專利名稱：盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，屬于航天器設(shè)計(jì) 技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
隨著航天器功能的日益復(fù)雜，對(duì)航天器的能源需求成倍增長(zhǎng)，航天器太陽(yáng) 電池陣的面積也隨之成倍增長(zhǎng)，但航天器的包絡(luò)尺寸受運(yùn)載火箭有效載荷艙容 積的限制，這就需要可在發(fā)射段收縮、在空間展開的空間伸展臂。我國(guó)未來(lái)的 空間站對(duì)能源功率的需求將在20kW以上，現(xiàn)有的剛性基板一扭簧鉸鏈展開式 太陽(yáng)翼已無(wú)法滿足需求，而盤繞式空間伸展臂是未來(lái)大功率太陽(yáng)翼的最佳選擇。
又如電子偵察衛(wèi)星為準(zhǔn)確對(duì)地面信號(hào)源定位，要求多個(gè)探測(cè)器之間有足夠的 基線長(zhǎng)度，使用盤繞式空間伸展臂可以較好滿足該要求。
目前，常用的空間伸展臂主要有薄壁管狀伸展臂、套筒管狀伸展臂、鉸接 式伸展臂、盤繞式伸展臂等。薄壁管狀伸展臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠性高、收攏體積 小、可重復(fù)展開和收攏，但其根部翹曲限制了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而熱穩(wěn)定性、抗彎 及抗扭剛度較低，難以實(shí)現(xiàn)精確定位；套筒管狀伸展臂可靠性高、可重復(fù)展開 和收攏，但收攏后仍較長(zhǎng)、構(gòu)造較復(fù)雜；鉸接式伸展臂剛度高、壽命長(zhǎng)、抗振 性好、精度高，但構(gòu)造工藝很復(fù)雜、鉸接點(diǎn)多、可靠性相對(duì)較低；盤繞式伸展 臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小、可靠性高、伸縮比大，缺點(diǎn)是剛度相對(duì)鉸接式低。
盤繞式伸展臂是目前研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一種伸展臂體制，可分為有鉸式和無(wú)鉸式。國(guó)外已有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)研制成功盤繞式空間伸展臂，比較有代
表性的是包括美國(guó)國(guó)家航空航天局研制的Astro-mast伸展臂成功應(yīng)用于 Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast無(wú)鉸伸展臂成功應(yīng)用于 Space Flight Unit航天器的太陽(yáng)電池陣。由于各方面原因國(guó)內(nèi)對(duì)空間可展機(jī)構(gòu)的 研究起步較晚，目前雖已開展相關(guān)研究，但尚無(wú)成功應(yīng)用于航天器的盤繞式空 間伸展臂，且國(guó)外的技術(shù)又對(duì)中國(guó)保密。受制于此國(guó)內(nèi)的航天器始終局限在中、 小型平臺(tái)難以"大型化"。本實(shí)用新型通過(guò)采用了一種簡(jiǎn)單的鉸鏈形式實(shí)現(xiàn)了該 伸展臂的研制。 實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，是一 種高伸縮比、可自主展開的低成本盤繞式有鉸空間伸展臂。
本實(shí)用新型是一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其技術(shù)方案是該 伸展臂包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對(duì)角加勁索。
所述的鉸接式三角形橫架，由三個(gè)三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成， 為縱桿提供側(cè)向支撐。所述的三角形鉸接頭由一個(gè)60。.連接件、 一個(gè)有階梯的 圓柱接頭、三個(gè)螺釘和兩個(gè)螺母組成。鈦鎳合金短桿的端頭通過(guò)兩個(gè)M2螺釘 固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設(shè)有兩個(gè)①lmm的孔用于固定 對(duì)角加勁索；圓柱接頭較細(xì)的一端為M2螺紋，通過(guò)螺母限制圓柱接頭相對(duì)于 60°連接件的三個(gè)位移和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不限制軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱接頭通過(guò)軸向的 M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。
相鄰兩個(gè)三角形橫架的節(jié)距根據(jù)伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過(guò)程中，縱 桿屈曲所至端點(diǎn)轉(zhuǎn)角由鉸鏈實(shí)現(xiàn)，對(duì)角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲變形實(shí)現(xiàn)。三根縱桿長(zhǎng)度與伸展臂展開長(zhǎng)度相同，由具有優(yōu)異超彈性的鈦鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時(shí)縱桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達(dá)到3%。 展開時(shí)三根連續(xù)縱桿為伸展臂提供軸向彎曲剛度和強(qiáng)度?？v桿直徑根據(jù)伸展臂 剛度、盤繞半徑等確定。節(jié)間對(duì)角加勁索為伸展臂每側(cè)面節(jié)間鋼絲，承受預(yù)應(yīng) 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉(zhuǎn)剛度。
其中，所述的縱桿直徑為2mm。
其中，所述的伸展臂盤繞半徑R (三根縱桿中心線外接圓半徑)對(duì)剛度有 重要影響， 一般為.50 200mm。
其中，相鄰兩個(gè)鉸接式三角形橫架之間的節(jié)距應(yīng)滿足盤壓時(shí)幾何約束協(xié)調(diào)， 半節(jié)距小于盤繞半徑，且展開時(shí)對(duì)角加勁索兩端點(diǎn)距離要大于收攏時(shí)的距離， 可推導(dǎo)出節(jié)距取值范圍R<t<2R。
本實(shí)用新型一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其優(yōu)點(diǎn)及功效是以 簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了高伸縮比、高可靠性、高剛度的伸展臂。相比國(guó)外己研 制的盤繞式有鉸伸展臂，鉸鏈的形式更加簡(jiǎn)化，減少了零件數(shù)量、簡(jiǎn)化了裝配 布局和檢測(cè)、減輕了質(zhì)量、節(jié)約了成本?？捎糜诳臻g探測(cè)臂、航天器大型太陽(yáng) 電池陣、空間站主結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。


圖1為盤繞式有鉸空間伸展臂的展開后示意圖。
圖2為鉸接式三角形橫架示意圖。
圖3為圓柱接頭的剖視圖
圖4為盤壓收攏狀態(tài)示意圖。.
圖中具體標(biāo)號(hào)如下
1、三角形橫架 2、縱桿 3、對(duì)角加勁索4、三角形鉸接頭 5、 60°連接件 6、圓柱接頭
7、 M2螺釘 8、 M3螺釘 9、螺母
10、鈦鎳合金短桿具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。 如圖1所示，本發(fā)一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其技術(shù)方案是: 該伸展臂包括若干鉸接式三角形橫架l、三根縱桿2及若干對(duì)角加勁索3。
如圖2，所述的鉸接式三角形橫架，由三個(gè)三角形鉸接頭4和三根鈦鎳合 金短桿10組成，為縱桿提供側(cè)向支撐。所述的三角形鉸接頭4由一個(gè)60° 連接件5、 一個(gè)有階梯的圓柱接頭6、三個(gè)螺釘和兩個(gè)螺母9組成。鈦鎳合金短 桿10的端頭通過(guò)兩個(gè)M2螺釘7固定于60°連接件5的孔內(nèi)；60°連接件上 還設(shè)有的兩個(gè)①lmm的孔用于固定對(duì)角加勁索；圓柱接頭如圖3所示，其較細(xì) 的一端為M2螺紋，通過(guò)螺母9限制圓柱接頭相對(duì)于60。連接件的三個(gè)位移和 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不限制軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱接頭通過(guò)軸向的M3螺釘8將縱桿與60。 連接件固定連接。
相鄰兩個(gè)三角形橫架的節(jié)距根據(jù)伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過(guò)程中，縱 桿屈曲所至端點(diǎn)轉(zhuǎn)角由鉸鏈實(shí)現(xiàn)，對(duì)角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲 變形實(shí)現(xiàn)。三根縱桿長(zhǎng)度與伸展臂展開長(zhǎng)度相同，由具有優(yōu)異超彈性的釹鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時(shí)縱桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達(dá)到3%。 展開時(shí)三根連續(xù)縱桿為伸展臂提供軸向彎曲剛度和強(qiáng)度。縱桿直徑根據(jù)伸展臂 剛度、盤繞半徑等確定。節(jié)間對(duì)角加勁索為伸展臂每側(cè)面節(jié)間鋼絲，承受預(yù)應(yīng) 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉(zhuǎn)剛度。
下面詳述伸展臂各參數(shù)的設(shè)計(jì)。1、伸展臂設(shè)計(jì)參數(shù)
本實(shí)用新型所述的伸展臂設(shè)計(jì)參數(shù)包括幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性等。 結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)決定結(jié)構(gòu)特性(頻率、模態(tài)、屈曲臨界載荷)、質(zhì)量、伸縮比。 伸展臂節(jié)距、伸展臂盤繞半徑、以及縱桿直徑是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。
(1) 縱桿直徑d 根據(jù)整體剛度的要求和材料的力學(xué)性能，確定d=2mm。
(2) 縱桿彈性極限彎曲應(yīng)變s
￡■=——
2及
式中d為縱桿直徑；R為伸展臂盤繞半徑。
考慮到縱桿的材料性能和整體的剛度，選取伸展臂縱桿彈性極限彎曲應(yīng)變 f = 0.0143。
(3) 盤繞半徑R
伸展臂盤繞半徑R (三根縱桿中心線外接圓半徑)對(duì)剛度有重要影響，一 般為50 200mm，由上面的計(jì)算得R=70mm。
(4) 節(jié)距t
節(jié)距是指相鄰兩個(gè)三叉架之間的距離節(jié)距應(yīng)滿足盤壓時(shí)幾何約束協(xié)調(diào)。 半節(jié)距小于盤繞半徑，且展開時(shí)對(duì)角加勁索兩端點(diǎn)距離要大于收攏時(shí)的距離， 可推導(dǎo)出節(jié)距取值范圍R<t<2R，取？ = 1.36i95附m 。
(5) 收藏高度h
參閱圖4，伸展臂盤繞一圈后三根縱桿疊起的高度為
c = 3(e +力
其中e為盤壓后縱桿間的間隙(縱桿與三角形橫架的三角形鉸接頭高度)， 為保證連接處強(qiáng)度取e=d，則伸展臂完全收攏后的高度h為
其中/為伸展臂展開后的長(zhǎng)度。實(shí)例中取"2m，則收攏高度"54.6mm。
2、伸展臂力學(xué)性能
彎曲剛度-
其中d為連續(xù)縱桿的直徑。 剪切剛度
GL4 = 3五4 sin^cos2 ^ 其中^A為對(duì)角件加勁索預(yù)加張力后的拉伸剛度；-為對(duì)角件加勁索與:
角形橫架之間的夾角，為38.r 。
扭轉(zhuǎn)剛度
O/ = 0.5G^ 2
其中G是縱桿材料的剪切模量；^是縱桿的截面積。 彎曲強(qiáng)度
Mcr = 7.44E7 3s4
同時(shí)，彎曲強(qiáng)度還要受縱桿失穩(wěn)條件限制。 剪切強(qiáng)度
^ =1.8機(jī)2￡4
需要說(shuō)明的是上式笑三角形橫架失穩(wěn)條件限制。 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度
乙=1.5懂3 需要說(shuō)明的是上式受三角形橫架失穩(wěn)條件限制，典型情況下，三角形橫架短桿 直徑應(yīng)取縱桿截面直徑的80%。
權(quán)利要求1、一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對(duì)角加勁索，其特征在于所述的鉸接式三角形橫架，由三個(gè)三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成，為縱桿提供側(cè)向支撐；所述的三角形鉸接頭由一個(gè)60°連接件、一個(gè)有階梯的圓柱接頭、三個(gè)螺釘和兩個(gè)螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過(guò)兩個(gè)M2螺釘固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設(shè)有的兩個(gè)孔用于固定對(duì)角加勁索；圓柱接頭較細(xì)的一端為M2螺紋，通過(guò)螺母限制圓柱接頭相對(duì)于60°連接件的三個(gè)位移和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不限制軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱接頭通過(guò)軸向的M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的縱桿直徑為2mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的伸展臂盤繞半徑R-70mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的相鄰兩個(gè)鉸接式三角形橫架之間的節(jié)距t=95mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對(duì)角加勁索鉸接式三角形橫架，由三個(gè)三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成，為縱桿提供側(cè)向支撐；所述的三角形鉸接頭由一個(gè)60°連接件、一個(gè)有階梯的圓柱接頭、三個(gè)螺釘和兩個(gè)螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過(guò)兩個(gè)M2螺釘固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設(shè)有的兩個(gè)孔用于固定對(duì)角加勁索；圓柱接頭較細(xì)的一端為M2螺紋，通過(guò)螺母限制圓柱接頭相對(duì)于60°連接件的三個(gè)位移和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不限制軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱接頭通過(guò)軸向的M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。本實(shí)用新型可用于空間探測(cè)臂、航天器大型太陽(yáng)電池陣、空間站主結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B64G1/22GK201309599SQ20082012469
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者偉 張, 王新升, 海 黃 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)