CN113682857A - 一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统及折叠方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统及折叠方法，系统包括内部支撑系统、径向卷绕机构、牵引系统与薄膜，呈抛物面状的薄膜顶端通过磁性等无损方法与内部支撑系统底部及径向卷绕机构的肋条底部相互连接，径向卷绕机构由多个肋条通过销接连接组成，最内侧肋条与内部支撑系统连接，肋条顶部通过拉索与牵引系统连接，牵引系统安装布设在内部支撑系统顶部；本发明通过外部驱动系统配合人工定向辅助折痕运动方向，将抛物面型薄膜卷绕折叠，大幅减小薄膜径向尺寸，解决折叠收纳比低、薄膜折叠过程滑移、薄膜折叠折痕不明确等问题，具有高收纳比、设计简单、操作简便、可重复利用等优点，在航空航天领域具有很大的应用前景。

Description

一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统及折叠方法

技术领域

本发明涉及一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统及折叠方法，属于薄膜折叠工装领域。

背景技术

随着人类对太空探索的不断增加，航天技术的不断发展，飞行器中对大型薄膜结构的应用需求也不断增加。为了减小薄膜结构的发射尺寸，降低发射难度，大型薄膜结构需设计成可展结构，在发射过程中处于收缩折叠状态，此时结构尺寸与体积较小，在飞行器达到预计轨道后进行展开，变成工作状态，许多新型结构均运用了该理念，如薄膜太阳帆、薄膜遮光罩、薄膜天线等，其中一些结构对着可展薄膜结构的折展收纳比有着极大的需求，要求其展开状态半径可达折叠状态半径的数倍以上。

由于对于薄膜结构的展开状态下的尺寸需求较大，膜材柔性较大，难以对折痕处进行预处理，同时，由于薄膜膜材在反复折叠过程中极易收损，导致力学性能降低，因此一种成熟的实现薄膜结构精确折叠的工装系统的需求日益迫切；但是现有的薄膜折叠工装系统的研究仍然较少，且大多是基于平面薄膜折展的，基本上没有针对曲面薄膜进行折叠的。由于在天线等结构中对于薄膜的形状有着特定需求，因此一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统成为了航天工程的迫切需求。

发明内容

本发明提供一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统及折叠方法，卷绕折叠展开过程有序、蒙皮损伤小、折痕形成精确以及折叠展开收纳比高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，包括内部支撑系统、径向卷绕机构、牵引系统以及薄膜；

所述内部支撑系统包括等边多边形筒状结构，所述径向卷绕机构包括若干肋条，肋条数与等边多边形筒状结构的边数匹配；在等边多边形筒状结构的底部，每根肋条沿着匹配的边向内部支撑系统外部延伸，且若干肋条延伸方向一致；

所述牵引系统为可转动结构，其安装在等边多边形筒状结构顶部，牵引系统上安装若干拉索，拉索数与肋条数相同，且每根拉索的一端固定在牵引系统上，每根拉索的另一端与肋条向外部延伸的端部连接；

在若干肋条构成的径向卷绕机构上覆设薄膜，覆设的薄膜呈抛物面，薄膜在等边多边形筒状结构汇集处与匹配边相连；

作为本发明的进一步优选，在等边多边形筒状结构的底端安装连接装置，实现肋条与等边多边形筒状结构的连接；

作为本发明的进一步优选，所述连接装置为销接结构，等边多边形筒状结构底部通过销接结构与肋条连接，肋条仅绕销接节点在水平方向转动；

作为本发明的进一步优选，在等边多边形筒状结构的底端套设磁性圈，薄膜在等边多边形筒状结构汇集处同样设置磁性部件，薄膜通过磁性部件与等边多边形筒状结构连接；

作为本发明的进一步优选，所述肋条包括若干基本单元，每个基本单元的两端均为销接节点，相邻基本单元之间通过销轴将匹配销接节点连接，且若干基本单元仅在水平方向发生相对转动；

作为本发明的进一步优选，定义薄膜相对等边多边形筒状结构的面为表面，在表面均匀布设谷线折痕以及峰线折痕，且谷线折痕、峰线折痕交错布设，肋条设置在谷线折痕处，且肋条延伸方向与谷线折痕匹配；

基于任一所述大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统的折叠方法，启动牵引系统，牵引系统旋转，牵引拉索进行收缩与转动，覆设在肋条上的薄膜以等边多边形筒状结构为中心进行卷绕，在卷绕过程中拉索对匹配肋条的延伸端部施加单向环向牵引作用力，牵引肋条旋转，每根肋条的基本单元在水平方向发生相对转动位移，同时保证薄膜的谷线折痕按预期移动；

在薄膜的峰线折痕处人为施加向牵引系统方向的力，薄膜在卷绕过程中沿着峰线折痕进行折叠，最终以分块形式卷绕贴附于等边多边形筒状结构四周；

作为本发明的进一步优选，薄膜在卷绕过程中，随着牵引系统的旋转，拉索长度逐渐减小，薄膜在径向方向半径不断减小，轴向高度不断增大。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过牵引系统结合卷绕过程中人为辅助定向作用力，实现抛物面薄膜卷绕折叠的目的；

2、本发明提供的折叠工装系统在对薄膜进行折叠时，避免了折叠形态不理想、折痕出现不符合预期、反复折叠过程对膜产生不可逆的损伤、薄膜折叠成型后固定困难、薄膜折叠收纳比小等问题，可实现展开状态下的大型抛物面薄膜在完成折叠后全部卷绕贴附于等边多边形筒状结构四周，使径向尺寸大幅减小；

3、本发明提供的折叠工装系统在拆除时，仅需保留等边多边形筒状结构即可，可实现快速拆卸，且在拆卸过程中对薄膜性能未产生不利影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例三维展开状态示意图；

图2是本发明提供的优选实施例展开状态正立面示意图；

图3是本发明提供的优选实施例展开状态顶里面示意图；

图4是本发明提供的优选实施例中肋条结构示意图。

图中：1为等边多边形筒状结构，2为基本单元，3为牵引系统，4为拉索，5为薄膜，6为销接节点，7为峰线折痕。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

为了填补现有的薄膜折叠工装系统大多是基于平面薄膜折展的，基本上没有针对曲面薄膜进行折叠的空白，本申请提供了一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，可实现满足如天线等结构抛物面薄膜的设计需求，实现大型抛物面薄膜的卷绕折叠，且可多次重复利用。

具体的，本申请主要包括内部支撑系统、径向卷绕机构以及牵引系统3，径向卷绕机构安装在内部支撑系统上，且在径向卷绕机构上覆设薄膜5，对薄膜5进行支撑，当需要对薄膜5进行折叠操作时，启动牵引系统3，结合径向卷绕机构即可实现薄膜5的展开与收纳。

图1所示，是本申请给出的优选实施例，从图中可以看出，内部支撑系统包括等边多边形筒状结构1，径向卷绕机构包括若干肋条，肋条数与等边多边形筒状结构1的边数匹配；在等边多边形筒状结构1的底部，每根肋条沿着匹配的边向内部支撑系统外部延伸，且若干肋条延伸方向一致；这里选用的等边多边形筒状结构1至少为等边四边形筒状结构，才可以通过牵引系统3实现薄膜5围着内部支撑系统卷绕进而展开收纳，由于薄膜5是曲面的，那么肋条的延伸就不能按照常理的直线延伸，从图1中可以看出，优选实施例中，若干肋条的延伸方向呈抛物线状，倾斜方向为以牵引系统3为中心的顺时针方向，当然倾斜方向也可以以牵引系统3为中心的逆时针方向；图1中，每根肋条从内部等边多边形筒状结构1的底部节点处沿着平行于多边形节点相连处边伸出，从图3中可以看出，肋条在水平面投影上与等边多边形筒状结构1的边位于一条直线上，肋条的此种分布方式为后续薄膜5展开收纳提供便利。本申请中， 所述牵引系统3为可转动结构，其安装在等边多边形筒状结构1顶部，为了实现牵引系统3对薄膜5的卷绕，在牵引系统3上安装若干拉索4，拉索4数与肋条数相同，且每根拉索4的一端固定在牵引系统3上，每根拉索4的另一端与肋条向外部延伸的端部连接；薄膜5是覆设在若干肋条构成的径向卷绕机构上的，以肋条朝向牵引系统3的面为表面，图2可以看出薄膜5位于底面，薄膜5在等边多边形筒状结构1汇集处与匹配边相连，整个薄膜5在张开状态下，形成一种抛物面，且抛物面向牵引系统3的相反方向进行凸出；薄膜5在折叠过程中，肋条受到牵引系统3的牵引力后旋转直接驱动薄膜5缠绕折叠收缩。

这里需要单独阐述的是，本申请的牵引系统3只要满足实现在外部驱动结构的驱使下能够实现自旋转功能的结构均可以，当然也可以是人工旋转，但是使用可以自动旋转的牵引系统3能够保证薄膜5绕卷的均匀性。

从图3中可以看出，在薄膜5表面均匀布设谷线折痕以及峰线折痕7，且谷线折痕、峰线折痕7交错布设，肋条设置在谷线折痕处，且肋条的延伸角度方向均与谷线折痕一致，在这里谷线折痕是随着肋条按预期移动，实现展开状态下的保型，峰线折痕7是为了人为施加向牵引系统3方向的力，以达到作为标记的目的。

由于肋条在展开收纳状态时需进行摆动，且肋条仅需在水平向弯曲，如图4所示，本申请所述肋条包括若干基本单元2，每个基本单元2的两端均为销接节点6，相邻基本单元2之间通过销轴将匹配销接节点6连接，当拉索4在牵引系统3的牵引下进行拉伸时，通过拉索4施加的作用力，实现肋条销接节点6处的相对转动，销接的连接方式还能限制整个肋条的基本单元仅在水平向发生相对转动在卷绕折叠过程中只发生一个方向的单向转动，其他方向自由度均被约束。

同样的，肋条与等边多边形筒状结构1底部的连接方式同样采用销接，使得肋条仅绕销接节点6在水平方向的转动。

薄膜5在内部支撑系统底部汇集后，与内部支撑系统的连接部分采用无损方式连接，本申请给出一个实例，即内部支撑系统底部整圈为磁性圈，薄膜5在等边多边形筒状结构1汇集处形成的外圈同样设置磁性部件，薄膜5通过磁性部件与磁性圈连接，从而将薄膜5固定在内部支撑系统四周，此种无损连接方式，进一步实现了薄膜5在展开状态下抛物面的保型与固定。

最后本申请还给出了基于前述大型抛物面薄膜5结构卷绕折叠工装系统的折叠方法，启动牵引系统3，牵引系统3旋转，牵引拉索4进行收缩与转动，覆设在肋条上的薄膜5以等边多边形筒状结构1为中心进行卷绕，在卷绕过程中拉索4对匹配肋条的延伸端部施加单向环向牵引作用力，牵引肋条旋转，每根肋条的基本单元2在水平方向发生相对转动位移，同时保证薄膜5的谷线折痕按预期移动；

在薄膜5的峰线折痕7处人为施加向牵引系统3方向的力，薄膜5在卷绕过程中沿着峰线折痕7进行折叠，随着牵引系统3的旋转，拉索4长度逐渐减小，薄膜5在径向方向半径不断减小，轴向高度不断增大，最终以分块形式卷绕贴附于等边多边形筒状结构1四周。

通过上述对折叠工装系统以及折叠方法的阐述，可以发现本申请在设计初期，仅需根据薄膜尺寸与收纳比需求便可确定设计参数，设计过程简单快捷，在加工阶段，各个构件设计简单，实现工厂化快速生产与快速装配；在使用过程中，可达到卷绕折叠展开过程有序、蒙皮损伤小、折痕形成精确、折叠展开收纳比高的目的，适合推广使用。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：包括内部支撑系统、径向卷绕机构、牵引系统（3）以及薄膜（5）；

所述内部支撑系统包括等边多边形筒状结构（1），所述径向卷绕机构包括若干肋条，肋条数与等边多边形筒状结构（1）的边数匹配；在等边多边形筒状结构（1）的底部，每根肋条沿着匹配的边向内部支撑系统外部延伸，且若干肋条延伸方向一致；

所述牵引系统（3）为可转动结构，其安装在等边多边形筒状结构（1）顶部，牵引系统（3）上安装若干拉索（4），拉索（4）数与肋条数相同，且每根拉索（4）的一端固定在牵引系统（3）上，每根拉索（4）的另一端与肋条向外部延伸的端部连接；

在若干肋条构成的径向卷绕机构上覆设薄膜（5），覆设的薄膜（5）呈抛物面，薄膜（5）在等边多边形筒状结构（1）汇集处与匹配边相连。

2.根据权利要求1所述的大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：在等边多边形筒状结构（1）的底端安装连接装置，实现肋条与等边多边形筒状结构（1）的连接。

3.根据权利要求2所述的大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：所述连接装置为销接结构，等边多边形筒状结构（1）底部通过销接结构与肋条连接，肋条仅绕销接节点（6）在水平方向转动。

4.根据权利要求2所述的大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：在等边多边形筒状结构（1）的底端套设磁性圈，薄膜（5）在等边多边形筒状结构（1）汇集处同样设置磁性部件，薄膜（5）通过磁性部件与等边多边形筒状结构（1）连接。

5.根据权利要求1所述的大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：所述肋条包括若干基本单元（2），每个基本单元（2）的两端均为销接节点（6），相邻基本单元（2）之间通过销轴将匹配销接节点（6）连接，且若干基本单元（2）仅在水平方向发生相对转动。

6.根据权利要求1所述的大型抛物面薄膜（5）结构卷绕折叠工装系统，其特征在于：定义薄膜（5）相对等边多边形筒状结构（1）的面为表面，在表面均匀布设谷线折痕以及峰线折痕（7），且谷线折痕、峰线折痕（7）交错布设，肋条设置在谷线折痕处，且肋条延伸方向与谷线折痕匹配。

7.基于权利要求1-权利要求6任一所述大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统的折叠方法，其特征在于：启动牵引系统（3），牵引系统（3）旋转，牵引拉索（4）进行收缩与转动，覆设在肋条上的薄膜（5）以等边多边形筒状结构（1）为中心进行卷绕，在卷绕过程中拉索（4）对匹配肋条的延伸端部施加单向环向牵引作用力，牵引肋条旋转，每根肋条的基本单元（2）在水平方向发生相对转动位移，同时保证薄膜（5）的谷线折痕按预期移动；

在薄膜（5）的峰线折痕（7）处人为施加向牵引系统（3）方向的力，薄膜（5）在卷绕过程中沿着峰线折痕（7）进行折叠，最终以分块形式卷绕贴附于等边多边形筒状结构（1）四周。

8.根据权利要求7所述的大型抛物面薄膜结构卷绕折叠工装系统的折叠方法，其特征在于：薄膜（5）在卷绕过程中，随着牵引系统（3）的旋转，拉索（4）长度逐渐减小，薄膜（5）在径向方向半径不断减小，轴向高度不断增大。

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