CN114030657A - 一种可重复收拢展开的太阳翼装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复收拢展开的太阳翼装置，包括基座、展开机构、阵面收卷机构和压紧释放机构，展开机构为连杆机构，阵面为柔性结构，可以绕圆柱形卷轴卷绕收拢或展开，展开机构和阵面外端相互连接；发射状态下，阵面卷绕收拢在卷轴上，展开机构收拢成与卷轴同等长度的条状，压紧释放机构将卷轴、展开机构和阵面连接为整体；需要展开时，展开机构最外端朝外展开，并带动电池阵面绕卷轴转动和展开；需要收拢时，转动卷轴将电池阵面卷绕收拢，并将展开机构拉回发射状态；本发明可在实现太阳翼重复收拢展开的同时，降低了太阳翼的重量和收拢包络。本发明还提供一种可重复收拢展开的太阳翼装置的使用方法，操作过程简便，适用性强，能够满足恶劣环境下的使用需求。

Description

一种可重复收拢展开的太阳翼装置及使用方法

技术领域

本发明属于航空航天展开机构技术领域，特别涉及一种可重复收拢展开的太阳翼装置和使用方法。

背景技术

镁现役航天器主要采用三种可展太阳翼：1)刚性、多板、Z形折展式太阳翼，一般采用弹簧驱动、一次性展开到位并锁定，此类太阳翼广泛应用，覆盖各类功率需求航天器，技术成熟度和可靠性都很高；2)可展桁架支撑的柔性翼，比如空间站；3)整体卷绕收展的柔性翼，收拢效率高，比如美国的ROSA太阳翼。其中，第1类太阳翼面密度相对较高；第2、3类太阳翼具有重复收展能力，适宜尺寸需求较大的应用场景，否则展开机构质量占比较大。因此，对于展开面积相对较小、具有重复收拢展开功能需求、对重量和收拢包络要求很高的特殊应用场景，现有太阳翼仍存在一定不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可重复收拢展开、展开面积覆盖一平米至数十平米的太阳翼装置，包括基座、展开机构、阵面收卷机构和压紧释放机构，展开机构为连杆机构，阵面为柔性结构，可以绕圆柱形卷轴卷绕收拢或展开，展开机构和阵面外端相互连接；收拢状态下，转动卷轴将电池阵面卷绕收拢，并将展开机构拉回收拢状态，基座、展开机构和阵面收卷机构由压紧释放机构连接为整体；展开状态时，展开机构最外端朝外展开，并带动电池阵面绕卷轴转动和展开；本发明可在实现太阳翼重复收拢展开的同时，降低了太阳翼的重量和收拢包络。本发明还提供一种可重复收拢展开的太阳翼装置的使用方法，操作过程简便，适用性强，能够满足恶劣环境下的使用需求。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，包括基座，展开机构，阵面收卷机构和压紧释放机构；

阵面收卷机构包括电池阵面，卷轴和连接机构；卷轴固定于基座上，电池阵面第一端固定于卷轴上，第二端通过连接机构与展开机构第一端连接，展开机构第二端固定于基座上；

发射状态下，电池阵面全部卷绕在卷轴上，压紧释放机构将展开机构压紧在卷轴上，基座、展开机构和阵面收卷机构作为整体承受发射过程中的载荷；展开状态下，压紧释放机构从卷轴上释放展开机构，展开机构第一端沿垂直于卷轴轴向的直线方向远离卷轴，进而带动电池阵面展开；收拢状态下，电池阵面卷绕于卷轴外侧，拉动展开机构第一端沿垂直于卷轴轴向的直线方向靠近卷轴，直至变为发射状态。

进一步的，展开机构包括连杆，铰链和驱动源；所述连杆个数≥6，各连杆之间以及连杆与基座之间通过铰链连接；驱动源通过铰链驱动连杆运动，实现展开机构第一端向卷轴的靠近或远离。

进一步的，驱动源为涡卷弹簧、扭簧或电机，所述涡卷弹簧、扭簧或电机输出轴与铰链连接。

进一步的，展开机构还包括同步齿轮，同步齿轮包括两个相同的齿轮，所述两个齿轮分别固定在与基座连接的两个连杆上，并分别与用于连接基座和连杆的两个铰链同轴，两个齿轮相互啮合，同步齿轮用于实现与基座连接的两个连杆的同步转动，展开机构根部的两根连杆与基座之间的转动角度相同，从而使得展开机构的自由度为一；

进一步的，阵面收卷机构中的连接机构包括张拉杆和张拉索；张拉杆与电池阵面第二端固定连接，用于在与电池阵面展开方向垂直的方向上支撑电池阵面；张拉索为2根，分别连接张拉杆一端与展开机构第一端，以及张拉杆另一端与展开机构第一端。

进一步的，压紧释放机构为2个，分别位于卷轴沿轴向的两端，每个压紧释放机构包括压紧杆、压紧板、压紧螺栓和复位弹簧；

所述压紧杆一端通过销轴固定于卷轴一端，复位弹簧与销轴连接，收拢状态，压紧板与压紧螺栓配合，将展开机构压紧在压紧杆另一端，展开状态，压紧螺栓卸除，复位弹簧驱动压紧杆绕销轴轴向旋转至不干涉展开机构运动的位置。

进一步的，太阳翼装置还包括辅助压紧释放机构，辅助压紧释放机构设于卷轴中心位置或基座上，基座与卷轴的中心位置固定连接；

辅助压紧释放机构包括辅助压紧杆，辅助压紧板和辅助压紧螺栓，辅助压紧杆一端与卷轴中心位置或基座螺纹连接；收拢状态，辅助压紧板与辅助压紧螺栓配合，将展开机构压紧在辅助压紧杆另一端，展开状态，辅助压紧螺栓卸除。

进一步的，卷轴通过转动副固定于基座上。

一种可重复收拢展开的太阳翼装置使用方法，其特征在于，包括以下状态：

发射状态下：电池阵面全部卷绕在卷轴上，压紧释放机构将展开机构压紧在卷轴上，基座、展开机构和阵面收卷机构作为整体承受发射过程中的载荷；

需要展开时：压紧释放机构释放展开机构，展开机构的第一端沿卷轴轴线的垂直方向远离卷轴，进而带动电池阵面展开；

需要收拢时：转动卷轴，使电池阵面卷绕在卷轴上，进而拉动展开机构第一端沿垂直于卷轴轴向的直线方向靠近卷轴，直至所述太阳翼装置变为发射状态。

进一步的，上述可重复收拢展开的太阳翼装置使用方法中，展开机构包括连杆，铰链和驱动源；连杆之间以及连杆与基座之间通过铰链连接；驱动源通过铰链驱动连杆运动，实现展开机构第一端向卷轴的靠近或远离，驱动源(23)为涡卷弹簧、扭簧或电机；

需要展开时，当驱动源为涡卷弹簧或扭簧，涡卷弹簧或扭簧预先储存的驱动力大于展开机构第一端远离卷轴至预定位置所需驱动力；涡卷弹簧或扭簧驱动展开机构第一端远离卷轴至预定位置后，剩余驱动力导入电池阵面，使电池阵面产生预应力进而达到所需刚度；

当驱动源为电机，电机驱动展开机构第一端远离卷轴至预定位置后，继续提供能量导入电池阵面，使电池阵面产生预应力进而达到所需刚度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，设计了展开机构和电池阵面的具体结构，采用简单的机构实现了重复收拢展开的功能，连杆机构使展收自由度为一，驱动源的设计使航天员可对装置进行手动操作，简单方便，最大限度的减小了展开机构和电池阵面的收拢体积，有利于航天器总装布局，特别适用实现一平米至数十平米太阳翼装置的展开和收拢；

(2)本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，设计了用于展开机构收拢锁紧和展开释放的压紧释放机构和辅助压紧释放机构，使展开机构的收拢和展开过程更加稳定可靠，且不干涉展开机构的运动路径；且与现有技术中的火工品类压紧释放机构相比，本发明的压紧释放机构可辅助实现重复收拢展开功能，并可由航天员进行操作；

(3)本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，通过转动卷轴实现太阳翼的收拢，通过驱动展开机构实现太阳翼的展开，能够在航天员操控或其他设备的操控下进行多次重复收展，且采用柔性电池阵面和连杆机构，在保证了结构承载效率的前提下有效减轻了质量，操作过程简便，适用性强。

(4)本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置的使用方法，使用驱动源可以使电池阵面产生预应力，不用使用额外的张紧机构张紧阵面，简化了机构，提高了装置的可靠性；

(5)本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，相对于传统多板折展式太阳翼，采用张拉膜结构承载，结构承载效率高，能够以较小的重量代价满足不同恶劣环境下的刚度和强度需求。

附图说明

图1为本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置收拢状态示意图；

图2为本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置正在展开或收拢的状态示意图；

图3为本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置完全展开状态示意图；

图4为本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置中压紧释放机构示意图，即图1中A处局部放大图；

图5为本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置中展开机构示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

为了使小尺寸(一平米至数十平米)太阳翼具备重复收拢展开能力，并满足重量轻、收拢包络小等需求，本发明提供一种可重复收拢展开的太阳翼装置。如图1-5，本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，包括基座1、展开机构2、阵面收卷机构3和压紧释放机构4；

展开机构2和阵面收卷机构3都安装在基座1上，并在外端相连，本发明中外表示太阳翼装置的展开方向；

本发明装置在收拢状态下，展开机构2和3阵面收卷机构都收拢呈“一”字形，由压紧释放机构4将两者连接在一起，并固定在基座1上；

本发明装置需要展开时，压紧释放机构4解除对展开机构2的约束，展开机构2在驱动源23作用下展开，并带动阵面收卷机构3释放电池阵面32；

本发明装置需要收拢时，转动阵面收卷机构3的卷轴31，将电池阵,32卷绕在卷轴31上，并同时将展开机构2收拢；

阵面收卷机构3包括电池阵面32、卷轴32、张拉杆33和张拉索34，电池阵面32可以绕卷轴31卷绕收拢，卷轴31与基座1之间由转动副连接，张拉索34与展开机构2外端连接；

展开机构2为连杆机构，在铰链22处设置驱动源23，驱动源23可为涡卷弹簧、扭簧或电机等；

在展开机构展开到位后，驱动源23的剩余驱动力矩通过张拉索34和张拉杆33为电池阵面32导入预应力，使得太阳翼具备足够的刚度；

压紧释放机构4包含压紧杆41、压紧板42、压紧螺栓43和复位弹簧44；所述装置包含2个压紧释放机构4，位于卷轴31两端；

另外还包括1个辅助压紧释放机构，位于卷轴31中部；

压紧释放机构4中，压紧杆41与卷轴31采用转动副连接，压紧螺母43将展开机构2的外侧端固定在卷轴31上，压紧螺母43解锁后，复位弹簧44将压紧杆41转动到不会与所述展开机构2的收拢展开运动轨迹干涉的位置；

辅助压紧释放机构中，所述压紧杆41与所述卷轴31通过螺纹连接，并将所述展开机构2中部压紧在基座1上；

所述装置在收拢或展开过程中，可由航天员操控压紧杆41控制卷轴31的转动速度，从而实现对收拢展开速度的控制，防止出现冲击现象。

实施例1

如图1～图3，本发明一种可重复收拢展开的太阳翼装置，包括基座1、展开机构2、阵面收卷机构3和压紧释放机构4；展开机构2和阵面收卷机构3都安装在所述基座1上，并在外端相连，本发明中，外表示太阳翼装置展开方向；

如图1，本发明装置在收拢状态下，展开机构2和阵面收卷机构3都收拢呈“一”字形，由所述压紧释放机构4将两者连接在一起，并固定在基座1上；

如图1至图3，本发明装置需要展开时，所述压紧释放机构4解除对展开机构2的约束，展开机构2在驱动源23作用下展开，展开机构2外端展开方向平动；展开机构2外端通过张拉索34和张拉杆33与电池阵面32相连，因此能够带动所述阵面收卷机构3展开电池阵面32；

如图1至图3，装置需要收拢时，可由航天员手动转动阵面收卷机构3的卷轴31，将电池阵面卷绕在卷轴31上，同时，转动卷轴31的力矩通过电池阵面32、张拉杆33、张拉索34，产生一个将展开机构2拉回收拢状态的力，从而将展开机构2收拢；

如图2和图3，阵面收卷机构3包括卷轴31、电池阵面32、张拉杆33和张拉索34，电池阵面32可以绕所述卷轴31卷绕收拢，卷轴31与基座1之间由转动副连接，张拉索34展开机构2最外端连接；

如图2和图5，展开机构2为剪式连杆机构，包含6根连杆21、8个铰链22、2个驱动源23和一对同步齿轮24，驱动源23位于对应铰链处，可为涡卷弹簧、扭簧或电机等；展开机构2的自由度为1，在驱动源23作用下，使展开机构2最外端向外平动；同步齿轮24包括两个相同的齿轮，所述两个齿轮分别固定在与基座1连接的两个连杆21上，并分别与用于连接基座1和连杆21的两个铰链22同轴，两个齿轮相互啮合，同步齿轮24用于实现与基座1连接的两个连杆21的同步转动。

在展开机构2展开到位后，驱动源23的剩余驱动力矩通过张拉索34和张拉杆33为电池阵面32导入预应力，使得太阳翼具备足够的刚度；

如图1和图4，压紧释放机构4包含压紧杆41、压紧板42、压紧螺栓43和复位弹簧44；所述装置包含2个压紧释放机构4，位于卷轴31两端；

另外还包括1个辅助压紧释放机构，位于卷轴31中部；

压紧释放机构4中，压紧杆41与卷轴31采用转动副连接，压紧螺母43将展开机构2的外侧端固定在卷轴31上，压紧螺母43解锁后，复位弹簧44将压紧杆41转动到不会与所述展开机构2的收拢展开运动轨迹干涉的位置；

辅助压紧释放机构中，所述压紧杆41与所述卷轴31通过螺纹连接，并将所述展开机构2中部压紧在基座1上；

如图3，在本实施例中，所述装置在收拢或展开过程中，可由航天员操控压紧释放机构4的压紧杆41控制卷轴31的转动速度，从而实现对收拢展开速度的控制，防止出现冲击现象。本实施例太阳翼装置收拢效率达到50kW/m³、面密度＜2kg/m²。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

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。

Claims (10)

1.一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，包括基座(1)，展开机构(2)，阵面收卷机构(3)和压紧释放机构(4)；

所述阵面收卷机构(3)包括电池阵面(32)，卷轴(31)和连接机构；卷轴(31)固定于基座(1)上，电池阵面(32)第一端固定于卷轴(31)上，第二端通过连接机构与展开机构(2)第一端连接，展开机构(2)第二端固定于基座(1)上；

发射状态下，电池阵面(32)全部卷绕在卷轴(31)上，压紧释放机构(4)将展开机构(2)压紧在卷轴(31)上，基座(1)、展开机构(2)和阵面收卷机构(3)作为整体承受发射过程中的载荷；展开状态下，压紧释放机构(4)从卷轴(31)上释放展开机构(2)，展开机构(2)第一端沿垂直于卷轴(31)轴向的直线方向远离卷轴(31)，进而带动电池阵面(32)展开；收拢状态下，电池阵面(32)卷绕于卷轴(31)外侧，拉动展开机构(2)第一端沿垂直于卷轴(31)轴向的直线方向靠近卷轴(31)，直至变为发射状态。

2.根据权利要求1所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述展开机构(2)包括连杆(21)，铰链(22)和驱动源(23)；所述连杆(21)个数≥6，各连杆(21)之间以及连杆(21)与基座(1)之间通过铰链(22)连接；驱动源(23)通过铰链(22)驱动连杆(21)运动，实现展开机构(2)第一端向卷轴(31)的靠近或远离。

3.根据权利要求2所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述驱动源(23)为涡卷弹簧、扭簧或电机，所述涡卷弹簧、扭簧或电机输出轴与铰链(22)连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述展开机构(2)还包括同步齿轮(24)，所述同步齿轮(24)包括两个相同的齿轮，所述两个齿轮分别固定在与基座(1)连接的两个连杆(21)上，并分别与用于连接基座(1)和连杆(21)的两个铰链(22)同轴，两个齿轮相互啮合，同步齿轮(24)用于实现与基座(1)连接的两个连杆(21)的同步转动。

5.根据权利要求1所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述阵面收卷机构(3)中的连接机构包括张拉杆(33)和张拉索(34)；张拉杆(33)与电池阵面(32)第二端固定连接，用于在与电池阵面(32)展开方向垂直的方向上支撑电池阵面(32)；张拉索(34)为2根，分别连接张拉杆(33)一端与展开机构(2)第一端，以及张拉杆(33)另一端与展开机构(2)第一端。

6.根据权利要求1所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述压紧释放机构(4)为2个，分别位于卷轴(31)沿轴向的两端，每个压紧释放机构(4)包括压紧杆(41)、压紧板(42)、压紧螺栓(43)和复位弹簧(44)；

所述压紧杆(41)一端通过销轴固定于卷轴(31)一端，复位弹簧(44)与销轴连接，收拢状态，压紧板(42)与压紧螺栓(43)配合，将展开机构(2)压紧在压紧杆(41)另一端，展开状态，压紧螺栓(43)卸除，复位弹簧(44)驱动压紧杆(41)绕销轴轴向旋转至不干涉展开机构(2)运动的位置。

7.根据权利要求1或6所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述太阳翼装置还包括辅助压紧释放机构，辅助压紧释放机构设于卷轴(31)中心位置或基座(1)上，基座(1)与卷轴(31)的中心位置固定连接；

辅助压紧释放机构包括辅助压紧杆，辅助压紧板和辅助压紧螺栓，辅助压紧杆一端与卷轴(31)中心位置或基座(1)螺纹连接；收拢状态，辅助压紧板与辅助压紧螺栓配合，将展开机构(2)压紧在辅助压紧杆另一端，展开状态，辅助压紧螺栓卸除。

8.根据权利要求1所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置，其特征在于，所述卷轴(31)通过转动副固定于基座(1)上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置使用方法，其特征在于，

发射状态下：电池阵面(32)全部卷绕在卷轴(31)上，压紧释放机构(4)将展开机构(2)压紧在卷轴(31)上，基座(1)、展开机构(2)和阵面收卷机构(3)作为整体承受发射过程中的载荷；

需要展开时：压紧释放机构(4)释放展开机构(2)，展开机构(2)的第一端沿卷轴(31)轴线的垂直方向远离卷轴(31)，进而带动电池阵面(32)展开；

需要收拢时：转动卷轴(31)，使电池阵面(32)卷绕在卷轴(31)上，进而拉动展开机构(2)第一端沿垂直于卷轴(31)轴向的直线方向靠近卷轴(31)，直至所述太阳翼装置变为发射状态。

10.根据权利要求9所述的一种可重复收拢展开的太阳翼装置使用方法，其特征在于，所述展开机构(2)包括连杆(21)，铰链(22)和驱动源(23)；连杆(21)之间以及连杆(21)与基座(1)之间通过铰链(22)连接；驱动源(23)通过铰链(22)驱动连杆(21)运动，实现展开机构(2)第一端向卷轴(31)的靠近或远离，驱动源(23)为涡卷弹簧、扭簧或电机；

需要展开时，当驱动源(23)为涡卷弹簧或扭簧，涡卷弹簧或扭簧预先储存的驱动力大于展开机构(2)第一端远离卷轴(31)至预定位置所需驱动力；涡卷弹簧或扭簧驱动展开机构(2)第一端远离卷轴(31)至预定位置后，剩余驱动力导入电池阵面(32)，使电池阵面(32)产生预应力进而达到所需刚度；

当驱动源(23)为电机，电机驱动展开机构(2)第一端远离卷轴(31)至预定位置后，继续提供能量导入电池阵面(32)，使电池阵面(32)产生预应力进而达到所需刚度。

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