CN114286785A - 可展开结构 - Google Patents

Abstract

本公开涉及可展开结构、用于展开可展开结构的方法和设备以及相关联的制造方法。这样的可展开结构适当地包括用于空间结构的部件，诸如用于太阳能阵列、天线或其它类似系统的支撑件。所述可展开结构包括可布置成处于收起配置和展开配置的栅格元件。所述栅格元件(200)包括：以顺时针螺旋布置的预应力条带(306，图3a)；以逆时针螺旋布置的预应力条带(308，图3a)；以及多个紧固件(310，图3a)，用于在沿所述条带的长度分布的多个位置处将所述条带可旋转地彼此联接。所述多个紧固件沿所述条带的长度以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，弯曲成曲线的展开配置。

Description

可展开结构

技术领域

本公开涉及可展开结构、用于展开可展开结构的方法和设备以及相关联的制造方法。这样的可展开结构适当地包括用于空间结构的部件，诸如用于太阳能阵列、天线或其它类似系统的支撑件。

背景技术

运载火箭的容积是航天器设计的主要限制，因此运载火箭上的每个系统都需要尽可能地空间高效。这包括如图1a和图1b中所示的太阳能阵列和天线，它们通常采用展开结构封装而以紧凑的封装收起，但是还能可靠地展开到很长的长度。运载火箭的重量是另一个关键的设计参数，因为在发射过程中需要推力。NASA估算将质量为1英磅(453.59237克)的物质发射到近地轨道中目前花费大约10,000美元。

因此，当考虑用于空间的可展开结构的设计以及结构刚度时，封装比率和质量是重要的。封装比率确定所述结构从收起配置到展开配置的相对长度变化。由于发射成本高，结构的质量是重要的，并且需要足够的刚度来抵抗在该结构上的来自相关轨道的AOCS(姿态和轨道控制系统)的负载。此外，该结构的展开必须是可靠的和可控的，以防止损坏连接的部件。

可展开的空间结构通常使用可收缩的管桅杆(CTM)和可储存的管状可延伸构件(STEM)。这些是管结构，其可以被压平和卷起用于储存，并且也可以展开到很长的长度。然而，CTM和STEM通常需要相当大的机构来控制展开的速度和方向。在展开配置中放大已知的可展开的空间结构并实现合适的几何形状也存在工程上的挑战。

与本公开一致的示例性实施例提供了可展开结构，该可展开结构在上述设计的一些或全部方面中表现良好，并且解决上述或相关缺点和本领域中的其它问题。

发明内容

我们描述了如所附权利要求中所述的设备和方法。本发明的其它特征将从从属权利要求和下面的描述中变得明显。

在一方面中，提供一种可展开结构，包括栅格元件和展开机构，所述栅格元件可布置成处于收起配置和展开配置，其中从所述收起配置展开到所述展开配置使用所述栅格元件中存储的弯曲能量来进行，并且其中所述展开机构包括用于调节展开的张力元件。

在一个示例中，当所述栅格元件被布置成处于收起配置中时，所述展开机构被布置成基本上布置在栅格元件内。

在一个示例中，所述张力元件被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中调节所述栅格元件在轴线方向上的延伸。

在一个示例中，所述展开机构包括联接到所述张力元件的张力控制器，所述张力控制器被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中在所述张力元件上提供受控张力。

在一个示例中，展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中在所述张力元件上产生可变张力。

在一个示例中，所述展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中在所述张力元件上产生减小的张力。

在一个示例中，所述展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被主动驱动以在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中控制所述张力元件上的张力。

在一个示例中，所述展开机构包括马达形式的张力控制器。

在一个示例中，所述张力元件包括基本上不可延伸的柔性构件。

在一个示例中，所述展开机构包括张力元件，当所述栅格元件被布置成处于所述收起配置中时，张力元件围绕卷轴布置，其中在张力控制器的控制下所述张力元件从所述卷轴的解绕调节从所述收起配置到所述展开配置的展开。

在一个示例中，所述展开机构包括将所述展开机构联接到所述栅格上的一个或更多个连接件，所述连接件被布置成支撑所述栅格并将所述栅格保持在相对于所述展开机构固定的方位。

在一个示例中，所述展开机构包括一个或更多个连接件，所述连接件将所述展开机构联接到所述栅格，所述连接件被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中径向向内移动。

在一个示例中，所述连接件包括在所述栅格处的枢转连接和到用于所述展开机构的支撑件的滑动连接。

在一个示例中，所述展开机构包括锁，例如磁性锁，所述锁被布置成一旦到达所述展开配置就限制所述栅格的径向向外移动。

在一方面中，提供了一种可展开结构的展开方法，所述可展开结构包括可被布置成处于收起配置和展开配置的栅格元件、以及展开机构，所述方法包括使用所述展开机构的张力元件来调节所述栅格的展开，所述栅格的展开使用所述栅格元件中存储的弯曲能量来进行。

在一方面中，提供一种可展开结构，包括：第一栅格，其能够布置成处于收起配置和展开配置；以及第二栅格，其能够布置成处于收起配置和展开配置，其中，当所述栅格被布置成处于所述收起配置时，所述第二栅格嵌套在所述第一栅格中。

在一个示例中，所述第一栅格和所述第二栅格在所述收起配置中基本上为圆柱形，所述第二栅格的半径小于所述第一栅格的半径。

在一个示例中，在所述收起配置中，所述第二栅格的长度小于或等于所述第一栅格的长度。

在一个示例中，所述第一栅格和所述第二栅格彼此轴向对准并且被布置成以串联方式展开。

在一个示例中，所述第一栅格和第二栅格首尾相连。

在一个示例中，使用存储在所述栅格元件中的弯曲能量进行展开。

在一个示例中，所述可展开结构包括展开机构，所述展开机构被布置成使用张力元件来调节所述第一栅格和所述第二栅格的展开。

在一个示例中，所述展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被布置成控制在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中所述张力元件上的张力，从而调节所述第一栅格和所述第二栅格的展开。

在一个示例中，所述展开机构包括张力元件，当所述栅格元件被布置成处于所述收起配置中时，张力元件围绕卷轴布置，其中，在张力控制器的控制下所述张力元件从所述卷轴的解绕调节从所述收起配置到所述展开配置的展开。

在一个示例中，所述张力元件布置在所述第一栅格元件和所述第二栅格元件的内部。

在一个示例中，所述展开机构嵌套在所述第一栅格和所述第二栅格中。

在一个示例中，所述可展开结构包括一个或更多个连接件，所述一个或更多个连接件将所述第一栅格和所述第二栅格彼此连接，所述连接件被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中径向向内移动。

在一个示例中，所述可展开结构包括第三栅格、第四栅格或更高编号的栅格，使得这些栅格嵌套在所述第一栅格中。

在一个示例中，所述第三栅格、所述第四栅格或所述更高编号的栅格与相应的相邻的一个或多个栅格相关的方式与所述第一栅格和所述第二栅格彼此相关的方式相同。

在一方面中，提供一种可展开结构的展开方法，所述可展开结构包括第一栅格和第二栅格，所述方法包括：在收起配置中将所述第二栅格嵌套在所述第一栅格中；以及通过将所述第一栅格和所述第二栅格从它们的收起配置展开来展开所述可展开结构。

在一方面中，提供了一种可展开结构，包括可布置成处于收起配置和展开配置的栅格元件，所述栅格元件包括：以顺时针螺旋布置的预应力条带；以逆时针螺旋布置的预应力条带；以及多个紧固件，用于在沿所述条带的长度分布的多个位置处将所述条带可旋转地彼此联接；其特征在于，所述紧固件沿所述条带的长度以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，弯曲成曲线的展开配置。

在一个示例中，所述紧固件沿所述条带的长度的一部分以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的长度的一部分弯曲成曲线的展开配置，并且所述紧固件还沿着所述条带的长度的一部分以相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿着所述栅格元件的长度的一部分弯曲成直线的展开配置。

在一个示例中，所述紧固件沿所述条带的长度的一部分以大致递减的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的长度的一部分以递减的曲率半径弯曲成曲线的展开配置。

在一个示例中，所述紧固件沿所述条带的长度的一部分以大致递增的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿其长度的一部分以递增的曲率半径弯曲成曲线的展开配置。

在一个示例中，所述栅格元件包括沿顺时针方向布置的多个预应力条带和以逆时针螺旋布置的多个预应力条带。

在一个示例中，所述条带包括多个孔，所述多个孔彼此对齐并且在所述多个孔处设置有紧固件，所述紧固件穿过所述条带中的孔并且保持所述条带彼此相邻。

在一个示例中，所述预应力条带通过从制造时的大半径弯曲到当结合成所述栅格元件时的较小半径而被施加预应力。

在一个示例中，所述预应力条带包括纤维增强聚合物材料。

在一个示例中，所述第一元件在所述收起配置中通常是圆柱形的。

在一个示例中，使用所述预应力条带中存储的弯曲能量进行展开。

在一个示例中，所述可展开结构包括展开机构，所述展开机构被布置成使用张力元件来调节所述第一栅格和所述第二栅格的展开。

在一个示例中，所述展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中控制所述张力元件上的张力，从而调节所述栅格元件的展开。

在一个示例中，所述可展开结构包括与所述第一栅格元件串联连接的第二栅格元件。

在一个示例中，所述可展开结构包括联接到一个或多个所述栅格元件的太阳能阵列或天线。

在一个方面中，提供一种制造用于在如上述示例中任一示例所述的用于可展开结构的栅格的方法，该方法包括：确定所需的栅格特性；形成用于所述栅格的条带；以及将所述条带组装成所述栅格。

根据本发明，提供了一种如所附权利要求中阐述的设备和方法。从附图和下面的描述中，本发明的其它特征将是明显的。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出本发明的实施例如何付诸实施，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：

图1a示出了根据现有技术的处于展开配置的铺开式太阳能阵列；

图1b示出了根据现有技术的Ka波段抛物面可展开天线，左侧处于展开配置，右侧处于展开前的收起配置；

图2a和图2b分别示出了处于收起配置的可展开结构和处于展开配置的可展开结构；

图3a示出了用于被布置成处于展开配置的可展开结构的栅格；

图3b示出了保持处于收起配置的图3a的栅格；

图3c示出了处于展开配置、收起配置和中间配置的图3a的栅格；

图4示出了与可展开结构一起使用的展开机构；

图5示出了可展开结构的另一个示例；

图6a示出了处于收起配置的可展开结构的另一个示例；

图6b示出了处于展开配置的图6a的可展开结构；

图7示出了可展开结构的制造方法；

图8示出了通过从制造的形状到可展开结构的一部分的半径的改变而施加预应力；

图9a至图9g示出了确定用于具有可变曲率的可展开结构的栅格特性的步骤；

图10示出了处于收起配置、中间展开配置和展开配置的具有可变曲率的可展开结构的示例；

图11a示出了具有可变曲率的可展开结构；

图11b示出了具有可变曲率的可展开结构的另一个示例；

图12示出了处于展开配置和处于收起配置的铺开式太阳能阵列；

图13a示出了具有可变曲率的可展开结构的应用；

图13b示出了具有可变曲率的可展开结构的另一应用；以及

图13c示出了具有可变曲率的可展开结构的又一应用。

具体实施方式

图2a和2b示出了可展开结构200。可展开结构200适于在空间结构的展开中使用，并且随后支撑其自身和空间结构。图2a示出了处于收起配置的可展开结构200，图2b示出了处于展开配置的可展开结构200。可展开结构200包括可展开元件202和展开机构204，在本示例中，可展开元件202为栅格的形式。在收起配置和展开配置中，栅格202通常都是圆柱形的，其特征在于长度和半径。图2a和图2b示出了栅格在展开时长度和半径如何变化，其中长度相对于栅格202一端处的基准增加，而半径从收起配置到展开配置相对减小。

展开设备200在可展开的空间结构的关键设计方面(例如尺寸、封装比率、质量和在展开配置时的弯曲刚度)表现良好。展开设备200以高可靠性操作，并提供良好的展开控制，从而降低了损坏连接的部件的可能性。下面将更详细地描述可展开结构200的操作以及对其用途做出贡献的特征。

图3a和图3b示出了对应于展开设备200的可展开元件的栅格202。图3a示出了处于展开配置的栅格202，图3b示出了处于收起配置的栅格202。在图3b中，还示出了如将在下文更详细地描述的展开机构400的一部分。栅格202包括8个预应力条带306、308。所述条带一半以顺时针螺旋布置，另一半以逆时针螺旋布置。该组件防止条带开卷，并且能够形成稳定的栅格形状。本领域技术人员将理解，可以使用多于8个或少于8个的条带。条带306、308包括沿条带306、308的长度彼此等距的孔。在这个示例中，铆钉形式的紧固件310被插入孔中，在枢转连接处将条带306、308彼此连接，从而形成栅格202。可以理解，可以使用其它类似的紧固装置(例如螺栓、销、螺钉等)来连接条带306、308。条带306、308由碳纤维增强塑料材料制成，并具有高的弯曲刚度和低的重量。栅格202被配置成使用在从收起配置到展开配置的转变期间存储在条带中的弯曲能量。这样，可以实现自展开动作，而不需要携带诸如电池等能源来驱动栅格的展开。当栅格中的条带在展开过程中变形时，由于栅格中的条带的变形和相对运动，栅格202的长度和半径同时改变。

如将从图3C认识到的，在这个示例中，栅格202具有三个稳定点。所述完全收起配置是稳定的，所述完全展开配置是稳定的，并且在这两个配置之间存在稳定点。不同的稳定点可存在于部分展开的其它点处。通过对制造参数的操纵，栅格202可以被构造为在收起配置和展开配置之间的一个或多个其它位置是稳定的。特别地，条带围绕其三个主轴线的弯曲刚度、施加到条带上的预应力/预弯曲的程度、条带中孔的数量和孔的间距是相关的。

以这种方式，展开设备200适用于大多数可展开的空间应用，例如太阳能阵列或天线。

图4示出了用作展开机构204的步进马达204。马达204与连接到栅格的滑块412协作。栅格202在其远端通过张力元件(在该示例中，为线缆)连接到马达204。滑块412小并且用于以考虑当栅格从收起配置运动到展开配置时栅格202的半径减小的方式将栅格202锚定至展开机构。可以使用轴承或任何其它类似的部件来代替滑块412。马达204也很小，并且在使用中装配在栅格202内。结果，步进马达204不会增大收起体积。步进马达204被配置为通过抵抗由张力元件中的张力引起的栅格202的延伸来调节栅格202的展开速度。马达204通过受控的解绕、抵抗栅格202的弹性延伸来释放张力元件，从而允许可展开结构以受调节的方式从收起配置改变到展开配置。这是有利的，因为栅格202的快速释放可能产生冲击波，该冲击波可能潜在地损坏连接到栅格202的部件。因此，栅格202的展开是简单的和可靠的。磁体可用于锁定处于展开配置的栅格202。

在其中使用所述展开机构来控制包括栅格202的可展开结构的展开的示例性实施例中，当栅格被布置成处于收起配置时，在栅格的内部可能存在未使用的空体积。即，对于通常为立方体几何体的典型步进马达，在处于收起配置的可展开结构内可以存在额外的空间(或者径向地到展开机构的侧部或者围绕展开机构，或者轴向地邻近展开机构或沿着展开机构)。

图5示出了可展开结构500的另一个示例。可展开结构500包括第一栅格514和第二栅格516。为了实现更高的封装比率，第一栅格514和第二栅格516可以一起操作以展开到将会比利用单个更大栅格容易实现的长度更长的长度。

第一栅格514和第二栅格516可以具有与上述图2或图3的栅格相同的性能。第一栅格514和第二栅格516彼此轴向地对准。第一栅格514和第二栅格516可操作以串联方式展开。第一栅格514和第二栅格516首尾相连在一起。第二栅格516具有比第一栅格514的半径小的半径。因此，当可展开结构处于收起配置时，可以将第二栅格516嵌套在第一栅格514内。这样，在保持相同的收起体积的同时展开的长度可以显著增加。展开机构(例如如上所述的步进马达)可安装在栅格内并操作以调节可展开结构中的栅格的展开。

图6示出了可展开结构600的另一个示例。可展开结构600包括第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618。为了实现更高的封装比率，第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618可以一起操作以展开到比单个更大栅格容易实现的长度更长的长度。

第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618可以具有与上述图2或图3的栅格相同的性能。第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618彼此轴向地对准。第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618可操作以串联方式展开。第一栅格614、第二栅格616和第三栅格618首尾相连在一起。第二栅格616具有比第一栅格614的半径更小的半径，第三栅格618具有比第二栅格616的半径更小的半径。因此，当可展开结构处于收起配置时，可以将第二栅格616嵌套在第一栅格614内，并且进一步将第三栅格618嵌套在第二栅格616内。这样，在保持相同的收起体积的同时展开的长度可以显著增加。展开机构(例如如上所述的步进马达)可安装在栅格内并操作以调节可展开结构中的栅格的展开。

在一个示例中，刚性钢接头将第一栅格614和第二栅格616以首尾相连布置的方式连接，并对应地连接第二栅格616和第三栅格618。处于收起配置时，第二栅格616具有比的第一栅格614的半径小10mm的半径。当处于收起配置时，第三栅格618具有比第二栅格616的半径小10mm的半径。

为了调节可展开结构600的展开，提供了一种展开机构，该展开机构连接到内部栅格(即第三栅格618)的顶部。在图6的示例中，展开机构包括步进马达和线缆的卷轴。步进马达仍然足够小以被放置在栅格内。这样，可以通过单个展开机构来调节多级展开。

虽然图6的示例性实施例包括三个栅格，但是在可替代实施例中，仅两个栅格可以嵌套，同样地，在又进一步的实施例中，四个或更多个栅格可以嵌套。

本领域技术人员将理解，增加栅格中条带的刚度将产生更平滑的展开。当可展开结构被展开时，可展开结构的弯曲刚度通过将栅格中的条带数量增加到3、4或更多而增加。在栅格中使用三个、四个或更多个条带有助于保持栅格处于展开配置、抵抗弯曲。

在图6中所示的示例中，每个栅格614、616、618具有6个条带。展开机构提供足够量的力来调节可展开结构的展开，但是仍然足够小以被安装在栅格614、616、618内。图5和图6的可展开结构的收起高度为100mm，展开高度为3m，这给出了30的封装比率。

图7示出了栅格的制造方法。所制造的栅格可用于在本文所述的任何可展开结构中。该方法涉及从包含复合材料(例如是诸如CFRP的纤维增强塑性材料)的部件进行制造。

在步骤S730，该方法包括确定所需的栅格特性。在步骤S732至S738，形成条带，然后在步骤S740，组装条带以形成栅格。图7示出了用于形成用于组装的条带的方法的示例性子步骤，该方法从形成预应力材料条带的步骤S732开始。在步骤S734，该方法包括矫正条带。在步骤S736，该方法包括精加工矫正后的条带的步骤，例如包括修整。在步骤S738，该方法包括在矫正后的条带中(例如通过钻孔)形成孔，以使条带能够彼此接合。在步骤S740，所述方法包括将所述条带装配成所述栅格，将所述条带彼此联接。

参考步骤S730，该方法包括确定所需的栅格特性。已经开发了一种数学模型，该数学模型讨论了相关的设计参数，由A.Pirrera，X.Lachenal，S.Daynes，P.M.Weaver和I.V.Chenchiah发表于2013年的Journal of the Mechanics and Physics of Solids(固体力学与固体物理学杂志)中的“Multi-Stable cylindrical Lattices(多稳定圆柱形栅格)”，参见2087页至2107页。一旦确定了栅格特性，就可以根据其应用开始制造。

在步骤S732中，该方法包括对条带施加预应力的步骤。图8示出了一个有限元模型，该模型示出了通过从制造的形状到成为栅格的一部分的半径的改变施加预应力。栅格中条带的预应力是通过将条带放置在半径大于所需的栅格半径的弯曲模具上来实现的。模具半径的增加导致条带上预应力的增加。

在步骤S734，该方法包括矫正条带的步骤。条带在高压釜中矫正。例如，条带可以在180摄氏度和7巴压力下矫正(cure)。例如，条带可以由纤维增强聚合物材料制成。

在步骤S736和S738，修整矫正后的条带，并且在条带中形成孔以允许条带彼此连接。在将要以直线方式展开的栅格中以彼此等距钻出孔。

最后，在步骤S740，条带可被组装成栅格。所述多个预应力条带中的一半预应力条带以顺时针螺旋布置，另一半预应力条带以逆时针螺旋布置。该组件抗开卷，并提高了结构的整体稳定性。紧固件用于联接格栅中的预应力条带。

或者通过对矫正后的条带进行钻孔的特定步骤或通过其它方法在条带中形成的孔可以彼此不等距地布置。这允许由条带形成的栅格以非线性方式展开。

所述紧固件可以沿所述条带的长度以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，弯曲成曲线的展开配置。所述紧固件可沿所述条带的长度的一部分以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿其长度的一部分弯曲成曲线的展开配置，并且所述紧固件还沿着条带的长度的一部分以相等的间距设置，使得在展开时，栅格元件沿着其长度的一部分弯曲成直线的展开配置。

所述紧固件可沿所述条带的长度的一部分以大体上递减的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿其长度的一部分弯曲成具有递减的曲率半径的曲线的展开配置。可替代地，所述紧固件可沿所述条带的长度的一部分以大体上递增的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿其长度的一部分弯曲成具有递增的曲率半径的曲线的展开配置。

参考步骤S730，该方法包括确定所需的栅格特性。针对以直线展开的相关可展开结构开发的分析模型可用于估计稳定点的位置和具有可变曲率的可展开结构的一般特性。结合图9更详细地描述了具有可变曲率的可展开结构的特性的确定。

具有可变曲率的可展开结构的一个重要方面是其曲率半径。曲率半径和对应的曲线由两个因素控制。第一因素是形成栅格的条带之间的连接的间距(即孔的间距)。确定栅格的曲线的第二因素是考虑到条带中的预应力的量和条带的总体弯曲特性的栅格的稳定位置。

希望曲线内侧上的连接的间距比外侧上的连接的间距更靠近在一起。例如，可以通过计算机辅助设计(CAD)建模确定所述间距。栅格的曲线和长度由如图9a中所示的线简单地确定。然后，栅格的曲率半径由连接到该曲线底部的水平线控制。为了产生栅格的螺旋形状，沿着第一曲线产生该水平线的表面扫掠(sweep)。在此，决定条带在栅格中所具有的转数。

图9b示出了具有1.5转的单一扫掠栅格。此过程再重复三次，以相对于原始曲线不同的角度扫掠不同的线。这产生栅格的四条顺时针方向的条带。该过程可再重复多于三次或少于三次。通过沿逆时针方向扫掠曲线以产生所述栅格的全部8个条带来重复该过程。这在图9c中示出。

如将理解的，根据设计要求，可以制成多于或少于8个条带。栅格的连接位置位于线扫掠路径相交的位置。随着螺旋从曲线的内侧移动到外侧时，条带上的间距增加，反之亦然。为了精确地测量这些间距，栅格的尺寸和转数被简化到第一处连接的位置，如图9d所示。然后记录每个线扫掠的长度909。接着，栅格的长度增加，并转到下一处连接。这在图9e中示出。记录长度909并重复该过程。记录的长度909可以是，例如，一个或多个弧的一个或多个长度。在一次完整的螺旋旋转之后，每个条带中的间距重复。

如上所述，与确定栅格的曲线相关的第二因素是其稳定位置。随着弯曲的栅格展开，结构的弯曲增大。因此，仅展开一点的栅格只能具有相对轻微的曲线，而能够展开到较大长度的栅格可以相对地弯曲更多。稳定位置可以通过对应变能进行数学建模来确定，以精确地预测稳定位置。这可以通过例如有限元建模来实现。在图9f中示出了有限元模型的示例。

图9g示出了确定具有可变曲率的可展开结构所需的栅格特性的方法930。如上所述，栅格的曲线和稳定点。方法930包括确定栅格S931中的孔的间距的步骤。方法930还包括确定栅格的曲线和长度的步骤S933。方法930还包括确定栅格半径的步骤S935。该方法930还包括产生栅格S937的螺旋形状的步骤。该方法930还包括确定栅格的稳定位置的步骤S939。图9g的方法930可用于图7中的步骤S730以制造具有可变曲率的可展开结构。

图10示出了处于收起配置、中间展开配置和展开配置的具有可变曲率的可展开结构1000的示例。可展开结构1000与本公开的上述可展开结构之间的不同之处在于，可展开结构1000的紧固件可以沿着条带的长度以不相等的间距设置，使得在展开时，可展开结构1000弯曲成曲线的展开配置。可展开结构1000的其它性质可以与上述图2、图3、图5和图6的栅格的性质相同。可展开结构1000还可以与其它可展开结构1000串联连接，如结合图6所述。可展开结构1000也可以以本文所述的方式展开，例如通过上述步进马达展开。

图11a示出了具有可变曲率的可展开结构1100。图11b示出了具有可变曲率的可展开结构1100的另一示例。可展开结构1100可以与上述可展开结构1000相同。图11突出显示了弯曲的栅格1100可以从直线展开到90度弯曲并返回。曲率也可以超过90度。

图12示出了处于展开配置1200和收起配置1202的铺开式太阳能阵列。该配置1200、1202使用四个弯曲的栅格作为反射器的结构部件，并使用两个直的栅格来保持馈电天线。该设计可以使用多于或少于四个弯曲的栅格和多于或少于两个直的栅格。

可以串联使用多个栅格来产生天线的碟形。当与嵌套栅格配对时，在保持小的收起尺寸的同时该天线的尺寸可以增大。在收起状态1202中，弯曲的栅格仍然具有圆柱形形状，这对于嵌套是理想的。栅格的刚度可以通过其复合的叠层来控制，从而允许根据不同类型的天线进行定制。所述具有可变曲率的可展开结构还可以与沿直线展开的可展开结构串联组合。因此，可以实现任何形状的展开。具有可变曲率的可展开结构可以被称作“弯曲的栅格”；并且沿直线展开的可展开结构可以被称作“直的栅格”。

图13a示出了具有可变曲率1100的可展开结构的应用。可展开结构1000可用于例如在水翼双体船中的转向。图13b示出了具有可变曲率的可展开结构1000的另一应用。可展开结构1000可用作例如人工肘关节。然而，可展开结构1000的使用并不限于此。图13c示出了具有可变曲率的可展开结构1000的另一应用。可展开结构1000可用作例如航天器上的可展开机器人臂。然而，可展开结构1000的使用并不限于这些示例性应用。

虽然已经参考这里讨论的部件、模块和单元描述了示例性实施例，但是这样的功能元件可以被组合成更少的元件或者被分离成另外的元件。本文已经描述了可选特征的各种组合，并且将理解的是，所描述的特征可以以任何合适的组合方式来组合。特别地，任何一个示例性实施例的特征可以与任何其它实施例的特征适当地组合，除非这种组合是互斥的。在整个说明书中，术语“包括”意在包括单数个或复数个特定部件但不排除其它部件存在。

注意与本申请同时提交或在本说明书之前提交的与本申请有关的并且与本说明书一起公开供公众查阅的所有论文和文件，所有这些论文和文件的内容通过引用被包含于此。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式来组合，除了至少一些这样的特征和/或步骤中的相互排斥的组合之外。

除非另有明确说明，本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征都可以由起相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另外明确说明，所公开的每个特征仅是通用系列的等同特征或类似特征的一个示例。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书中公开的特征(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中的任何一个新的特征或任何新的特征的组合，或者延伸到如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何一个新的步骤或任何新步骤的组合。

Claims (15)

1.一种可展开结构，包括栅格元件，所述栅格元件能够布置成处于收起配置和展开配置，所述栅格元件包括：

以顺时针螺旋布置的预应力条带；

以逆时针螺旋布置的预应力条带；以及

多个紧固件，用于在沿所述条带的长度分布的多个位置处将所述条带可旋转地彼此联接；

其特征在于，所述紧固件沿所述条带的所述长度以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，弯曲成曲线的展开配置。

2.根据权利要求1所述的可展开结构，其中，所述紧固件沿所述条带的所述长度的一部分以不相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的所述长度的一部分弯曲成曲线的展开配置，并且所述紧固件还沿着所述条带的所述长度的一部分以相等的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的所述长度的一部分弯曲成直线的展开配置。

3.根据权利要求1或2所述的可展开结构，其中，所述紧固件沿所述条带的所述长度的一部分以大致递减的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的所述长度的一部分以递减的曲率半径弯曲成曲线的展开配置。

4.根据权利要求1、2或3所述的可展开结构，其中，所述紧固件沿所述条带的所述长度的一部分以大致递增的间距设置，使得所述栅格元件在展开时，沿所述栅格元件的所述长度的一部分以递增的曲率半径弯曲成曲线的展开配置。

5.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述栅格元件包括沿顺时针方向布置的多个预应力条带和以逆时针螺旋布置的多个预应力条带。

6.根据权利要求1所述的可展开结构，其中，所述条带包括多个孔，所述多个孔彼此对齐并且在所述多个孔处设置有紧固件，所述紧固件穿过所述条带中的孔并且保持所述条带彼此相邻。

7.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述预应力条带通过从制造时的大半径弯曲到当联接成所述栅格元件时的较小半径而被施加预应力。

8.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述预应力条带包括纤维增强聚合物材料。

9.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述第一元件在所述收起配置中通常是圆柱形的。

10.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，使用所述预应力条带中存储的弯曲能量进行展开。

11.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述可展开结构包括展开机构，所述展开机构被布置成使用张力元件来调节所述第一栅格和所述第二栅格的展开。

12.根据权利要求11所述的可展开结构，其中，所述展开机构包括张力控制器，所述张力控制器被布置成在从所述收起配置到所述展开配置的展开过程中控制所述张力元件上的张力，从而调节所述栅格元件的展开。

13.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述可展开结构包括与所述第一栅格元件串联连接的第二栅格元件。

14.根据任一前述权利要求所述的可展开结构，其中，所述可展开结构包括联接到所述栅格元件的太阳能阵列或天线。

15.一种制造用于根据权利要求1至14中任一项所述的可展开结构的栅格的方法，所述方法包括：

确定所需的栅格特性；

形成用于所述栅格的条带；以及

将所述条带组装成所述栅格。

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