CN201309599Y - 盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，包括：若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索：铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，为纵杆提供侧向支撑；所述的三角形铰接头由一个60°连接件、一个有阶梯的圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成；钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有的两个孔用于固定对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2螺纹，通过螺母限制圆柱接头相对于 60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。本实用新型可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池阵、空间站主结构等领域。

Description

盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂

技术领域：

本实用新型涉及一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，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-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，使用盘绕式空间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，且国外的技术又对中国保密。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”。本实用新型通过采用了一种简单的铰链形式实现了该伸展臂的研制。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，是一种高伸缩比、可自主展开的低成本盘绕式有铰空间伸展臂。

本实用新型是一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其技术方案是：该伸展臂包括：若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索。

所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，为纵杆提供侧向支撑。所述的三角形铰接头由一个60°连接件、一个有阶梯的圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成。钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有两个Φ1mm的孔用于固定对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2螺纹，通过螺母限制圆柱接头相对于60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。

相邻两个三角形横架的节距根据伸展臂刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵杆屈曲所至端点转角由铰链实现，对角加劲索所引起的形变由三根短杆的弯曲变形实现。三根纵杆长度与伸展臂展开长度相同，由具有优异超弹性的钛镍形状记忆合金加工而成。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到3％。展开时三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。节间对角加劲索为伸展臂每侧面节间钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

其中，所述的纵杆直径为2mm。

其中，所述的伸展臂盘绕半径R(三根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，一般为50～200mm。

其中，相邻两个铰接式三角形横架之间的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。

本实用新型一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其优点及功效是：以简单的机构形式实现了高伸缩比、高可靠性、高刚度的伸展臂。相比国外已研制的盘绕式有铰伸展臂，铰链的形式更加简化，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为盘绕式有铰空间伸展臂的展开后示意图。

图2为铰接式三角形横架示意图。

图3为圆柱接头的剖视图

图4为盘压收拢状态示意图。

图中具体标号如下：

1、三角形横架    2、纵杆    3、对角加劲索

4、三角形铰接头    5、60°连接件    6、圆柱接头

7、M2螺钉          8、M3螺钉        9、螺母

10、钛镍合金短杆

具体实施方式：

下面结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本发一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其技术方案是：该伸展臂包括：若干铰接式三角形横架1、三根纵杆2及若干对角加劲索3。

如图2，所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头4和三根钛镍合金短杆10组成，为纵杆提供侧向支撑。所述的三角形铰接头4由一个60°连接件5、一个有阶梯的圆柱接头6、三个螺钉和两个螺母9组成。钛镍合金短杆10的端头通过两个M2螺钉7固定于60°连接件5的孔内；60°连接件上还设有的两个1mm的孔用于固定对角加劲索；圆柱接头如图3所示，其较细的一端为M2螺纹，通过螺母9限制圆柱接头相对于60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉8将纵杆与60°连接件固定连接。

相邻两个三角形横架的节距根据伸展臂刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵杆屈曲所至端点转角由铰链实现，对角加劲索所引起的形变由三根短杆的弯曲变形实现。三根纵杆长度与伸展臂展开长度相同，由具有优异超弹性的钛镍形状记忆合金加工而成。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到3％。展开时三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。节间对角加劲索为伸展臂每侧面节间钢丝，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

下面详述伸展臂各参数的设计。

1、伸展臂设计参数

本实用新型所述的伸展臂设计参数包括几何结构设计参数、结构特性等。结构几何设计决定结构特性(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d为纵杆直径；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(三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＝70mm。

(4)节距t

节距是指相邻两个三叉架之间的距离。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4，伸展臂盘绕一圈后三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(纵杆与三角形横架的三角形铰接头高度)，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＝54.6mm。

2、伸展臂力学性能

弯曲刚度：

EI＝1.5πER⁴ε²

其中：d为连续纵杆的直径。

剪切刚度：

GA＝3EA_dsinφcos²φ

其中：EA_d为对角件加劲索预加张力后的拉伸刚度；φ为对角件加劲索与三角形横架之间的夹角，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。

剪切强度：

V_cr＝1.84ER²ε⁴

需要说明的是上式受三角形横架失稳条件限制。

扭转强度：

T_cr＝1.59ER³ε⁴

需要说明的是上式受三角形横架失稳条件限制，典型情况下，三角形横架短杆直径应取纵杆截面直径的80％。

Claims (4)

1、一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，包括：若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索，其特征在于：所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，为纵杆提供侧向支撑；所述的三角形铰接头由一个60°连接件、一个有阶梯的圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成；钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有的两个孔用于固定对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2螺纹，通过螺母限制圆柱接头相对于60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。

2、根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征在于：所述的纵杆直径为2mm。

3、根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征在于：所述的伸展臂盘绕半径R＝70mm。

4、根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征在于：所述的相邻两个铰接式三角形横架之间的节距t＝95mm。

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