本發(fā)明是關于航天技術領域，特別涉及一種扭簧驅動的小衛(wèi)星星載可展開平面結構及其安裝方法。

背景技術：
近年來，小衛(wèi)星由于其質量輕、成本低以及研究周期短等優(yōu)點，越來越受到重視。但是小衛(wèi)星質量較輕、體積較小，自身姿態(tài)控制能力有限，所以目前的小衛(wèi)星上很少搭載工作平臺，使小衛(wèi)星功能受限。目前小衛(wèi)星主要以小型螺旋天線來收發(fā)信號、衛(wèi)星表面粘貼太陽能電池片來獲得能量，而并不是靠搭載的天線平臺和太陽帆。為了拓展小衛(wèi)星的應用領域，迫切需要一種較大的、能夠安裝在小衛(wèi)星上的平臺結構，能夠安裝各種有效載荷。一般地，考慮到運載火箭衛(wèi)星整流罩的有限體積和小衛(wèi)星所能夠提供的有限能量，小衛(wèi)星的平臺結構通常采用可展開結構形式和以收攏狀態(tài)儲備的勢能展開作為驅動方式，但尚沒有非常成熟，或者說通用性很強的技術，該領域的市場前景看好。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種折疊率高、可靠性高、展開快速高效、能夠適合于小衛(wèi)星的可展開平面結構構成的工作平臺及其安裝方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明的解決方案是：提供一種扭簧驅動的小衛(wèi)星星載可展開平面結構，主體為薄壁桿件，所述小衛(wèi)星星載可展開平面結構包括等邊三角形展開單元，所述等邊三角形展開單元包括薄壁桿件、節(jié)點、接頭、扭簧和銷軸，且相鄰的等邊三角形展開單元之間利用不同的節(jié)點拼接；其中，所述節(jié)點分為六向節(jié)點、四向節(jié)點、三向節(jié)點、雙向節(jié)點、中心節(jié)點；所述薄壁桿件的內部設有空間用于安裝有效載荷，薄壁桿件的兩端分別開有鉚接孔A，薄壁桿件上還開有安裝定位孔和走線孔，安裝定位孔用于固定內部安裝的有效載荷，走線孔用于內部有效載荷與外部的線路連接；所述節(jié)點是設有安裝槽的節(jié)點板，每個安裝槽是用于和薄壁桿件一端的接頭連接的凹槽，安裝槽上設有扭簧孔和銷軸孔；其中，六向節(jié)點設有六個安裝槽，四向節(jié)點設有四個安裝槽，三向節(jié)點設有三個安裝槽，雙向節(jié)點設有兩個安裝槽，中心節(jié)點是下方帶有底座的六向節(jié)點，底座為設有螺紋孔的空心圓柱，用于實現(xiàn)小衛(wèi)星星載可展開平面結構與小衛(wèi)星連接；所述接頭上設有鉚接孔B、扭簧孔和銷軸孔，薄壁桿件的兩端分別通過鉚接孔A、鉚接孔B與接頭連接，薄壁桿件端部每個安裝好的接頭再分別通過扭簧孔、銷軸孔，利用扭簧和銷軸與節(jié)點的一個安裝槽連接；所述扭簧用于：在小衛(wèi)星星載可展開平面結構展開時提供展開驅動力，以及在小衛(wèi)星星載可展開平面結構處于展開狀態(tài)時，提供預留扭矩保持結構平衡和平面的形面精度。在本發(fā)明中，所述節(jié)點上開有孔，用于減輕質量；且節(jié)點板能作為所連接的扭簧的限位裝置，具體是指：扭簧在驅動小衛(wèi)星星載可展開平面結構展開時，薄壁桿件旋轉90度后與節(jié)點板接觸，用于限制薄壁桿件繼續(xù)旋轉。在本發(fā)明中，所述銷軸的一端帶有端頭，另一端內部設有螺紋孔；銷軸能通過螺紋孔利用螺栓與節(jié)點連接。在本發(fā)明中，所述小衛(wèi)星星載可展開平面結構為對稱結構，且中心節(jié)點安裝在小衛(wèi)星星載可展開平面結構的中心位置。在本發(fā)明中，所述薄壁桿件的材質采用碳纖維材料(經(jīng)過熱控處理，用于提高有效載荷的空間適應性)；所述節(jié)點和接頭的材質都采用高強度鋁合金材料(樣機上采用2A12鋁合金)；所述扭簧采用不銹鋼扭簧(通過高低溫真空試驗驗證，驗證試驗條件由該展開結構最終工作的軌道高度的環(huán)境決定；扭簧剛度取剛好能滿足基頻要求時的剛度，樣機上所用扭簧剛度為1.85N·mm/°)；所述銷軸采用鈦合金材質的銷軸。提供基于所述的小衛(wèi)星星載可展開平面結構的安裝方法，用于將小衛(wèi)星星載可展開平面結構組裝后與小衛(wèi)星連接，具體包括下述步驟：步驟A(有效載荷的安裝)：將有效載荷的兩端各連接一段(較短的)能伸出薄壁桿件的導線，然后將有效載荷放入工裝上，并緩慢推入薄壁桿件內部，當薄壁桿件的安裝定位孔與有效載荷上的螺紋孔對齊后，擰入螺栓并擰緊，再拔出工裝，并將有效載荷兩端的導線從薄壁桿件的走線孔引出；步驟B(薄壁桿件與接頭的連接)：先用結構膠粘接薄壁桿件與接頭，等24小時固化后，將薄壁桿件上的鉚接孔A、接頭的鉚接孔B用抽芯鉚釘鉚接；步驟C(薄壁桿件與六向節(jié)點、三向節(jié)點、四向節(jié)點以及中心節(jié)點的連接)：先將扭簧的一端伸入與薄壁桿件連接好的接頭上的扭簧孔內，然后將帶有扭簧和薄壁桿件的接頭放入節(jié)點上的安裝槽的凹槽內，調整位置，使扭簧的另一端穿入節(jié)點上的扭簧孔內，調好位置后穿過銷軸，并擰上螺栓固定；步驟D(雙向節(jié)點的安裝)：根據(jù)所需小衛(wèi)星星載可展開平面結構的平面布置圖(可參考圖4的布局)，把安裝上薄壁桿件的節(jié)點擺放到相應的位置，連接上雙向節(jié)點；步驟E(導線的焊接)：將相鄰薄壁桿件內伸出的導線焊接在一起，并最后將導線通過中心節(jié)點的底座空心圓柱穿出；步驟F(小衛(wèi)星星載可展開平面結構與小衛(wèi)星的連接)：將連接好的小衛(wèi)星星載可展開平面結構的中心節(jié)點底座放入小衛(wèi)星的頂板空心圓柱內，并使中心節(jié)點的螺紋孔與小衛(wèi)星頂板的連接孔對齊，對齊后的孔內穿入螺釘固定；步驟G(導線的連接)：將小衛(wèi)星引出的導線與小衛(wèi)星星載可展開平面結構中心節(jié)點處的導線連接。在本發(fā)明中，所述有效載荷的兩端帶有螺紋孔，用于和薄壁桿件上的安裝定位孔配合，實現(xiàn)有效載荷的固定安裝。在本發(fā)明中，所述小衛(wèi)星頂板的中間設有外伸的頂板空心圓柱，頂板空心圓柱的內徑為小衛(wèi)星星載可展開平面結構中心節(jié)點的底座外徑，且頂板空心圓柱上設有與底座上螺紋孔配合的連接孔。在本發(fā)明中，所述工裝用于有效載荷的安裝；工裝的前端帶有凹槽，用于放入有效載荷，工裝的中部設有凸起的板，用于限制有效載荷的單向移動，工裝的長度滿足有效載荷安裝到位時還能將工裝拔出，工裝的高度滿足有效載荷安裝到位時，有效載荷與薄壁桿件的上表面接觸。本發(fā)明的工作原理：通過扭簧的預留扭矩和底板的限位作用來保持結構的平面精度，機構對稱展開，平面方向的沖擊力相互抵消，只在面的法線方向有沖擊力，不會對衛(wèi)星造成明顯的翻滾，平面拓撲關系為閉合的三角形，只要有兩邊展開，三角形就能展開，展開可靠性高，且展開迅速。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明的小衛(wèi)星星載可展開平面結構，其收攏狀態(tài)尺寸取決于桿件的截面尺寸，展開狀態(tài)尺寸取決于桿件的長度尺寸，故收納比較大，滿足火箭發(fā)射時的小空間需求和太空中使用的大空間需求，且其在折疊狀態(tài)時，也因重量小和和收納率高，具有方便攜帶的優(yōu)勢。2、本發(fā)明的小衛(wèi)星星載可展開平面結構利用自身關節(jié)處的扭簧驅動展開，可以在少于1秒的時間內快速從折疊狀態(tài)轉為展開狀態(tài)，并可有效使用，操作簡單，展開可靠性高。3、本發(fā)明的小衛(wèi)星星載可展開平面結構，能將有效載荷安裝在桿件內，易于實現(xiàn)熱控和保護，使有效載荷具有較好的工作環(huán)境，提供高精度的工作平臺，拓展了小衛(wèi)星的功能和應用領域。4、本發(fā)明的小衛(wèi)星星載可展開平面結構制作簡單，可批量生產，有著很高的實用價值和推廣價值。附圖說明圖1為小衛(wèi)星星載可展開平面結構的收攏狀態(tài)示意圖。圖2為小衛(wèi)星星載可展開平面結構的展開過程狀態(tài)示意圖。圖3為小衛(wèi)星星載可展開平面結構的完全展開狀態(tài)示意圖。圖4為小衛(wèi)星星載可展開平面結構的整體結構部件示意圖。圖5為薄壁桿件與接頭的連接示意圖。圖6為中心節(jié)點示意圖。圖7為三向節(jié)點示意圖。圖8為六向節(jié)點及其裝配示意圖。圖9為四向節(jié)點示意圖。圖10為雙向節(jié)點及其裝配示意圖。圖11為工裝對有效載荷的安裝示意圖。圖12為有效載荷安裝后示意圖。圖13為中心節(jié)點與小衛(wèi)星連接示意圖。圖中的附圖標記為：1小衛(wèi)星星載可展開平面結構；2小衛(wèi)星；3鉚接孔A；4頂板空心圓柱；5薄壁桿件；6中心節(jié)點；7三向節(jié)點；8六向節(jié)點；9四向節(jié)點；10雙向節(jié)點；11接頭；12走線孔；13安裝定位孔；14鉚接孔B；15加勁肋；16扭簧；17銷軸；18有效載荷；19螺紋孔；20工裝。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述：如圖1、圖2、圖3所示的一種扭簧驅動的小衛(wèi)星星載可展開平面結構1，由基本的等邊三角形展開單元組合而成，通過節(jié)點處的扭簧16驅動展開，能作為小衛(wèi)星2的搭載工作平臺。所述小衛(wèi)星星載可展開平面結構1的主體為薄壁桿件5，還包括節(jié)點、接頭11、扭簧16和銷軸17。如圖5所示，所述薄壁桿件5的內部空間用于安裝有效載荷18，薄壁桿件5的兩端分別開有鉚接孔A3，薄壁桿件5上還開有安裝定位孔13和走線孔12，安裝定位孔13用于固定內部的有效載荷18，走線孔12用于內部有效載荷18與外部的線路連接，能夠將小衛(wèi)星2內部的電能傳遞到薄壁桿件5內的有效載荷18上，保證有效載荷18的正常工作。薄壁桿件5的材質采用碳纖維材料，輕質、高強度，且薄壁桿件5經(jīng)過熱控處理，使有效載荷18具有很好的空間適應性。所述節(jié)點采用高強度鋁合金材料制造，質量輕、強度高，易于加工成較復雜的節(jié)點形狀。節(jié)點是設有安裝槽的節(jié)點板，節(jié)點上還開有大量的孔，用于減輕質量。每個安裝槽是用于和薄壁桿件5一端的接頭11連接的凹槽，安裝槽上設有扭簧孔和銷軸孔。其中，六向節(jié)點8設有六個安裝槽，如圖8所示；四向節(jié)點9設有四個安裝槽，如圖9所示；三向節(jié)點7設有三個安裝槽，如圖7所示；雙向節(jié)點10設有兩個安裝槽，如圖10所示；中心節(jié)點6是下方帶有底座的六向節(jié)點，底座為設有螺紋孔的空心圓柱，用于實現(xiàn)小衛(wèi)星星載可展開平面結構1與小衛(wèi)星2連接，具體可參考圖6。節(jié)點底板能作為所連接的扭簧16的限位裝置，具體是指：扭簧16在驅動小衛(wèi)星星載可展開平面結構1展開時，薄壁桿件5旋轉90度后與節(jié)點底板接觸，用于限制薄壁桿件5繼續(xù)旋轉。所述接頭11采用高強度鋁合金材料制造，質量輕、強度高，易于加工成較復雜的形狀。接頭11上設有鉚接孔B14和扭簧孔，薄壁桿件5的兩端分別通過鉚接孔A3、鉚接孔B14與接頭11連接，薄壁桿件5端部每個安裝好的接頭11再分別通過扭簧孔，利用扭簧16和銷軸17與節(jié)點的一個安裝槽連接。所述扭簧16一方面在小衛(wèi)星星載可展開平面結構1展開時提供展開驅動力，驅動桿件旋轉90度后桿件與節(jié)點底板接觸，不能繼續(xù)旋轉；另一方面展開到位后扭簧16仍有預留扭矩，這樣可保持結構穩(wěn)定，并保持平面的形面精度。收攏時扭簧16的扭轉角較大，扭簧16處于高應力狀態(tài)。扭簧16采用不銹鋼扭簧，耐低溫，適合于空間環(huán)境，扭簧16剛度取剛好能滿足基頻要求時的剛度(樣機上所用扭簧剛度為1.85N·mm/°)，且通過高低溫真空試驗驗證(驗證試驗條件由該展開結構最終工作的軌道高度的環(huán)境決定)，還要保證多次重復展開和長時間收攏后的扭簧16剛度不降低。所述銷軸17采用鈦合金材質制造，強度高，質量較輕；銷軸17的一端帶有端頭，另一端內部設有螺紋孔；銷軸17能通過螺紋孔利用螺栓與節(jié)點連接，這樣的連接方式可以避免螺栓預緊時對連接的薄壁節(jié)點造成變形。所述薄壁桿件5通過接頭11、扭簧16、銷軸17、節(jié)點連接后，形成等邊三角形展開單元，并利用設有數(shù)量不同安裝槽的節(jié)點選擇，將等邊三角形展開單元拼接成所需的小衛(wèi)星星載可展開平面結構1。小衛(wèi)星星載可展開平面結構1為對稱結構，且中心節(jié)點6安裝在小衛(wèi)星星載可展開平面結構1的中心位置。小衛(wèi)星星載可展開平面結構1的安裝方法，包括小衛(wèi)星星載可展開平面結構1組裝、與小衛(wèi)星2連接，具體包括下述步驟：步驟A(有效載荷18的安裝)：將有效載荷18的兩端各連接一段較短的能伸出薄壁桿件5的導線，然后將有效載荷18放入工裝20上，并緩慢推入薄壁桿件5內部，當薄壁桿件5的安裝定位孔13與有效載荷18上的螺紋孔19對齊后，擰入螺栓擰緊，再拔出工裝20，并將有效載荷18兩端的導線從薄壁桿件5的走線孔12引出。如圖11、圖12所示。所述有效載荷18的兩端帶有螺紋孔19，用于和薄壁桿件5上的安裝定位孔13配合，實現(xiàn)有效載荷18的固定安裝。所述工裝20用于有效載荷18的安裝；工裝20的前端帶有凹槽，用于放入有效載荷18，工裝20的中部設有凸起的板，用于限制有效載荷18的單向移動，工裝20的長度滿足有效載荷18安裝到位時還能將工裝20拔出，工裝20的高度滿足有效載荷18安裝到位時，有效載荷18與薄壁桿件5的上表面接觸，方便連接。步驟B(薄壁桿件5與接頭11的連接)：先用結構膠粘接薄壁桿件5與接頭11，等24小時固化后，將薄壁桿件5上的鉚接孔A3、接頭11的鉚接孔B14用抽芯鉚釘鉚接。步驟C(薄壁桿件5與六向節(jié)點8、三向節(jié)點7、四向節(jié)點9以及中心節(jié)點6的連接)：先將扭簧16的一端伸入與薄壁桿件5相連的接頭11上的扭簧孔內，然后將帶有扭簧16和薄壁桿件5的接頭11放入節(jié)點上的安裝槽凹槽內，調整位置，使扭簧16的另一端穿入節(jié)點上的扭簧孔內，調好位置后穿過銷軸17，并擰上螺栓固定。步驟D(雙向節(jié)點10的安裝)：根據(jù)所需小衛(wèi)星星載可展開平面結構1的平面布置圖，可參考圖4的布局，把安裝上薄壁桿件5的節(jié)點擺放到相應的位置，連接上雙向節(jié)點10。步驟E(導線的焊接)：將相鄰薄壁桿件5內伸出的導線焊接在一起，并最后將導線通過中心節(jié)點6的底座空心圓柱穿出。步驟F(小衛(wèi)星星載可展開平面結構1與小衛(wèi)星2的連接)：將連接好的小衛(wèi)星星載可展開平面結構1的中心節(jié)點6底座放入小衛(wèi)星2頂板的空心圓柱內，并使中心節(jié)點6的螺紋孔與小衛(wèi)星2頂板的連接孔對齊，對齊后的孔內穿入螺釘固定。如圖13所示，小衛(wèi)星2頂板的中間設有外伸的頂板空心圓柱4，頂板空心圓柱4的內徑為小衛(wèi)星星載可展開平面結構1中心節(jié)點6的底座外徑，且頂板空心圓柱4上設有與底座上螺紋孔配合的連接孔。步驟G(導線的連接)：將小衛(wèi)星2引出的導線與小衛(wèi)星星載可展開平面結構1中心節(jié)點6處的導線連接。最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容中直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。