CN114030650A - 一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱 - Google Patents
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Abstract
一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，属于航天器结构技术领域。该密封舱，包括刚性防护外壳、柔性囊体及充气系统；刚性防护外壳采用逐级嵌套的多节套筒结构，刚性防护外壳内部设有柔性囊体，根据需要可由折叠状态充气展开为多种形状，柔性囊体通过多个连接带与刚性防护外壳连接，充气系统安装在刚性防护外壳的端部内表面上，并为柔性囊体充气。本发明有效解决了刚性舱发射体积大、重量大、内部有效空间小、不能折叠的问题，以及充气舱由于舱壁太厚造成的难以折叠、易造成材料折叠损伤、展开控制难度大等问题。刚性套筒结构解决了全柔性密封舱结构刚度小、漏气后易导致溃缩变形等问题，进一步保证其内部人员、设备的安全。
Description
技术领域
本发明属于航天器结构技术领域，具体涉及一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱。
背景技术
空间密封舱是航天员在空间站和行星基地工作、生活的主要场所，目前的密封舱主要有刚性金属密封舱和柔性充气式密封舱(充气舱)两种结构形式，但都存在一些不足之处。
刚性金属密封舱是目前空间站普遍采用的密封舱结构形式，但尚存在质量重、发射体积大、发射成本高、在轨组装难度大、有效居住空间小等缺陷，难以满足未来载人航天多人长期居留对大尺寸密封舱的需求。
与传统刚性金属舱相比，充气舱是一种新型的密封舱结构形式，具有可柔性折叠、发射体积小、质量轻、易于发射、发射成本低、可在轨充气展开成型、展开体积大等特点，易于在轨构建大尺寸空间密封舱，是未来太空密封舱的重要发展方向。为提高充气舱的空间环境防护能力，尤其是对空间碎片的防护能力，充气舱舱壁往往采用多层厚壁结构，这导致充气舱难以折叠、易造成材料折叠损伤、展开困难及展开控制难度大等问题。此外，对于全柔性充气舱体而言，其外形由内外压差保持，一旦舱体发生漏气，将导致内部气压下降，进一步引起舱体溃缩变形，对人员和设施安全造成威胁。
发明内容
针对空间站、月球基地等对大尺寸充气展开密封舱的需求，考虑密封舱对于自身的空间环境防护能力、高效的折叠方式及在轨展开可靠性的要求，提出一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱。
本发明所采取的技术方案是：一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，包括刚性防护外壳、柔性囊体及充气系统；所述刚性防护外壳采用逐级嵌套的多节套筒结构，刚性防护外壳内部设有柔性囊体，根据需要可由折叠状态充气展开为多种形状，柔性囊体通过多个连接带与刚性防护外壳连接，充气系统安装在刚性防护外壳的端部内表面上，并为柔性囊体充气。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明有效解决了刚性舱发射体积大、重量大、内部有效空间小、不能折叠的问题，以及充气舱由于舱壁太厚造成的难以折叠、易造成材料折叠损伤、展开控制难度大等问题。刚性套筒结构具有较高的结构刚度和承压能力，解决了全柔性密封舱结构刚度小、漏气后易导致溃缩变形等问题，进一步保证其内部人员、设备的安全。
2.半刚性套筒式充气展开密封舱主体结构由外层套筒式刚性防护外壳及内部柔性囊体组成，初始折叠方式为多级套筒逐级嵌套折叠，折叠方式简单，折叠体积小，发射成本低，发射难度小。
3.外层的刚性防护外壳为复合材料夹芯结构，由外至内依次为：金属防护层、纤维防护层、泡沫填充层、热反射层以及金属防护层。其中金属防护层保证了展开的平顺性以及提供一定的空间环境防护能力，保证防护外壳可以顺利的展开；纤维防护层具有较好的空间碎片防护能力，保证舱体不受空间碎片的威胁；泡沫填充层具有良好的隔热性，同时还可以进一步提升防护外壳对空间碎片的防护能力；热反射层具有良好的隔热能力，进一步保证了舱内温度不会随外界环境产生剧烈的变化。
4.刚性防护外壳为多级套筒式嵌套结构，展开方向性好，避免了柔性囊体在展开期间由于自身刚度低导致其摆动、缠绕、撞击其他航天器组件，造成危险。
5.内部囊体通过与外层刚性防护外壳的连接，整体结构刚度大，振动基频高，当外界施加激励后，有效避免了传统的柔性囊体由于展开后结构刚度不足而造成的持续振动，降低了安全隐患。
6.外层刚性防护外壳在展开后通过锁紧机构进行锁定，能较好的保持整体结构的构型，当内部柔性囊体意外漏气后，整体舱体结构不会变形，可以保证人员设施安全，也便于维修维护。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明刚性防护外壳结构示意图；
图3是本发明刚性防护外壳展开状态时，收展控制机构示意图；
图4是本发明级间弹簧安装状态示意图；
图5是本发明刚性防护外壳位于中间舱段材料结构示意图；
图6是本发明刚性防护外壳两端舱段材料结构示意图；
图7是本发明刚性防护外壳材料示意图；
图8是本发明柔性囊体材料示意图；
图9是本发明充气系统示意图；
其中：1、刚性防护外壳；2、柔性囊体；3、充气系统；4、连接带；5、锁紧结构；6、舱门；11、套筒；12、安装槽；13、金属防护层；14、纤维防护层；15、泡沫填充层；16、热反射层；21、承力层；22、气密层；23、内衬层；51、限位弹簧；52、限位块；53、级间弹簧。
具体实施方式
本发明可在空间轨道或月球上进行使用，通过内部充气瓶进行充气，利用内部柔性气囊展开，带动外部套筒式刚性防护结构进行逐级展开，展开后可通过锁紧机构固定构型。
具体实施方式一：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式提供了一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，包括刚性防护外壳1、柔性囊体2及充气系统3；所述刚性防护外壳1采用逐级嵌套的多节套筒11结构，发射时可以收缩为较小的体积；刚性防护外壳1内部设有柔性囊体2，根据需要可由折叠状态充气展开为多种形状，如长方体、圆柱体、椭球体等，柔性囊体2通过多个柔性纤维织物材质的连接带4与刚性防护外壳1连接，充气系统3安装在刚性防护外壳1的端部内表面上，并为柔性囊体2充气。充气后柔性囊体2通过连接带4，带动外层刚性防护外壳1同步展开，保证了结构在展开时的同步性。
具体实施方式二：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一作进一步限定，本实施方式中，所述刚性防护外壳1的每相邻两个套筒11之间具有收展控制机构5，使刚性防护外壳1展开后能够固定自身构型，且收展控制机构5关闭后，刚性防护外壳1能够回复至初始折叠状态。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式，初始折叠方式为多级套筒11逐级嵌套折叠，折叠方式简单，折叠体积小，发射成本低，发射难度小。
本实施方式，当舱体在轨运行时，有时会遭遇太阳质子事件，需要舱体具有更高的防护能力，关闭收展控制机构5使舱体恢复到初始折叠状态，舱壁实际厚度将大幅提高，实现了更加快速、安全的紧急避险功能。
具体实施方式三：参照图3至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的收展控制机构5作进一步限定，本实施方式中，每个所述收展控制机构5均包括级间弹簧53、限位弹簧51及限位块52；所述级间弹簧53两端分别通过连接件与相邻的两个套筒11连接，且在每个套筒11前端均设有多个安装槽12，所述限位块52与限位弹簧51连接，并安装于安装槽12内，限位块52借助限位弹簧51的弹力能够对套筒11进行限位。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式，外侧的刚性防护外壳1在展开后通过收展控制机构5进行锁定，能较好的保持整体结构的构型，当内部的柔性囊体2意外漏气后，整体舱体结构不会变形，可以保证人员设施安全，也便于维修维护。
本实施方式，在多级套筒11逐级展开后，将限位块52与限位弹簧51插装在对应的安装槽12内，多级套筒11逐级嵌套折叠时，将限位块52与限位弹簧51取下即关闭收展控制机构5。
具体实施方式四，参照图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一作进一步限定，本实施方式中，刚性防护外壳1的材料采用多层夹芯复合材料，其中内、外层为金属防护层13，中间为功能性芯层，功能性芯层由外至内依次为：具有承载作用的纤维防护层14、具有提高隔热效果及空间微流星体防护功能的泡沫填充层15以及具有隔热作用的热反射层16。
具体实施方式五：参照图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四作进一步限定，本实施方式中，所述金属防护层13采用刚性的铝合金类质量轻、高强度的金属材料制成，纤维防护层14采用柔性高强度材料(如多层芳纶纤维织物)制成，泡沫填充层15采用保温性能较好的材料(如开孔泡沫)制成，热反射层16采用热导率较低的材料(如玻璃纤维复合材料)制成。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
本实施方式，金属防护层13保证了展开的平顺性以及提供一定的空间环境防护能力，保证刚性防护外壳1可以顺利的展开；纤维防护层14具有较好的空间碎片防护能力，保证舱体不受空间碎片的威胁，当采用如聚乙烯类纤维织物时还可以具有防辐射功能；泡沫填充层15具有良好的隔热性，同时还可以进一步提升刚性防护外壳1对空间碎片的防护能力；热反射层16具有良好的隔热能力，进一步保证了舱内温度不会随外界环境产生剧烈的变化。
具体实施方式六：参照图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五作进一或五步限定，本实施方式中，所述柔性囊体2材质为多层复合材料，柔性囊体2由外至内依次为承力层21、气密层22及内衬层23，承力层21采用柔性的高强度高模量的材料(如芳纶纤维织物)制成，气密层22采用气密性较好的材料(如TPU或PE薄膜材料)制成，内衬层23选用面密度较好的柔性织物材料制成(如涤纶纤维织物等)。其它组成及连接方式与具体实施方一或式五相同。
具体实施方式七：参照图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六作进一步限定，本实施方式中，刚性防护外壳1与柔性囊体2在端部连接处开有舱门6，舱门6与刚性防护外壳1材质相同。亦具有良好的密封性、隔热性及空间防护性能。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：参照图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七作进一步限定，本实施方式中，充气系统3为多个高压气瓶，需要充气展开时打开高压气瓶，即可为柔性囊体2充气。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：包括刚性防护外壳(1)、柔性囊体(2)及充气系统(3)；所述刚性防护外壳(1)采用逐级嵌套的多节套筒(11)结构，刚性防护外壳(1)内部设有柔性囊体(2)，根据需要可由折叠状态充气展开为密封舱体，柔性囊体(2)通过多个连接带(4)与刚性防护外壳(1)连接，充气系统(3)安装在刚性防护外壳(1)的端部内表面上，并为柔性囊体(2)充气。
2.根据权利要求1所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述刚性防护外壳(1)的每相邻两个套筒(11)之间具有收展控制机构(5)，使刚性防护外壳(1)展开后能够固定自身构型，且收展控制机构(5)关闭后，刚性防护外壳(1)能够回复至初始折叠状态。
3.根据权利要求2所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：每个所述收展控制机构(5)均包括级间弹簧(53)、限位弹簧(51)及限位块(52)；所述级间弹簧(53)两端分别通过连接件与相邻的两个套筒(11)连接，且在每个套筒(11)前端均设有多个安装槽(12)，所述限位块(52)与限位弹簧(51)连接，并安装于安装槽(12)内，限位块(52)借助限位弹簧(51)的弹力能够对套筒(11)进行限位。
4.根据权利要求1所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述刚性防护外壳(1)的材料采用多层夹芯复合材料，其中内、外层为金属防护层(13)，中间为功能性芯层，功能性芯层由外至内依次为：具有承载及防辐射作用的纤维防护层(14)、具有提高隔热效果及空间微流星体防护功能的泡沫填充层(15)以及具有隔热作用的热反射层(16)。
5.根据权利要求4所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述金属防护层(13)采用质量轻、高强度的金属材料制成，纤维防护层(14)采用柔性高强度材料制成，泡沫填充层(15)采用保温性能好的材料制成，热反射层(16)采用热导率低的材料制成。
6.根据权利要求1或5所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述柔性囊体(2)材质为多层复合材料，柔性囊体(2)由外至内依次为承力层(21)、气密层(22)及内衬层(23)，承力层(21)采用柔性的高强度高模量的材料制成，气密层(22)采用气密性好的薄膜材料制成，内衬层(23)选用面密度较好的柔性织物材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述刚性防护外壳(1)与柔性囊体(2)在端部连接处开有舱门(6)，舱门(6)与刚性防护外壳(1)材质相同。
8.根据权利要求1所述的一种可自由伸缩的半刚性套筒式充气展开密封舱，其特征在于：所述充气系统(3)为多个高压气瓶，柔性囊体(2)通过高压气瓶充气展开。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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