一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统

1.本发明涉及一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，该系统可以用于航天器重力梯度杆展开、高精度空间探测载荷展开支撑以及天线、太阳电池阵等航天器展开附件的展开支撑，属于航天器材和设备技术领域。


背景技术：

2.随着航天技术的不断发展，航天任务向着高精度、高复杂度的趋势发展，一些先进探测载荷对于航天器平台的要求逐步提高。如一些高精度空间环境探测载荷，它们需要远离平台工作，确保其不受卫星平台电磁环境干扰。再比如一些空间天文观测载荷，它们需要平台提供足够长且稳定的成像光路。为了满足这些新的要求，使卫星构型可变成为了一种解决方案，而这种变构型需求往往通过空间可展开机构来实现，它们在卫星发射段收拢、在卫星入轨后展开。
3.根据国内外航天器已成功应用空间可展开机构的案例，常用的空间可展开机构主要有薄壁管状伸展臂机构、套筒管状伸展臂机构、铰链式伸展臂机构和盘绕式伸展臂机构等。薄壁管状伸展臂机构构造简单、可靠性高、收拢体积小、可重复展开和收拢，但其根部翘曲限制了结构强度，因而热稳定性、抗弯及抗扭刚度较低，难以实现精确定位；套筒管状伸展臂机构可靠性高、可重复展开和收拢，但收拢后所占体积很大、构造较复杂；铰链式伸展臂机构刚度高、抗振性好、精度高，但铰接点多、构造工艺复杂，可靠性低；盘绕式伸展臂机构则构造简单、质量较小、可靠性高、伸缩比大，非常适合于小卫星的空间展开任务。
4.盘绕式伸展臂机构按照有无铰链可分为无铰盘绕式伸展臂和有铰盘绕式伸展臂，其中无铰盘绕式伸展臂刚度更高，但装配工艺复杂、对伸展臂材料要求更高；有铰盘绕式伸展臂刚度相对较低，但装配工艺简单，可靠性高。这两种盘绕式伸展臂均在国外多项卫星型号任务中得到验证，如日本utline公司研制的hingeless-mast无铰盘绕式伸展臂成功应用于space flight unit航天器的太阳电池阵，美国国家航空航天局研制的astro-mast有铰盘绕式伸展臂成功应用于voyager航天器。盘绕式伸展臂机构按照展开方式又可分为自由展开方式、拉索展开方式和螺母展开方式。其中拉索展开方式相较于自由展开方式展开过程更加平稳可靠，相较于螺母展开方式展开控制装置更加简单，因此是一种简单可靠的展开方式，是小卫星空间展开任务中的首选展开方式。本发明即为一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，该系统在实际卫星型号任务中得到了在轨展开验证。


技术实现要素：

5.1.目的：本发明的目的是提供一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，为微小卫星的空间展开需求提供解决方案。
6.2.技术方案：见图1，本发明是一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，该系统由空间盘绕式伸展臂机构、锁紧释放机构和收纳筒三部分组成。空间盘绕式伸展臂机构通过6个伸展臂固定支座分别固定于锁紧释放机构的上底盘和下底盘上。收纳筒固定于
锁紧释放机构的上底盘上。
7.所述空间盘绕式伸展臂机构部分由三角形横架、纵杆、对角加劲索、伸展臂顶板和锁紧连杆组成；3根纵杆通过m2.5螺钉与三角形横架连接，对角加劲索将相邻层三角形横架对角位置的v型旋转铰链连接在一起；伸展臂顶板依靠组合式旋转铰链固定于伸展臂顶部，锁紧连杆固定于伸展臂顶板中心。
8.该三角形横架由3根低温超弹钛镍合金丝横杆和3个v型旋转铰链组成，为纵杆提供横向支撑。v型旋转铰链由1个v型件和1个套筒组成，二者通过1个m2.5螺钉连接，限制除沿m2.5螺钉轴线方向转动外的另外5个自由度，该m2.5螺钉同时还用于固定穿过套筒的纵杆。横杆的端头和对角加劲索则通过1个m2螺钉同时固定在v型件上。组合式旋转铰链由1个转动件和1个固定件组成，二者通过1个m3螺钉连接，纵杆顶部通过2个m2螺钉与转动件固定，固定件则通过2个m3螺母与伸展臂顶板连接，由此实现伸展臂臂身与其顶板的连接。
9.该横杆材料为低温超弹钛镍合金丝，弹性模量83gpa，截面为圆形，直径取值范围为1.2mm～2mm。
10.该纵杆材料为低温超弹钛镍合金丝，弹性模量83gpa，截面为圆形，直径取值范围为2mm～3.5mm，纵杆长度l取值范围为1.9m～2.1m。纵杆长度与盘绕式伸展臂总长度相等，是主要的承力部件，在三角形横架和对角加劲索的支撑和预紧下承受轴向拉压、侧向弯曲和轴向扭转载荷。
11.该对角加劲索材料为不锈钢钢丝，弹性模量198gpa，截面为圆形，直径取值范围为0.8mm～1mm。
12.该空间盘绕式伸展臂的盘绕半径r取值取决于实际卫星任务需求，本发明中的空间盘绕式伸展臂支持盘绕半径范围为75mm～100mm。
13.该空间盘绕式伸展臂的节距t取值应满足盘绕式伸展臂展开和收拢过程中的几何约束条件，可推导出节距取值范围为r《t《2r。
14.该空间盘绕式伸展臂的三角形横架层数为20。
15.该空间盘绕式伸展臂的锁紧连杆固定在伸展臂顶板中心，该锁紧连杆在伸展臂收拢时与拔销器销子配合锁紧，其下端连接拉索用于展开控制。
16.所述锁紧释放机构部分由上、下底盘、拔销器、旋转编码器、旋转阻尼器、绕索轮和拉索组成；拔销器固定于拔销器支座上，拔销器支座固定于上底盘；旋转编码器、旋转阻尼器与绕索轮同轴，分别固定于旋转编码器支座和旋转阻尼器支座上，支座均固定于下底盘；拉索一端缠绕固定于绕索轮上，另一端通过导线轮固定于空间盘绕式伸展臂机构的锁紧连杆上；上下底盘之间通过3根矩形截面梁连接。
17.该上底盘半径r
up
大于空间盘绕式伸展臂的盘绕半径r，取值r
up
＝r+12.5mm。
18.该下底盘半径r
down
略大于空间盘绕式伸展臂的盘绕半径r，取值r
down
＝r+7.5mm。
19.该拔销器型号为bxq-240记忆合金拔销器，为非火工品拔销器，供电电压3.3v，拔销时间1.5s。拔销器用于锁定和释放空间盘绕式伸展臂。
20.该旋转编码器型号为ds-25单圈绝对值编码器，供电电压5v，通讯协议为同步ssi串行接口。编码器用于监测盘绕式伸展臂的展开长度。
21.该旋转阻尼器型号为frn-d2-r501固定扭矩式旋转阻尼器，阻尼扭矩5n
·
cm，最大回转速度50r/min。
22.该拉索材料为凯夫拉绳，弹性模量132gpa，直径0.5mm～1.2mm，其一端缠绕固定于绕索轮上，另一端通过导线轮固定于空间盘绕式伸展臂机构的锁紧连杆上，与旋转阻尼器共同作用，为空间盘绕式伸展臂展开过程提供控制拉力。
23.所述收纳筒壁厚ts＝2mm，外径r
sw
＝r
up
，内径r
sn
＝r
sw-ts。收纳筒高度h取值与空间盘绕式伸展臂的伸缩比有关，本发明中伸缩比取0.05，因此收纳筒高度h＝0.05l。收纳筒的作用是为收拢锁紧状态下的空间盘绕式伸展臂提供封闭环境，降低其散热量。
24.3.优点及功效：本发明是一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其优点和功效是：以简单的机构形式实现了高伸缩比、高可靠性的空间盘绕式伸展臂机构，同时提供了配套的锁紧释放机构用于控制伸展臂展开，提供了收纳筒用于伸展臂收拢状态的保温。相比国外已研制的空间盘绕式伸展臂机构系统，本发明的铰链形式更加简化、解锁机构更加安全、系统集成度和可靠性更高，尤其适用于微小卫星的空间展开任务需求。
附图说明
25.图1为本发明整体结构机构示意图；
26.图2为本发明空间盘绕式伸展臂机构部分中段示意图；
27.图3为本发明空间盘绕式伸展臂机构部分顶段示意图；
28.图4为本发明v型旋转铰链的详细设计示意图；
29.图5为本发明组合式旋转铰链的详细设计示意图；
30.图6为本发明锁紧连杆示意图；
31.图7为本发明锁紧释放机构部分示意图。
32.图例说明：
33.1——空间盘绕式伸展臂机构；
34.11——横杆；12——纵杆；13——对角加劲索；14——v型旋转铰链；15——伸展臂顶板；16——组合式旋转铰链；17——锁紧连杆；18——m10螺母；
35.141——v型件；142——套筒；143——m2.5
×
8螺钉；144——m2
×
3螺钉；
36.161——转动件；162——固定件；163——m3
×
12螺钉；164——m3螺母；
37.165——m2
×
5螺钉；
38.171——拉索孔；172——销孔；
39.2——锁紧释放机构
40.21——上底盘；22——下底盘；23——拔销器；24——旋转编码器；25——旋转阻尼器；26——绕索轮；27——拉索；28——导线轮；29——矩形截面梁；20——伸展臂固定支座；
41.231——拔销器支座；241——旋转编码器支座；251——旋转阻尼器支座；
42.3——收纳筒；
具体实施方式
43.以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
44.参阅图1，本发明所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统由空间盘绕式伸展臂机构(1)、锁紧释放机构(2)和收纳筒(3)共3部分组成。
45.参阅图2和图3，本发明所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其中空间盘绕式伸展臂机构部分由横杆(11)、纵杆(12)、对角加劲索(13)、v型旋转铰链(14)、伸展臂顶板(15)、组合式旋转铰链(16)、锁紧连杆(17)和m10螺母(18)组成。
46.该横杆材料为低温超弹钛镍合金丝，横杆直径db为1.3mm～2mm。
47.该纵杆材料为低温超弹钛镍合金丝，纵杆直径d
l
为2.0mm～3.5mm，纵杆长度l取值范围为1.9m～2.1m。
48.该对角加劲索材料为不锈钢钢丝，对角加劲索直径为0.8mm～1mm。
49.该v型旋转铰链用于连接横杆、纵杆和对角加劲索，其细节设计参阅图4。v型旋转铰链由1个v型件(141)和1个套筒(142)组成，二者通过1个m2.5
×
8螺钉(143)连接，限制除沿m2.5螺钉轴线方向转动外的另外5个自由度，该m2.5螺钉同时还用于固定穿过套筒的纵杆。横杆的端头和对角加劲索则通过1个m2
×
3螺钉(144)同时固定在v型件上。
50.该组合式旋转铰链用于连接空间盘绕式伸展臂臂身和伸展臂顶板，其细节设计参阅图5。组合式旋转铰链由1个转动件(161)和1个固定件(162)组成，二者通过1个m3
×
12螺钉(163)和m3螺母(164)连接，限制除沿m3螺钉轴线方向转动外的另外5个自由度，伸展臂臂身顶部纵杆通过2个m2
×
5螺钉(165)与转动件固定，固定件上方为2个m3螺纹柱，与2个m3(164)螺母配合实现固定件与伸展臂顶板的连接。
51.该锁紧连杆使用锁紧连杆使用m10螺母固定于伸展臂顶板中心，参阅图3。参阅图6，锁紧连杆下方的拉索孔(171)用于固定拉索，拉索另一端缠绕固定在锁紧释放机构中的绕索轮上。锁紧连杆下方的销孔(172)用于在伸展臂收拢时与拔销器销子配合锁定。
52.参阅图7，本发明所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其锁紧释放机构部分由上底盘(21)、下底盘(22)、拔销器(23)、旋转编码器(24)、旋转阻尼器(25)、绕索轮(26)和拉索(27)组成；拔销器固定于拔销器支座(231)上，拔销器支座固定于上底盘；旋转编码器、旋转阻尼器与绕索轮同轴，分别固定于旋转编码器支座(241)和旋转阻尼器支座(251)上，支座均固定于下底盘；拉索一端缠绕固定于绕索轮上，另一端通过导线轮(28)固定于空间盘绕式伸展臂机构的锁紧连杆上；上下底盘之间通过3根矩形截面梁连接(29)，空间盘绕式伸展臂根部纵杆通过伸展臂固定支座(20)固定在锁紧释放机构上、下底盘上。
53.该上底盘半径r
up
大于空间盘绕式伸展臂的盘绕半径r，取值r
up
＝r+12.5mm。
54.该下底盘半径r
down
略大于空间盘绕式伸展臂的盘绕半径r，取值r
down
＝r+7.5mm。
55.该拔销器型号为bxq-240记忆合金拔销器，为非火工品拔销器，供电电压3.3v，拔销时间1.5s。拔销器用于锁定和释放空间盘绕式伸展臂。
56.该旋转编码器型号为ds-25单圈绝对值编码器，供电电压5v，通讯协议为同步ssi串行接口。编码器用于监测盘绕式伸展臂的展开长度。
57.该旋转阻尼器型号为frn-d2-r501固定扭矩式旋转阻尼器，阻尼扭矩5n
·
cm，最大回转速度50r/min。
58.该拉索材料为凯夫拉绳，弹性模量132gpa，直径0.5mm～1.2mm。
59.参阅图1，本发明所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其收纳筒(3)壁厚ts＝2mm，外径r
sw
＝r
up
，内径r
sn
＝r
sw-ts，固定于锁紧释放机构部分上底盘上。收纳筒高度h取值与空间盘绕式伸展臂的伸缩比有关，本发明中伸缩比取0.05，因此收纳筒高度h＝0.05l。收纳筒的作用是为收拢锁紧状态下的空间盘绕式伸展臂提供封闭环境，降低其
散热量。
60.在空间盘绕式伸展臂机构收拢状态下，锁紧连杆(17)上的销孔(172)与拔销器销子配合，约束伸展臂机构的展开方向自由度，实现伸展臂机构的锁紧。在拔销器(23)通电后，拔销器销子收缩，伸展臂机构的展开方向自由度约束被解除，伸展臂机构开始展开。在展开过程中，伸展臂机构内部应变能转换为展开方向动能，并在对角加劲索(13)作用下沿横杆(11)轴线方向对其产生压缩作用，横杆沿其轴向产生压扭变形直至最大状态，随着纵杆(12)的伸直，横杆变形减小并利用自身应变能将纵杆推回至盘绕半径处。在伸展臂机构的展开过程中拉索(27)始终跟随固定在伸展臂顶板(15)上的锁紧连杆沿展开方向运动，拉索另一端带动绕索轮(26)转动释放拉索。在绕索轮释放拉索的过程中，与其同轴的旋转阻尼器(25)提供阻碍绕索轮转动的阻尼力矩，使得拉索在展开过程中始终张紧，实现对伸展臂机构展开过程的控制，保证伸展臂机构展开过程平稳可靠。另外，在绕索轮释放拉索的过程中，与其同轴的旋转编码器(24)记录下绕索轮的旋转角度，从而换算出释放拉索的长度，实现对伸展臂机构展开长度的监测。
61.下面详细介绍空间盘绕式伸展臂机构部分关键参数的设计方法。
62.本专利所述的空间盘绕式伸展臂机构设计的关键参数包括空间盘绕式伸展臂机构的纵杆直径、横杆直径、盘绕半径和节距。这些参数将影响结构的特性(频率、模态、屈曲临界载荷)、质量、伸缩比。
63.(1)纵杆直径d
l
64.纵杆是空间盘绕式伸展臂机构的主要承载部件，其直径的选择综合考虑根据整体刚度的要求和材料的力学性能，通常纵杆直径可取范围为2mm《d
l
《3.5mm，实例中取d
l
＝2mm。
65.(2)横杆直径db66.横杆是空间盘绕式伸展臂机构的辅助承载部件，其直径的选择主要需要考虑空间盘绕式伸展臂的展开方式。通常空间盘绕式伸展臂的展开方式分为螺旋展开方式和逐层展开方式两种，其中逐层展开方式能使得伸展臂展开过程中的侧向刚度更大，为了保证伸展臂的逐层展开方式，横杆直径需要小于纵杆直径，在纵杆直径范围为2mm《d
l
《3.5mm，更杆直径取值范围通常为1.3mm《db《2mm，实例中取db＝1.3mm。
67.(3)盘绕半径r
68.空间盘绕式伸展臂机构的盘绕半径r主要取决于实际任务的需求，通常取值为75mm《r《100mm，实例中取r＝75mm。
69.(4)节距t
70.空间盘绕式伸展臂机构的节距是指相邻两个三角形横架之间的距离。节距应满足伸展臂盘压时的几何约束协调，可推导出节距取值范围r《t《2r，一般选取t＝1.25r，实例中取t＝95mm。
71.通过卫星实际型号任务实践证明，本发明在航天领域里有较大的实用价值和广阔的应用前景。

技术特征：
1.一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该系统由空间盘绕式伸展臂机构、锁紧释放机构和收纳筒三部分组成。空间盘绕式伸展臂机构通过6个伸展臂固定支座分别固定于锁紧释放机构的上底盘和下底盘上。收纳筒固定于锁紧释放机构的上底盘上。所述空间盘绕式伸展臂机构部分由三角形横架、纵杆、对角加劲索、伸展臂顶板和锁紧连杆组成；其中，三角形横架由3根横杆和3个v型旋转铰链组成，3根纵杆通过m2.5螺钉与三角形横架连接，对角加劲索将相邻层三角形横架对角位置的v型旋转铰链连接在一起；伸展臂顶板依靠组合式旋转铰链固定于伸展臂顶部，锁紧连杆固定于伸展臂顶板中心。v型旋转铰链由1个v型件和1个套筒组成，二者通过1个m2.5螺钉连接，限制除沿m2.5螺钉轴线方向转动外的另外5个自由度，该m2.5螺钉同时还用于固定穿过套筒的纵杆。横杆的端头和对角加劲索则通过1个m2螺钉同时固定在v型件上。组合式旋转铰链由1个转动件和1个固定件组成，二者通过1个m3螺钉连接，纵杆顶部通过2个m2螺钉与转动件固定，固定件则通过2个m3螺母与伸展臂顶板连接，由此实现伸展臂与其顶板的连接。所述锁紧释放机构部分由上、下底盘、拔销器、旋转编码器、旋转阻尼器、绕索轮和拉索组成；拔销器固定于拔销器支座上，拔销器支座固定于上底盘上；旋转编码器、旋转阻尼器与绕索轮同轴，分别固定于旋转编码器支座和旋转阻尼器支座上，支座均固定于下底盘上；拉索一端缠绕固定于绕索轮上，另一端通过导线轮固定于空间盘绕式伸展臂机构的锁紧连杆上；上下底盘之间通过3根矩形截面梁连接。所述收纳筒部分固定于锁紧释放机构的上底盘上，壁厚t
s
＝2mm。2.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分三角形横架层数为20。3.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分横杆材料为低温超弹钛镍合金丝，横杆直径d
b
为1.3mm～2mm。4.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分纵杆材料为低温超弹钛镍合金丝，纵杆直径d
l
为2.0mm～3.5mm，纵杆长度l取值范围为1.9m～2.1m。5.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分的对角加劲索材料为不锈钢钢丝，对角加劲索直径为0.8mm～1mm。6.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分的盘绕半径r取值范围为75mm～100mm。7.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该空间盘绕式伸展臂机构部分的三角形横架层间节距t取值范围为r<t<2r。8.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该锁紧释放机构部分的拉索材料为凯夫拉绳，拉索直径为0.5mm～1.2mm。9.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该锁紧释放机构部分的上底盘半径r
up
取值r
up
＝r+12.5mm。10.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在
于：该锁紧释放机构部分的下底盘半径r
down
取值r
down
＝r+7.5mm。11.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该锁紧释放机构部分的拔销器型号为bxq-240记忆合金拔销器。12.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该锁紧释放机构部分的旋转编码器型号为ds-25单圈绝对值编码器。13.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该锁紧释放机构部分的旋转阻尼器型号为frn-d2-r501固定扭矩式旋转阻尼器。14.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该收纳筒部分的外径r
sw
＝r
up
，内径r
sn
＝r
sw-t
s
。15.根据权利要求1所述的一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，其特征在于：该收纳筒部分的高度h＝0.05l。

技术总结
本发明是一种被动式拉索展开的空间盘绕式伸展臂系统，该系统由空间盘绕式伸展臂机构、锁紧释放机构和收纳筒三部分组成。空间盘绕式伸展臂机构部分由三角形横架、纵杆、对角加劲索、伸展臂顶板和锁紧连杆组成；其中，三角形横架由3根横杆和3个V型旋转铰链组成，3根纵杆通过M2.5螺钉与三角形横架连接，对角加劲索将相邻层三角形横架对角位置的V型旋转铰链连接在一起；伸展臂顶板依靠组合式旋转铰链固定于伸展臂顶部，锁紧连杆固定于伸展臂顶板中心。锁紧释放机构部分由上、下底盘、拔销器、旋转编码器、旋转阻尼器、绕索轮和拉索组成；其中，拔销器固定于拔销器支座上，拔销器支座固定于上底盘上；旋转编码器、旋转阻尼器与绕索轮同轴，分别固定于旋转编码器支座和旋转阻尼器支座上，支座均固定于下底盘上；拉索一端缠绕固定于绕索轮上，另一端通过导线轮固定于空间盘绕式伸展臂机构的锁紧连杆上；上下底盘之间通过矩形截面梁连接。空间盘绕式伸展臂机构通过6个伸展臂固定支座分别固定于上底盘和下底盘上。收纳筒固定于上底盘上。本发明已在实际卫星型号任务中得到验证，在航天领域有广阔的应用前景。的应用前景。的应用前景。


技术研发人员：孙亮 黄海 赵旭瑞 刘宇
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/6/26