CN201309598Y - 盘绕式y形横架无铰空间伸展臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，该伸展臂包括：三叉横架，呈“Y”形，三个顶点处具有穿孔，相邻两个三叉横架之间的节距根据伸展臂刚度确定；三根纵杆，贯穿于三叉横架的穿孔中；纵杆与三叉横架的连接处通过上下两垫片固定；节间对角加劲索，为固定于伸展臂每侧面节间的钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。该伸展臂以最简单的机构形式实现了高伸缩比、高可靠性、高刚度、高抗剪切和扭转的伸展臂，大幅减少了零件数量、简化了装配布局和检测、减轻了质量、节约了成本。可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池阵、空间站主结构等领域。

Description

盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂

技术领域

本发明涉及一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，属于航天器设计技术领域。

背景技术

随着航天器功能的日益复杂，对航天器的能源需求成倍增长，航天器太阳电池阵的面积也随之成倍增长，但航天器的包络尺寸受运载火箭有效载荷舱容积的限制，这就需要可在发射段收缩、在空间展开的空间伸展臂。我国未来的空间站对能源功率的需求将在20kW以上，现有的刚性基板一扭簧铰链展开式太阳翼已无法满足需求，而盘绕式空间伸展臂是未来大功率太阳翼的最佳选择。又如：电子侦察卫星为准确对地面信号源定位，要求多个探测器之间有足够的基线长度，使用盘绕式伸展臂可以较好满足该要求。

目前，常用的空间伸展臂主要有薄壁管状伸展臂、套筒管状伸展臂、铰接式伸展臂、盘绕式伸展臂等。薄壁管状伸展臂构造简单、可靠性高、收拢体积小、可重复展开和收拢，但其根部翘曲限制了结构强度，因而热稳定性、抗弯及抗扭刚度较低，难以实现精确定位；套筒管状伸展臂可靠性高、可重复展开和收拢，但收拢后仍较长、构造较复杂；铰接式伸展臂刚度高、寿命长、抗振性好、精度高，但构造工艺很复杂、铰接点多、可靠性相对较低；盘绕式伸展臂构造简单、质量较小、可靠性高、伸缩比大，缺点是刚度相对铰接式低。

盘绕式伸展臂是目前研究最深入、应用最广泛的一种伸展臂体制，可分为有铰式和无铰式。国外已有相应的机构研制成功盘绕式空间伸展臂，比较有代表性的是包括：美国国家航空航天局研制的Astro-mast伸展臂成功应用于Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast无铰伸展臂成功应用于Space Flight Unit航天器的太阳电池阵。由于各方面原因国内对空间可展机构的研究起步较晚，目前虽已开展相关研究，但尚无成功应用于航天器的盘绕式空间伸展臂。受制于此国内的航天器始终局限在中、小型平台难以“大型化”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，以提供一种高伸缩比、可自主展开的低成本盘绕式无铰空间伸展臂。

本发明是一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其技术方案是：

该伸展臂主要包括：

若干三叉横架，呈“Y”形，三个顶点处具有穿孔，相邻两个三叉横架之间的节距根据伸展臂刚度确定；

三根纵杆，贯穿于三叉横架的穿孔中；纵杆与三叉横架的连接处通过上下两夹具固定；

若干节间对角加劲索，为固定于伸展臂节间每侧面的钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

其中，所述的三叉横架的材料为钛镍形状记忆合金。

其中，所述的三叉横架的厚度为0.5毫米。

其中，所述的三叉横架中心具有一圆孔，用于穿过锁紧释放机构。

其中，所述的纵杆的材料为钛镍形状记忆合金。

其中，所述的纵杆的直径为2mm。

其中，所述的伸展臂盘绕半径R(即3根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，为69mm。

其中，所述的节距(即相邻两个三叉横架之间的距离)应满足盘压时几何约束协调。即半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索两端点距离要大于收拢时的距离，可推导出节距取值范围R＜t＜2R。

在盘绕折叠过程中，纵杆屈曲所至端点转角由三叉横架的径向杆扭转变形实现，节间对角加劲索长度引起的变形由三叉横架的弯曲变形实现。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到2％。展开时3根连续纵杆为伸展臂提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆直径根据伸展臂刚度、盘绕半径等确定。

本实用新型盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其优点及功效是：以最简单的机构形式实现了高伸缩比、高可靠性、高刚度、高抗剪切和扭转的伸展臂，大幅减少了零件数量、简化了装配布局和检测、减轻了质量、节约了成本。可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池阵、空间站主结构等领域。

附图说明

图1为盘绕式无铰空间伸展臂的展开后示意图。

图2为Y形三叉架示意图。

图3为盘压收拢状态示意图。

图中具体标号如下：

1、三叉横架    2、纵杆    3、夹具

4、圆孔        5、节间对角加劲索

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，如图1至3所示，该伸展臂主要包括：

Y形三叉横架1、3根连续纵杆2和节间对角加劲索5三部分。

三叉横架采用厚度为0.5毫米的钛镍合金加工而成，三个顶点处具有穿孔，三叉横架之间的节距根据伸展臂刚度确定，并通过上下两夹具3固定；为纵杆2提供侧向支撑，节距根据伸展臂刚度确定。3根纵杆长度与伸展臂展开长度相同，贯穿于三叉横架的穿孔中，由具有优异超弹性的钛镍合金加工而成，纵杆与三叉横架的连接处通过上下两夹具固定。

节间对角加劲索5为桁架侧面节间钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

在盘绕折叠过程中，纵杆屈曲所至端点转角由三叉横架径向杆扭转变形实现，对节间对角加劲索长度引起的变形由三叉横架的弯曲变形实现。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到2％。展开时3根连续纵杆为伸展臂提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆直径根据伸展臂刚度、盘绕半径等确定。

下面详述该伸展臂各参数的设计：

1、伸展臂设计参数

盘绕式伸展臂设计参数包括几何结构设计参数、结构特性等。几何结构设计决定结构特性(频率、模态、屈曲临界载荷)、质量、伸缩比。伸展臂节距、伸展臂盘绕半径、以及纵杆直径是关键设计参数。

(1)纵杆直径d

根据整体刚度的要求和材料的力学性能，确定d＝2mm。

(2)纵杆弹性极限弯曲应变ε

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{2R}$

式中：R为伸展臂盘绕半径。

考虑到纵杆的材料性能和整体的刚度，选取伸展臂纵杆弹性极限弯曲应变ε＝0.0143。

(3)盘绕半径R

伸展臂盘绕半径R(3根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，一般为50～200mm，由上面的计算得R＝69mm。

(4)节距t

节距是指相邻2个三叉横架之间的距离。节距应满足盘压时几何约束协调。半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索两端点距离要大于收拢时的距离，可推导出节距取值范围R＜t＜2R，取t＝1.36R≈95mm。

(5)收藏高度h

参阅图3，伸展臂盘绕一圈后3根纵杆叠起的高度为

c＝3(e+d)

其中e为盘压后纵杆间的间隙(纵杆与三叉横架的夹具高度)，为保证连接处强度取e＝d，则

c＝6d＝12εR

则伸展臂完全收拢后的高度h为

$h=\frac{l}{2\mathrm{\πR}}\·c=1.910\mathrm{\ϵ}\·l$

其中l为伸展臂展开后的长度。实例中取l＝2m，则收拢高度h＝54.626mm。

2、伸展臂力学性能

弯曲刚度：

EI＝1.5πER⁴ε²

其中：d为纵杆的直径。

剪切刚度：

GA＝3EA_dsinφcos²φ

其中：EA_d为对角加劲索预加张力后的拉伸刚度；φ为对角加劲索与三叉横架之间的夹角，为38.1°。

扭转刚度：

GJ＝0.5GAR²

其中：G是纵杆材料的剪切模量；A是纵杆的截面积。

弯曲强度：

M_cr＝7.44ER³ε⁴

同时，弯曲强度还要受纵杆失稳条件限制，上式只适用于1根纵杆受压，2根纵杆受拉，并且节距等于1.25R的情形，实际上，节距最小只能取到1.0R。

剪切强度：

V_cr＝1.84ER²ε⁴

需要说明的是上式受三叉横架失稳条件限制。

扭转强度：

T_cr＝1.59ER³ε⁴

需要说明的是上式受三叉横架失稳条件限制。

Claims (8)

1、一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：该伸展臂包括：

三叉横架，呈“Y”形，三个顶点处具有穿孔，相邻两个三叉横架之间的节距根据伸展臂刚度确定；

三根纵杆，贯穿于三叉横架的穿孔中；纵杆与三叉横架的连接处通过上下两垫片固定；

节间对角加劲索，为固定于伸展臂每侧面节间的钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

2、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的三叉横架的材料为钛镍形状记忆合金。

3、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的三叉横架的厚度为0.5毫米。

4、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的三叉横架中心具有一圆孔。

5、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的纵杆的材料为钛镍形状记忆合金。

6、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的纵杆的直径为2mm。

7、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的伸展臂盘绕半径R为69mm。

8、根据权利要求1所述的一种盘绕式Y形横架无铰空间伸展臂，其特征在于：所述的节距t为95mm。

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