孔复合材料管，第一封口接头和第二封口接头。第一封口接头和第二封口接头分别与开孔复合材料管胶结；驱动铰链折叠时，为折叠状态S1；所述驱动铰链释放时，为展开状态S2；开孔复合材料管的侧面为贯穿式梯形开孔，通过梯形形式的开孔降低折叠状态S1下驱动铰链的最大应力。本发明能够实现大型空间可折叠天线结构的在轨展开驱动及在轨锁定。可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，通过开孔复合材料管件作为驱动元件，具有展开后自锁特性、恒驱动扭矩特性及无间隙特性；本发明无复杂的结构部件、机构部件及锁定装置，具有结构简单、无间隙、质量轻、可靠性高的特点。

Description

可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链及其控制方法

技术领域

本发明涉及空间天线在轨展开驱动技术领域，具体是一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链及其控制方法，尤其是一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，各行各业对先行对地遥感卫星的需求不断增多，对观测分辨率的要求不断提高。目前，对地遥感卫星通常使用大型高精度天线接收地面被观测物体发出的电磁波，并通过对电磁波的分析实现对地遥感。随着对地观测分辨率的提升，卫星天线反射面的面积及形面精度的要求越来越高。在运载火箭有限的包络空间内，大型星载天线在发射状态下需进行折叠收拢，卫星入轨后进行释放展开。大型天线在轨解锁后，通过铰链内部存储的势能驱动其在轨展开。同时，天线展开到位后，天线铰链上的锁定装置将铰链锁定，使得天线稳定在展开状态。因此，轻质、简单及可靠的驱动铰链是大面积高精度可折叠空间天线研制的基础。

经过检索，目前，已有可折叠空间结构的驱动铰链通常为线性弹簧驱动的金属铰链，专利文献CN108767416A，公开了连接臂、中心转轴、基座转轴、滑动转轴、锁舌、锁定孔、锁定销及驱动卷簧等，具有多个活动部件，并且铰链上配备额外的锁定装置，总体结构较为复杂。专利文献CN103953639A，公开了锁定柱销、连杆、锁定摆杆、曲柄转轴、铰链转轴、及导轨等，在可折叠空间结构的展开过程中，需保证铰链的驱动力矩始终大于铰链展开的阻力矩。专利文献CN103253383A，公开了活动铰、固定铰、同心轴、涡卷弹簧、润滑垫、弹簧挡等多个部件，当金属铰链中的驱动部件为线性弹簧时，铰链的驱动力矩随着铰链转动角度的增加而不断降低。因此，当采用线性弹簧驱动铰链时，需使得铰链的初始驱动力矩远大于铰链展开的阻力矩，以保证铰链在展开过程中的驱动力矩始终大于阻力矩。过大的初始驱动力矩将对铰链整体的强度及刚度提出更高的要求，不利于铰链的轻量化及可靠性。金属铰链中通常包括多个活动部件以实现相对转动，转动部件之间通过销进行连接。在机械加工精度的限制下，金属铰链的销孔及销之间通常存在一定的间隙，使得金属铰链展开锁定后难以保持绝对刚性的连接。当大型空间折叠天线中的铰链数量较多时，常规金属铰链中的间隙将对天线整体的形面精度产生难以预测的不利影响。已有可折叠空间结构的驱动铰链中通常包含一套额外的自锁装置，当铰链展开到位后，通过内部弹性部件驱动锁定销或锁定块复位，进而锁定驱动铰链。额外的自锁装置将明显增加驱动铰链的整体重量及复杂程度，不利于铰链的轻量化及可靠性。因此，对于未来大型高形面精度的可折叠空间天线，采用常规基于线性弹簧的金属铰链难以实现天线的轻量化、高精度及高可靠性的设计要求。

综上，能够满足可折叠空间天线在轨展开驱动及锁定需求，并且具有高可靠性、高精度、简单及轻量化的驱动铰链，对于我国超大型高精度可折叠空间天线的实现至关重要，是我国现阶段必须解决的问题。我国现阶段已公开的发明中，应用于不同空间可折叠结构在轨展开及锁定的铰链大都为基于线性弹簧的变扭矩金属铰链，铰链部件较多，结构复杂，无法消除装配间隙，无法实现自锁定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链及其控制方法。本发明与已有发明相比显著差别是本发明具有结构简单、质量轻、恒扭矩、无间隙及自锁定的特性。

根据本发明提供的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链，包括：开孔复合材料管、第一封口接头和第二封口接头，第一封口接头和第二封口接头分别与开孔复合材料管紧固连接；开孔复合材料管的侧面设置有贯穿式梯形开孔，通过贯穿式梯形开孔降低驱动铰链在折叠状态下的最大应力。

优选地，开孔复合材料管为非线性弹性驱动元件，能够实现恒扭矩转动。

优选地，开孔复合材料管的上表面和下表面具有多个贯穿式矩形开孔。

优选地，开孔复合材料管的截面是带圆角的矩形截面,在驱动铰链处于展开状态S2时，驱动铰链能够自锁定。

优选地，开孔复合材料管采用纤维增强树脂基复合材料制备而成。

优选地，第一封口接头和第二封口接头使得开孔复合材料管在折叠状态S2下，两端不发生屈曲变形，并提供驱动铰链的对外接口。

优选地，贯穿式梯形开孔的下底边在驱动铰链弯曲方向的内侧。

优选地，贯穿式梯形开孔使得开孔复合材料管在外扭矩作用下能够产生弹性弯曲变形，进而第一封口接头和第二封口接头产生相对转动。

优选地，贯穿式矩形开孔的数量能够调整开孔复合材料管折叠状态S2下的驱动力矩。

根据本发明提供的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链的控制方法，驱动铰链折叠时，为折叠状态S1；驱动铰链释放时，为展开状态S2；

其中，开孔复合材料管在外力作用下能够产生弹性弯曲变形，所述驱动铰链在折叠状态S1下，开孔复合材料管存储弹性势能；驱动铰链在展开状态S2下，开孔复合材料管释放所存储的弹性势能；

当铰链折叠角度不断增加，驱动铰链的驱动力矩降低到稳定值，实现恒扭矩特性；

当铰链驱动力矩的初始局部峰值起阀值作用，铰链在展开状态S2下，施加初始启动扭矩使其发生初始折叠，使本发明具有自锁定特性。

本发明提供的可折叠空间天线的恒扭矩自锁定复合材料驱动铰链，其功能是实现大型高精度可折叠空间天线的在轨展开驱动及展开后锁定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用开孔复合材料管作为驱动元件，能够实现恒扭矩驱动。传统可折叠空间结构的驱动铰链采用弹簧作为驱动元件，驱动力矩随着铰链折叠角度线性变化，无法实现恒扭矩驱动。

2、本发明为一体式结构，不存在常规铰链中的装配间隙问题，能够实现空间可折叠天线结构的无间隙连接，保证大型空间天线结构展开后的精度。传统可折叠空间结构的驱动铰链通常采用金属销实现转动元件连接，各个转动元件之间无法实现零间隙装配，影响可折叠空间结构展开后的精度。

3、本发明中，开孔复合材料管弯曲启动力矩较大，使得铰链整体复位展开后具有自锁功能，无需额外的锁定装置，整体结构更为简单可靠。传统可折叠空间结构的驱动铰链中，通常包括一个额外的锁定机构，以实现铰链展开后锁定，比较繁琐。

4、本发明中，主要驱动部件为复合材料开孔薄壁杆件，重量更轻。传统可折叠空间结构的驱动铰链通常为金属材料，重量相对较大。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体外观示意图。

图2为本发明分解示意图。

图3为本发明侧视图及正反视图。

图4为本发明折叠状态下外观示意图。

图5为本发明典型驱动力矩曲线示意图。

图中：1为开孔复合材料管，2为封口接头，3为封口接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本实施例提供了一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链，包括：开孔复合材料管1，第一封口接头2和第二封口接头3。第一封口接头2及第二封口接头3分别从两端插入开孔复合材料管1中，第一封口接头2和第二封口接头3与开孔复合材料管1之间进行胶结连接。其中，开孔复合材料管1截面为带圆角矩形截面；开孔复合材料管1侧面为梯形开孔，梯形开孔使得开孔复合材料管1能够发生弯曲变形，并能够保证复合材料管中的局部应力低于材料强度；开孔复合材料管1正反面为多个矩形开孔，通过调节矩形开孔的数量调整本发明的驱动力矩；第一封口接头2及第二封口接头3分别与空间大型可折叠天线的不同模块刚性连接。

接下来结合优选例，对本发明进一步做说明。

开孔复合材料管1的铺层为[45/-45/45/-45/-45/45/-45/45]；

开孔复合材料管1的壁厚1mm；

开孔复合材料管1的截面长宽为60mm×100mm；

开孔复合材料管1的截面圆角半径为25mm；

开孔复合材料管1矩形开孔尺寸为20mm×40mm；

梯形开孔上底边尺寸100mm，梯形开孔下底边尺寸280mm，梯形开孔高度46mm；

开孔复合材料管1上表面及下表面各有5个矩形开孔；

封口接头2及封口接头3为铝合金材质；

开孔复合材料管1采用T300/环氧树脂基体预浸料，采用热压罐工艺制备而成。

在更多个变化例中，开孔复合材料管的上表面及下表面的矩形开孔可以有多个，以适应不同尺寸的可折叠天线。

本实施例的铰链驱动力矩曲线见图5所示，恢复力矩随铰链角度的变化而变化，当力矩达到峰值后，铰链角度的增加对力矩的影响很小，也就达到恒扭矩的效应。

工作原理：

本发明采用梯形及矩形开孔的复合材料管件作为铰链的折叠驱动部件。开孔后的复合材料管件在外力作用下能够产生弹性弯曲变形。铰链折叠状态下开孔复合材料管存储弹性势能。当铰链释放后，铰链在开孔复合材料管所存储的弹性势能驱动下恢复至展开状态。本发明中开孔复合材料管的短边侧采用梯形开孔，梯形的开孔能够有效降低铰链折叠状态下的最大应力水平，避免开孔复合材料管在折叠状态下出现强度破坏。通过在开孔复合材料管的长边设置矩形开孔，通过增加或减少矩形开孔的数量来调整铰链整体折叠状态下的刚度，进而调整铰链整体的驱动力矩。本发明的折叠角度-驱动力矩曲线见图5所示。本发明中，铰链的折叠角度初始增加时，铰链的驱动力矩将出现一个局部较大的峰值。随着铰链折叠角度不断增加，铰链的驱动力矩将降低到一个稳定值，实现本发明的恒扭矩特性。本发明中，铰链驱动力矩的初始局部峰值起阀值作用，铰链在展开状态下，需要施加一个较大的初始启动扭矩才能使其发生初始折叠，进而使本发明具有自锁定特性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链，其特征在于，包括：开孔复合材料管(1)、第一封口接头(2)和第二封口接头(3)，所述第一封口接头(2)和第二封口接头(3)分别与开孔复合材料管(1)紧固连接；

所述开孔复合材料管(1)的侧面设置有贯穿式梯形开孔，通过贯穿式梯形开孔降低驱动铰链在折叠状态下的最大应力。

2.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定驱动铰链，其特征在于，所述开孔复合材料管(1)为非线性弹性驱动元件，能够实现恒扭矩转动。

3.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，所述开孔复合材料管(1)的上表面和下表面具有多个贯穿式矩形开孔。

4.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，所述开孔复合材料管(1)的截面是带圆角的矩形截面,在驱动铰链处于展开状态S2时，驱动铰链能够自锁定。

5.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，开孔复合材料管(1)采用纤维增强树脂基复合材料制备而成。

6.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，第一封口接头(2)和第二封口接头(3)使得开孔复合材料管(1)在折叠状态S2下，两端不发生屈曲变形，并提供驱动铰链的对外接口。

7.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，贯穿式梯形开孔的下底边在驱动铰链弯曲方向的内侧。

8.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，贯穿式梯形开孔使得开孔复合材料管在外扭矩作用下能够产生弹性弯曲变形，进而第一封口接头(2)和第二封口接头(3)产生相对转动。

9.根据权利要求1所述的一种可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链，其特征在于，贯穿式矩形开孔的数量能够调整开孔复合材料管(1)折叠状态S2下的驱动力矩。

10.一种权利要求1-9中所述的可折叠空间天线在轨展开自锁定复合材料驱动铰链的控制方法，其特征在于，

所述驱动铰链折叠时，为折叠状态S1；所述驱动铰链释放时，为展开状态S2；

所述开孔复合材料管(1)在外力作用下能够产生弹性弯曲变形，所述驱动铰链在折叠状态S1下，开孔复合材料管(1)存储弹性势能；

所述驱动铰链在展开状态S2下，开孔复合材料管(1)释放所存储的弹性势能；

当铰链折叠角度不断增加，驱动铰链的驱动力矩降低到稳定值，实现恒扭矩特性；

当铰链驱动力矩的初始局部峰值起阀值作用，铰链在展开状态S2下，施加初始启动扭矩使其发生初始折叠，使本发明具有自锁定特性。

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