專利名稱：盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，屬于航天器設計技術 領域。
背景技術：
'隨著航天器功能的日益復雜，對航天器的能源需求成倍增長，航天器太陽 電池陣的面積也隨之成倍增長，但航天器的包絡尺寸受運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。我國未來的 空間站對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 太陽翼已無法滿足需求，而盤繞式空間伸展臂是未來大功率太陽翼的最佳選擇。
又如電子偵察衛(wèi)星為準確對地面信號源定位，要求多個探測器之間有足夠的 基線長度，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)造簡單、可靠性高、收攏體積 小、可重復展開和收攏，但其根部翹曲限制了結(jié)構(gòu)強度，因而熱穩(wěn)定性、抗彎 及抗扭剛度較低，難以實現(xiàn)精確定位；套筒管狀伸展臂可靠性高、可重復展開 和收攏，但收攏后仍較長、構(gòu)造較復雜；鉸接式伸展臂剛度高、壽命長、抗振 性好、精度高，但構(gòu)造工藝很復雜、鉸接點多、可靠性相對較低；盤繞式伸展 臂構(gòu)造簡單、質(zhì)量較小、可靠性高、伸縮比大，缺點是剛度相對鉸接式低。
盤繞式伸展臂是目前研究最深入、應用最廣泛的一種伸展臂體制，可分為有鉸式和無鉸式。國外已有相應的機構(gòu)研制成功盤繞式空間伸展臂，比較有代 表性的是包括美國國家航空航天局研制的Astro-mast伸展臂成功應用于 Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast無鉸伸展臂成功應用于 Space Flight Unit航天器的太陽電池陣。由于各方面原因國內(nèi)對空間可展機構(gòu)的 研究起歩較晚，目前雖己開展相關研究，但尚無成功應用于航天器的盤繞式空 間伸展臂，且國外的技術又對中國保密。受制于此國內(nèi)的航天器始終局限在中、 小型平臺難以"大型化"。本發(fā)明通過采用了一種簡單的鉸鏈形式實現(xiàn)了該伸展 臂的研制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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。
本發(fā)明是一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其技術方案是該伸展 臂包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對角加勁索。
所述的鉸接式三角形橫架，由三個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60。連接件、 一個有階梯的 圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成。鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘 固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設有兩個Olmm的孔用于固定 對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2蟀紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于 60°連接件的三個位移和兩個轉(zhuǎn)動，但不限制軸向轉(zhuǎn)動；圓柱接頭通過軸向的 M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。
相鄰兩個三角形橫架的節(jié)距根據(jù)伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過程中，縱 桿屈曲所至端點轉(zhuǎn)角由鉸鏈實現(xiàn)，對角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲變形實現(xiàn)。三根縱桿長度與伸展臂展開長度相同，由具有優(yōu)異超彈性的鈦鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時縱杵受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到3%。 展開時三根連續(xù)縱桿為伸展臂提供軸向彎曲剛度和強度?？v桿直徑根據(jù)伸展臂 剛度、盤繞半徑等確定。節(jié)間對角加勁索為伸展臂每側(cè)面節(jié)間鋼絲，承受預應 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)對剛度有 重要影響， 一般為50 200mm。
其中，相鄰兩個鉸接式三角形橫架之間的節(jié)距應滿足盤壓時幾何約束協(xié)調(diào)， 半節(jié)距小于盤繞半徑，且展開時對角加勁索兩端點距離要大于收攏時的距離， 可推導出節(jié)距取值范圍R<t<2R。
本發(fā)明一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其優(yōu)點及功效是以簡單 的機構(gòu)形式實現(xiàn)了高伸縮比、高可靠性、高剛度的伸展臂。相比國外已研制的 盤繞式有鉸伸展臂，鉸鏈的形式更加簡化，減少了零件數(shù)量、簡化了裝配布局 和檢測、減輕了質(zhì)量、節(jié)約了成本。可用于空間探測臂、航天器大型太陽電池 陣、空間站主結(jié)構(gòu)等領域。


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。
圖中具體標號如下
.1、三角形橫架 2、縱桿 3、對角加勁索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
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。
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及若干對角加勁索3。
如圖2，所述的鉸接式三角形橫架，由三個三角形鉸接頭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60° 連接件5、 一個有階梯的圓柱接頭6、三個螺釘和兩個螺母9組成。鈦鎳合金短 桿10的端頭通過兩個M2螺釘7固定于60°連接件5的孔內(nèi)；60°連接件上 還設有的兩個①lmm的孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭如圖3所示，其較細 的一端為M2螺紋，通過螺母9限制圓柱接頭相對于60。連接件的三個位移和 兩個轉(zhuǎn)動，但不限制軸向轉(zhuǎn)動；圓柱接頭通過軸向的M3螺釘8將縱桿與60。 連接件固定連接。
相鄰兩個三角形橫架的節(jié)距根據(jù)伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過程中，縱 桿屈曲所至端點轉(zhuǎn)角由鉸鏈實現(xiàn)，對角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲 變形實現(xiàn)。三根縱桿長度與伸展臂展開長度相同，由具有優(yōu)異超彈性的鈦鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時縱桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到3%。 展開時三根連續(xù)縱桿為伸展臂提供軸向彎曲剛度和強度?？v桿直徑根據(jù)伸展臂 剛度、盤繞半徑等確定。節(jié)間對角加勁索為伸展臂每側(cè)面節(jié)間鋼絲，承受預應 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)的設計。1、伸展臂設計參數(shù)
本發(fā)明所述的伸展臂設計參數(shù)包括幾何結(jié)構(gòu)設計參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性等。結(jié)構(gòu) 幾何設計決定結(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、以及縱桿直徑是關鍵設計參數(shù)。
(1) 縱桿直徑d 根據(jù)整體剛度的要求和材料的力學性能，確定d=2mm。
(2) 縱桿彈性極限彎曲應變s
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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變 <formula>formula see original document page 7</formula>
(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)對剛度有重要影響，一 般為50~200mm，由上面的計算得R=70mm。
(4) 節(jié)距t
節(jié)距是指相鄰兩個三叉架之間的距離。節(jié)距應滿足盤壓時幾何約束協(xié)調(diào)。 半節(jié)距小于盤繞半徑，且展開時對角加勁索兩端點距離要大于收攏時的距離， 可推導出節(jié)距取值范圍R〈K2R，取^1.36i a95mm。
(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 +d)
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)， 為保證連接處強度取e=d，則則伸展臂完全收攏后的高度h為
"丄.c二 1.910"
其中/為伸展臂展開后的長度。實例中取"2m，則收攏高度"54.6附m。
2、伸展臂力學性能
彎曲剛度
其中d為連續(xù)縱桿的直徑。 剪切剛度
CM = 3五4 sin ^ cos2 ^ 其中E4為對角件加勁索預加張力后的拉伸剛度；^為對角件加勁索與三 角形橫架之間的夾角，為38.1° 。 扭轉(zhuǎn)剛度
其中G是縱桿材料的剪切模量；^是縱桿的截面積。 彎曲強度
同時，彎曲強度還要受縱桿失穩(wěn)條件限制。
剪切強度
需要說明的是上式受三角形橫架失穩(wěn)條件限制。 .扭轉(zhuǎn)強度
rcr = 1.5蠻3￡4需要說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、三根縱桿及若干對角加勁索，其特征在于所述的鉸接式三角形橫架，由三個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60°連接件、一個有階梯的圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設有的兩個孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2螺紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于60°連接件的三個位移和兩個轉(zhuǎn)動，但不限制軸向轉(zhuǎn)動；圓柱接頭通過軸向的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鉸接式三角形橫架之間的節(jié)距，95mm。
全文摘要
本發(fā)明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、三根縱桿及若干對角加勁索；所述的鉸接式三角形橫架，由三個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60°連接件、一個有階梯的圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘固定于60°連接件上的孔內(nèi)；60°連接件上還設有的兩個孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2螺紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于60°連接件的三個位移和兩個轉(zhuǎn)動，但不限制軸向轉(zhuǎn)動；圓柱接頭通過軸向的M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。本發(fā)明可用于空間探測臂、航天器大型太陽電池陣、空間站主結(jié)構(gòu)等領域。
文檔編號B64G1/22GK101428690SQ200810240159
公開日2009年5月13日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學