專利名稱：一種探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)， 適用于小型衛(wèi)星探測載荷支撐。
背景技術(shù)：
空間展開機構(gòu)是實現(xiàn)太陽帆、天線展開、探測載荷支撐等功能的主要機構(gòu)之一，隨著研究深入，該技術(shù)日臻成熟，出現(xiàn)了多種不同的空間展開機構(gòu)。主要分為桁架式展開機構(gòu)、充氣式展開機構(gòu)和伸縮式展開機構(gòu)。桁架式展開機構(gòu)，利用鉸鏈連接桿，形成網(wǎng)格狀的展開結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是機構(gòu)性能好，長度大，缺點是笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要應(yīng)用于空間探測器、較大型的太陽電池帆板及重力梯度桿。充氣式展開機構(gòu)，以柔性薄膜材料制造，內(nèi)部為空腔，可進行充氣展開。優(yōu)點是質(zhì)量輕，折疊效率高，缺點是可靠性不足，結(jié)構(gòu)易硬化。主要應(yīng)用于大型次結(jié)構(gòu)體的展開。隨著空間任務(wù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星的應(yīng)用越來越廣泛，這要求空間展開機構(gòu)必須具有小質(zhì)量、大伸縮比等特點。伸縮式展開機構(gòu)漸漸成為空間伸桿機構(gòu)的發(fā)展方向。伸縮式展開機構(gòu)可以分為套筒伸縮式展開機構(gòu)和薄壁管伸縮式展開機構(gòu)。套筒伸縮式展開機構(gòu)，由一系列同心的圓柱形薄壁套筒組成，可以一個疊一個地收縮在一起，展開后有一部分重疊的部分，類似電視機的天線。其優(yōu)點是伸縮比大、穩(wěn)定性好，缺點是笨重、長度受限。主要應(yīng)用于大型航天器，電池帆板。薄壁管伸縮式展開機構(gòu)，主要利用金屬薄壁殼材料的彈性變形，采用類似卷尺的自展開方式完成展開。其優(yōu)點是重量輕、體積小，缺點是展開過程不可控，不能收回。主要應(yīng)用于小型航天器。上述的兩種類型的伸縮式空間展開機構(gòu)都存在不足，套筒伸縮式展開機構(gòu)比較笨重、長度受限，薄壁管伸縮式展開機構(gòu)展開過程不可控、不能收回，都不能完全適應(yīng)小衛(wèi)星的技術(shù)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種伸縮比大、可收回、展開平穩(wěn)、位置可控的伸縮式空間展開機構(gòu)，保證探測載荷的支撐需要，適合小型衛(wèi)星的技術(shù)要求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于包括存儲部分、傳動部分、支撐部分；所述存儲部分包括卷筒、固定板、扭轉(zhuǎn)彈簧、中心軸、偏心軸、伸桿；所述傳動部分包括主動引導(dǎo)輪、被動引導(dǎo)輪、張緊輪、電機、滾子鏈、擺臂、拉緊彈簧、電機輸出輪；所述支撐部分包括支架壁、底板、支撐項圈、支撐臂；存儲部分用于存儲卷曲后的伸桿；傳動部分用于引導(dǎo)伸桿展開；支撐部分用于保持整個伸桿機構(gòu)各部分的相對位置；卷筒內(nèi)部有中心軸和偏心軸，中心軸與支架壁固定，通過軸承與卷筒連接，偏心軸直接通過軸承與卷筒連接；卷筒內(nèi)部安裝有一對扭轉(zhuǎn)彈簧，在伸桿展開過程中存儲能量，收回過程中釋放能量，每個扭轉(zhuǎn)彈簧分別與中心軸和偏心軸相固定；伸桿的自然狀態(tài)是展開狀態(tài)，通過主動引導(dǎo)輪和被動引導(dǎo)輪的壓平過程，可以緊密地卷曲到卷筒之上；伸桿的末端通過卷筒上的固定板與卷筒固定；主動引導(dǎo)輪與支架壁通過軸承連接，被動引導(dǎo)輪通過軸承與擺臂一端連接；擺臂中心可相對支架壁轉(zhuǎn)動，另一端通過拉緊彈簧與底板固定；電機給整個系統(tǒng)提供動力，帶動主動引導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)伸桿展開，電機固定于電機架上， 通過滾子鏈與主動引導(dǎo)輪相連；支撐項圈與伸桿的形狀一樣，通過支撐臂與支架壁、底板固定。 所述張緊輪可以在支架壁上左右移動，調(diào)節(jié)滾子鏈的松緊。所述電機為直流無刷伺服電機，可以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、位置控制。所述主動引導(dǎo)輪，電機輸出輪，張緊輪在同一垂直平面。所述卷筒的主體為一個鋁制的圓筒，伸桿存儲時卷曲在卷筒上。本發(fā)明的原理如

圖1所示，為了實現(xiàn)伸桿機構(gòu)展開與收回兩個過程，首先采用電機驅(qū)動，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動，再設(shè)計了扭轉(zhuǎn)彈簧，安裝于卷筒內(nèi)部。整個伸桿機構(gòu)在伸桿展開與收回的過程中存在能量轉(zhuǎn)換在展開過程中，電機對系統(tǒng)提供能量，卷筒隨之轉(zhuǎn)動，伸桿將釋放出來，扭轉(zhuǎn)彈簧存儲能量。在收回過程中，電機反轉(zhuǎn)提供能量，卷筒隨之反向轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)彈簧釋放能量，伸桿存儲能量。但是，只有伸桿的能量、彈簧的能量和電機的能量之間滿足一定的關(guān)系，才能保證伸桿順利的展開和收回。首先考慮伸桿，伸桿從展開狀態(tài)到存儲狀態(tài)要經(jīng)過壓平和卷曲兩個過程，應(yīng)力不能超過材料的限制，能量應(yīng)該滿足一定的關(guān)系。應(yīng)力容易保證，能量計算過程如下。壓平過程，半個伸桿截面尺寸圖如圖4所示，伸桿截面由三段相切的圓弧組成，伸桿材料厚度為t，材料彈性模量為E，泊松比為μ，伸桿長度為L，大圓弧弧長為L1,小圓弧弧長為L2,大圓弧半徑為Γι，小圓弧半徑為r2。由材料力學(xué)知識可以推出，伸桿壓平的能量
Uboomflat 為:
/ i Li ι \Ul^rtrtmfl-f — L· Uf"af||a|f _ A , 乂.,.，I"Τ L·η JI. i) 卷曲過程，伸桿被壓平后，相當(dāng)于成為兩塊平行放置的長板，只用計算長板被卷曲到卷筒上的能量變化。伸桿被壓平后的寬度為W，卷筒的直徑為D，由類似的方法可以推出， 伸桿卷曲的能量U—為
「00201 Ut.,= 伸桿內(nèi)的總能量ub。。mt。tal是壓平過程能量與卷曲過程能量的和，因此有
「00221 IL,=IL + IL,=— —
"""boomtotal "Dooillflat ‘ tjDoomspool 12 1 ——μ*· 然后考慮扭轉(zhuǎn)彈簧能量。如圖5所示為扭轉(zhuǎn)彈簧尺寸示意圖，扭轉(zhuǎn)彈簧由存儲筒和輸出筒組成，其中存儲筒直徑為屯，輸出筒直徑為d2，彈簧條厚度為t1;寬度為b，彈簧材料彈性模量為E1，泊松比為μ，扭轉(zhuǎn)彈簧扭矩 ；為
扭轉(zhuǎn)彈簧存儲的能量Usp,ing，可以通過扭矩對扭轉(zhuǎn)角度的積分得到，考慮到扭轉(zhuǎn)彈簧力矩幾乎恒定，能量可筒化為力矩與角度的積
權(quán)利要求
1.一種探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于包括存儲部分(1)、傳動部分O)、支撐部分(3)；所述存儲部分(1)包括卷筒(101)、固定板(102)、扭轉(zhuǎn)彈簧(103)、 中心軸(104)、偏心軸(105)、伸桿(106)；所述傳動部分(2)包括主動引導(dǎo)輪(201)、被動引導(dǎo)輪002)、張緊輪003)、電機004)、滾子鏈005)、擺臂006)、拉緊彈簧Q07)、電機輸出輪O08)；所述支撐部分C3)包括支架壁(301)、底板(302)、支撐項圈(303)、支撐臂(304)；存儲部分(1)用于存儲卷曲后的伸桿(106)；傳動部分(2)用于引導(dǎo)伸桿(106) 展開；支撐部分(3)用于保持整個伸桿機構(gòu)各部分的相對位置；卷筒(101)內(nèi)部有中心軸 (104)和偏心軸(105)，中心軸(104)與支架壁(301)固定，通過軸承與卷筒(101)連接，偏心軸(10 直接通過軸承與卷筒(101)連接；卷筒(101)內(nèi)部安裝有一對扭轉(zhuǎn)彈簧(103)， 在伸桿(106)展開過程中存儲能量，收回過程中釋放能量，每個扭轉(zhuǎn)彈簧(10 分別與中心軸(104)和偏心軸(10 相固定；伸桿(106)的自然狀態(tài)是展開狀態(tài)，通過主動引導(dǎo)輪 (201)和被動引導(dǎo)輪Q02)的壓平過程，可以緊密地卷曲到卷筒(101)之上；伸桿(106)的末端通過卷筒(101)上的固定板(102)與卷筒(101)固定；主動引導(dǎo)輪O01)與支架壁 (301)通過軸承連接，被動引導(dǎo)輪(20 通過軸承與擺臂(206) —端連接；擺臂Q06)中心可相對支架壁(301)轉(zhuǎn)動，另一端通過拉緊彈簧(207)與底板(30 固定；電機(204)給整個系統(tǒng)提供動力，帶動主動引導(dǎo)輪(201)轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)伸桿(106)展開，電機Q04)固定于電機架上，通過滾子鏈(20 與主動引導(dǎo)輪(201)相連；支撐項圈(30 與伸桿(106)的形狀一樣，通過支撐臂(304)與支架壁(301)、底板(302)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于所述張緊輪(20 可以在支架壁(301)上左右移動，調(diào)節(jié)滾子鏈O05)的松緊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于所述電機(204)為直流無刷伺服電機，可以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、位置控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于所述主動引導(dǎo)輪001)，電機輸出輪008)，張緊輪(20 在同一垂直平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，其特征在于所述卷筒(101)的主體為一個鋁制的圓筒，伸桿存儲時卷曲在卷筒(101)上。
全文摘要
一種探測載荷支撐用伸縮式空間伸桿機構(gòu)，主要由存儲部分、傳動部分和支撐部分組成。存儲部分用于存儲卷曲后的伸桿；傳動部分用于傳遞力矩，電機提供主動力矩，帶動主動引導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)伸桿展開；支撐部分用于保持伸桿系統(tǒng)各部分的相對位置。三個部分協(xié)同工作，構(gòu)成整個系統(tǒng)。其優(yōu)點在于伸桿機構(gòu)伸縮比大，減輕了整個系統(tǒng)的重量；存儲部分的扭轉(zhuǎn)彈簧，保證了伸桿的順利收回；伸桿展開過程平穩(wěn)，減小了伸桿對衛(wèi)星本體姿態(tài)的影響；位置可控的電機，保證了展開位置的精度。本發(fā)明可應(yīng)用于小型衛(wèi)星探測載荷的展開，相對于現(xiàn)有伸桿機構(gòu)具有伸縮比大、可收回、展開平穩(wěn)、位置可控等優(yōu)點。
文檔編號B64G1/24GK102501988SQ20111028673
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者李丹, 楚中毅, 雷宜安 申請人:北京航空航天大學(xué)