CN117963166A - 一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航天技术领域，提供了一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，包括：底架；顶部展开协调控制机构，顶部展开协调控制机构包括顶板，顶板通过轴承二与转动盘相连；盘绕式伸展臂，安装在底架和顶板之间；展开控制机构，安装在底架上，与盘绕式伸展臂相配合；气瓶，气瓶的阀门与展开控制机构中的充气控制机构配合，气瓶的出气口设有充气杆，充气杆缠绕盘旋在限位杆上，限位杆的一端与底架相连，另一端安插在转动盘的开孔中；电加热片，安装在底架上，与充气杆配合。本发明在盘绕式伸展臂完全展开后，充气杆完成展开，利用气瓶为充气杆充气，再对充气杆进行加热固化，提高刚度，从而实现指向精度的提高。

Description

一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构。

背景技术

在航天领域，传统的光学遥感卫星和太空望远镜等航天器对于图像分辨率的要求极高，因此常采用大型的镜筒结构以保证光学系统固定精度和大焦距要求，但这种方式对卫星的质量和尺寸包络就提出了较高的要求，因此此类卫星一般为大卫星。随着光学仪器技术不断进步和航天产业发展，利用质量、尺寸有限的微小卫星实现大型光学载荷的功能成为研究热点，为实现这一目的，就必须要研究具有较大伸缩比的展开机构。

空间盘绕式伸展臂是一种一维展开机构，利用纵梁盘压收拢时储存的应变能实现展开，具有质量轻、收拢比高等优势，目前这种展开机构越来越多地应用到卫星平台上以扩展卫星平台的功能。虽然空间盘绕式伸展臂能够很好的满足光学遥感卫星和太空望远镜对于大焦距的要求，但是由于空间盘绕式伸展臂本身具有刚度较低的缺点，在展开后很难保证镜头的指向精度，因此，在不明显增大卫星包络的情况下改进提高空间盘绕式伸展臂刚度极具研究价值。

基于以上需求，提出了一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，包括：

底架；

顶部展开协调控制机构，所述顶部展开协调控制机构包括顶板，所述顶板通过轴承二与转动盘相连；

盘绕式伸展臂，安装在所述底架和顶板之间；

展开控制机构，安装在所述底架上，与所述盘绕式伸展臂相配合，用于控制所述盘绕式伸展臂展开；

气瓶，所述气瓶的阀门与展开控制机构中的充气控制机构配合，所述气瓶的出气口设有充气杆，充气杆的另一端连接在转动盘上，所述充气杆缠绕盘旋在限位杆上，所述限位杆的一端与底架相连，另一端安插在转动盘的开孔中，用于限制转动盘的转动；

电加热片，安装在所述底架上，与所述充气杆配合，用于对充气杆进行加热固化。

优选地，所述盘绕式伸展臂包括：

纵杆，连接在底架和顶板之间，所述纵杆设有三根；

三角横架，所述三角横架设有若干层，每层三角横架均由三根横杆和三个V型铰链连接，所述三角横架通过V型铰链连接在三根纵杆上；

对角加劲索，所述对角加劲索穿过V型铰链连接在相邻层的三角横架上。

优选地，所述V型铰链包括：

V型铰接头，所述纵杆穿过V型铰接头，所述横杆安装在V型铰接头上，所述对角加劲索穿过V型铰接头；

螺栓一，安装在V型铰接头上，用于压紧纵杆；

螺栓二，安装在V型铰接头上，用于压紧横杆和对角加劲索。

优选地，所述展开控制机构包括：

线轮，安装在所述底架上，牵引绳缠绕在所述线轮上；

编码器，安装在所述线轮上，用于控制牵引绳的放线速度；

锁定杆，所述锁定杆的一端与顶板相连，锁定杆的另一端连接有牵引绳；

拔销器一，安装在所述底架上，所述拔销器一的记忆合金销位于锁定杆的限位孔中，对锁定杆进行固定，用于锁定所述盘绕式伸展臂；

充气控制机构，安装在所述底架上，所述充气控制机构上设有拔销器二，所述充气控制机构与气瓶的阀门配合，用于控制气瓶阀门的启闭。

优选地，所述充气控制机构包括：

展开控制杆，安装在所述底架上，所述底架和展开控制杆之间连接有扭簧，所述展开控制杆用于控制气瓶阀门的启闭；

轴承一，通过轴承限位扭簧安装在展开控制杆上；

轴承端盖一，安装在所述展开控制杆上，所述拔销器二的记忆合金销与轴承端盖一上的限位孔配合，用于锁定所述充气控制机构。

优选地，所述气瓶的阀门为双层结构，双层结构上分别开设有孔，其中一层结构为阀门杆，所述展开控制杆的一端连接在所述阀门杆上的开槽中，所述展开控制杆旋转时，带动阀门杆进行转动，用于控制双层结构上的孔错位或重叠。

优选地，所述顶部展开协调控制机构包括：

转动盘，所述转动盘的内侧设有卡齿；

涡卷弹簧，所述涡卷弹簧的内侧与顶板相连接，所述涡卷弹簧的外侧与转动盘相连接；

铍青铜拨片，安装在所述顶板的外侧，与所述转动盘内侧的卡齿配合，用于控制转动盘的转动速度。

本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构设置有展开控制机构控制盘绕式伸展臂的展开，还设置有充气控制机构，并设置有气瓶和充气杆，在盘绕式伸展臂展开时，充气杆在顶部展开协调控制机构的作用下被牵引、从限位杆上缓慢脱落、展开，盘绕式伸展臂完全展开后，充气杆完成展开，通过充气控制机构开启气瓶的阀门为充气杆充气，再对电加热片通电，通过热传导的方式对充气杆进行加热，对充气杆进行加热固化，提高该结构的刚度，从而实现指向精度的提高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构收拢状态的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中盘绕式伸展臂的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中三角横架的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中盘绕式伸展臂展开过程的状态变化图；

图6为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中展开控制机构的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中充气控制机构的爆炸图；

图8为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中充气控制机构解锁的状态变化图；

图9为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中气瓶阀门打开的状态变化图；

图10为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中顶部展开协调控制机构的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中顶部展开协调控制机构的爆炸图；

图12为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中转动盘的俯视图；

图13为本发明实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构中转动盘的仰视图。

附图中：1-盘绕式伸展臂；11-横杆；12-纵杆；13-对角加劲索；14-V型铰链；141-V型铰接头；142-螺栓一；143-螺栓二；15-底架；16-牵引绳；2-展开控制机构；21-限位杆；22-充气控制机构；221-扭簧；222-轴承限位扭簧；223-轴承一；224-展开控制杆；225-轴承端盖一；23-拔销器一；24-拔销器二；25-线轮；26-编码器；27-电加热片；3-顶部展开协调控制机构；31-轴承端盖二；32-轴承端盖三；33-转动盘；34-铍青铜拨片；35-轴承二；36-涡卷弹簧；37-顶板；38-锁定杆；4-充气杆；5-气瓶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1至图2、图10所示，为本发明的一个实施例提供的一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构的结构图，包括：

底架15；

顶部展开协调控制机构3，所述顶部展开协调控制机构3包括顶板37，所述顶板37通过轴承二35与转动盘33相连；

盘绕式伸展臂1，安装在所述底架15和顶板37之间；

展开控制机构2，安装在所述底架15上，与所述盘绕式伸展臂1相配合，用于控制所述盘绕式伸展臂1展开；

气瓶5，所述气瓶5的阀门与展开控制机构2中的充气控制机构22配合，所述气瓶5的出气口设有充气杆4，充气杆4的另一端连接在转动盘33上，所述充气杆4缠绕盘旋在限位杆21上，所述限位杆21的一端与底架15相连，另一端安插在转动盘33的开孔中，用于限制转动盘33的转动；

电加热片27，安装在所述底架15上，与所述充气杆4配合，用于对充气杆4进行加热固化。

在本发明的一个实施例中，该通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构针对现有技术中的问题，设置有展开控制机构2控制盘绕式伸展臂1的展开，还设置有充气控制机构22，并设置有气瓶5和充气杆4（分别设有三组），在盘绕式伸展臂1展开时，充气杆4在顶部展开协调控制机构3的作用下被牵引、从限位杆21上缓慢脱落、展开，盘绕式伸展臂1完全展开后，充气杆4完成展开，通过充气控制机构22开启气瓶5的阀门为充气杆4充气，再对电加热片27通电，通过热传导的方式对充气杆4进行加热，对充气杆4进行加热固化，提高该结构的刚度，从而实现指向精度的提高；

其中，气瓶5的出气口与充气杆4下端部分紧密连接，具有气密性要求，充气杆4上端连接有圆柱体，圆柱体与转动盘33外侧的圆柱体的通孔配合，通过螺钉固定，充气杆4采用可刚化的柔性复合材料，可以柔性折叠并充气展开，具体可为碳纤维增强树脂基复合材料，通过加热的方式进行固化，安装时将三根处于带状的充气杆4分别缠绕在三根限位杆21上，缠绕方向与盘绕式伸展臂1压缩的盘绕方向相同；顶板37通过轴承二35与转动盘33相连（轴承二35通过轴承端盖二31和轴承端盖三32进行安装），转动盘33和顶板37之间的摩擦力极小，可以降低盘绕式伸展臂1展开时充气杆4受到的展开方向以外其他方向力的扰动，实现充气杆4在盘绕式伸展臂1展开过程中不随顶板37的转动而转动。

如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述盘绕式伸展臂1包括：

纵杆12，连接在底架15和顶板37之间，所述纵杆12设有三根；

三角横架，所述三角横架设有若干层，每层三角横架均由三根横杆11和三个V型铰链14连接，所述三角横架通过V型铰链14连接在三根纵杆12上；

对角加劲索13，所述对角加劲索13穿过V型铰链14连接在相邻层的三角横架上。

如图4所示，作为本发明的另一种优选实施例，所述V型铰链14包括：

V型铰接头141，所述纵杆12穿过V型铰接头141，所述横杆11安装在V型铰接头141上，所述对角加劲索13穿过V型铰接头141；

螺栓一142，安装在V型铰接头141上，用于压紧纵杆12；

螺栓二143，安装在V型铰接头141上，用于压紧横杆11和对角加劲索13。

三根纵杆12通过耳片安装在底架15上，纵杆12之间的距离具体可以为173.2mm，三根纵杆12位于直径150mm圆形周长的三等分点上，将V型铰接头V型铰接头141分别预装在三根纵杆12上，将螺栓一142穿过V型铰接头141的空腔，压在纵杆12的一侧，再将每层三根横杆11通过V型铰接头141完成安装，再将六根对角加劲索13通过螺栓二143固定在最上层V型铰接头141后，将对角加劲索13按照“之”字形方式依次穿过V型铰接头141上的通孔，拉紧后再通过螺栓二143压紧横杆11和对角加劲索13完成横杆11与对角加劲索13的固定，再将对角加劲索13末端与底架15连接；

横杆11具体可采用低温超弹钛镍合金，三角横架为纵杆12提供侧向支撑，纵杆12具体可采用低温超弹钛镍合金，是主要承力部件，在三角横架和对角加劲索13的支撑和预紧下承受轴向拉压、侧向弯曲和轴向扭转载荷，对角加劲索13具体可采用不锈钢钢丝，截面为圆形，其作用为提高盘绕式伸展臂抗扭刚度、抗剪刚度等力学性能；

盘绕式伸展臂1展开过程如图5所示。

如图6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述展开控制机构2包括：

线轮25，安装在所述底架15上，牵引绳16缠绕在所述线轮25上；

编码器26，安装在所述线轮25上，用于控制牵引绳16的放线速度；

锁定杆38，所述锁定杆38的一端与顶板37相连，锁定杆38的另一端连接有牵引绳16；

拔销器一23，安装在所述底架15上，所述拔销器一23的记忆合金销位于锁定杆38的限位孔中，对锁定杆38进行固定，用于锁定所述盘绕式伸展臂1；

充气控制机构22，安装在所述底架15上，所述充气控制机构22上设有拔销器二24，所述充气控制机构22与气瓶5的阀门配合，用于控制气瓶5阀门的启闭。

拔销器一23和拔销器二24的具体型号均可为BXQ-240，是一款使用记忆合金的非火工拔销器，将锁定杆38的一端安装在顶板37上，另一端开有孔连接牵引绳16，牵引绳16缠绕在线轮25上，通过编码器26控制牵引绳16放线的速度，从而控制盘绕式伸展臂1展开的速度，同时锁定杆38上还开有孔与拔销器一23上的记忆合金销配合，进而完成对盘绕式伸展臂1的限位锁定，当盘绕式伸展臂1需要展开时，拔销器一23通电，记忆合金吸收能量发生形变，解除对锁定杆38的限位作用，盘绕式伸展臂1开始展开，编码器26（具体型号可为DS-25）控制盘绕式伸展臂1的展开速度，由于转动盘33与顶板37之间通过轴承二35进行连接，两部件之间的摩擦力极小，限位杆21对转动盘33的限位作用不会限制顶板37的转动，因此盘绕式伸展臂1可以正常展开，在盘绕式伸展臂1完全展开后，利用充气控制机构22开启气瓶5的阀门，对充气杆4进行充气，充气杆4展开充气后直径具体可为20mm。

如图7至图8所示，作为本发明的一种优选实施例，所述充气控制机构22包括：

展开控制杆224，安装在所述底架15上，所述底架15和展开控制杆224之间连接有扭簧221，所述展开控制杆224用于控制气瓶5阀门的启闭；

轴承一223，通过轴承限位扭簧222安装在展开控制杆224上；

轴承端盖一225，安装在所述展开控制杆224上，所述拔销器二24的记忆合金销与轴承端盖一225上的限位孔配合，用于锁定所述充气控制机构22。

如图9所示，作为本发明的一种优选实施例，所述气瓶5的阀门为双层结构，双层结构上分别开设有孔，其中一层结构为阀门杆，所述展开控制杆224的一端连接在所述阀门杆上的开槽中，所述展开控制杆224旋转时，带动阀门杆进行转动，用于控制双层结构上的孔错位或重叠。

将底架15上的空心圆柱作为安装轴依次安装扭簧221、轴承一223、展开控制杆224和轴承端盖一225，通过两个轴承限位扭簧222固定轴承一223，将扭簧221一端插入底架15的孔中，另一端插入展开控制杆224的安装孔位中，通过螺钉将轴承端盖一225固定在展开控制杆224上，再将拔销器二24的记忆合金销插入轴承端盖一225上耳片的固定孔中，完成充气控制机构22的锁定，此时扭簧221处于压缩状态，在扭簧221的作用下，展开控制杆224有转动的趋势；

气瓶5的阀门设有双层，均设有开孔，当两个孔错开时为关闭（如图9左侧所示），重叠即为开启（如图9右侧所示），一层阀门设有阀门杆，杆上设有开槽，展开控制杆224安装在槽中；

盘绕式伸展臂1完全展开后，拔销器二24通电，记忆合金吸收能量发生形变，解除对展开控制杆224的限位作用，在扭簧221的作用下，展开控制杆224发生转动，展开控制杆224沿气瓶5阀门上的槽运动，气瓶5的一层阀门发生转动，此时气瓶5打开，充气杆4开始充气。

如图10至图13所示，作为本发明的一种优选实施例，所述顶部展开协调控制机构3包括：

转动盘33，所述转动盘33的内侧设有卡齿；

涡卷弹簧36，所述涡卷弹簧36的内侧与顶板37相连接，所述涡卷弹簧36的外侧与转动盘33相连接；

铍青铜拨片34，安装在所述顶板37的外侧，与所述转动盘33内侧的卡齿配合，用于控制转动盘33的转动速度。

将顶板37上空心圆柱作为安装轴，由下至上依次安装涡卷弹簧36、轴承二35、转动盘33、轴承端盖三32、轴承端盖二31，构成一个简单的发条系统，根据纵杆12盘绕的圈数和方向，按照相反方向以相同圈数转动转动盘33，即对发条系统进行上弦操作，将铍青铜拨片34通过螺纹连接安装固定在顶板37外侧，再将固定在底架15上的限位杆21插入转动盘33下表面的开孔中，即可实现在盘绕式伸展臂1处于收拢状态时对顶部展开协调控制机构3的锁定，随着盘绕式伸展臂1的展开，顶部展开协调控制机构3向上运动，解除限位杆21的限位，同时在涡卷弹簧36的作用下，转动盘33相对顶板37以与盘绕式伸展臂1展开时顶部转动方向相反的方向进行转动，通过对铍青铜拨片34尺寸的设计控制转动盘33的转动速度与盘绕式伸展臂1顶部的转动速度大致相等，从而保证处于带状的充气杆4能够从限位杆21上缓慢脱落，当盘绕式伸展臂1展开完毕的同时，充气杆4在转动盘33的牵引下完成展开。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，包括：

底架（15）；

顶部展开协调控制机构（3），所述顶部展开协调控制机构（3）包括顶板（37），所述顶板（37）通过轴承二（35）与转动盘（33）相连；

盘绕式伸展臂（1），安装在所述底架（15）和顶板（37）之间；

展开控制机构（2），安装在所述底架（15）上，与所述盘绕式伸展臂（1）相配合，用于控制所述盘绕式伸展臂（1）展开；

气瓶（5），所述气瓶（5）的阀门与展开控制机构（2）中的充气控制机构（22）配合，所述气瓶（5）的出气口设有充气杆（4），充气杆（4）的另一端连接在转动盘（33）上，所述充气杆（4）缠绕盘旋在限位杆（21）上，所述限位杆（21）的一端与底架（15）相连，另一端安插在转动盘（33）的开孔中，用于限制转动盘（33）的转动；

电加热片（27），安装在所述底架（15）上，与所述充气杆（4）配合，用于对充气杆（4）进行加热固化。

2.根据权利要求1所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述盘绕式伸展臂（1）包括：

纵杆（12），连接在底架（15）和顶板（37）之间，所述纵杆（12）设有三根；

三角横架，所述三角横架设有若干层，每层三角横架均由三根横杆（11）和三个V型铰链（14）连接，所述三角横架通过V型铰链（14）连接在三根纵杆（12）上；

对角加劲索（13），所述对角加劲索（13）穿过V型铰链（14）连接在相邻层的三角横架上。

3.根据权利要求2所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述V型铰链（14）包括：

V型铰接头（141），所述纵杆（12）穿过V型铰接头（141），所述横杆（11）安装在V型铰接头（141）上，所述对角加劲索（13）穿过V型铰接头（141）；

螺栓一（142），安装在V型铰接头（141）上，用于压紧纵杆（12）；

螺栓二（143），安装在V型铰接头（141）上，用于压紧横杆（11）和对角加劲索（13）。

4.根据权利要求1所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述展开控制机构（2）包括：

线轮（25），安装在所述底架（15）上，牵引绳（16）缠绕在所述线轮（25）上；

编码器（26），安装在所述线轮（25）上，用于控制牵引绳（16）的放线速度；

锁定杆（38），所述锁定杆（38）的一端与顶板（37）相连，锁定杆（38）的另一端连接有牵引绳（16）；

拔销器一（23），安装在所述底架（15）上，所述拔销器一（23）的记忆合金销位于锁定杆（38）的限位孔中，对锁定杆（38）进行固定，用于锁定所述盘绕式伸展臂（1）；

充气控制机构（22），安装在所述底架（15）上，所述充气控制机构（22）上设有拔销器二（24），所述充气控制机构（22）与气瓶（5）的阀门配合，用于控制气瓶（5）阀门的启闭。

5.根据权利要求4所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述充气控制机构（22）包括：

展开控制杆（224），安装在所述底架（15）上，所述底架（15）和展开控制杆（224）之间连接有扭簧（221），所述展开控制杆（224）用于控制气瓶（5）阀门的启闭；

轴承一（223），通过轴承限位扭簧（222）安装在展开控制杆（224）上；

轴承端盖一（225），安装在所述展开控制杆（224）上，所述拔销器二（24）的记忆合金销与轴承端盖一（225）上的限位孔配合，用于锁定所述充气控制机构（22）。

6.根据权利要求5所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述气瓶（5）的阀门为双层结构，双层结构上分别开设有孔，其中一层结构为阀门杆，所述展开控制杆（224）的一端连接在所述阀门杆上的开槽中，所述展开控制杆（224）旋转时，带动阀门杆进行转动，用于控制双层结构上的孔错位或重叠。

7.根据权利要求1所述的通过充气式展开提高刚度的盘绕式伸展臂结构，其特征在于，所述顶部展开协调控制机构（3）包括：

转动盘（33），所述转动盘（33）的内侧设有卡齿；

涡卷弹簧（36），所述涡卷弹簧（36）的内侧与顶板（37）相连接，所述涡卷弹簧（36）的外侧与转动盘（33）相连接；

铍青铜拨片（34），安装在所述顶板（37）的外侧，与所述转动盘（33）内侧的卡齿配合，用于控制转动盘（33）的转动速度。