CN113044248A - 一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构 - Google Patents

Abstract

本发明一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，属于空间系绳系统设备技术领域；包括小型仪器舱及设置于其内的旋压制动器、系绳线轴轴芯、系绳校准装置、高强度系绳、展开长度测量模块和弹射模块；小型仪器舱固定于空间系绳系统的母星上；旋压制动器通过其内弹簧的弹力抑制旋压轴套的轴向位移，进而对高强度系绳的展开运动进行制动直到速度为0；系绳线轴轴芯用于缠绕系绳，展开长度测量模块用于系绳的导向和长度、速度测量；弹射模块用于整个机构的控制和信号处理。本发明通过改变旋压制动器的螺纹旋合长度以改变压缩弹簧的弹力，抑制旋压轴套沿螺纹旋转，从而改变系绳的制动减速效果；制动机构架构阻尼有效，空间占用率低，释放可靠。

Description

一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构

技术领域

本发明属于空间系绳系统设备技术领域，具体涉及一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构。

背景技术

空间系绳系统是由卫星、探测器、载人飞船、火箭末级或其他飞行器通过柔性系绳连接而组成的新型航天器。其独特的结构和系统特性，能够应用于对地观测、空间碎片清除、载荷投送、人造重力、空间环境探测等多种空间任务，相比于传统航天器，空间系绳系统具有可重复利用、灵活性强，成本低的特点。

用于连接母星和子星的系绳是系绳系统中的关键组件，空间系绳系统执行任务时的首要阶段就是展开系绳，系绳系统在近地轨道释放时由于重力作用会自行展开，而展开结束时系绳会瞬间张紧，此时张力会增大，该冲击有可能会导致系绳断裂，也可能会给母星带来冲击使得整个系统不稳定，因此在展开结束时，有必要对系绳进行制动，利用阻尼力使系绳减速为0，避免展开结束导致的冲击。

对于系绳系统的展开制动技术国内外都进行了许多研究，其中2007年美国TUI公司和斯坦福大学空间系统研究试验室联合研制了由系绳连接的多方体卫星，并利用运载火箭将其释放在太空中，其中一颗皮卫星有1km的系绳及释放机构，计划以3m/s的速度相对另外两个方块进行展开，其上装有一个被动刹车装置以防回弹，但是不知何故，TED在释放时发生了小故障，未能产生足够的推力以解开卷线轴上的系绳，导致释放失败，以致原计划在系绳完全释放后利用Gadget在系绳上缓慢爬行以观察微流星和空间碎片对系绳的破坏、系绳的氧化情况等任务也被迫终止；北京宇航系统工程研究所的吴晗玲等人设计了一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，依靠弹片与减速台的多次摩擦对系绳展开进行制动控制(CN 109250155A)，这种装置由于摩擦会产生较大磨损，系统无法再次利用，环境适应性较差；北京航空航天大学的楚中毅设计了一种大型的系绳装置，可进行展开、回收以及张力控制(CN 108415449A)，其缺点是结构复杂，空间占用率高。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，该制动机构架构简单，阻尼有效，空间占用率低，释放可靠，不需要设计复杂的控制律，且反馈的数据可作为下一次任务的参考；该装置安装在系绳系统的母卫星与子卫星连接处，能够为母星与子星提供初始分离速度；能够通过单片机控制展开时机，在展开过程中通过编码器测量并储存绳长变化信息；再展开指定绳长后，旋压制动机构提供制动力，系绳进行减速释放直到完全制动。

本发明的技术方案是：一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：包括小型仪器舱及设置于其内的旋压制动器、系绳线轴轴芯、系绳校准装置、高强度系绳、展开长度测量模块和弹射模块；所述小型仪器舱固定于空间系绳系统的母星上；

所述旋压制动器包括压缩弹簧、螺纹轴和旋压轴套；所述螺纹轴为外周面设置有单向螺纹的轴，垂直固定于小型仪器舱内底面；所述旋压轴套为下端开口的圆筒结构，其内周面开有与螺纹轴配合的内螺纹，同轴套装于螺纹轴上，所述压缩弹簧设置于螺纹轴顶面和旋压轴套内底面之间，用于抑制旋压轴套的轴向运动；

所述系绳线轴轴芯通过支撑座安装于小型仪器舱内底面，其中心轴向平行于小型仪器舱内底面，能够绕中心轴旋转，用于缠绕高强度系绳；

所述展开长度测量模块包括光电编码器和绕绳圆盘；所述绕绳圆盘通过支撑轴安装于小型仪器舱内底面，能够绕中心轴旋转，其外周面开有环形槽，用于高强度系绳的导向；所述光电编码器与绕绳圆盘固定连接，用于可测量高强度系绳的展开长度和速度；

所述高强度系绳包括制动段和展开段；所述制动段的根部固定于旋压轴套周面上，头部与展开段的根部固定连接；所述展开段从其根部开始缠绕于系绳线轴轴芯上，头部绕过绕绳圆盘后、再穿过小型仪器舱的出线口与空间系绳系统的子星固定连接；

所述系绳校准装置包括两个带有刻度和过绳圈的标尺组成，分别安装于系绳线轴轴芯的轴向两侧，所述高强度系绳的制动段和展开段分别穿过两个过绳圈，防止展开过程中系绳与其他设施发生缠绕；

所述弹射模块包括数据存储与控制单元、发热电阻丝、开关电源和连接绳；所述连接绳一端固定于小型仪器舱内壁上，另一端穿过小型仪器舱的出线口与空间系绳系统的子星固定连接；所述发热电阻丝缠绕于连接绳根部，并与开关电源连接，由开关电源控制发热电阻丝，进而将连接绳熔断；所述数据存储与控制单元采用单片机，安装在仪器舱内壁上，通过杜邦线与其他元器件连接，单片机上设置有信号处理、发送和控制电路模块，用以接受光电编码器信号，并且对开关电源进行控制；

执行任务时，发热电阻将连接绳熔断后子星弹出，在微重力作用下拉动高强度系绳沿地垂线向地心方向运动，所述系绳线轴轴芯上的高强度系绳被剥离线轴自由展开；直到系绳线轴轴芯上的高强度系绳被完全剥离后进入制动段，带所述动旋压轴套旋转，沿轴向向下移动并挤压所述压缩弹簧，随着压缩弹簧形变量增大，提供轴向弹力抑制旋压轴套运动，对高强度系绳的展开运动进行制动直到速度为0。

本发明的进一步技术方案是：还包括热卷弹簧，所述热卷弹簧位于空间系绳系统的母星与子星之间、并安装在母星上穿出高强度系绳的位置；在开始执行展开任务前，子星与母星通过连接绳连接在一起，挤压热卷弹簧；执行任务时，热卷弹簧的轴向弹力提供系绳初始展开速度。

本发明的进一步技术方案是：所述系绳线轴轴芯的外周面为锥形，靠近旋压制动器一端的外周面设置有限位翻边。

本发明的进一步技术方案是：所述展开长度测量模块安装于小型仪器舱内靠近出线口的位置，对高强度系绳产生导向作用，减少系绳在出线口的摩擦。

本发明的进一步技术方案是：所述光电编码器采用混合式绝对值编码器。

本发明的进一步技术方案是：所述控制单元采用STM32单片机。

本发明的进一步技术方案是：所述小型仪器舱外壳采用耐热钛合金，采用二硫化钼固体润滑剂，利用硅橡胶作为舱室密封材料。

有益效果

本发明的有益效果在于：

本发明提出一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构,旋压制动机构安装在母星与子星的连接装置内，能够为系绳展开提供有效阻尼力以实现制动。其中旋压轴套一端开有内螺纹，与螺纹轴上的外螺纹相匹配，组成螺纹副；系绳与旋压轴套上端固连，展开时拉动旋压轴套旋转运动，轴套则因为螺纹产生轴向位移；螺纹轴上部固连一压缩弹簧，用于制动轴套的轴向运动从而使系绳减速展开。

校准装置用来过渡旋压轴套、线轴轴芯、绕线圆盘间的系绳，并且能够调整这三项元件之间的距离和高度，系绳在展开过程中通过校准装置上的穿孔，能够稳定系绳，防止系绳在展开过程中在机构内部摆动缠绕其他元件，提高了本发明在空间中执行任务的可靠性。

通过绕绳圆盘和光电编码器组成的长度测量机构，能够控制系绳展开的方向，防止系绳剧烈摆动，光电编码器能够实时测量展开的绳长，将输出轴上的机械几何位移量转换成数字量，传输至存储单元作为实验数据进行记录。

控制单元能够对开关电源提供精确控制，用以实现任务执行的准时性，且能够记录光电编码器所测量的系绳数据，使该装置可重复利用，降低下一次实验的成本，提高经济性。

本发明可以通过改变旋压轴套和螺纹轴上的螺纹旋合长度以改变压缩弹簧提供的弹力，抑制旋压轴套沿螺纹旋转，从而改变系绳的制动减速效果，螺纹轴上的螺纹为梯形螺纹，牙型角为30°，根据胡克定律，弹簧弹力公式可写为f＝kx，其中k为弹性系数，x为弹簧形变长度，由于弹簧受旋压轴套挤压，因此形变长度x与旋压轴套沿螺纹旋进的轴向距离a，系绳展开时的拉力假设为T，将螺纹轴所受的轴向载荷规定为q，螺纹轴的螺纹中径为d，摩擦角为

螺纹升角为ψ，则当旋压轴套等速下降时，

本发明的线轴轴芯旨在增强绕线轮的机械稳定性，减小外界对系绳的干扰，使系绳在展开过程中不易发生缠绕,展开更加平滑。在进行绕线时，需要最大限度地减少绕线头的弯曲角度，以保持恒定的张力和较低的扭矩。随着缠绕层数的增加，内层的压力会逐渐增加，系绳被压缩，失去部分张力并被向外推。因此，缠绕系绳后的线轴是带有一定倾角的圆台，存在倾斜的边缘，以防止内部绕绳的过度压缩，同时确保系绳不会在释放时被卡住。

附图说明

图1为本发明展开制动机构仪器舱安装在系绳系统上的示意图。

图2为本发明展开制动机构仪器舱内部结构示意图。

图3为旋压轴套安装在螺纹轴上的分解示意图。

图4为线轴轴芯与校准装置的连接示意图。

附图标记说明：1.母星，2.子星，3.热卷弹簧，4.高强度系绳，5.小型仪器舱，6.旋压制动器，7.系绳线轴轴芯，8.数据存储与控制单元，9.发热电阻丝，10.开关电源，11.连接绳，12.光电编码器，13.绕绳圆盘，14.系绳校准装置，15.压缩弹簧，16.螺纹轴，17.旋压轴套。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，母星1、子星2、热卷弹簧3、高强度系绳4、小型仪器舱5、构成展开时的空间系绳系统。母星1上安装有展开制动机构的小型仪器舱，用来保证系绳系统平稳快速地展开；在利用系绳系统执行太空实验时，子星的体积和重量一般小于母星，以防止展开时的系绳张力反向影响母星的运行轨道。母星的系绳连接点处安装有热卷弹簧3，在开始执行展开任务前，子星2与母星1靠连接绳11连接在一起，挤压热卷弹簧3；执行任务时热卷弹簧提供初始展开速度；

如图2所示，一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，包括旋压制动器6、系绳线轴轴芯7、数据存储与控制单元8、发热电阻丝9、开关电源10、连接绳11、高强度系绳4、光电编码器12、绕绳圆盘13、系绳校准装置14、小型仪器舱5；其中，旋压制动器6安装在仪器舱后部，制动段系绳与其固连；系绳线轴轴芯7放置在仪器舱中部位置，用以缠绕放置展开段系绳；绕绳圆盘13和光电编码器12与轴芯7相连，位于仪器舱5前端的系绳出口处；旋压制动器6、系绳线轴轴芯7、绕绳圆盘间的系绳通过校准装置14过渡；控制单元8安装在仪器舱内壁，与开关电源10、光电编码器12通过杜邦线相连；连接绳11伸出仪器舱出口连接外部子星2，末端与仪器舱内壁相连，末梢部分缠绕有发热电阻丝9；发热电阻丝9与开关电源10相连，开关电源10通过杜邦线与控制单元相连，安装在仪器舱出口附近。

如图3所示为旋压制动器6的组成结构，旋压制动器6由旋压轴套17、压缩弹簧15、螺纹轴16组成，压缩弹簧固连于螺纹轴16上，螺纹16轴底部外螺纹与旋压轴套17内螺纹相匹配，旋压轴套安装在螺纹轴上与压缩弹簧相抵。

如图4所示为展开前的线轴轴芯7和校准装置14，校准装置的高度差决定了系绳的展开方向，且可以使系绳的展开过程稳定。

执行任务前需要测试发热电阻丝9和连接绳11的材料特性，测试其加热至熔断的时间，确保在太空环境中能够熔断连接绳11并且熔断后及时关闭开关电源10，防止出现意外事故；系绳线轴轴芯7上所缠绕的自由展开段系绳和旋压制动器6上的制动段系绳长度根据任务设计。小型仪器舱外壳5采用耐热钛合金，装置间采用二硫化钼固体润滑剂，利用硅橡胶作为舱室密封材料，以确保内部装置不受太空环境侵害；旋压制动器6中的螺纹设计为单向螺纹，展开完成后反向自锁防止系绳发生回弹；需要研究螺纹轴、轴套和弹簧的物理参数，通过试验对相关重要参数如螺纹升角、接触高度、螺距和导程进行确定，螺纹轴上的螺纹为梯形螺纹，牙型角为30°，根据胡克定律，弹簧弹力公式可写为f＝kx，其中k为弹性系数，x为弹簧形变长度，由于弹簧受旋压轴套挤压，因此形变长度x等于旋压轴套沿螺纹旋进的轴向距离，系绳展开时的拉力假设为T，将螺纹轴所受的轴向载荷规定为q，螺纹轴的螺纹中径为d，摩擦角为

螺纹升角为ψ，则当旋压轴套等速下降时，

光电编码器12中的数据通过控制单元8进行存储，以便为下一次任务数据基础。

具体工作过程如下：

母星1与子星2在连接绳11的作用下连接在一起，并挤压两星中间的热卷弹簧3。热卷弹簧3通过合理的布置使在未切断连接绳11的情况下两颗星通过壳体相互接触；任务开始时，控制单元8传输控制信号打开开关电源10，发热电阻丝9通电后逐渐升温，一段时间后连接绳11在电阻丝的热作用下断开，此时热卷弹簧3恢复弹性形变并将子星2弹出，子星2弹出后在微重力作用下拉动系绳4沿地垂线向地心方向运动，此时线轴轴芯7上的系绳被不断剥离线轴，系绳4不受制动力的影响做自由展开；绕绳圆盘13不断转动带动光电编码器12，记录系绳4展开长度和速度数据并记录在控制单元8中；线轴7上的系绳4被完全剥离后系绳4进入制动段，此时由于校准装置的作用系绳穿过线轴7中心拉直，带动旋压轴套17旋转，内壁上的螺纹与螺纹轴16上的外螺纹作用发生轴向位移，挤压弹簧15，随着压缩弹簧15形变量增大，提供轴向弹力抑制旋压轴套运动，以此阻尼力制动系绳4的展开运动，系绳4展开速度逐渐减小为0，这样就不会因为展开结束瞬间速度为0导致张紧冲击使系绳断裂，最后由于单向螺纹的自锁作用系绳4展开停止后不会发生回弹现象。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。

Claims (7)

1.一种采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：包括小型仪器舱及设置于其内的旋压制动器、系绳线轴轴芯、系绳校准装置、高强度系绳、展开长度测量模块和弹射模块；所述小型仪器舱固定于空间系绳系统的母星上；

所述旋压制动器包括压缩弹簧、螺纹轴和旋压轴套；所述螺纹轴为外周面设置有单向螺纹的轴，垂直固定于小型仪器舱内底面；所述旋压轴套为下端开口的圆筒结构，其内周面开有与螺纹轴配合的内螺纹，同轴套装于螺纹轴上，所述压缩弹簧设置于螺纹轴顶面和旋压轴套内底面之间，用于抑制旋压轴套的轴向运动；

所述系绳线轴轴芯通过支撑座安装于小型仪器舱内底面，其中心轴向平行于小型仪器舱内底面，能够绕中心轴旋转，用于缠绕高强度系绳；

所述展开长度测量模块包括光电编码器和绕绳圆盘；所述绕绳圆盘通过支撑轴安装于小型仪器舱内底面，能够绕中心轴旋转，其外周面开有环形槽，用于高强度系绳的导向；所述光电编码器与绕绳圆盘固定连接，用于可测量高强度系绳的展开长度和速度；

所述高强度系绳包括制动段和展开段；所述制动段的根部固定于旋压轴套周面上，头部与展开段的根部固定连接；所述展开段从其根部开始缠绕于系绳线轴轴芯上，头部绕过绕绳圆盘后、再穿过小型仪器舱的出线口与空间系绳系统的子星固定连接；

所述系绳校准装置包括两个带有刻度和过绳圈的标尺组成，分别安装于系绳线轴轴芯的轴向两侧，所述高强度系绳的制动段和展开段分别穿过两个过绳圈，防止展开过程中系绳与其他设施发生缠绕；

所述弹射模块包括数据存储与控制单元、发热电阻丝、开关电源和连接绳；所述连接绳一端固定于小型仪器舱内壁上，另一端穿过小型仪器舱的出线口与空间系绳系统的子星固定连接；所述发热电阻丝缠绕于连接绳根部，并与开关电源连接，由开关电源控制发热电阻丝，进而将连接绳熔断；所述数据存储与控制单元采用单片机，安装在仪器舱内壁上，通过杜邦线与其他元器件连接，单片机上设置有信号处理、发送和控制电路模块，用以接受光电编码器信号，并且对开关电源进行控制；

执行任务时，发热电阻将连接绳熔断后子星弹出，在微重力作用下拉动高强度系绳沿地垂线向地心方向运动，所述系绳线轴轴芯上的高强度系绳被剥离线轴自由展开；直到系绳线轴轴芯上的高强度系绳被完全剥离后进入制动段，带所述动旋压轴套旋转，沿轴向向下移动并挤压所述压缩弹簧，随着压缩弹簧形变量增大，提供轴向弹力抑制旋压轴套运动，对高强度系绳的展开运动进行制动直到速度为0。

2.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：还包括热卷弹簧，所述热卷弹簧位于空间系绳系统的母星与子星之间、并安装在母星上穿出高强度系绳的位置；在开始执行展开任务前，子星与母星通过连接绳连接在一起，挤压热卷弹簧；执行任务时，热卷弹簧的轴向弹力提供系绳初始展开速度。

3.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：所述系绳线轴轴芯的外周面为锥形，靠近旋压制动器一端的外周面设置有限位翻边。

4.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：所述展开长度测量模块安装于小型仪器舱内靠近出线口的位置，对高强度系绳产生导向作用，减少系绳在出线口的摩擦。

5.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：所述光电编码器采用混合式绝对值编码器。

6.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：所述控制单元采用STM32单片机。

7.根据权利要求1所述采用旋压轴套的小型空间系绳系统展开制动机构，其特征在于：所述小型仪器舱外壳采用耐热钛合金，采用二硫化钼固体润滑剂，利用硅橡胶作为舱室密封材料。

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