專利名稱：用于航天設備上的元件的具有柔性展開臂的支撐裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及運載在衛(wèi)星上的設備，具體來說，涉及用于支撐這 些設備上的某些元件的裝置。其中，"運載在......上的設備"應理解為任何這樣的設備其至少部分地固定到至少一個衛(wèi)星上。特別地，它可以是一種用來執(zhí)行 太空觀測任務并且例如包括一個或多個的太空望遠鏡的觀測儀器， 其可分布在多個衛(wèi)星上，或者其可以是至少一個雷達天線，或一種 等離子噴射器，甚或一種傳感器。此外，"太空觀測任務"應理解為包括下述兩者從太空中觀測 地球的任務和從太空中觀測宇宙一部分的任務。
背景技術：
為了執(zhí)行觀測任務， 一些衛(wèi)星至少包括觀測儀器的一部分，例 如一種太空望遠鏡，諸如Cassegrain、 Gregory、 Korsch、 Ritchey - Chr 6 t ien或Newton等類型。這些望遠鏡至少包括一種支撐裝置，用于保持第一元件以選定 的距離遠離第二元件，該第一元件例如一種鏡子(可能是主鏡(通 常是公知的收集器))，該第二元件例如一種鏡子(可能是副鏡) 或探測器的一部分，其被安裝到成形圖像的焦面上。該裝置連同被 其支撐的元件一起組成了一種具有設定的幾何構造的結構。該結構 的大小使其能夠承受由于重力和發(fā)射的不同階段經(jīng)受的負載(或力) 產生的機械應力，尤其是運載著裝有本裝置的衛(wèi)星的火箭起飛時所 經(jīng)歷的負載(或力)而產生的機械應力。一旦任務開始，該結構所必須承受的負載，即使事實上不為零， 但也處于很低的水平。因此在其使用年限期間，該結構被證明是能
承受過高負載而設計的，由此導致一種慣量，尤其是一種高于實際 需要的橫向慣量。由于該"過高慣量"在軌道上并不能減少，因此限制了望遠鏡標定點(aim point)的變化速度并因此限制了其獲取圖 像的時間，尤其是當其被運載在所謂的"輕快的(agile)"衛(wèi)星上和 /或當需要對"鑲嵌圖像(mosaic image)"進行編譯時(因為儀器的 視場要小于需要觀察的視場)，這使其處于特別不利的境地。而且，支撐結構的過高設計導致了額外的質量和額外的體積， 這意味著需要使用更大容量的火箭來運載和/或意味著限制了同一 個火箭能發(fā)射的衛(wèi)星的數(shù)目。發(fā)明內容因此，本發(fā)明的一個目的就是要改善這種情況。 為此，本發(fā)明提出了一種裝置，其用于支撐航天設備(例如一種 觀測儀器)的第一元件和第二元件，該航天設備運載在至少一個衛(wèi) 星上，該裝置至少包括兩個可展開的柔性臂(或簡單說，可展開的 臂)，每個臂都包括第一端和第二端，第一端和第二端分別固定到 第一元件和第二元件上，且被設計成至少具有一個初始位置(折疊 彎曲)和一個最終位置(展開的)，在上述位置中，第一元件分別 以第 一選定距離和第二選定距離保持遠離第二元件，其中第二距離 大于第一距離。按照本發(fā)明的該支撐裝置可以具有其他特征，這些特征可以單獨 或者結合使用，具體如下-至少三個柔性臂，每個臂都包括第一端和第二端，第一端和第二 端分別固定到第 一元件和第二元件上的不同位置，上述位置的選 擇和布置使得各個臂采用各自的初始位置和最終位置，在上述位置中，分別以第一選定距離和第二選定距離來保持第一元件遠離 第二元件；>三對臂，當它們處于各自的最終位置時，其中的每一對臂的兩個 臂可以組成梯形的兩條不平行的邊； 這些臂中的每 一 對可以具有相同的長度，則此時相應的梯形(Ti )為等腰梯形； >作為一個備選方案，當三對臂處于各自的最終位置時，其中的每 一對臂的兩個臂可以組成三角形的兩條邊； 這些臂中的每一對可以具有相同的長度，則此時相應的三角形為等腰三角形；-第一框架，第一元件和各個臂的第一端可以固定于其上，使得第 一框架固定到第一元件上；和第二框架，第二元件和各個臂的第 二端可以固定于其上，如此使得第二框架固定到第二元件上；>各個臂的第一端和第二端可通過能夠阻止任何程度的運動自由度 的機械連接件和/或固定材料分別固定到第 一框架和第二框架上；>每個臂可以包括第一副臂和第二副臂，該第一副臂包括第一端和 第三端，該第二副臂包括第二端和第四端。在該情況下，可以設 置第三框架，其插入在第一框架和第二框架之間，并且各個第一 副臂的第三端和各個第二副臂的第四端固定于第三框架上； .各個第一副臂的第三端和各個第二副臂的第四端可以通過能夠 阻止任何程度的運動自由度的機械連接和/或固定材料分別固定 到第三框架上；-緩沖裝置可以用于在各個臂到達它們各自的最終位置時對第二元件的運動進行緩沖； -導向裝置可以用于在各個臂從其初始位置(折疊的或盤繞的或巻起的)向它們的最終位置(展開的或解開的或打開的)運動時對第二元件的至少一些運動進行導向，或以其他的形式對展開運動進行動力學上的限制； -運動裝置可以用于移動其中至少一個臂的第一端和/或第二端，以控制它的最終位置以及第 一 元件相對于第二元件的位置； -可伸縮的固定裝置可以用于在各個臂均靜止于它們各自的初始位置時，使第一元件和/或第二元件相對于設備的剛性結構進行固定；
-各個柔性臂可以布置成使得當它處于初始位置時，能在至少一個選定的平面上允許至少兩個彎曲部； >各個柔性臂例如能夠在其處于初始位置時，在同一個平面里允許 至少兩個彎曲部；>作為備選方案，各個柔性臂例如能夠在其處于初始位置時，在至少兩個不同的平面里允許至少兩個彎曲部； >各個柔性臂可以由碳纖維制成； -第一元件例如可以是一種鏡子，可能是主鏡； -第二元件可以是一種副鏡或探測器的部分，安裝在焦面處。本發(fā)明同時也提出了 一種觀測儀器類型的航天設備，其包括由第 一元件和第二元件構成的至少 一 個組件，該組件由如上文中所述類 型的至少 一個支撐裝置所支撐。


通過下面的詳細說明和附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將會變 得更加明顯，其中圖1A和1B分別為示意性的(徑向)剖視圖和俯視圖，其圖示 了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的位于其初始位置(此時各臂都折疊彎曲) 的用于支撐望遠鏡元件的裝置；圖2為示意性的側視圖，圖示了圖1A和圖1B所示的第一示例性實施例的位于其最終位置(展開的)的支撐裝置；圖3為示意性的側視圖，圖示了一個"表層蠕動"(reptation) (或"尺蠖"(inchworm))式運動裝置的示例性實施例；圖4為示意性的透視圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例， 位于其最終位置(展開的)的用于支撐望遠鏡元件的裝置；圖5為略微有些偏向的示意性俯視圖，圖示了圖4所示第二示 例性實施例的位于其最終位置(展開的)的支撐裝置；圖6為示意性的局部透視圖，圖示了將第二鏡子固定到第二框 架上的一種方法示例；
圖7為示意性的側視圖，圖示了圖4所示第二示例性實施例的 位于其初始位置(此時各臂都折疊彎曲)的支撐裝置；圖8為示意性的側視圖，圖示了圖4所示第二示例性實施例的 位于其最終位置(展開的)的支撐裝置；圖9為示意性的透視圖，圖示了用于對按照本發(fā)明的支撐裝置 的可展開柔性臂進行固定的 一種方法示例；圖IO為示意性的透視圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的位 于其最終位置(展開的)的用于支撐望遠鏡元件的裝置；和圖11為示意性的俯視圖，圖示了圖IO所示第三示例性實施例 的位于其最終位置(展開的)的支撐裝置。上述附圖不僅可以用于補充本發(fā)明，根據(jù)需要也可以用于解釋 本發(fā)明。
具體實施方式
本發(fā)明的一個目的在于減少運載于意圖利用火箭(或發(fā)射器) 送入軌道的至少一個衛(wèi)星上的航天設備的質量和慣量，尤其是橫向慣量。為此，本發(fā)明提出了一種支撐裝置(D),用于支撐航天設備的 運載于相同衛(wèi)星上的至少兩個元件。下面，將該航天設備考慮為一種觀測儀器，例如被運載在觀測 衛(wèi)星上的一種望遠鏡，該衛(wèi)星可以是"輕快"類型的衛(wèi)星。然而，本發(fā)明并不局限于這種類型的航天設備。事實上，該設 備可以包括分布在編隊飛行的若干衛(wèi)星上的若干望遠鏡，或者是一 種雷達天線，該雷達天線包括例如反射器之類的第 一元件和例如源 之類的第二元件。它還可以是所謂的用于控制衛(wèi)星姿態(tài)的等離子噴 射器， 一旦衛(wèi)星位于軌道上，該等離子噴射器需要展開，以增長桿 臂來減少所需施加力的大小。同樣，它還可以是一種用于采集數(shù)據(jù) 的傳感器，當衛(wèi)星進入軌道時，該傳感器的一部分需要遠離衛(wèi)星， 以避免引起電磁或簡單的電氣干擾。
按照本發(fā)明的該支撐裝置(D)組成該設備的一部分，該設備在 該例子中為一種望遠鏡，其中該支撐裝置至少支撐兩個元件，而且 通常被固定到衛(wèi)星的結構上。當觀測儀器包括運載在若干衛(wèi)星上的 若干望遠鏡時，該觀測儀器包括若干具有第 一元件和第二元件的組件，其中各組件都由安裝在其中一個衛(wèi)星上的支撐裝置D支撐。接下來，以非限制性示例的方式，考慮該望遠鏡為Cassegrain 類型而且被按照本發(fā)明的支撐裝置(D)所支撐的兩個元件是一個 "主，，鏡和一個"副"鏡的情況。然而，本發(fā)明并不局限于這種類型的太空望遠鏡。事實上，它 涉及所有這樣的望遠鏡(或觀測儀器)，其中觀測(或采集數(shù)據(jù)) 所涉及的兩個元件需要保持分開一個選定的距離。因此，這兩個元 件可以是兩個鏡子(一個為主類型，另一個為副類型)，例如當望 遠鏡為Gregory、 Korsch或Ri tchey-Chr 6 t ien類型時，或安裝在 圖像成形的焦面處的 一種鏡子和探測器的一部分，例如當望遠鏡為 Newton類型的望遠鏡時，或者可替換地，它們是平面反射鏡和另一 種鏡子。首先參照圖1和圖2，用以描述按照本發(fā)明的支撐裝置D的第一 示例性實施例。該支撐裝置D包括至少兩個可展開的柔性臂01和02，其中各個 臂都具有第一端EX1和第二端EX2,第一端EX1和第二端EX2被分別 固定到望遠鏡的主鏡M1和副鏡M2上(或固定到探測器的位于焦面 的一部分上)。在圖1和圖2示出的例子中，該支撐裝置D僅有兩個可展開的 柔性臂01和02。然而，稍后將可看到，它也可以具有若干柔性臂， 例如三個或四個甚至更多。值得注意的是，各個臂Ol、 02的端部EX1和EX2可以直接或間 接地固定到主鏡M1和副鏡M2上。在圖1和圖2示出的例子中，它 們是間接地固定的。具體來說，該支撐裝置D包括第一剛性框架 Cl,主鏡Ml和各個柔性臂01、 02的第一端EX1固定于其上；和第
二剛性框架C2，副鏡M2和各個柔性臂01、 02的第二端EX2固定于其上。在圖l和圖2所示意性闡明的示例性實施例中，該第二框架C2 的直徑小于第一框架C1的直徑。然而，在稍后參照圖4到圖9將可 看到，第一框架Cl和第二框架C2也可以具有基本相同的直徑?？梢允褂萌魏喂潭ǚ绞綄⒏鱾€臂01、 02 (在該例子中)的第一 端EX1和第二端EX2固定到第一框架Cl和第二框架C2上。該固定 方式，例如可以是一種機械連接方式，用以阻止任何程度的運動自 由度。作為一種備選方案或是補充，各個端部EX1、 EX2可以被嵌入 (或被封裝)到一種固定材料中，例如一種硫化樹脂，以此來阻止 任何的運動自由度。這些臂Ol、 02布置成至少具有折疊彎曲的初始位置，在該位 置，各個臂使主鏡M1以第一選定距離遠離副鏡M2;和展開的最終位 置，在該位置，各個臂使主鏡M1以大于第一選定距離的第二選定距 離遠離副鏡M2。值得注意的是， 一個柔性臂Ol、 02的折疊部(或彎曲部)可以 基本位于一個平面上，或者可以位于至少兩個不同的平面上(由于 它的撓性)。而且，各個柔性臂01和02的折疊部(或彎曲部)并 不需要彼此相同?？梢允褂脧澢娜嵝员?，例如，在圖6中部分地闡明的類型。 各個柔性臂Ol、 02可以布置成金屬巻尺的形式。然而，為了所需的 熱穩(wěn)定性，各個臂Ol、 02優(yōu)選由碳纖維制成。各個柔性臂也可以包括兩個巻尺類型的臂，這兩個巻尺類型的臂通過它們的縱向邊緣連接，并定位成使得當它們位于最終位置時， 由它們的向上巻起的邊緣所限定的腔處于面對面的位置。當它們處 于折疊位置時，這兩個臂;波此施壓，沒有向上巻起的邊^(qū)^。如圖1A中所示意性示出的，當處于初始位置時，在至少一個選 定的平面里，各柔性臂Ol、 02允許存在至少兩個彎曲部。柔性臂所 必須允許的彎曲部的數(shù)目，實際上取決于它用于折疊的可用空間和/
或它展開時(也就是當它位于如圖2所示的最終位置時、和/或當它 位于其彈性極限時)所必須呈現(xiàn)的長度，其中，該彈性極限和最小曲率半徑相關，當小于最小曲率半徑時，它可能遭受永久變形(斷裂)。如圖1A所示，當臂01和02位于其折疊的初始位置時，主鏡M1 和副鏡M2彼此靠近，使得當運載它的衛(wèi)星還沒有進入工作軌道時， 望遠鏡的被本領域技術人員通常稱作"管(tube)"的部件沿著旋轉 軸XX而壓縮(或使得該部件的初始軸向長度減小)。憑借由支撐裝置D提供的所述壓縮(或者縮短的長度)和結構 的輕量化，使得可以使用一種更小容量的火箭來運載和/或增加一個 火箭(或發(fā)射器)所能送入軌道的衛(wèi)星的數(shù)目。由于該支撐結構的重量已經(jīng)被減輕，因此優(yōu)選提供固定裝置， 用以在發(fā)射階段，相對于望遠鏡的主結構(主鏡(第一元件)Ml (或， 具體來說，主鏡M1固定于其上的第一框架Cl )固定于其上)，固定 副鏡(第二元件)M2 (或，具體來說，副鏡M2固定于其上的第二框 架C2),也可能一起連同固定各個可展開的柔性臂01、 02。為實現(xiàn) 此目的，可使用本領域技術人員所知的任何可伸縮的固定裝置。如圖2所示，當臂01和02位于其展開的最終位置時，主鏡M1 和副鏡M2被保持分開第二選定距離，在該距離望遠鏡正常工作。因 此，此時該望遠鏡管的長度要大于當臂01和02位于折疊的初始位 置時的長度。然而，由于支撐結構的重量被減輕了，所以望遠鏡的 慣量也變小，這就意味著它瞄準點的變化速度可以提高，因此可以 增加能用于獲取圖像的時間。由于各個臂01和02的第一端EX1和第二端EX2 ^皮固定在第一 框架Cl和第二框架C2的位于主鏡Ml和副鏡M2外圍的部分上，因 此望遠鏡收集光子的路徑上沒有臂01、 02。換言之，可展開的柔性 臂并沒有妨礙望遠鏡的視野。柔性臂0ij在發(fā)射階段利用可伸縮的固定裝置(未顯示)優(yōu)選 保持處于它們的初始位置(處于彈性應力作用下)。也優(yōu)選提供可 伸縮的固定裝置，用以在發(fā)射階段，相對于望遠鏡的主結構(主鏡(第一元件)M1(或，具體來說，主鏡M1固定于其上的第一框架CI ) 固定于其上)，固定副鏡(第二元件)M2 (或，具體來說，副鏡M2 固定于其上的第二框架C2 )。為實現(xiàn)此目的，可使用本領域技術人 員所知的任何可伸縮的固定裝置。此外，考慮到當柔性臂01和02伸展到達其最終位置時副鏡M2 所承受的沖擊，優(yōu)選提供一種裝置用以緩沖所述副鏡M2的運動。為 此目的，可使用本領域技術人員所知的任何緩沖裝置，尤其是用于 緩沖可展開的太陽能電池板的這種類型的裝置。此外，為了防止由于各個臂01和02同時展開而導致副鏡M2到 達不正確的位置，可以提供導向裝置。當臂01和02從它們的折疊 的初始位置朝向展開的最終位置運動時，該裝置用于至少對副鏡M2 (第二元件)的一些運動進行導向。為此目的，可使用本領域技術 人員所知的任何導向裝置，尤其是連接第一框架Cl和第二框架C2 的纜或線(舉例來說)。另外，為了允許副鏡(第二元件)M2相對于主鏡(第一元件) Ml可以具有細微的錯位，該支撐裝置可以包括運動裝置。具體來說， 該裝置用于相對于框架Cl或C2 (柔性臂固定于其上)來移動柔性臂 01和02中的至少一個臂的第一端EX1和/或第二端EX2，以此來控 制臂的最終位置，并因此控制副鏡M2相對主鏡M1的位置。為此目的，可使用本領域技術人員所知的任何運動裝置，尤其 是允許所謂"履帶(caterpillar)"運動的壓電零件，例如"表層蠕 動"(或"尺蠖")類型的致動器。尺蠖(或表層蠕動類型的步進致動器)允許以非常細的分辨率 來實現(xiàn)相對專交大的動作。它們可用于展開測樣t的(micrometric)結 構，例如在軌道上展開的太空望遠鏡的結構，在觀測儀器的使用期 間，伴隨著非常細小的幅度調整(通常只有幾微米)，這種結構需 要較大的初始移動(通常是3米左右及以上)。圖3描繪了支架(yoke) ET的一個例子，借助于以兩種可能的
運作順序(向前或倒退)來操作的三個壓電致動器AA、 AB和AC,該 支架可以沿著導向管步進移動。致動器AA和AB是電夾鉗(electric gripper),允許一個或其他支架柱沿著導向管而閉鎖?？梢岳弥?動器AC延長支架的主體，由此使得自由的柱沿著管滑動。該管可以 用一種柔性臂替代，該支架可以連接到其中的一個框架，在該例子 中，框架形成望遠鏡的管?，F(xiàn)在參照圖4到圖9,用以描述按照本發(fā)明的支撐裝置D的第二 示例性實施例。在該第二示例性實施例中，支撐裝置D包括六個可展開的柔性 臂Oij,上述臂成對地合作。在此，介于1和3之間的后綴i用于表 示一對臂，介于1和2之間的后綴j用于區(qū)分同一對臂中的兩個臂。 如此，第一對(i = 1 )臂包括臂011和012，第二對U-2)臂包括 臂021和022,第三對(i = 3)臂包括臂031和032。如同在第 一示例性實施例中，可以使用任何固定裝置將各個臂 Oij (在該例子中)的第一端EX1和第二端EX2固定到第一框架Cl 和第二框架C2上。該六個柔性臂通過固定耳Pkn略微地向管外偏移，以不妨礙工 作的光流(這里通過框架C1和C2的內徑限制)。這里，不同于第一示例性實施例，第一框架Cl和第二框架C2 具有基本上相同的直徑。然而，這也不是必需的。小于第一鏡子M1 的第二鏡子M2優(yōu)選通過三個分開的切線成120。的剛性臂連接于第 二框架C2上。如此的連接方式部分地通過圖6示意性地示出。在這種固定方式中，提供了一個容納鏡子固定裝置(DFM)(未 顯示)的套管B,其中第二鏡子M2結合在該套管B上。該鏡子固定 裝置(插入于套管B和第二鏡子M2之間)具有這樣的作用擋住由 固定螺釘(拉緊)引起的應力，該應力可使第二鏡子M2產生變形。該套管B利用一種裝置固定到第二框架C2上，該裝置通常稱作 多腳架(spider)并由與所述套管B的側表面相切的三個剛性臂Ll 到L3組成。這些臂的膨脹(例如，由于對軌道上望遠鏡精確的工作 溫度的不確切認識)引起套管B的旋轉，而不會引起觀測儀器調節(jié)的改變，不會給第二鏡子M2引入應力。例如，第一端EX1和第二端EX2可以使用一種機械連接來固定， 該機械連接用以阻止任何程度的運動自由度。圖9闡明了一種機械 連^l妾的例子。這里，臂0ij (例如022 )的各端部EX1和EX2 ^皮安置 在兩個固定部件PF1和PF2之間。該部件PF2例如被固定到(或形成一個不可分割的部分)第一 框架Cl和第二框架C2中的一個的固定耳Pkn上，該部件PF2包括 兩個螺紋孔TF。這里，介于1和3之間的后綴k用于表示第一框架 Cl或第二框架C2的三個固定耳中的一個，介于1和2之間的后綴n 用于表示第一框架Cl或第二框架C2中的一個。因此，固定耳Pll、 P12和P13屬于第一框架Cl，而固定耳P21、 P22和P23屬于第二框 架C2。該部件PF1例如具有一個這樣的部分，該部分的形狀(在該例 子中為凸形)補充部件PF2的相應部分(在該例子中為凹形)，而 且該部件PF1具有兩個用于螺栓B通過的通孔TT。部件PF2附著于 或被固定到(或形成一個不可分割的部分于)第一框架Cl和第二框 架C2中的一個的固定耳Pkn上。各個端部EX1和EX2也包括兩個用于螺栓B通過的通孔，并由 此相對于部件PF1和PF2使其固定。當然，也可以省卻在該例子中從第一框架Cl和第二框架C2外 圍伸出的固定耳Pkn。作為一種備選方案或是補充，各個端部EX1、 EX2可以被嵌入(或被封裝)到一種固定材料中，例如一種硫化樹脂，以此來阻止任何 程度的運動自由度。如圖7所示，在該例子中，當位于其各自的折疊的初始位置時， 在至少一個選定的平面內，各柔性臂Oij(圖中僅顯示了 032和031 ) 允許存在四個彎曲部。柔性臂能允許的彎曲部的數(shù)目取決于用于折 疊的可用空間和/或當臂展開時(也就是位于圖8所述的最終位置時) 所必須具有的長度。值得注意的是，柔性臂0ij的折疊部(或彎曲部)可以都基本 位于同一個平面，或者位于至少兩個不同的平面(由于它的撓性)。 而且，各個柔性臂0ij的折疊部(或彎曲部)并不需要彼此相同。各個柔性臂的中性面(mean plane)可以進行最佳定向，以允 許柔性臂在垂直于第一框架Cl平面的六個平面內進行折疊，并在展 開期間能夠更容易對它們進行導向。這六個平面的每一個對于一個 臂來說都是特定的，其由三點EX1、臂位于折疊位置時的EX2、臂 位于展開位置時的EX2所限定。柔性臂的中性面因此必須垂直于這 個平面。具體來說，在這種情況下，折疊的臂不是橫向受壓，由此 提高了它們位于折疊位置時的穩(wěn)定性。圖5以望遠鏡管上方的視角示意性地示出了柔性臂的最佳方向。 在此，為便于理解，框架Cl的內徑已經(jīng)被略微地減少。在此，柔性 臂011的位于固定耳Pll上的第一端EX1的線與最接近的對稱軸成 大約30。的角度。所有的柔性臂的端部都具有如此相同的情況。此外，如同第一個例子，優(yōu)選提供用于緩沖副鏡M2 (第二元件) 的運動的裝置和/或用于導向副鏡M2的裝置和/或可伸縮的裝置，該 可伸縮的裝置用于固定第二框架C2和第三框架C3,也可能連同固定 臂0ij。還可以提供一種裝置，用于移動臂0ij的第一端EX1和/或 第二端EX2中的至少一個。如同前面所提到的，在這個第二示例性實施例中，柔性臂0ij 優(yōu)選成對地合作。更具體地說，該支撐裝置D包括至少三對柔性臂 0ij，當它們位于各自的最終位置時，其中的每一對的兩個臂(Oil 和0i2 )組成三邊多面體(三角形)或四邊多面體(梯形)的兩條不 平行的邊。當它們處于各自的最終位置時(參見圖4)，這三對柔性 臂Oij限定了一個六腳件(hexapod)。當三對柔性臂位于各自的初 始位置時，該六腳件基本上沿著主對稱軸XX而折疊。在圖4闡明的例子中，當它們位于各自的最終位置時，三對柔 性臂中的每一對的兩個柔性臂Oil和0i2組成了梯形Ti ( Tl到T3)
的兩條不平行的邊，具體可參見T3例子中的虛線。由于這種特殊的布局，每一對的兩個柔性臂0ij產生力，該力的矢量分量使得在圖中的平面內建立一種平衡。因此，通過這三對臂的合作，建立了全面的平衡，其中這三對臂的第二端EX2精細地 分布在第二框架C2的外圍。更具體地說，在此，第二端EX2-陂固定 到固定耳Pkn上，其中固定耳Pkn配置成大概成120。。當各個柔性臂對的柔性臂0ij具有相同的長度時，該平衡是最 佳的，此時對應的梯形Ti是等腰類型。顯然，每一對的兩個柔性臂0i j的第二端EX2分開的距離越短， 由臂形成的多面體就越接近三角形。當就梯形情況而言，當各個對 的柔性臂0ij具有相同的長度時，結構的平衡是最佳的，此時對應 的三角形Ti是等腰類型?，F(xiàn)在參考圖10和圖11,用以描述按照本發(fā)明的支撐裝置D的第 三示例性實施例。在該第三示例性實施例中，各個可展開的柔性臂0ij被分成第 一副臂0i jl和第二副臂0i j2。各個第一副臂0ijl包括第一端EX1和第三端EX3,各個第二副 臂0ij2包括第二端EX2和第四端EX4。例如，各個第二副臂0ij2是柔性的，而各個第一副臂0ijl可 以是柔性的或剛性的。第一副臂0ijl的各個第三端EX3通過位于第一框架Cl和第二 框架C2之間的剛性的第三框架C3，被間接地固定到第二副臂的第四 端EX4,由此組成一個臂0ij。更具體地說，各個第一副臂0ijl的 第三端EX3被固定到第三框架C3的第一側，而各個第二副臂0ij2 的第四端EX4被固定到第三框架C3的第二側，例如與第一側相反的 那側，并基本上位于與相應第三端EX3相同的位置。如同作為第 一 示例性實施例和第二示例性實施例，可使用任何 所能想到的固定裝置，將副臂0ijl和0ij2的第三端EX3和第四端 EX4固定到第三框架C3上。 固定例如可以利用一種用來阻止任何角度的運動自由度的機械 連接來進行，例如，如圖9所示的嵌固方式。作為一種備選方案或是補充，各個端部EX3、 EX4可以被鑲入(或被封裝)到一種固定材 料中，例如一種硫化樹脂，以此來阻止任何角度的運動自由度。在圖10和圖11所闡明的例子中，第三框架C3布置成等邊三角 形的形狀。該框架的中間是空的，在圖10中不能看到。然而，可以 想象，框架也可以是其他形狀。在該第三示例中，如同上文中的參照圖4到圖9所闡述的第二 示例，第一副臂0ijl成對地合作，第二副臂0ij2也是如此。各個副臂0i jl、 0i j2和上文所描述的第一示例性實施例和第二 示例性實施例中的臂是相同類型的臂。第 一 副臂0 i j 1折疊到折疊彎 曲的初始位置的方式以及第二副臂0ij2折疊的方式因此與上文相 同，在至少一個平面內，各個副臂允許至少2個彎曲部。在圖10所闡明的例子中，支撐裝置D包括三對第一副臂0ijl (柔性的或剛性的)，當它們位于各自的最終位置時，其中每一對 的兩個副臂(Oill和0i21 )組成了三邊多面體(三角形)或四邊多 面體(梯形)的兩條不平行的邊。當它們是柔性的時候，當它們處于各自的最終位置時，這三對 第一副臂0ijl ( (0111、 0121) ， (0211、 0221 ) , ( 0311、 0321 ))限定了第一六腳件。否則，它們一開始就組成第一六腳件。當三對第一柔性副臂0ijl位于各自的初始位置時，該第一六腳 件，倘若是柔性的，基本上沿著主對稱軸XX而折疊。此外，該支撐裝置D還包括三對柔性的第二副臂0ij2,當它們 位于它們各自的最終位置時，其中每一對的兩個副臂(0il2和Oi22 ) 組成了三邊多面體(三角形)或四邊多面體(梯形)的兩條不平行 的邊。當它們處于各自的最終位置時，這三對柔性的第二副臂0ij2 ((0112、 0122 ) , ( 0212、 0222 ) ， (0312、 0322 ))限定了第 二六腳件。當三對柔性的第二副臂0ij2位于各自的初始位置時，該 第二六腳件也是基本上沿著主對稱軸XX而折疊。
因此，該支撐結構由架設在頂部到底部的兩個六腳件形成。 在圖10闡明的例子中，當它們位于各自的最終位置時，第一六腳件的三對中的每一對的兩個第一副臂Oill和0i21組成了梯形Til (T11到T31)的兩條不平行的邊，具體可參見T31例子中的虛線。 此外，當它們位于各自的最終位置時，第二六腳件的三對中的每一 對的兩個柔性的第二副臂Oil2和Oi22組成了另一個梯形Ti2 (T12 到T32)的兩條不平行的邊，具體可參見T32例子中的虛線。值得注意的是，第一副臂對Oill和Oi21可以組成第一尺寸 (dimensions )的多面體(三角形或梯形)的平行的邊，第二副臂 對Oil2和Oi22可以組成第二尺寸的多面體(三角形或梯形)的平 行的邊，該第二尺寸可能不同于第一尺寸，如同在圖示例子中的情 況)。還將可想到的是，第一副臂對Oill和Oi21組成了第一類型 (例如三角形)的多面體的平行的邊，而第二副臂對Oil2和Oi22 組成了第二類型(例如梯形)的多面體的平行的邊。因此，將第一副臂Oijl折疊到它們的初始位置的方式可以不同 于將第二副臂Oij2折疊到它們的初始位置的方式。換言之，第一副 臂Oijl所允許的彎曲的數(shù)目可以不同于第二副臂Oij2所允許的彎 曲的數(shù)目。形成折疊(或彎曲)的平面的數(shù)目同樣也是如此。 如同第二個例子，梯形和/或三角形的形狀優(yōu)選為等腰類型。 圖10和圖11所闡明的結構從穩(wěn)定性方面考慮是有利的。當?shù)?三框架C3可以內接于直徑為第一框架Cl和第二框架C2兩倍的圓內 部時，此時的穩(wěn)定性可能是最佳的。臂0212的位于第三框架C3上 的端部EX4的線與最近的對稱軸成大約60°的角P 。臂0212的端部 EX2的線與最近的對稱軸大致平行。柔性臂以這樣的方式定向，使得三個三角形中的每 一 個都可以與形成其的兩個柔性臂折疊到同 一 個 平面內。在該情況下，折疊的臂并非橫向受壓(或幾乎不受橫向壓 力)(各個三角形平面的外部)，由此提高折疊位置的穩(wěn)定性。此外，如同第一個例子和第二個例子，優(yōu)選提供用于對副鏡M2 (第二元件)的運動進行緩沖的裝置和/或用于對副鏡M2進行導向
的裝置和/或可伸縮的裝置，該可伸縮的裝置用于對第二框架C2和第三框架C3進行固定，也可能連同第一副臂0ijl和第二副臂0ij2 一起進行固定。還可以提供裝置，用于移動副臂0ijl和0ij2的第 一端EX1和/或第二端EX2和/或第三端EX3和/或第四端EX4中的至 少一個。本發(fā)明不僅僅局限于支撐裝置和太空望遠鏡，上文所描述的實 施例僅是舉例，本領域技術人員由此所能想到的變化處于所附的權 利要求的保護范圍中。
權利要求
1、 一種用于支撐航天設備的第一元件(Ml)和第二元件(M2) 的裝置，其特征在于所述裝置包括至少兩個可展開的柔性臂(Oij )， 各個柔性臂(0i j )包括第一端(EXl )和第二端(EX2 )，第一端(EXl ) 和第二端(EX"分別固定到所述第一元件(Ml)和第二元件(M2) 上，各個柔性臂(Oij)被設計成至少具有一個折疊彎曲的初始位置 和一個展開的最終位置，在所述初始位置和最終位置中，所述第一 元件(Ml)分別以第一選定距離和第二選定距離保持遠離所述第二 元件(M2)，所述第二選定距離大于第一選定距離。
2、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述裝置包括至 少三個臂(Oij),各個臂包括第一端(EXl)和第二端(EX2),第 一端(EXl)和第二端(EX2)分別固定到所述第一元件(Ml)和第 二元件(M2)的不同位置上，上述位置的選擇和布置使得各個臂能 夠采取各自的初始位置和各自的最終位置，在所述初始位置和最終 位置中，所述第一元件(Ml)分別以所述第一選定距離和第二選定 距離保持遠離所述第二元件(M2)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述裝置包括三 對臂，當三對臂處于各自的最終位置時，其中各對的兩個臂(Oil、 Oi2)組成梯形(Ti)的兩條不平行的邊。
4 、根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于各對的所述臂(0 i 1 、 Oi2)具有相同的長度，因此對應的梯形(Ti)是等腰梯形。
5、 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述裝置包括三 對臂，當所述三對臂處于各自的最終位置時，其中各對的兩個臂(Oil、 Oi2)組成三角形(Ti)的兩條邊。
6、 根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于各對的所述臂(0i 1 、 Oi2)具有相同的長度，因此對應的三角形(Ti)是等腰三角形。
7、 根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的裝置，其特征在于所述 裝置包括第一框架(CI)和第二框架(C2)，所述第一元件(Ml) 和各個臂(0ij)的第一端(EX1)固定于所述第一框架(Cl)上， 使得第一框架(Cl)固定于第一元件(Ml)上，第二元件(M2)和 各個臂(0ij)的第二端(EX2)固定于所述第二框架(C2)上，使 得第二框架(C2)固定于第二元件(M2)上。
8、 根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于各個臂(0ij)的 所述第一端(EX1)和第二端(EX2)通過能夠阻止任何運動自由度 的機械連接件和/或固定材料分別固定到所述第一框架(Cl)和第二 框架(C2)上。
9、 根據(jù)權利要求2-6中任一項結合權利要求7-8中的一項所述 的裝置，其特征在于各個臂(0ij)包括第一副臂(0ijl)和第二 副臂(0ij2),所述第一副臂(0ijl)包含所述第一端(EX1)和一 第三端(EX3),所述第二副臂(0iJ2)包含所述第二端(EX2)和 一第四端(EX4),并且，所述裝置還包括插入于所述第一框架(Cl) 和第二框架(C2)之間的第三框架(C3),各個第一副臂(Oijl) 的第三端(EX3)和各個第二副臂(0ij2)的第四端(EX4)固定于 所述第三框架(C3)上。
10、 根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于各個第一副臂 (0ijl )的所述第三端(EX3)和各個第二副臂(0ij'2)的所述第四端(EX4)通過能夠阻止任何運動自由度的機械連接件和/或固定材 料分別固定到所述第三框架(C3)上。
11、 根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的裝置，其特征在于所 述裝置包括緩沖裝置，所述緩沖裝置能夠在各個臂(0ij)到達其最 終位置時對所述第二元件(M2)的運動進行緩沖。
12、 根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的裝置，其特征在于所 述裝置包括導向裝置，所述導向裝置能夠在各個臂(Oij)從其初始 位置向最終位置移動時，至少對所述第二元件(M2)的一些運動進 行導向。
13、 根據(jù)權利要求1-12中任一項所述的裝置，其特征在于所 述裝置包括運動裝置，所述運動裝置能夠移動所述臂(0ij)中的至 少一個的第一端(EX1)和/或第二端(EX2),從而控制所述臂的最 終位置以及所述第二元件(M2)相對于所述第一元件(Ml)的位置。
14、 根據(jù)權利要求1-13中任一項所述的裝置，其特征在于所 述裝置包括可伸縮的固定裝置，所述可伸縮的固定裝置能夠在各個 臂(0ij)靜止于其初始位置時，使所述第一元件(Ml)和/或所述 第二元件(M2)相對于所述航天設備的剛性結構進行固定。
15、 根據(jù)權利要求1-13中任一項所述的裝置，其特征在于當 各個柔性臂(0ij )位于所述初始位置時，在至少一個選定的平面內， 各個柔性臂(0ij)能允許有至少兩個彎曲部。
16、 根據(jù)權利要求15所述的裝置，其特征在于當柔性臂(0ij、 0ijl、 0ij2 )位于所述初始位置時，在同一個平面內，所述柔性臂(0ij、 0ijl、 0ij2)能允許有至少兩個彎曲部。
17、 根據(jù)權利要求15所述的裝置，其特征在于當柔性臂(0ij、 0ijl、 0ij2 )位于所述初始位置時，所述柔性臂(0ij、 0ijl、 0ij2) 能允許有位于至少兩個不同的平面內的至少兩個彎曲部。
18、 根據(jù)權利要求15-17中任一項所述的裝置，其特征在于各 個柔性臂(0ij、 0ijl 、 0ij2)由碳纖維制成。
19、 根據(jù)權利要求1-18中任一項所述的裝置，其特征在于所 述第一元件(Ml)是主鏡。
20、 根據(jù)權利要求1-19中任一項所述的裝置，其特征在于所 述第二元件(M2)選自至少包括副鏡和焦面的組。
21、 一種航天設備，包括由第一元件(Ml)和第二元件(M2)構成的至少一個組件，其特征在于所述航天設備包括至少一個如 前述任一項權利要求所述的用于支撐由第一元件(Ml)和第二元件 (M2 )所構成的組件的裝置。
22、 根據(jù)權利要求21所述的航天設備，其特征在于所述航天 設備被設置成觀測儀器的形式。
23、 根據(jù)權利要求22所述的航天設備，其特征在于所述觀測 儀器包括至少一個望遠鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置(D)，其用于支撐諸如望遠鏡之類的航天設備的第一元件(M1)和第二元件(M2)。該裝置(D)包括至少兩個可展開的柔性臂(O11至O32)，其中各個臂都包括第一端(EX1)和第二端(EX2)，第一端(EX1)和第二端(EX2)分別固定到第一元件(M1)和第二元件(M2)上，其中各個臂都被設計成具有折疊彎曲的初始位置和展開的最終位置，在上述初始位置和最終位置中，第一元件(M1)分別以第一選定距離和第二選定距離保持遠離第二元件(M2)，該第二距離大于第一距離。
文檔編號B64G1/22GK101124116SQ200580048340
公開日2008年2月13日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權日2004年12月28日
發(fā)明者F·法爾宗, J·迪皮伊, L·布朗夏爾 申請人:阿爾卡特公司