CN103786906B - 一种空间可展机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间可展机构，其包括若干相同的折展单元；其中，折展单元左右对称，其包括：两根相同的立杆，两根立杆纵向设置；两根相同的第一弦杆，该两根第一弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的上端；两根第一弦杆的末端通过转动副互相连接，形成V型杆；两根相同的第二弦杆，两根第二弦杆的中部通过转动副互相连接，形成剪叉机构；两根第二弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的下端；两根相同的第三弦杆，两根第三弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的中下部；两根第三弦杆的末端分别通过转动副连接于两根第二弦杆的末端。本发明空间可展机构具有较好的可展开性、较高的刚度、较高的误差包容性以及较低的加工制造要求。

Description

一种空间可展机构

技术领域

本发明属于航天器材与设备技术领域，涉及一种V型杆-剪叉式闭环单自由度机构，可用于卫星抛物面天线、空间伸展臂等。

背景技术

在现代社会中，信息成为最重要的资源之一，作为信息接收装置的天线地位至关重要。随着通信、空间科学的迅猛发展，卫星成为传播中继站的首选。为增加传递的信息量，迫切需要不断增大空间天线的口径，以提高其传输带宽、信号增益并且简化地面接收装置。由于受到火箭有效载荷舱容积和火箭运载力的限制，需要在发射阶段可以收缩为体积很小，而在运行阶段又能展开成大面积或者体积的高折叠比可展机构。因此，具有可展开、可建造性的天线在现代航天中广泛应用。

根据国外航天器已付诸应用的空间可展机构的资料，空间可展机构通常分为三种：杆状可展机构、面状可展机构和体状可展机构。其中可展开成平面的面状可展机构被大量应用于太阳能电池阵、卫星天线支撑架等领域，是目前应用最多的一类可展机构。根据可展机构的组成原理，可展机构又可以分为铰接式可展机构和柔性材料可展机构两大类，前者由运动副和连杆组成，此类机构的展开过程由铰链活动实现，可重复折叠展开性好、寿命长、抗震性好、精度高、刚度大，当前已经被广泛应用于空间可展桁架、空间伸展臂、卫星可展天线等领域，目前已作为成熟组件广泛的应用于各类航天器中。国内以往研制的折叠式太阳电池阵即属于铰接展开式机构。但是该类机构构造工艺复杂，铰接点较多。柔性材料可展机构由柔性材料的弹性变形实现折叠展开，构造工艺相对简单，但是可重复收拢性差，精度和刚度都相对较低。

当前国外已成功研制多种类型的铰接式可展机构，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、国际空间站主太阳翼支撑龙骨、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、美国Thuraya通信卫星上直径达12m的环形桁架式天线、日本ETS-8卫星上的13m口径构架型天线等。未来星球探测、太空组装与操作、太空建设、太空运输等作业，都需要宇航空间可折展机构来完成相应的作业。为此，我国相关科研机构对空间可展机构开展了一系列前瞻性的研究工作，并取得一定成果。

中国专利申请201110237143.0公开了一种可折叠发射、可z轴方向和x轴方向同时扩展的桁架单元。该方案中，第一纵向支撑柱和第四纵向支撑柱均与第一立柱和第二立柱相连通，第一纵向支撑柱和第二纵向支撑柱均与第一立柱和第四立柱相连通，第一横向支撑柱和第四横向支撑柱均与第二立柱和第四立柱相连通，第一横向支撑柱和第二横向支撑柱均与第一立柱和第一立柱相连通。

中国专利申请200810017474.1公开了一种空间可展开屏蔽面装置。其包括:折叠式环杆、环杆连接关节、折叠式肋杆、肋杆连接关节、环肋连接关节和肋框连接关节。折叠式环杆、肋杆通过环杆连接关节、肋杆连接关节可由竖直的收拢状态展开到水平的工作状态。环肋连接关节和肋框连接关节将环结构和肋结构连成一个收拢、展开整体结构。该整体结构上绑定有金属丝网或表面镀铝的薄膜，形成空间可展开屏蔽面装置。在捆绑的收拢状态下，环杆连接关节、肋杆连接关节中的扭簧存储弹性势能;解除捆绑后，扭簧的弹性势能转化为驱动能，驱动环杆、肋杆展开并自动锁定。

由于太空环境恶劣、影响因素多，要求可展开机构在太空中具有较好的可展开性，一定的误差包容性以及较高的加工制造水平。因此，目前尚无大型复杂的空间可展机构付诸应用。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种空间可展机构，其具有较好的可展开性、较高的刚度、较高的误差包容性以及较低的加工制造要求，以更好地适应太空环境。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间可展机构，其包括若干相同的折展单元；其中，折展单元左右对称，其包括：

两根相同的立杆，两根立杆纵向设置；

两根相同的第一弦杆，该两根第一弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的上端；两根第一弦杆的末端通过转动副互相连接，形成V型杆；

两根相同的第二弦杆，两根第二弦杆的中部通过转动副互相连接，形成剪叉机构；两根第二弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的下端；

两根相同的第三弦杆，两根第三弦杆的始端分别通过转动副连接于两根立杆的中下部；两根第三弦杆的末端分别通过转动副连接于两根第二弦杆的末端。

本发明中，可沿与立杆垂直方向排布多个该基本折展单元并形成闭环，作为周边桁架式可展开机构；亦可沿与立杆平行方向排布多个该基本折展单元或借助V型杆等机构形成多边形闭环截面，再沿与立杆垂直方向延拓该单元，作为空间伸展臂机构。通过调整弦杆长度以改变两立杆之间的角度、在弦杆与立杆之间增加与立杆同轴心的转动副或将原转动副升级为球副，可使该闭环基本单元由矩形单元变为梯形单元，从而使延拓之后的周边桁架式展开机构可由圆柱式变为圆锥式，亦可使得延拓之后的伸展臂形成相应曲率的弧形、弯折相应的角度。

本发明中，转动副可为例如铰接。

本发明的折展单元基于经典的四杆机构，延伸出对称的四杆机构，形成带折叠杆的剪叉机构；自由延伸立杆长度并由V型杆封闭形成闭环。

本发明的空间可展机构可以通过额外的运动副组成周边桁架式大尺度空间可展机构、或径射式可展开机构、以及多种型式的空间伸展臂等大型空间可展开机构网络。

本发明采用由八个连杆、十个转动副组成的面状可展单元，属闭环单自由度机构，具有大折叠比，作为模块单元可以组装成大尺度空间可展机构，如周边桁架式环形天线支撑架或径射状伞型天线支撑架。该机构由经典的四杆机构演变而来。特点是将四杆机构延拓成为带有折叠杆的剪叉机构，并与V型杆组合，构成单自由度闭环折展单元。

根据本发明另一具体实施方式，折展单元为矩形，多个所述折展单元沿与所述立杆垂直的方向横向延拓，组成圆柱形闭环。

根据本发明另一具体实施方式，折展单元为梯形，多个所述折展单元沿与所述立杆垂直的方向横向延拓，组成圆锥形闭环。

根据本发明另一具体实施方式，多个折展单元沿立杆方向纵向延拓。

根据本发明另一具体实施方式，折展单元的展开状态为：两条第一弦杆横向拉直，与立杆垂直；第三弦杆与相连的第二弦杆拉直。

根据本发明另一具体实施方式，折展单元的折叠状态为：两条第一弦杆形成锐角，呈V字形排布；第三弦杆与第二弦杆平行或接***行。

根据本发明另一具体实施方式，相邻的两个折展单元共用一根立杆。

本发明的有益效果是：相比于经典的矩形框架折展单元，本发明中的剪叉机构大大提升了闭环折展单元的刚度，可靠性高；相比于传统的剪叉式折展单元，将滑动副替换为折叠杆与转动副的组合，改善了机构的可展开性，提升了误差包容性，允许机构在一定范围内的参数变化情况下仍然可以正常展开与收拢，从而降低了加工制造要求、适应空间多变环境。同时，本发明的空间可展机构仍保有较高的折叠比。因此，本发明的展开性能良好、可靠性高，适用于大尺度空间可展机构。

附图说明

图1为实施例1中，折展单元的结构示意图；

图2为实施例1中，折展单元的展开中间状态简图；

图3为实施例1中，折展单元的折叠状态简图；

图4为由6个折展单元组成的周边桁架式环形机构的展开状态简图；

图5为由6个折展单元组成的周边桁架式环形机构的中间状态简图；

图6为由6个折展单元组成的周边桁架式环形机构的收拢状态简图；

图7为实施例2中，折展单元的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图4-图6所示，本实施例的空间可展机构包括若干（6个）相同的折展单元；相邻的两个折展单元共用一根立杆；6个折展单元沿与立杆垂直的方向横向延拓，组成圆柱形闭环。

其中，如图1所示，折展单元为矩形，其左右对称，其包括：

两根相同的立杆101、102，两根立杆纵向设置；

两根相同的第一弦杆201、202，该两根第一弦杆201、202的始端分别通过转动副501、502（例如铰接，以下同）连接于两根立杆101、102的上端；两根第一弦杆201、202的末端通过转动副503互相连接，形成V型杆；

两根相同的第二弦杆301、302，两根第二弦杆301、302的中部通过转动副506互相连接，形成剪叉机构；两根第二弦杆301、302的始端分别通过转动副504、505连接于两根立杆101、102的下端；

两根相同的第三弦杆401、402，两根第三弦杆401、402的始端分别通过转动副507、508连接于两根立杆101、102的中下部；两根第三弦杆401、402的末端分别通过转动副509、500连接于两根第二弦杆301、302的末端。

如图1所示，折展单元的展开状态为：两条第一弦杆201、202横向拉直，与立杆101、102垂直；第三弦杆401与相连的第二弦杆301拉直，第三弦杆402与相连的第二弦杆302拉直。

如图2所示，折展单元的展开中间状态为：两条第一弦杆形成锐角，呈V字形排布；第三弦杆401与相连的第二弦杆301形成锐角，呈V字形排布；第三弦杆402与相连的第二弦杆302形成锐角，呈V字形排布。

如图3所示，折展单元的折叠状态为：两条第一弦杆形成锐角，呈V字形排布；第三弦杆401、402与第二弦杆301、302平行或接***行。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于:如图7所示，折展单元为梯形，多个折展单元沿与立杆垂直的方向横向延拓，组成圆锥形闭环。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于:多个折展单元沿立杆方向纵向延拓，再沿与立杆垂直的方向横向延拓，形成空间伸展臂机构。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种空间可展机构，其包括若干相同的折展单元；其中，所述折展单元左右对称，其包括：

两根相同的立杆，所述两根立杆纵向设置；

两根相同的第一弦杆，所述两根第一弦杆的始端分别通过转动副连接于所述两根立杆的上端；所述两根第一弦杆的末端通过转动副互相连接，形成V型杆；

两根相同的第二弦杆，所述两根第二弦杆的中部通过转动副互相连接，形成剪叉机构；所述两根第二弦杆的始端分别通过转动副连接于所述两根立杆的下端；

两根相同的第三弦杆，所述两根第三弦杆的始端分别通过转动副连接于所述两根立杆的中下部；所述两根第三弦杆的末端分别通过转动副连接于所述两根第二弦杆的末端。

2.如权利要求1所述的空间可展机构，其中，折展单元为矩形，多个所述折展单元沿与所述立杆垂直的方向横向延拓，组成圆柱形闭环。

3.如权利要求1所述的空间可展机构，其中，折展单元为梯形，多个所述折展单元沿与所述立杆垂直的方向横向延拓，组成圆锥形闭环。

4.如权利要求1-3之一所述的空间可展机构，其中，多个所述折展单元沿立杆方向纵向延拓。

5.如权利要求1所述的空间可展机构，其中，所述折展单元的展开状态为：两条所述第一弦杆横向拉直，与立杆垂直；所述第三弦杆与相连的第二弦杆拉直。

6.如权利要求5所述的空间可展机构，其中，所述折展单元的折叠状态为：两条所述第一弦杆形成锐角，呈V字形排布；所述第三弦杆与第二弦杆平行或接***行。

7.如权利要求1所述的空间可展机构，其中，相邻的两个所述折展单元共用一根立杆。