ES2877127T3 - Dispositivo de despliegue de cinta métrica con sección no constante - Google Patents
Dispositivo de despliegue de cinta métrica con sección no constante Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo de despliegue (10,20) que comprende una cinta métrica (11, 21, 31, 41) capaz de moverse de una configuración enrollada alrededor de un primer eje Z a una configuración desplegada a lo largo de un segundo eje X sustancialmente perpendicular al primer eje Z, teniendo la cinta métrica (11, 21, 31, 41) dos dimensiones características, siendo la primera dimensión característica la anchura (13) de la cinta métrica (11, 21, 31, 41) a lo largo del primer eje Z, siendo la segunda dimensión característica el grosor (14) de la cinta métrica (11, 21, 31, 41) a lo largo de un tercer eje Y sustancialmente perpendicular al primer eje Z y al segundo eje X, teniendo al menos una de las dos dimensiones características un valor no constante a lo largo del segundo eje X, caracterizado porque la cinta métrica (21) tiene un extremo encastrado (22) y porque la al menos una de las dos dimensiones características tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X, aumentando y disminuyendo en una primera porción (23) de la cinta métrica (21) y aumentando en una segunda porción (24) de la cinta métrica (21) hacia el extremo encastrado (22).
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de despliegue de cinta métrica con sección no constante
La presente invención se refiere a un dispositivo de despliegue de cinta métrica con una sección no constante. Se aplica, en particular, al ámbito de los equipos espaciales que deben ser desplegados en órbita y, más concretamente, a los equipos espaciales para satélites, como antenas, generadores solares e instrumentos. Sin embargo, la invención es aplicable a cualquier otro campo en el que sea deseable alejar un objeto de una estructura de soporte.
En el campo espacial, las cintas métricas se utilizan frecuentemente en el despliegue, véase el documento CN 106 864772 A. En la posición almacenada (o enrollada), las cintas métricas se enrollan alrededor de un mandril. La cinta métrica se despliega de forma autónoma al desenrollarse espontáneamente cuando el mandril queda libre para girar. Las cintas métricas son conocidas en el ámbito espacial como cintas flexibles que tienen una sección transversal arqueada con un radio de curvatura convexo en una primera cara y un radio de curvatura cóncavo en una segunda cara, siendo estas cintas capaces de cambiar del estado enrollado al estado desenrollado esencialmente en virtud de su propia energía elástica. Hay diferentes tipos de cinta con diferentes propiedades. Las cintas monoestables tienen una posición natural desplegada y necesitan ser mantenidas en una posición almacenada. Por tanto, las cintas métricas monoestables tienen una tendencia natural a desplegarse para retornar a su estado desenrollado. El despliegue de cintas monoestables suele ser anárquico e incontrolado. Las cintas biestables tienen dos posiciones naturales (enrollada y desenrollada) y no es necesario mantenerlas en la posición enrollada cuando la sección está totalmente aplanada. Su despliegue es lineal y controlado.
Cuando se desea alejar el objeto de la estructura de soporte, por ejemplo para posicionar un objeto, las cintas métricas son necesarias para mantener el objeto en la configuración enrollada y para proporcionar rigidez al conjunto durante el despliegue. Sin embargo, las cintas métricas no tienen la misma rigidez a lo largo del eje de tensión. Una fuerza F aplicada en la cara convexa de la cinta métrica tenderá a provocar la flexión de la misma, mientras que la misma fuerza aplicada en la cara cóncava no tendrá ningún efecto, lo que plantea un problema de inestabilidad de la estructura flexible en su estado desplegado. Para resolver este problema de estabilidad del estado desplegado, es necesario entonces sobredimensionar la cinta métrica para que permanezca estable bajo las fuerzas orbitales, sea cual sea su dirección de aplicación.
Así, en la configuración almacenada, la cinta métrica debe ser lo más compacta posible, es decir, tener un radio de enrollamiento lo más pequeño posible. Este parámetro viene dado por las características físicas de la cinta, generalmente, el radio de enrollamiento es sustancialmente igual al de su radio de curvatura. En la configuración desplegada, se busca la mayor rigidez posible, lo que significa una sección lo más grande y cerrada posible asociada al mayor encastrado posible del extremo de la cinta métrica. Estas soluciones no están optimizadas en masa.
La invención tiene como objetivo aliviar todos o parte de los problemas mencionados anteriormente, proponiendo un dispositivo de despliegue que comprende una cinta métrica enrollable y desplegable, que tiene la ventaja de ahorrar espacio, ser simple de fabricar, tener una optimización de la masa del dispositivo de despliegue, y permitir la rigidez y la estabilidad de la cinta métrica cuando está desplegada.
Para ello, el objeto de la invención es un dispositivo de despliegue que comprende una cinta métrica capaz de pasar de una configuración enrollada alrededor de un primer eje Z a una configuración desplegada a lo largo de un segundo eje X sustancialmente perpendicular al primer eje Z, teniendo la cinta métrica dos dimensiones características una primera dimensión característica es la anchura de la cinta métrica a lo largo del primer eje Z, una segunda dimensión característica es el grosor de la cinta métrica a lo largo de un tercer eje Y sustancialmente perpendicular al primer eje Z y al segundo eje X, teniendo al menos una de las dos dimensiones características un valor no constante a lo largo del segundo eje X.
Según un ejemplo no reivindicado, la cinta métrica tiene un extremo libre, y la al menos una de las dos dimensiones características tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X que disminuye hacia el extremo libre.
Según la invención, la cinta métrica tiene un extremo encastrado, y la al menos una de las dos dimensiones características tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X, que aumenta y disminuye en una primera porción de la cinta métrica y aumenta en una segunda porción de la cinta métrica hacia el extremo encastrado. Ventajosamente, el dispositivo de despliegue según la invención comprende al menos un refuerzo local colocado en la cinta métrica, que se extiende al menos parcialmente a lo largo del primer eje Z y/o se extiende al menos parcialmente a lo largo del segundo eje X, preferentemente.
Una sección transversal de la cinta métrica puede ser una sección transversal cilíndrica, en forma de U o en forma de omega.
La invención también se refiere a un satélite que comprende al menos un dispositivo de despliegue como el descrito anteriormente.
La invención se entenderá mejor y otras ventajas se harán evidentes a partir de la descripción detallada de una realización ejemplar, cuya descripción se ilustra mediante los dibujos adjuntos en los que:
• la figura 1 representa un dispositivo de despliegue de cinta métrica según la técnica anterior,
• la figura 2 representa un ejemplo de dispositivo de despliegue no reivindicado,
• la figura 3 representa otra vista del ejemplo del dispositivo de despliegue,
• la figura 4 representa una primera realización de un dispositivo de despliegue con una cinta métrica encastrada según la invención,
• la figura 5 representa otra vista de la primera realización del dispositivo de despliegue según la invención, • la figura 6 representa otra realización de una cinta métrica de un dispositivo de despliegue según la invención,
• la figura 7 representa otra realización de una cinta métrica de un dispositivo de despliegue según la invención,
• las figuras 8, 9 y 10 representan secciones alternativas de una cinta métrica de un dispositivo de despliegue según la invención,
• la figura 11 representa esquemáticamente un satélite que comprende al menos un dispositivo de despliegue según la invención.
En aras de la claridad, los mismos elementos llevarán las mismas referencias en las distintas figuras.
La invención se aplica a cintas métricas monoestables o biestables. La implementación de cintas métricas monoestables requiere un mayor esfuerzo de guiado. Las cintas métricas biestables se prefieren por su despliegue homogéneo. Además, en la configuración enrollada, permanecen enrolladas y en la configuración desplegada, permanecen desplegadas.
La figura 1 representa un dispositivo de despliegue de cinta métrica 1 según la técnica anterior. El dispositivo de despliegue 1 comprende una cinta métrica 2 capaz de pasar de una configuración enrollada alrededor de un primer eje Z a una configuración desplegada a lo largo de un segundo eje X sustancialmente perpendicular al primer eje Z. La anchura 3 de la cinta métrica es la misma a lo largo del eje X y es igual a la anchura 3 de la cinta métrica en el punto de enrollamiento alrededor del mandril 4. Esto corresponde a la configuración habitual desplegada de la técnica anterior, la mejor rigidez posible se obtiene mediante una sección tan grande, tan gruesa y tan cerrada como sea posible, posiblemente asociada a un encastrado del extremo de la cinta métrica.
La figura 2 representa un ejemplo de dispositivo de despliegue 10. El dispositivo de despliegue 10 comprende una cinta métrica 11 capaz de pasar de una configuración enrollada alrededor de un primer eje Z a una configuración desplegada a lo largo de un segundo eje X sustancialmente perpendicular al primer eje Z. La cinta métrica 11 tiene dos dimensiones características, siendo una primera dimensión característica 13 la anchura de la cinta métrica 11 a lo largo del primer eje Z, y una segunda dimensión característica 14 el grosor de la cinta métrica 11 a lo largo de un tercer eje Y sustancialmente perpendicular al primer eje Z y al segundo eje X. Al menos una de las dos dimensiones características 13, 14 tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X. En otras palabras, la anchura de la cinta métrica 11 y/o el grosor de la cinta métrica 11 pueden evolucionar a lo largo del segundo eje X. En particular, se puede observar en la figura 2 que la anchura 13 de la cinta métrica hacia su extremo libre es menor que la anchura 13 de la cinta métrica en el mandril (la representación de la zona sombreada permite una comparación visual de las anchuras). Esta solución permite un ahorro de peso considerable, del orden del 30%, en comparación con una solución con una sección de cinta métrica constante, garantizando al mismo tiempo una buena rigidez de la cinta métrica. Para dimensionar este tipo de estructuras, se intenta optimizar la relación masa/rigidez tratando de obtener un índice de tensión en el material lo más homogéneo posible. Este tipo de resultado puede lograrse mediante procesos de optimización topológica que permiten encontrar la distribución óptima del material en un volumen determinado sujeto a restricciones.
La figura 3 representa otra vista del ejemplo del dispositivo de despliegue 10, y más específicamente una vista de la cinta métrica 11 desplegada a lo largo del segundo eje X. Como se ha explicado anteriormente, la cinta métrica 11 tiene un extremo libre 16, y la al menos una de las dos dimensiones características (aquí, la anchura) tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X. En el ejemplo mostrado, la anchura disminuye hacia el extremo libre. Se puede observar que con un ancho de cinta métrica constante, la cinta métrica 11 se extendería hasta la línea de puntos 17. Esto da lugar a un aumento de la masa.
Gracias a esta optimización de la sección, es posible así implementar un dispositivo de motorización de menor capacidad, más ligero y menos voluminoso, ya que la sección es menos importante en una gran longitud, lo que implica una menor necesidad de par de bobinado.
Según el mismo principio, el grosor 14 de la cinta métrica 11 a lo largo del tercer eje Y también puede evolucionar a lo largo del segundo eje X. Preferiblemente, el grosor 14 de la cinta métrica 11 es mayor en la base de la cinta métrica 11, es decir, cerca del mandril, y más fino hacia el extremo libre. Por ejemplo, para una cinta métrica de 100 mm de diámetro, el grosor puede ser de 0,6 mm en 2 o 3 metros de cinta métrica y luego pasar a 0,4 mm, para terminar en 0,3 mm al final de la cinta métrica. La evolución del grosor permite una ganancia significativa del peso. Sin embargo, se mantiene la rigidez de la cinta métrica.
Puede observarse que la anchura y/o el grosor aumentan y/o disminuyen, de forma lineal o no lineal. Los perfiles evolutivos están determinados de antemano. Las secciones del pie y la cabeza de la cinta métrica se definen mediante cálculos de la resistencia mecánica de la cinta métrica, incluidos los procedimientos de optimización mencionados anteriormente.
Dado que la cinta métrica está hecha de fibras de carbono, de vidrio o de otro tipo, para cambiar el grosor de la cinta métrica, se añaden o se quitan fibras en función del grosor deseado.
Con el fin de obtener una anchura evolutiva, la cinta métrica se mecaniza generalmente por control digital en función de las zonas que están tensionadas o no.
La figura 4 representa una primera realización de un dispositivo de despliegue de cinta métrica encastrada 20 según la invención. La cinta métrica 21 tiene un extremo encastrado 22. La al menos una de las dos dimensiones características (anchura 13, grosor 14) tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X, aumentando y disminuyendo en una primera porción 23 de la cinta métrica 21 y aumentando en una segunda porción 24 de la cinta métrica 21 hacia el extremo encastrado 22. Cabe señalar que el eje X debe entenderse como el eje a lo largo del cual la cinta métrica se extiende localmente en la configuración desplegada, y que se extiende localmente en una dirección sustancialmente perpendicular al eje de enrollamiento Z de la cinta métrica.
La figura 5 representa otra vista de la primera realización del dispositivo de despliegue 20 según la invención, y más concretamente una vista de la cinta métrica 21 desplegada a lo largo del segundo eje X. Esta representación destaca el perfil evolutivo de la sección, en anchura, de la cinta métrica 21. Si se compara con la línea de puntos 25 a lo largo de la cual se extendería una cinta métrica de la técnica anterior, la ganancia de masa es claramente visible.
Esto resulta en una optimización de la masa y la rigidez del dispositivo de despliegue. Esta optimización puede permitir, a una frecuencia equivalente en la configuración desplegada en comparación con un dispositivo de la técnica anterior, reducir el grosor de la cinta métrica y, por tanto, reducir la energía necesaria para enrollar la cinta métrica.
La figura 6 representa otra realización de una cinta métrica 31 de un dispositivo de despliegue según la invención. En esta realización, el dispositivo de despliegue comprende al menos un refuerzo local 32 colocado en la cinta métrica 31, que se extiende al menos parcialmente a lo largo del segundo eje X. Preferiblemente, el refuerzo local 32 se coloca a lo largo de toda la longitud de la cinta métrica 31, en sus bordes y/o en el centro de la cinta métrica 31. El refuerzo 32 permite reforzar localmente la cinta métrica 31 y garantizar así la rigidez deseada de la cinta métrica 31.
La figura 7 representa otra realización de una cinta métrica 41 de un dispositivo de despliegue según la invención. En esta realización, el dispositivo de despliegue comprende al menos un refuerzo local 42 colocado en la cinta métrica 41, que se extiende al menos parcialmente a lo largo del primer eje Z. De acuerdo con un ejemplo no reivindicado, el refuerzo local 42 está colocado en el extremo libre de la cinta métrica 41, pero puede estar colocado en otros lugares de la cinta métrica 41.
Los refuerzos locales 32, 42 son generalmente tiras de carbono. Puede ser un tejido o fibra unidireccional (para refuerzos longitudinales) o fibras tejidas en una sección principal, o cruzadas. Las fibras se ajustan a las tensiones de la cinta métrica.
Su posición y forma están relacionadas con la geometría de la cinta métrica. Se colocan donde se encuentran las tensiones, determinándose previamente el campo de tensiones mediante herramientas de modelado de la cinta métrica. Esto asegura que el perfil de corte no afecta a la integridad de la cinta métrica, y la rigidez de la cinta métrica está garantizada por la presencia de refuerzos locales si es necesario.
Las figuras 8, 9 y 10 representan secciones alternativas de una cinta métrica de un dispositivo de despliegue según la invención. La figura 8 representa una de las llamadas secciones cilíndricas, como las representadas en las figuras anteriores.
Sin embargo, la sección transversal de la cinta métrica puede tener forma de U, como se representa en la figura 9. En el caso de un dispositivo de despliegue que implementa dos cintas métricas en el mismo plano, la rigidez en este plano se obtiene por la presencia de las dos cintas métricas. Una sección en forma de U de las cintas métricas proporciona una mayor rigidez en el otro plano.
Alternativamente, también es posible considerar una sección llamada "omega" como se representa en la figura 10. Esta sección también permite limitar la fricción sobre sí misma a la entrada del rodillo.
La figura 11 representa esquemáticamente un satélite 60 que comprende al menos un dispositivo de despliegue según la invención.
Claims (4)
1. Dispositivo de despliegue (10,20) que comprende una cinta métrica (11, 21, 31, 41) capaz de moverse de una configuración enrollada alrededor de un primer eje Z a una configuración desplegada a lo largo de un segundo eje X sustancialmente perpendicular al primer eje Z, teniendo la cinta métrica (11, 21, 31, 41) dos dimensiones características, siendo la primera dimensión característica la anchura (13) de la cinta métrica (11, 21, 31, 41) a lo largo del primer eje Z, siendo la segunda dimensión característica el grosor (14) de la cinta métrica (11, 21, 31, 41) a lo largo de un tercer eje Y sustancialmente perpendicular al primer eje Z y al segundo eje X, teniendo al menos una de las dos dimensiones características un valor no constante a lo largo del segundo eje X,
caracterizado porque la cinta métrica (21) tiene un extremo encastrado (22) y porque la al menos una de las dos dimensiones características tiene un valor no constante a lo largo del segundo eje X, aumentando y disminuyendo en una primera porción (23) de la cinta métrica (21) y aumentando en una segunda porción (24) de la cinta métrica (21) hacia el extremo encastrado (22).
2. Dispositivo de despliegue (10, 20) según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende al menos un refuerzo local (32, 42) colocado en la cinta métrica (31, 41), que se extiende al menos parcialmente a lo largo del primer eje Z y/o se extiende al menos parcialmente a lo largo del segundo eje X, preferentemente.
3. Dispositivo de despliegue (10, 20) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una sección de la cinta métrica (11, 21, 31, 41) es una sección cilíndrica, en forma de U o la llamada sección en forma de omega.
4. Satélite (60) caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de despliegue (10, 20) según una de las reivindicaciones anteriores.
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