CN113258249B - 一种在轨超大型可展开空间结构系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在轨超大型可展开空间结构系统，包括：星体；若干肋杆，以星体为中心圆周设置且其第一端铰接于星体；若干可折叠的圈梁，相邻肋杆的第二端之间均设有一个所述圈梁，且肋杆的第二端与相邻圈梁的相邻端均通过虎克铰连接；若干可折叠的斜撑杆，两端分别铰接于星体和肋杆的第二端；若干第一展开机构，每根肋杆均通过一个所述第一展开机构与星体相对固定，且第一展开机构可驱动肋杆远离星体旋转以展开；收拢时：若干肋杆的第二端相互靠拢，圈梁和斜撑杆均折叠；展开时：第一展开机构驱动肋杆旋转展开，肋杆带动圈梁和斜撑杆展开。该系统尺寸小、展开后面积大。

Description

一种在轨超大型可展开空间结构系统

技术领域

本发明属于超大型空间结构技术领域，尤其涉及一种在轨超大型可展开空间结构系统。

背景技术

在空间科学和军事应用领域不断提出极具挑战性的航天任务，如地外行星生命探测、电子侦察与遥感探测等，迫切需要发展百米级反射面天线、平面阵天线、太阳能阵面。

传统的展开技术受折展机构运动副、运载火箭推力与整流罩包络等限制，存在折展机构复杂、在轨展开可靠性低，天线尺寸大、地面低重力模拟实验难度大等难题，无法完全满足上述超大型空间结构的构建需求。

在轨组装技术解耦了火箭发射段模块之间的机械连接，可突破火箭推力、整流罩包络限制，具有结构效率高、扩展性强、可逐步升级等特性，特别适合构建大尺寸、高精度、高比刚度空间结构。

然而，由于百米尺度结构的尺寸大、刚度低，在轨组装过程中易发生大幅度的挠性振动，这对于组装机器人提出了巨大的挑战，一方面影响机器人定位精度、降低组装效率，另一方面可能引发机器人与周边环境发生意外的碰撞干涉，导致组装系统失效。

因此，急需探索一种无需机器人参与的、或机器人有限参与的百米乃至千米级空间系统在轨组装系统方案，突破一次性展开式机构可实现的尺寸极限，推动超大型空间结构在轨组装技术的工程实用化。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种在轨超大型可展开空间结构系统，该系统尺寸小、展开后面积大。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种在轨超大型可展开空间结构系统，包括：

星体；

若干肋杆，以所述星体为中心圆周设置且其第一端铰接于所述星体；

若干可折叠的圈梁，相邻所述肋杆的第二端之间均设有一个所述圈梁，且所述肋杆的第二端与相邻所述圈梁的相邻端均通过虎克铰连接；

若干可折叠的斜撑杆，两端分别铰接于所述星体和所述肋杆的第二端；

若干第一展开机构，每根所述肋杆均通过一个所述第一展开机构与所述星体相对固定，且所述第一展开机构可驱动所述肋杆远离所述星体旋转以展开；

收拢时：若干所述肋杆的第二端相互靠拢，所述圈梁和所述斜撑杆均折叠；

展开时：所述第一展开机构驱动所述肋杆旋转展开，所述肋杆带动所述圈梁和所述斜撑杆展开。

根据本发明一实施例，所述肋杆和所述圈梁的数量均为六根。

根据本发明一实施例，所述斜撑杆的数量为6根。

根据本发明一实施例，所述斜撑杆的数量为3根。

根据本发明一实施例，所述第一展开机构包括：

扭簧铰链，一端连接于所述肋杆的第一端、另一端连接于所述星体；

压紧释放装置，一端连接于所述肋杆、另一端连接于所述星体，所述压紧释放装置克服所述扭簧铰链的弹性力将所述肋杆压紧在所述星体上；

展开时，所述压紧释放装置释放所述肋杆，所述肋杆通过所述扭簧铰链的弹性力展开。

根据本发明一实施例，包括伸缩机构，所述伸缩机构的第一端连接于所述星体、第二端设有馈源，所述伸缩机构位于若干所述肋杆的中心位置、且与收拢状态下的所述肋杆平行，所述馈源位于收拢状态下的所述肋杆第二端的一侧。

根据本发明一实施例，包括桁架，一端固连于所述星体、另一端固连于所述伸缩机构的第一端。

根据本发明一实施例，包括若干阵面天线折叠模组，所述阵面天线折叠模组的一端铰接于所述肋杆的第二端，且所述阵面天线折叠模组通过第二展开机构驱动以相对所述肋杆旋转；

收拢状态下，所述阵面天线折叠模组的另一端贴近所述肋杆；

展开时，所述第二展开机构驱动所述阵面天线折叠模组旋转以使其第二端远离所述肋杆；

所述肋杆、所述圈梁、所述斜撑杆和所述阵面天线折叠模组均展开到位后，若干所述阵面天线折叠模组展开形成完整的天线网面。

根据本发明一实施例，所述第二展开机构为关节电机。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实施例中设置肋杆、可折叠的圈梁和可折叠的斜撑杆，使得收拢时的结构尺寸小、展开后的结构面积大。

(2)本发明实施例中星体和伸缩机构通过桁架相连，利用桁架的高度使得馈源高于肋杆，避免与其它部件之间的几何干涉。

(3)本发明实施例中伸缩机构伸长时带动馈源展开，使得馈源远离肋杆、圈梁和斜撑杆，避免了馈源与其它部件展开时的干涉碰撞。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统安装在火箭整流罩内的包络示意图；

图2为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统星体太阳翼展开示意图；

图3为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统馈源和阵面天线折叠模组展开示意图；

图4为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统肋杆、圈梁和斜撑杆展开正视图；

图5为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统肋杆、圈梁和斜撑杆展开轴侧图；

图6为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统斜撑杆为6根实施例的示意图；

图7为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统斜撑杆为3根实施例的示意图；

图8为本发明的一种在轨超大型可展开空间结构系统阵面天线折叠模组展开形成完整的天线网面示意图。

附图标记说明：

1：星体；2：肋杆；3：圈梁；4：斜撑杆；5：伸缩机构；6：馈源；7：桁架；8：阵面天线折叠模组；9：太阳翼；10：六边形模块单元；11：组装接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参看图1至8，本发明的核心是提供一种在轨超大型可展开空间结构系统，包括星体1、若干肋杆2、若干可折叠的圈梁3、若干可折叠的斜撑杆4和若干第一展开机构。

星体1为卫星本体，星体1上还设有两个太阳翼9，太阳翼9用于发电，为本系统提供能源保障。若干肋杆2以星体1为中心圆周设置，且肋杆2的第一端铰接于星体1。星体1与火箭对接环固定连接。

相邻肋杆2的第二端之间均设有一个圈梁3，且肋杆2的第二端与相邻圈梁3的相邻端均通过一个虎克铰连接，使得肋杆2的第二端与圈梁3端部可自由转动。圈梁3中间设有铰链，也就是说圈梁3分为两部分可折叠。

若干斜撑杆4的两端分别铰接于星体1和肋杆2的第二端，斜撑杆4中间设有铰链，也就是说斜撑杆4分为两部分可折叠。

本实施例中肋杆2和圈梁3的数量均为六根。六根肋杆2以星体1为中心圆周均布，六根圈梁3分别设于相邻肋杆2的第二端之间。

参看图6、7，斜撑杆4的数量在不同实施例中可为六根或三根。斜撑杆4为六根时，每根分别铰接于一根肋杆2。斜撑杆4为三根时，每根分别铰接于间隔120度的肋杆2上。

每根肋杆2均通过一个第一展开机构与星体1相对固定，且第一展开机构可驱动肋杆2远离星体1旋转以展开。

第一展开机构包括扭簧铰链和压紧释放装置。扭簧铰链一端连接于肋杆2的第一端、另一端连接于星体1，扭簧铰链展开后可锁定。

压紧释放装置为现有应用于卫星太阳翼的压紧释放的装置，可采用熔线连接压紧、电阻加热熔断熔线释放。压紧释放装置一端连接于肋杆2、另一端连接于星体1，压紧释放装置克服扭簧铰链的弹性力将肋杆2压紧在星体1上。展开时，压紧释放装置释放肋杆2，肋杆2通过扭簧铰链的弹性力展开。六根肋杆2展开带动六根圈梁3展开形成六边形。

还包括伸缩机构5，伸缩机构5的第一端连接于星体1的中心位置、第二端设有馈源6，伸缩机构5位于若干肋杆2的中心位置、且与收拢状态下的肋杆2平行，馈源6位于收拢状态下的肋杆2第二端的一侧，伸缩机构5伸长时带动馈源6展开。伸缩机构5为传统的铰接式、盘绕式或套筒式伸展机构。

还包括高刚度的桁架7，桁架7一端固连于所述星体1、另一端固连于伸缩机构5的第一端。利用桁架7的高度使得馈源6高于肋杆2，避免与其它部件之间的几何干涉。

还包括若干阵面天线折叠模组8，阵面天线折叠模组8为折叠肋构型、折叠圈梁构型或折叠肋-圈梁组合构型。阵面天线折叠模组8的一端铰接于肋杆2的第二端，且阵面天线折叠模组8通过第二展开机构驱动以相对肋杆2旋转；收拢状态下，阵面天线折叠模组8的另一端贴近肋杆2。展开时，第二展开机构驱动阵面天线折叠模组8旋转以使其第二端远离肋杆2。肋杆2、圈梁3、斜撑杆4和阵面天线折叠模组8均展开到位后，若干阵面天线折叠模组8展开形成完整的天线网面。

本实施例中，第二展开机构为关节电机，关节电机设于阵面天线折叠模组8与肋杆2第二端的铰接点，驱动铰接点的转轴使得阵面天线折叠模组8旋转。

阵面天线折叠模组8的数量可以为3套、4套或6套，每套阵面天线折叠模组8由若干个传统、可协同展开的可展模块单元互连而成，分别占据周向区域的1/3、1/4或1/6，相邻的阵面天线折叠模组8之间、阵面天线折叠模组8展开端与铰接点之间设有多组具备自适应捕获、拉近与锁定功能的组装接口11，所有的收拢态阵面天线折叠模组8由电控单元激活解锁后自动等速展开至最大状态，展开态阵面天线折叠模组8与铰接点之间的组装接口11在控制设备作用下率先激活而连接锁定，展开态阵面天线折叠模组8之间组装接口11在控制设备作用下由内而外依序激活而连接锁定。

当阵面天线折叠模组8数量为3套时，3套阵面天线折叠模组8以120°间隔通过铰链与肋杆2的第二端铰接；每套阵面天线折叠模组8由2个、6个、12个、20个或30个六边形可展模块单元连接而成，或者每套阵面天线折叠模组8再分为两个仅根部连接的子组，每个子组由1个、3个、6个、10个或15个六边形可展模块单元连接而成。

当阵面天线折叠模组8数量为6套时，6套阵面天线折叠模组8以120°间隔通过铰链与肋杆2的第二端铰接；每套阵面天线折叠模组8由1个、3个、6个、10个或15个六边形可展模块单元连接而成。

参看图8，阵面天线折叠模组8数量为3套时，阵面天线折叠模组8包括十二个六边形模块单元10、十二个组装接口11(图8中仅可见六个，剩下六个在高度方向上与之重叠)；优选地，可以将十二个六边形模块单元10进一步分为两个子组，两个子组之间增设十二个组装接口11。

六边形模块单元10包括网面和支撑背架，支撑背架基本单元为折叠肋构型、折叠圈梁3构型或折叠肋-圈梁3组合构型，网面由多层金属网、非金属网组合而成。

下面对本发明工作过程作进一步说明：

参看图1，收拢状态下本在轨超大型可展开空间结构系统设于火箭整流罩内。若干肋杆2的第二端相互靠拢，且肋杆2与伸缩机构5轴向平行，圈梁3和斜撑杆4均处于折叠状态。

展开时，伸缩机构5首先伸长带动馈源6上升展开，为阵面天线折叠模组8的偏转提供足够空间。然后第二展开机构带动阵面天线折叠模组8旋转展开，形成如图3所示状态，阵面天线折叠模组8展开后避免了与肋杆2的后续展开过程中的潜在干涉碰撞。

最后，第一展开机构驱动肋杆2旋转展开，肋杆2带动圈梁3和斜撑杆4展开，形成如图4、5所示的以星体1为中心的六棱锥框架。

本发明满足了超大型空间结构构建目标，具体为反射面天线、平面阵天线、薄膜光学阵、太阳电池阵、空间太阳帆、空间遮光罩等，减小了一次性展开机构的尺寸和工程实施难度，简化了在轨组装操作，且可满足火箭整流罩包络、减小单次展开天线的尺寸、简化或消除机器人在大挠性基座上大范围作业等的设计约束。因此本发明的实施就有了现实的应用意义。具体具有以下有益效果：

(1)通过在轨组装技术减小了一次性展开天线的尺寸，降低了展开机构的实现难题；

(2)通过展开态阵面天线折叠模组8之间的自适应捕获、拉近与锁定，避免了机械臂在大挠性结构上大范围作业，简化了组装操作。

(3)收拢时与星体1轴向平行、包络小，展开时与星体1轴向垂直、刚度大。

(4)通过肋杆2、圈梁3和斜撑杆4的多组关节运动，实现六棱柱框架的高效收拢和高刚度展开锁定。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，包括：

星体；

若干肋杆，以所述星体为中心圆周设置且其第一端铰接于所述星体；

若干可折叠的圈梁，相邻所述肋杆的第二端之间均设有一个所述圈梁，且所述肋杆的第二端与相邻所述圈梁的相邻端均通过虎克铰连接；

若干可折叠的斜撑杆，两端分别铰接于所述星体和所述肋杆的第二端；

若干第一展开机构，每根所述肋杆均通过一个所述第一展开机构与所述星体相对固定，且所述第一展开机构可驱动所述肋杆远离所述星体旋转以展开；

收拢时：若干所述肋杆的第二端相互靠拢，所述圈梁和所述斜撑杆均折叠；

展开时：所述第一展开机构驱动所述肋杆旋转展开，所述肋杆带动所述圈梁和所述斜撑杆展开；

所述第一展开机构包括：

扭簧铰链，一端连接于所述肋杆的第一端、另一端连接于所述星体；

压紧释放装置，一端连接于所述肋杆、另一端连接于所述星体，所述压紧释放装置克服所述扭簧铰链的弹性力将所述肋杆压紧在所述星体上；

展开时，所述压紧释放装置释放所述肋杆，所述肋杆通过所述扭簧铰链的弹性力展开；

包括伸缩机构，所述伸缩机构的第一端连接于所述星体、第二端设有馈源，所述伸缩机构位于若干所述肋杆的中心位置、且与收拢状态下的所述肋杆平行，所述馈源位于收拢状态下的所述肋杆第二端的一侧，所述伸缩机构伸长时带动所述馈源展开；

包括桁架，一端固连于所述星体、另一端固连于所述伸缩机构的第一端。

2.根据权利要求1所述的在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，所述肋杆和所述圈梁的数量均为六根。

3.根据权利要求2所述的在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，所述斜撑杆的数量为6根。

4.根据权利要求2所述的在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，所述斜撑杆的数量为3根。

5.根据权利要求1所述的在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，包括若干阵面天线折叠模组，所述阵面天线折叠模组的一端铰接于所述肋杆的第二端，且所述阵面天线折叠模组通过第二展开机构驱动以相对所述肋杆旋转；

收拢状态下，所述阵面天线折叠模组的另一端贴近所述肋杆；

展开时，所述第二展开机构驱动所述阵面天线折叠模组旋转以使其第二端远离所述肋杆；

所述肋杆、所述圈梁、所述斜撑杆和所述阵面天线折叠模组均展开到位后，若干所述阵面天线折叠模组展开形成完整的天线网面。

6.根据权利要求5所述的在轨超大型可展开空间结构系统，其特征在于，所述第二展开机构为关节电机。

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