面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構的製作方法

2023-06-03 08:59:01 4

面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構的製作方法
【專利摘要】面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構，包括中心體（1）、充氣式支撐臂（2）、支撐臂法蘭（3）、導向杆（5）、支撐臂導向結構（6）、帆面（7）、帆面捲軸（8）、支撐結構（9）、帆面捲軸轉動軸承（10）、連接機構（11）、外包裝盒體側板（12）、外包裝盒體上板（13）、外包裝盒體底板（14）、外包裝上板解鎖機構（15）、外包裝側板展開機構（16）；本發明對於採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆太空飛行器進行了針對性設計，實現了採用充氣輔助自回彈式的支撐臂和柔性帆面的同時收納和支撐。其中的支撐包裝結構確保了太陽帆太空飛行器只需單一方向受力即可完成穩定有序的展開。
【專利說明】面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽帆摺疊展開的支撐與包裝結構，尤其適用於採用充氣輔助自回彈式支撐臂的百米級太陽帆結構的收納。
【背景技術】
[0002]太陽帆太空飛行器是指利用太陽光壓力獲得推進力進行宇宙航行的新型飛行器，理論上它的比衝無窮大，在太陽光壓作用下可以持續加速，最終可達到傳統太空飛行器5-10倍的速度，十分有利於進行深空探測。美國、歐洲、日本和俄羅斯均開展了太陽帆推進技術的深入研究。
[0003]由於太陽帆太空飛行器與傳統太空飛行器在構型上有本質性的差別，主體只有大柔性的帆面以及支撐結構兩個部分，並且帆面尺寸最大達到百米量級。所以在太陽帆技術中很重要的一項技術是如何設計帆的結構使得發射時帆體和支撐結構能夠緊湊的包裝起來，入軌後能有序可靠的展開。一般應選擇與展開方法一致的包裝方案，並要求包裝體積最小以及內部沒有殘存的氣體；太陽帆結構中所有元件的展開應該是可控的、穩定的以及對缺陷和小的擾動反應不敏感。各國研製的太陽帆個體之間由於展開方式、支撐方式、帆面摺疊方式的不同，個體之間存在較大的差異。由帆面形狀可分圓形、方形、扇葉形；為由展開方式的區另O，可分為自旋式展開、支撐臂展開；而根據支撐臂的形式又可分為自回彈式、可伸展桁架式等形式。每種形式均根據各自特定的收納方式來設計相應的支撐於包裝結構。
[0004]例如日本IKAROS太陽帆為自旋式展開，帆面通過摺疊後繞在中心體上，端部布置有質量塊，自旋中通過質量塊帶動帆面逐漸展開達到穩定，不存在複雜的收納結構，只需中心體及外包裝結構即可，與採用支撐臂形式的太陽帆太空飛行器結構形式具有本質性的差別。而支撐臂形式的太陽帆太空飛行器，無論是自回彈式或者展開桁架式，均為將支撐臂壓縮收納後，端點向外伸出，帶動帆面展開的模式。採用充氣輔助自回彈式支撐臂的百米級太陽帆雖然屬於支撐臂展開式，但由於尺寸達到百米級，所以在自回彈式支撐臂的基礎上採用充氣輔助結構，導致支撐臂收納形式與其他形式有著本質性的區別。例如美國NANO-D Sail太陽帆採用自回彈支撐臂，將支撐臂繞中心支承軸旋轉收納，帆面收納在與支撐臂同軸的收納機構上。由回彈力驅使支撐臂端點向外伸展，帆面隨同支撐臂展開，支撐臂端點與帆面端點運動方式一致大體上均為平年內的直線運動，收納機構非常緊湊簡單。而充氣輔助自回彈式支撐臂存在充氣結構，需要充氣設備，只能採用根部固定，收納部分向外彈出的方式，支撐臂與帆面運動模式不協調。且尺寸達到百米量級後支撐臂尺寸與摺疊帆面尺寸相差較大，由此會帶來的一系列收納展開的難點。
[0005]由於支撐臂形式的約束，以及巨大的尺寸帶來的約束，目前沒有針對於充氣輔助自回彈式太陽帆太空飛行器的支撐包裝結構。由於個體之間差異較大，以往太陽帆太空飛行器的支撐包裝結構已無法適用於百米級充氣輔助自回彈式太陽帆太空飛行器。

【發明內容】
[0006]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構。
[0007]本發明的技術解決方案是:面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構包括中心體、充氣式支撐臂、支撐臂法蘭、導向杆、支撐臂導向結構、帆面、帆面捲軸、支撐結構、帆面捲軸轉動軸承、連接機構、外包裝盒體側板、外包裝盒體上板、外包裝盒體底板、外包裝上板解鎖機構、外包裝側板展開機構。
[0008]中心體為整個結構的支撐結構，外包裝盒體上板和外包裝盒體底板分別安裝在中心體的上下兩個端面，中心體的側面通過支撐臂法蘭周向對稱安裝四個充氣式支撐臂，每個充氣式支撐臂分別從外側端點以導向杆為芯向內卷，直至支撐臂卷至與中心體接觸為止，充氣式支撐臂通過安裝在中心體內部的充氣裝置充氣；四套支撐臂導向結構分別固定在中心體的側面，且為導向杆提供導向路徑；帆面收納於帆面捲軸上，並通過支撐結構固定於中心體上，帆面捲軸和支撐結構之間安裝轉動軸承，帆面的外端點與導向杆端點採用連接機構連接；外包裝盒體側板的一側通過外包裝側板展開機構連接在外包裝盒體底板上，另一側通過外包裝上板解鎖機構與外包裝盒體上板連接。
[0009]所述的連接機構為萬向球形鉸鏈。
[0010]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0011](I)本發明對於採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆太空飛行器進行了針對性設計，實現了採用充氣輔助自回彈式的支撐臂和柔性帆面的同時收納和支撐。
[0012](2)本發明中的支撐包裝結構確保了太陽帆太空飛行器只需單一方向受力即可完成穩定有序的展開。
[0013]( 3 )本發明將百米級太陽帆太空飛行器壓縮至5立方米以內，大大壓縮了太陽帆太空飛行器的收納體積，提高了包裝結構的利用率，滿足發射要求。
[0014](4)本發明解決了充氣輔助自回彈式支撐臂在與帆面同步展開時的不協調轉動。【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明太陽帆整體支撐包裝結構示意圖；
[0016]圖2、3為本發明中帆面收納支撐結構俯視圖和主視圖；
[0017]圖4為本發明中支撐臂導向結構示意圖；
[0018]圖5為本發明中支撐臂導向杆與帆面外端部的連接機構示意圖；
[0019]圖6為本發明三維示意圖；
[0020]圖7為本發明解鎖機構示意圖；
[0021]圖8為本發明外包裝側板展開機構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。
[0023]本發明是完全針對採用充氣輔助自回彈式支撐臂的太陽帆太空飛行器，如圖1?6所示，包含:中心體1、充氣式支撐臂2、支撐臂法蘭3、導向杆5、支撐臂導向結構6、帆面7、帆面捲軸8、帆面捲軸支撐結構9、帆面捲軸轉動軸承10、連接機構11、外包裝盒體側板12、夕卜包裝盒體上板13、外包裝盒體底板14、外包裝上板解鎖機構15、外包裝側板展開機構16。[0024]中心體I為整個支撐包裝結構的主承力結構，為整個包裝結構以及各個部件提供支撐作用。
[0025]外包裝盒體上板13和外包裝盒體底板14分別安裝在中心體I的上下兩個端面，中心體I的側面通過支撐臂法蘭3周向對稱安裝四個充氣式支撐臂2。中心體支撐結構I內部收納充氣裝置，為充氣式支撐臂2充氣。
[0026]充氣式支撐臂2的最外端通過外端蓋密封,導向杆5通過安裝結構固定在外端蓋外側，每個充氣式支撐臂2分別以導向杆5為芯向內卷，直至支撐臂2卷至與中心體I接觸為止，充氣式支撐臂2的根部與中心體I側面固定；四套支撐臂導向結構6分別固定在中心體I的側面，(補充對導向結構6結構的描述，通過結構描述體現兩側的概念以及導向槽，並順便將下面描紅一端的文字修改並補充在此處);
[0027]導向結構6為長條形板結構，在板的中心向一側開槽。中心體每個面的兩側支撐臂滾子的兩邊，分別各固定對稱的導向結構。在支撐臂滾子的兩側，起到在無固定裝置的情況下，限制支撐臂滾子的收納位置，導向槽則在展開時起到為導向杆導向的作用，使支撐臂滾子沿導向路徑展開，且由於有位置限制，不會向兩側翻轉，影響其他部件的工作。
[0028]帆面7收納於帆面捲軸8上，並通過支撐結構9固定於中心體I上，為了在支撐的基礎上實現展開的功能，在帆面捲軸8和支撐結構9之間加了轉動軸承10。將帆面7、帆面捲軸8、支撐結構9以及轉動軸承10統稱為帆面展開機構，帆面展開機構共四套，分別置於相鄰兩個充氣式支撐臂2之間，帆面7為三角形結構，其一個頂點固定在帆面捲軸8上，兩外兩個頂點分別與相鄰導向杆的端部連接；這樣就可以使帆面7和支撐臂2在單一方向受到自回彈力或充氣氣壓時，即可穩定有序的展開。
[0029]外包裝盒體側板12的一側通過外包裝側板展開機構16連接在外包裝盒體底板14上，另一側通過外包裝上板解鎖機構15與外包裝盒體上板13連接。外包裝盒體側板12、夕卜包裝盒體上板13、外包裝盒體底板14對整個結構起到包裝防護的作用。外包裝上板解鎖機構15採用基於SMA (形狀記憶合金)的小型快速解鎖裝置對外包裝進行展開的控制。如圖7所示，包括SMA絲162、彈簧163、滑塊164、外殼165、鎖扣167和螺栓168 ；SMA絲將外殼165與滑塊164連接，其中隔有彈簧163保持相對位置。滑塊164與鎖扣167相互扣緊。而鎖扣167則通過螺栓168固定於側板12上。當控制系統發出解鎖指令時，通電使SMA絲162收縮，帶動滑塊164移動，滑塊164與側板12的連接解除，實現側板與上板的分離，達到解鎖目的。外包裝側板展開機構16則採用自回彈鉸鏈使結構在解鎖後能自主展開。如圖8所示，採用彈簧的回覆力使側板自行展開，此處也可用其他簧片等機構代替。
[0030]首先描述收納過程:支撐臂2通過支撐臂法蘭3固定在中心體支撐結構I上。每個充氣式支撐臂2分別以導向杆5為芯向中心體I方向捲起，收納方向為導向杆5與包裝盒體底板14平行向中心收納。形成支撐臂滾子捲入包裝盒體範圍內後，導向杆5將進入支撐臂導向結構6，卷至與中心體接觸後，支撐臂導向結構6起到限制左右位置的作用支撐臂整體進入固定位置。將帆面7進行Z字形摺疊後卷在帆面捲軸8上，捲軸8通過與轉動軸承10的連接實現捲軸的轉動，轉動軸承10又通過帆面捲軸支撐結構9固定於中心體I上，實現對帆面7的收納、支撐和固定。支撐臂2和帆面7固定後，將導向杆5端部與帆面7端部利用連接機構11實現支撐臂2和帆面7的協同運動。而後克服回復力將外包裝側板展開機構16逆向合攏後，將外包裝上板基於SMA (形狀記憶合金)的小型快速解鎖裝置解鎖機構15扣緊，至此收納過程完成。
[0031]展開過程:首先外包裝上板解鎖機構15動作，8片側板12同時與上板脫離。此時側板展開機構16，以回復力為驅動將8片側板展開。側板完全展開後，中心體I內部的充氣結構開始以穩定的壓力和流量對支撐臂2開始充氣，使之穩定有序的展開。隨著支撐臂2開始展開，導向杆5在支撐臂導向結構6中沿導引方向運動，以避免支撐臂與其他太空飛行器上其他敏感器和載荷有所幹涉，導向結構6將引導支撐臂2展開直至支撐臂滾子脫離包裝結構主體。隨著支撐臂2的向外展開，帆面7被帶動同時展開。帆面捲軸8在帆面的帶動下，通過轉動軸承10的轉動實現帆面的拉出、展開。但由於導向杆5有沿著長度方向的轉動，而帆面端點只是平面運動，兩部分運動無法匹配，此時支撐臂導向杆與帆面外端部的連接機構11起到作用，萬向軸承消除了兩部分的相對運動，使支撐臂2可以帶動帆面7穩定有序的展開
[0032]完全展開後，充氣設備維持支撐臂2中的氣壓穩定，保證其結構剛度。展開的包裝盒體側板12以及底板14設置有太陽能電池板，待太陽帆太空飛行器外包裝結構完全展開後，太陽能電池板即開始工作為敏感器、載荷等補充供電。
[0033]通過上述流程本發明中的支撐包裝結構使得太陽帆太空飛行器的收納、支撐、包裝、展開得以良好的運作。保證了在運載能力要求下的合理布置，最小收納比，並通過輔助結構和機構使得支撐臂2和帆面7得以有序穩定的展開，在軌道正常的進行工作。
[0034]本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構，其特徵在於:包括中心體(I)、充氣式支撐臂(2)、支撐臂法蘭(3)、導向杆(5)、支撐臂導向結構(6)、帆面(7)、帆面捲軸(8)、支撐結構(9)、帆面捲軸轉動軸承(10)、連接機構(11)、外包裝盒體側板(12)、外包裝盒體上板(13)、外包裝盒體底板(14)、外包裝上板解鎖機構(15)、外包裝側板展開機構(16)； 中心體(I)為整個結構的支撐結構，外包裝盒體上板(13)和外包裝盒體底板(14)分別安裝在中心體(I)的上下兩個端面，中心體(I)的側面通過支撐臂法蘭(3)周向對稱安裝四個充氣式支撐臂(2)，每個充氣式支撐臂(2)分別從外側端點以導向杆(5)為芯向內卷，直至支撐臂(2)卷至與中心體(I)接觸為止，充氣式支撐臂(2)通過安裝在中心體(I)內部的充氣裝置充氣；四套支撐臂導向結構(6)分別固定在中心體(I)的側面，且為導向杆(5)提供導向路徑；帆面(7)收納於帆面捲軸(8)上，並通過支撐結構(9)固定於中心體(I)上，帆面捲軸(8)和支撐結構(9)之間安裝轉動軸承(10)，帆面(7)的外端點與導向杆(5)端點採用連接機構(11)連接；外包裝盒體側板(12)的一側通過外包裝側板展開機構(16)連接在外包裝盒體底板(14)上，另一側通過外包裝上板解鎖機構(15)與外包裝盒體上板(13)連接。
2.根據權利要求1所述的面向採用充氣輔助自回彈式支撐臂太陽帆的支撐包裝結構，其特徵在於:所述的連接機構(11)為萬向球形鉸鏈。
【文檔編號】B65D81/03GK103466197SQ201310446304
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】成正愛, 劉宇飛, 張興華, 侯欣賓, 王立 申請人:中國空間技術研究院