CN214875671U - 一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，包括上平台、下平台、连接在上平台和下平台之间的滚珠丝杆、上滑动圈杆、中滑动圈杆、下滑动圈杆、直线轴承光轴撑杆、滚珠丝杆支撑轴承组件、滚珠丝杆固定轴承组件、上活动圈杆、中活动圈杆、下活动圈杆、电机和蒙皮体系；电机带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆带动三个滑动圈杆上下移动；展开时，上滑动圈杆和中滑动圈杆均向上运动，下滑动圈杆向下运动，滑动圈杆带动相应的上展开短杆、下展开短杆、展开长杆及连接长杆运动实现三个活动圈杆的展开。本实用新型所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，发射体积小，折叠效率高，空间防护能力强，工程实施简单，发射成本低。

Description

一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构

技术领域

本实用新型属于月球舱体结构领域，尤其是涉及一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构。

背景技术

传统大型刚性密封舱质量重、体积大、发射成本高、在轨组装困难且受运载火箭包络尺寸的限制，设计相对紧凑，舱内有效空间狭窄，导致诸多科学试验难以顺利开展，越来越难以满足未来深空探测发展的需要。近年来，随着人们深空探测步伐的加快，大型充气可展开结构越来越成为人们关注的焦点。充气可展开结构是一种新型太空结构，采用轻质柔性复合材料制成，在发射之前处于折叠状态，经运载火箭运载至预定工作轨道之后充气展开，从而在其内部或者表面提供更大的有效空间或表面积。与传统的空间刚性可展开结构相比，充气展开结构具有体积小、重量轻、加工制作成本低、容易设计成型、展开可靠性高等有点，且近年来由于复合材料技术的发展，可展开柔性防护结构比传统刚性外壳具有更好的防护性能。经运载火箭运载至预定工作轨道充气展开后的体积可达到其充气展开前体积的十几倍甚至几十倍，这一优势为构建大型空间结构提供了一条有效的解决途径。因此，开展大型充气可展开结构研究是解决当前较低发射能力与快速增长的航天任务之间矛盾的理想途径，在未来深空探测过程中具有广泛的应用前景。特别是未来的月球基地建设和火星基地建设，由于基地内部需要较大的活动空间，为了节约建造和发射成本，充气可展开舱体是理想的基地建造选择。

由于技术和材料的原因，目前的充气式展开舱体还存在以下问题：

(1)对于充气结构，常用的折叠方式主要是Z型折叠和卷曲折叠，但真正工程应用于充气式舱体的折叠技术是Z型折叠。由于折叠方式的限制，舱体的展开方式只能沿轴线展开，不能沿径向展开。这大大限制了充气式结构沿径向可展开优势的发挥。

(2)充气式舱体结构的刚化指的是通过某种方式赋予柔性舱体一定的刚度，使其能够承受自身及其他额外载荷而不发生结构失稳。对于充气式太空舱体，内压作用下在舱体蒙皮上产生的面内应力足以使舱体获得抵抗外力变形的能力。但在太空环境中，飞船可能会遇到振动环境，比如说发动机的点火。为了使得整个舱体能够相对于对接其他舱体稳定不晃动，因此需要再辅以舱内的可折叠锁定的刚性金属支撑，从而达到良好的稳固性能，而这一方面目前的研究相对匮乏。本申请创新地结合了充气展开与机械展开的优点，利于充气式建筑表皮蒙皮体系能够搭接在机械展开结构上，使之受力更加合理。

(3)充气展开式舱体展开后的形状一般设计成圆柱形或球形，因为在舱体的内部压力下，圆柱形或球形舱体相对于方形或多边形腔体受力更加均匀。由第(2)点提到，为了使得整个舱体能够相对于对接其他舱体稳定不晃动，需要在舱体内部或外部使用可折叠的金属框架，来确保整个结构的稳定不变形。因此，舱体的折叠方式取决于金属框架的折叠方式，舱体展开后的形状也取决于金属框架的折叠方式，而对于此方面的研究或者探索相对匮乏。本申请提供了一种可实现的折叠方式，对于舱体展开后的形态具有一定的拓展性。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，解决了现有充气式太空舱体的展开方式种类及展开后形状较为单一、舱体稳定性较差的问题，在折叠状态时利用火箭进行发射，然后在月球表面固定，进行机械式结合充气式展开。该申请具有发射体积小，折叠效率高，空间防护能力强，工程实施简单，发射成本低等优点。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，包括上平台、下平台、连接在所述上平台和下平台之间的滚珠丝杆、上滑动圈杆、中滑动圈杆、下滑动圈杆、直线轴承光轴撑杆、滚珠丝杆支撑轴承组件、滚珠丝杆固定轴承组件、上活动圈杆、中活动圈杆、下活动圈杆、电机和蒙皮体系；

所述上平台与下平台通过若干直线轴承光轴撑杆相连接，所述滚珠丝杆与电机相连接，滚珠丝杆与滚珠丝杆固定轴承组件相连接，滚珠丝杆固定轴承组件与滚珠丝杆支撑轴承组件、上滑动圈杆、中滑动圈杆及下滑动圈杆相连接；

所述的上滑动圈杆通过若干上展开短杆与上活动圈杆连接，上活动圈杆通过若干连接长杆与中活动圈杆连接，每个连接长杆通过一展开长杆与中滑动圈杆连接，所述的下活动圈杆通过若干下展开短杆与下滑动圈杆连接；所有活动圈杆均为可伸缩构件；

所述的蒙皮体系分别与上平台及下平台相连接并固定，所述的蒙皮体系通过充气机构进行充气展开；

电机带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆带动三个滑动圈杆上下移动；展开时，上滑动圈杆和中滑动圈杆均向上运动，下滑动圈杆向下运动，滑动圈杆带动相应的上展开短杆、下展开短杆、展开长杆及连接长杆运动实现三个活动圈杆的展开。

进一步的，上展开短杆通过一转动连接构件连接上活动圈杆和上滑动圈杆，连接长杆两端各通过一转动连接构件连接上活动圈杆和中活动圈杆。

进一步的，所述转动连接构件为转动铰链。

进一步的，展开短杆与对应的滑动圈杆之间通过滑动连接构件连接，展开长杆一端与相对应的连接长杆的中上部铰接，另一端通过滑动连接构件与中滑动圈杆连接。

进一步的，所述滑动连接构件为套设在滑动圈杆上的套筒，且套筒形状与滑动圈杆相配合，在套筒上开设有通孔，直线轴承光轴撑杆穿过套筒上的通孔及滑动圈杆上的通孔。

进一步的，所述上活动圈杆、中活动圈杆和下活动圈杆的结构均相同，均包括若干杆段和若干个弹簧，相邻两个杆段之间通过一个弹簧连接，若干杆段和若干弹簧围成圆环结构。

进一步的，所述上展开短杆、展开长杆、连接长杆和下展开短杆均与相应的圈杆的杆段部分进行连接。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构具有以下优势：

1、本申请的月球建筑，在折叠状态时利用火箭进行发射，然后在月球表面固定，进行机械式结合充气式展开。

2、结合了机械式展开的相关技术，能够有效的增强建筑整体结构的完整性和稳定性。

3、有利于充气式建筑表皮蒙皮体系能够搭接在机械展开结构上，使之受力更加合理。

4、对于建筑形态具有一定的拓展性，可以通过改变机械展开结构的展开方式以及蒙皮体系的折叠方式来改变建筑形态。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构展开前状态图；

图2为本实用新型实施例所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构半展开状态图；

图3为一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构半展开状态剖视图；

图4为一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构展开后状态图；

图5为一种结合机械展开与充气展开的月球舱体机械展开过程示意图；

图6为一种结合机械展开与充气展开的月球舱体的可展开地面的展开过程示意图；

图7为滚珠丝杆连接滑动圈杆示意图；

图8为上活动圈杆、中活动圈杆与上展开短杆、连接长杆和展开长杆的连接示意图；

图9为中滑动圈杆与直线轴承光轴撑杆、展开长杆的连接示意图；

图10为活动圈杆的结构示意图。

附图标记说明：

1-滚珠丝杆，2-滚珠丝杆固定轴承组件，3-直线轴承光轴撑杆，4-上滑动圈杆，5-可展开地面，6-上活动圈杆，7-上展开短杆，8-展开长杆，9-连接长杆，10-中活动圈杆， 11-上平台，12-下平台，13-滚珠丝杆支撑轴承组件，14-电机，15-转动连接构件，16- 滑动连接构件，17-蒙皮体系，18-中滑动圈杆，19-下滑动圈杆，20-下活动圈杆，21-下展开短杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1-图10所示，一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，包括上平台11、下平台12、连接在所述上平台11和下平台12之间的滚珠丝杆1、上滑动圈杆4、中滑动圈杆18、下滑动圈杆19、直线轴承光轴撑杆3、滚珠丝杆支撑轴承组件13、滚珠丝杆固定轴承组件2、上活动圈杆6、中活动圈杆10、下活动圈杆20、电机14和蒙皮体系17；滚珠丝杆支撑轴承组件13起到支撑滚珠丝杆的作用、滚珠丝杆固定轴承组件2主要启动定位滚珠丝杆及其他结构件的作用；

所述上平台11与下平台12通过若干直线轴承光轴撑杆3相连接，为月球舱体的核心舱部位主要结构体系，所述滚珠丝杆1与电机14相连接，滚珠丝杆1与滚珠丝杆固定轴承组件2相连接，滚珠丝杆固定轴承组件2与滚珠丝杆支撑轴承组件13、上滑动圈杆 4、中滑动圈杆18及下滑动圈杆19相连接；

所述的上滑动圈杆4通过若干上展开短杆7与上活动圈杆6连接，上活动圈杆6通过若干连接长杆9与中活动圈杆10连接，每个连接长杆9通过一展开长杆8与中滑动圈杆18连接，所述的下活动圈杆20通过若干下展开短杆21与下滑动圈杆19连接；所有活动圈杆均为可伸缩构件；此部分为月球舱体的主要展开结构，同时也作为蒙皮体系17 的支撑结构；

所述的蒙皮体系17分别与上平台11及下平台12相连接并固定，所述的蒙皮体系17通过充气机构进行充气展开；

电机带动滚珠丝杆1转动，滚珠丝杆1带动三个滑动圈杆上下移动；展开时，上滑动圈杆4和中滑动圈杆18均向上运动，下滑动圈杆19向下运动，滑动圈杆带动相应的上展开短杆、下展开短杆、展开长杆及连接长杆运动实现三个活动圈杆的展开；

所述月球舱体结构体系展开前状态为收缩圆筒形状，展开过程状态为径向扩张，呈现为梭体形状，展开后状态为圆球体形状。

上展开短杆7通过一转动连接构件15连接上活动圈杆6和上滑动圈杆4，连接长杆9两端各通过一转动连接构件15连接上活动圈杆6和中活动圈杆10。转动连接构件15 为转动铰链。

展开短杆与对应的滑动圈杆之间通过滑动连接构件16连接，展开长杆8一端与相对应的连接长杆的中上部铰接，另一端通过滑动连接构件与中滑动圈杆连接。滑动连接构件16为套设在滑动圈杆上的套筒，且套筒形状与滑动圈杆相配合，在套筒上开设有通孔，直线轴承光轴撑杆3穿过套筒上的通孔及滑动圈杆上的通孔。

上活动圈杆6、中活动圈杆10和下活动圈杆20的结构均相同，均包括若干杆段和若干个弹簧，相邻两个杆段之间通过一个弹簧连接，若干杆段和若干弹簧围成圆环结构。上展开短杆7、展开长杆8、连接长杆9和下展开短杆21均与相应的圈杆的杆段部分进行连接。

所述充气机构为可以迅速产生气体的化学反应堆装置，化学反应堆装置迅速产生的气体将蒙皮体系展开，也可以借助鼓风机将产生的气体能够更快的吹入里蒙皮体系17中。

蒙皮体系17由剁成柔性复合材料(如薄膜或织物)构成，主要包括气密层(或气体阻隔层)、增强层(或结构层、限制层)、微流星体/轨道碎片防护层、防辐射层及多层隔热层，气密层的材质为聚亚安酯、聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚酰胺或铝箔；增强层的材质为：Kevlar织物或Vectran织物；微流星体/轨道碎片防护层的材质为聚酯泡沫或聚乙烯；防辐射层的材质为绝缘织物或薄膜材料。

所述月球舱体结构体系还包括可展开地面5，所述可展开地面5与滚珠丝杆固定轴承组件2相连接固定，所述可展开地面5由形状记忆合金驱动。所述可展开地面5按照闪电折叠方式进行展开。可展开地面按照闪电(Flasher)折叠方式进行展开。该结构展开的动力来源于温度变化，温度变化改变结构形状。本申请中所涉及到的可展开地面采用一种形状记忆聚合物而构建的机械结构，能根据温度改变形状。这种结构采用了圆形框架而非球形框架，其中包含圆盘状薄片。薄片的折叠原理与“闪光之物”(flasher)的折纸相同，其中平行的折痕使薄片能够折叠成一个有点像玫瑰花瓣图案的紧凑螺旋形。闪电折叠是混合了对角线折叠和矩形折叠，可以是四边形、五边形乃至多边形折叠，通过比较优选六边形折展方案，是一种现有的折叠模型，在此不再赘述。

一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构的展开方法，具体包括以下步骤：

步骤一、由于滚珠丝杆1与滚珠丝杆固定轴承组件2相连接，滚珠丝杆固定轴承组件2与滚珠丝杆支撑轴承组件13及三个滑动圈杆相连接，因此启动电机14带动滚珠丝杆1转动，滚珠丝杆1带动上滑动圈杆4和中滑动圈杆18向上运动，带动下滑动圈杆19 向下运动，由于展开长杆、上展开短杆和下展开短杆分别通过一转动连接够件15与滑动连接构件16相连，因此随着上滑动圈杆4和中滑动圈杆18的向上移动，连接构件15可以使展开短杆灵活转动，滑动圈杆上的滑动连接构件带动上展开短杆7和展开长杆8进行活动，使得与上展开短杆7连接的上活动圈杆6展开，上活动圈杆6展开的同时以及展开长杆8的共同作用下使得中活动圈杆10展开；与此同时，随着下滑动圈杆19的向下运动，带动下展开短杆21带动下活动圈杆20展开，由于上展开短杆7、下展开短杆 21及连接长杆9的长度不同，因此上活动圈杆6、中活动圈杆10及下活动圈杆20的展开大小不同，中活动圈杆10展开最大，上活动圈杆6展开最小，呈现为梭体形状，至此完成机械展开；整个展开过程的电机14有控制装置控制启动和停止；

步骤二、与此同时，展开可展开地面5；可展开地面5采用一种形状记忆聚合物而构建的机械结构，能根据温度改变形状，可展开地面5按照闪电(Flasher)折叠方式进行展开；

步骤三、在机械展开与地面展开过程的同时，蒙皮体系13通过充气机构进行充气展开，至此月球舱体结构体系展开完成。

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

Claims (7)

1.一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：包括上平台(11)、下平台(12)、连接在所述上平台(11)和下平台(12)之间的滚珠丝杆(1)、上滑动圈杆(4)、中滑动圈杆(18)、下滑动圈杆(19)、直线轴承光轴撑杆(3)、滚珠丝杆支撑轴承组件(13)、滚珠丝杆固定轴承组件(2)、上活动圈杆(6)、中活动圈杆(10)、下活动圈杆(20)、电机(14)和蒙皮体系(17)；

所述上平台(11)与下平台(12)通过若干直线轴承光轴撑杆(3)相连接，所述滚珠丝杆(1)与电机(14)相连接，滚珠丝杆(1)与滚珠丝杆固定轴承组件(2)相连接，滚珠丝杆固定轴承组件(2)与滚珠丝杆支撑轴承组件(13)、上滑动圈杆(4)、中滑动圈杆(18)及下滑动圈杆(19)相连接；

所述的上滑动圈杆(4)通过若干上展开短杆(7)与上活动圈杆(6)连接，上活动圈杆(6)通过若干连接长杆(9)与中活动圈杆(10)连接，每个连接长杆(9)通过一展开长杆(8)与中滑动圈杆(18)连接，所述的下活动圈杆(20)通过若干下展开短杆(21)与下滑动圈杆(19)连接；所有活动圈杆均为可伸缩构件；

所述的蒙皮体系(17)分别与上平台(11)及下平台(12)相连接并固定，所述的蒙皮体系(17)通过充气机构进行充气展开；

电机带动滚珠丝杆(1)转动，滚珠丝杆(1)带动三个滑动圈杆上下移动；展开时，上滑动圈杆(4)和中滑动圈杆(18)均向上运动，下滑动圈杆(19)向下运动，滑动圈杆带动相应的上展开短杆、下展开短杆、展开长杆及连接长杆运动实现三个活动圈杆的展开。

2.根据权利要求1所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：上展开短杆(7)通过一转动连接构件(15)连接上活动圈杆(6)和上滑动圈杆(4)，连接长杆(9)两端各通过一转动连接构件(15)连接上活动圈杆(6)和中活动圈杆(10)。

3.根据权利要求2所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：所述转动连接构件(15)为转动铰链。

4.根据权利要求1所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：展开短杆与对应的滑动圈杆之间通过滑动连接构件(16)连接，展开长杆(8)一端与相对应的连接长杆的中上部铰接，另一端通过滑动连接构件与中滑动圈杆连接。

5.根据权利要求4所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：所述滑动连接构件(16)为套设在滑动圈杆上的套筒，且套筒形状与滑动圈杆相配合，在套筒上开设有通孔，直线轴承光轴撑杆(3)穿过套筒上的通孔及滑动圈杆上的通孔。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：所述上活动圈杆(6)、中活动圈杆(10)和下活动圈杆(20)的结构均相同，均包括若干杆段和若干个弹簧，相邻两个杆段之间通过一个弹簧连接，若干杆段和若干弹簧围成圆环结构。

7.根据权利要求6所述的一种结合机械展开与充气展开的月球舱体结构，其特征在于：所述上展开短杆(7)、展开长杆(8)、连接长杆(9)和下展开短杆(21)均与相应的圈杆的杆段部分进行连接。

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