本發(fā)明涉及航天空間可展機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種星載柔性超輕型折疊式碳纖維伸桿。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對于空間科學研究領(lǐng)域大為拓展，空間科學任務越來越復雜，對地遙感、空間探測等越來越多的太空活動，對滿足不同任務需要的空間飛行器探測載荷提出了更高要求，例如：低頻率大尺寸天線、伸出衛(wèi)星本體一定距離的有效載荷探測儀器以及需干涉測量的高精度高分辨率載荷都要求有相應的伸桿機構(gòu)來實現(xiàn)發(fā)射時收攏、在軌時展開的功能。

20世紀60年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，促使了一類新的結(jié)構(gòu)機構(gòu)——空間可展結(jié)構(gòu)機構(gòu)的誕生。空間伸展臂是最基本的一類空間可展結(jié)構(gòu)機構(gòu)，其通過桿狀可展機構(gòu)展開為一維線性體系，呈細長管或單向構(gòu)架，主要可用于大型空間可展天線、太陽電池陣、太陽帆、空間平臺、探測臂機構(gòu)等，主要作為結(jié)構(gòu)性元件，同時作為機構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)空間展開折疊運動功能。

空間伸展臂形式多樣，目前，按照其結(jié)構(gòu)形式進行分類，共有六大類結(jié)構(gòu)形式：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、展開折疊式伸展臂、充氣式空間伸展臂。

(1)薄壁管狀伸展臂

薄壁管狀伸展臂利用薄殼彈性變形、彈性恢復和電機卷繞實現(xiàn)伸桿折疊與展開，基本運動為：轉(zhuǎn)動或扭轉(zhuǎn)、伸展。其材料常用銅鈹合金、鉬和鎢等。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，管狀桿直徑可為6.0-50.0mm，伸桿長度可達300m。但是其臂根部翹曲限制了結(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。

德國空間中心在研的太陽帆ctm支承結(jié)構(gòu)，通過把兩個stem在邊界粘接形成閉口的薄壁桿，實現(xiàn)在軌拼接薄壁管，從而獲得更大收納容量，突破目前能達到的伸桿長度極限。

(2)套筒管狀伸展臂

套筒管狀伸展臂由一系列同心薄壁圓管相互嵌套而成，其展開方式有：通過驅(qū)動螺桿或絲杠順序展開，或同步展開；借助外力(如離心力)，在外力作用下逐漸展開?？紤]伸桿長度受管壁和重疊長度因素影響，其材料多為輕合金、復合材料等。套筒一般為薄壁管，厚度0.5-1.0mm，常見截面為圓形，薄壁管之間鎖緊裝置最為關(guān)鍵。套筒管狀伸展臂可作為支承桿或推桿，用于天線、太陽電池陣展開，一般可達40m長。套筒管狀伸展臂可靠性高，但收攏后薄壁管仍然較長，收縮比低。

telescopicboom套筒管狀伸縮臂由法國國家空間研究局cnes(centrenationald'etudesspatiales)和comat共同研制，可以將有效載荷伸出衛(wèi)星平臺以外，定位準確，結(jié)構(gòu)剛度高。此伸展臂工程樣機重2.9kg，伸展長度3.5m，精度±1.5mm，有效載荷裝在遠端最細的一節(jié)上，伸桿展開依靠電機驅(qū)動，不具備再次收攏功能。伸展臂展開時，各節(jié)套筒依次展開，每節(jié)套筒通過三個導向針在中心螺紋柱滑動以導向，一旦某一個套筒到達螺紋柱終點，同步鎖緊機構(gòu)動作，同時下一個套筒鎖緊銷釘拔出，并在中心螺旋機構(gòu)的驅(qū)動下展開。

(3)鉸接式伸展臂

鉸接式桁架伸展臂剛度高、抗振性好、精度高、幾何擴展與設計靈活。其在伸展過程保持直線狀、等外接圓，便于運動控制和其它結(jié)構(gòu)連接。鉸接式桁架伸展臂已成功應用于航天飛行器，并有多種形式，最典型的鉸接式桁架伸展臂有三種：可折疊鉸接四邊形桁架伸展臂、可展鉸接四邊形桁架伸展臂、可折疊鉸接三角形桁架伸展臂。其一般采取運動鉸作為折疊關(guān)節(jié)，每節(jié)伸展臂獨立成型。鉸接式桁架伸展臂主要用于空間平臺、空間站半剛性太陽電池陣支承結(jié)構(gòu)和展開機構(gòu)，以及大型天線、空間探測機構(gòu)等。

核光譜望遠鏡陣列于2012年6月13日發(fā)射，主要用來觀測來自天體的5kev-80kev之間的高能x射線，屬于nasa的探測工程計劃，其星上搭載有60m長的空間伸展臂，伸展臂采用可折疊鉸接四邊形桁架伸展臂。

(4)盤繞式伸展臂

盤繞式伸展臂常為3根通長縱桿、橫桿、斜加勁索構(gòu)成桁架式伸展臂，由盤繞縱桿來收攏伸展臂。與鉸接式伸展臂相比，盤繞式伸展臂構(gòu)造更簡單、質(zhì)量更小、展開可靠性更高，但剛度較低。盤繞式伸展臂橫截面幾何形狀一般為正多邊形，邊數(shù)由縱桿數(shù)目決定，通常為3或4根，相應桁架橫截面幾何形狀為等邊三角形或正四邊形。

如圖1所示，由北京航空航天大學王新升等人發(fā)明的專利“盤繞式y(tǒng)形橫架無鉸空間伸展臂”是一種三叉形桁架伸展臂，此設計以最簡單的機構(gòu)形式，實現(xiàn)了高伸縮比、高可靠性、高剛度、高抗剪切和扭轉(zhuǎn)的特性，可以用于空間探測臂、航天器大型太陽電池陣、空間站主結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

(5)展開折疊式伸展臂

展開折疊式伸展臂主要由各節(jié)固定形式的單節(jié)伸展臂通過節(jié)與節(jié)之間的運動連接件相連構(gòu)成，其展開折疊方式不同于鉸接式與盤繞式伸展臂，它專指各節(jié)伸展臂通過節(jié)與節(jié)之間的運動鏈接件在自身驅(qū)動或者外力作用下實現(xiàn)收攏折疊與釋放展開，節(jié)與節(jié)之間運動連接件一般只能實現(xiàn)一個平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。展開折疊式伸展臂結(jié)構(gòu)簡單、展開可靠性高、單節(jié)伸桿整體性能保持性好，其每節(jié)伸桿可采用輕合金、復合材料，伸桿截面設計限制小，適合小型空間飛行器搭載安裝。但是，展開折疊式伸展臂收納率較低，需要有一個維度上較大的收納空間。

先驅(qū)者10號衛(wèi)星于1972年3月成功發(fā)射，屬于美國nasa的thepioneermissions任務，先驅(qū)者計劃是美國系列無人行星探測任務，先驅(qū)者10號則主要探測木星并且之后飛離太陽系，傳播地球信息。星上裝有2.9m長的中等增益全向天線，與2.7米長的高增益天線，天線采用展開折疊式伸展臂，發(fā)射時折疊收攏，衛(wèi)星入軌后各節(jié)管繞轉(zhuǎn)動鉸展開。

(6)充氣式空間伸展臂

充氣式空間伸展臂結(jié)構(gòu)采用超薄柔性復合材料，充氣后膨脹并逐漸展開、剛化(固化)，由柔性變?yōu)閯傂缘姆€(wěn)定工作結(jié)構(gòu)形態(tài)。充氣式空間伸展臂具有質(zhì)量小、收納率高、構(gòu)造簡單、加工成本低、可靠性高、熱穩(wěn)定性好、振動特性良好。充氣式空間伸展臂薄膜可采用mylar、kevlar、nomex與金屬材料復合，其硬化機理主要有紫外光固化、加入固化氣體、多孔發(fā)泡技術(shù)等。

先進太陽能薄膜由美國宇航局研發(fā)，其目的是通過充氣式太陽能薄膜實現(xiàn)剛性熱聚光作用，提高太陽能電池效率，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、成本低，并且能實現(xiàn)高效收攏與裝載，此項充氣結(jié)構(gòu)不僅適合于地球低軌道和地球同步軌道，而且可以實施深空飛行任務。

綜上所述，目前主流的空間伸展臂中：薄壁管狀伸展臂抗彎及抗扭剛度較低，難以實現(xiàn)精確定位；套筒管狀式伸展臂與展開折疊式伸展臂的收納比較低，占用質(zhì)量較大；鉸接式伸展臂由于其設備規(guī)模較大，一般用于較大型航天器或者空間站使用，對于一般規(guī)模衛(wèi)星，尤其是越來越受關(guān)注的微小衛(wèi)星而言其體積、質(zhì)量都過大；盤繞式伸展臂雖然構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕，但剛度較低，不能用于探測精度較高的有效載荷支撐承力體系；充氣式空間伸展臂雖然自身特性較好，但需要配備充氣輔助設備，會占用較為緊張的星上資源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為克服上述問題，提供一種星載柔性超輕型折疊式碳纖維伸桿，該伸桿具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、展開可靠性高、展開穩(wěn)定性高、重復展開指向精度高、展開時間短、無需外部能量自行展開、載荷易安裝、安裝機械接口簡單、適用于多種航天器等特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種星載柔性超輕型折疊式碳纖維伸桿，所述碳纖維伸桿包括：柔性伸桿1，所述柔性伸桿1沿桿件軸向設置若干個長圓通孔3，作為柔性彎曲關(guān)節(jié)15。

上述技術(shù)方案中，所述柔性伸桿1的根部設有根部安裝法蘭2，所述根部安裝法蘭2包括相接的圓管和方形安裝盤；所述圓管套在柔性伸桿1外壁上，采用膠粘劑與柔性伸桿1固定；所述方形安裝盤四角設置螺釘安裝孔，用于與衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動支座8進行連接。

上述技術(shù)方案中，所述柔性伸桿1上固定若干個探測載荷安裝支座4和/或光學載荷安裝支座9，所述探測載荷安裝支座4用于安裝探測載荷7，所述光學載荷安裝支座9用于安裝光學載荷10。

上述技術(shù)方案中，所述探測載荷安裝支座4包括相接的探測載荷安裝平面和兩個圓環(huán)管套，所述探測載荷安裝平面上設置螺釘安裝孔，用于與探測載荷7進行機械連接；所述柔性伸桿1穿過兩個圓環(huán)管套，并采用膠接進行固定；在圓環(huán)套管與柔性伸桿1相接的內(nèi)壁上安裝支撐襯套6。

上述技術(shù)方案中，所述光學載荷安裝支座9包括相接的一個圓環(huán)管套和凸塊，所述凸塊上設置螺釘安裝孔，用于與光學載荷10進行機械連接；所述柔性伸桿1穿過圓環(huán)管套，采用膠接進行固定。

上述技術(shù)方案中，當所述碳纖維伸桿設置1個長圓通孔3時，所述碳纖維伸桿為1折碳纖維伸桿；當其折疊收攏于子星12側(cè)面上時，所述1折碳纖維伸桿的柔性彎曲關(guān)節(jié)15彎曲180°；所述1折碳纖維伸桿被安裝于主星11側(cè)面上的夾緊釋放機構(gòu)5鎖緊，所述探測載荷7或光學載荷10的電纜13伸入到子星12內(nèi)部，采用聚酰亞胺膠帶14將電纜13綁緊于1折碳纖維伸桿的外壁。

上述技術(shù)方案中，當所述碳纖維伸桿設置3個長圓通孔3時，所述碳纖維伸桿為3折碳纖維伸桿；所述3折碳纖維伸桿盤繞在主星11頂部，每個柔性彎曲關(guān)節(jié)15彎曲90°，所述3折碳纖維伸桿被夾緊釋放機構(gòu)5鎖緊，所述探測載荷7或光學載荷10的電纜13沿著3折碳纖維伸桿的直管段外壁進行盤繞，在柔性彎曲關(guān)節(jié)15處電纜13彎曲所在平面與柔性彎曲關(guān)節(jié)15所在平面夾角呈90°；所述電纜13伸入到子星12內(nèi)部，采用聚酰亞胺膠帶14將電纜13綁緊于3折碳纖維伸桿的外壁。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1、本發(fā)明的碳纖維伸桿由于對柔性彎曲關(guān)節(jié)上長圓通孔的開孔形狀以及開孔尺寸進行了細致深入的設計仿真模擬，使得碳纖維伸桿在由收攏狀態(tài)變?yōu)檎归_狀態(tài)后仍能具有較高的結(jié)構(gòu)支撐剛度，其中，在帶有探測載荷安裝支座、探測載荷、電纜的工況下，1折碳纖維伸桿展開基頻＞15hz；在帶有探測載荷安裝支座、探測載荷、電纜、光學載荷安裝支座、光學載荷的工況下，3折碳纖維伸桿展開基頻＞5hz；

2、由于本發(fā)明的碳纖維伸桿合理地使用碳纖維超薄預浸料，使其具備了較高的折疊展開重復使用性，其中1折碳纖維伸桿、3折碳纖維伸桿的折疊展開重復次數(shù)均可大于30次；

3、由于本發(fā)明對碳纖維伸桿進行了合理的鋪層角度與鋪層厚度設計，其具有較高的重復展開精度，其中，在帶有探測載荷安裝支座、探測載荷、電纜的工況下，1折碳纖維伸桿重復展開精度優(yōu)于0.018°；在帶有探測載荷安裝支座、探測載荷、電纜、光學載荷安裝支座、光學載荷的工況下，3折碳纖維伸桿重復展開精度優(yōu)于0.02°；

4、本發(fā)明由于采用一體化碳纖維材料構(gòu)型設計，碳纖維伸桿具備超輕質(zhì)量的特點，適用于大型衛(wèi)星、小型衛(wèi)星等不同規(guī)模的衛(wèi)星安裝使用，其單位長度重量＜200g；

5、由于本發(fā)明的碳纖維伸桿采用自動存儲、釋放彈性勢能的柔性彎曲關(guān)節(jié)設計，其具備無外需能源自展開，并自動展開定型的功能，節(jié)省了星上資源的消耗。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的三叉形桁架伸展臂的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的1折碳纖維伸桿展開結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的1折碳纖維伸桿的探測載荷安裝支座結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的1折碳纖維伸桿的根部安裝法蘭結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的1折碳纖維伸桿收攏的正視圖；

圖6為本發(fā)明的1折碳纖維伸桿收攏的仰視圖；

圖7為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿展開結(jié)構(gòu)圖；

圖8為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿的柔性伸桿的結(jié)構(gòu)圖；

圖9為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿的探測載荷安裝支座結(jié)構(gòu)圖；

圖10為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿的光學載荷安裝支座結(jié)構(gòu)圖；

圖11為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿的根部安裝法蘭結(jié)構(gòu)圖；

圖12為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿收攏的正視圖；

圖13為本發(fā)明的3折碳纖維伸桿收攏的布局圖。

附圖標記：

1、柔性伸桿2、根部安裝法蘭3、長圓通孔4、探測載荷安裝支座

5、夾緊釋放機構(gòu)6、支撐襯套7、探測載荷8、轉(zhuǎn)動支座

9、光學載荷安裝支座10、光學載荷11、主星12、子星

13、電纜14、聚酰亞胺膠帶15、柔性彎曲關(guān)節(jié)

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

一種星載柔性超輕型折疊式碳纖維伸桿，能夠?qū)崿F(xiàn)無損180度折疊，即為1折碳纖維伸桿，其技術(shù)指標和功能要求為：

(1)要求能夠無損180度折疊；

(2)兩個探測載荷安裝在柔性伸桿上，其中1個探測載荷安裝于柔性伸桿端部，另1個探測載荷與之相距300mm；

(3)碳纖維伸桿收攏狀態(tài)可靠固定，能夠滿足發(fā)射運載中的過載受力、正弦振動、隨機振動的力學環(huán)境要求以及熱環(huán)境要求；

(4)碳纖維伸桿展開時間≤5s；

(5)碳纖維伸桿展開狀態(tài)基頻＞15hz；

(6)碳纖維伸桿重復展開精度優(yōu)于0.018°。

如圖2所示，所述1折碳纖維伸桿包括：柔性伸桿1，所述柔性伸桿1的根部設有根部安裝法蘭2，其中，在柔性伸桿1上沿桿件軸向設計有一個長圓通孔3，作為柔性彎曲關(guān)節(jié)15；在柔性伸桿1上固定若干個探測載荷安裝支座4或光學載荷安裝支座9，如圖3所示；

所述柔性伸桿1的整體構(gòu)型為圓管型，利用圓管上的長圓通孔3作為柔性彎曲關(guān)節(jié)15，為柔性伸桿1提供收攏轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。柔性伸桿1整體采用對稱鋪層。為了保證柔性伸桿1被夾緊釋放機構(gòu)5夾持的效果，在探測載荷安裝支座4處的柔性伸桿1內(nèi)壁上安裝支撐襯套6，如圖2所示。

如圖4所示，所述根部安裝法蘭2安裝于柔性伸桿1的底部外壁上，用于將柔性伸桿1與轉(zhuǎn)動支座8進行連接。

如圖5和圖6所示，所述1折碳纖維伸桿折疊收攏于子星12側(cè)面上，其柔性彎曲關(guān)節(jié)15彎曲180°，轉(zhuǎn)動支座8固定在子星12側(cè)面上。所述1折碳纖維伸桿被安裝于主星11側(cè)面上的夾緊釋放機構(gòu)5鎖緊，電纜13由探測載荷7伸出直至伸入到子星12內(nèi)部，采用聚酰亞胺膠帶14將探測載荷7的電纜13綁緊于柔性伸桿1的外壁。當夾緊釋放機構(gòu)5解鎖后，所述柔性伸桿1在其柔性彎曲關(guān)節(jié)的彈性勢能釋放作用下展開，最后轉(zhuǎn)動支座8轉(zhuǎn)動90°將所述柔性伸桿1展開到位。

所述探測載荷安裝支座4安裝于柔性伸桿1的外壁上，用于安裝探測載荷7，探測載荷7的電纜13沿著柔性伸桿1的直管段外壁進行盤繞，在柔性彎曲關(guān)節(jié)處電纜彎曲所在平面與柔性彎曲關(guān)節(jié)所在平面夾角呈90°，以避免電纜13自身彎曲剛度對柔性彎曲關(guān)節(jié)展開產(chǎn)生影響。

所述1折碳纖維伸桿的工作原理為：

當收到解鎖的指令后，兩個夾緊釋放機構(gòu)5同時解鎖，所述柔性伸桿1在柔性彎曲關(guān)節(jié)15彈性勢能釋放的作用下彈開，與此同時，轉(zhuǎn)動支座8在其扭簧驅(qū)動力矩的作用下帶動根部安裝法蘭2轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動支座8轉(zhuǎn)動90°鎖止，并且柔性彎曲關(guān)節(jié)15轉(zhuǎn)動180°恢復未變形狀態(tài)后，柔性伸桿1完全展開到位。

實施例2

一種星載柔性超輕型折疊式碳纖維伸桿，能夠?qū)崿F(xiàn)無損90度折疊，即為3折碳纖維伸桿，3折碳纖維伸桿技術(shù)指標和功能要求：

(1)要求能夠無損90度折疊；

(2)兩個探測載荷安裝在柔性伸桿上，其中1個探測載荷安裝于柔性伸桿端部，另1個探測載荷與之相距500mm；

(3)碳纖維伸桿收攏狀態(tài)可靠固定，能夠滿足發(fā)射運載中的過載受力、正弦振動、隨機振動的力學環(huán)境要求以及熱環(huán)境要求；

(4)碳纖維伸桿每個柔性彎曲環(huán)節(jié)展開時間≤5s。

(5)碳纖維伸桿展開狀態(tài)基頻＞5hz；

(6)碳纖維伸桿重復展開精度優(yōu)于0.02°。

如圖7和圖8所示，所述3折碳纖維伸桿包括：柔性伸桿1，所述柔性伸桿1的根部設有根部安裝法蘭2，其中，在柔性伸桿1上沿桿件軸向設計有三個長圓通孔3，作為三個柔性彎曲關(guān)節(jié)15；在柔性伸桿1上固定若干個探測載荷安裝支座4和光學載荷安裝支座9。

所述柔性伸桿1的整體構(gòu)型為圓管型，利用圓管上的長圓通孔3作為柔性彎曲關(guān)節(jié)15，為柔性伸桿1提供收攏轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。柔性伸桿1采用碳纖維超薄預浸料作為原材料，整體采用對稱鋪層。由于夾緊釋放機構(gòu)5夾持位置距離長圓通孔3區(qū)域較近，而長圓通孔3附近區(qū)域的剛度較弱，折疊安裝時柔性伸桿1被夾緊釋放機構(gòu)5夾持部位的變形較大，影響安裝效果，因此對柔性伸桿1的靠近根部安裝法蘭的3個夾緊釋放機構(gòu)夾持部位的柔性伸桿內(nèi)壁安裝支撐襯套6，如圖8所示。

所述探測載荷安裝支座4安裝于柔性伸桿外壁上，用于安裝探測載荷7。如圖9所示，所述探測載荷安裝支座4的具體結(jié)構(gòu)為：探測載荷安裝支座4具備探測載荷安裝平面，平面上具備螺釘安裝孔，用于與探測載荷7進行機械連接，探測載荷安裝支座4具備兩個圓環(huán)管套，采用膠接與柔性伸桿1進行固定。

所述光學載荷安裝支座9上安裝光學載荷10。如圖10所示，所述光學載荷安裝支座9的具體結(jié)構(gòu)為：光學載荷安裝支座9具備光學載荷安裝凸塊，凸塊上具備螺釘安裝孔，用于與光學載荷10進行機械連接，光學載荷安裝支座9圓管套在柔性伸桿1外壁上，采用膠接與柔性伸桿1進行固定。

所述根部安裝法蘭2安裝于柔性伸桿1的底部外壁上，用于將柔性伸桿1與轉(zhuǎn)動支座8進行連接。如圖11所示，所述根部安裝法蘭2的具體結(jié)構(gòu)為：根部安裝法蘭2安裝于柔性伸桿1的根部位置，根部安裝法蘭2的圓管套在柔性伸桿1外壁上，采用膠粘劑與柔性伸桿1固定，根部安裝法蘭2的方形安裝盤四角具備螺釘安裝孔，用于與轉(zhuǎn)動支座8的機械連接。

如圖12和圖13所示，所述3折碳纖維伸桿盤繞在主星11頂部，其柔性彎曲關(guān)節(jié)15彎曲90°，所述3折碳纖維伸桿被夾緊釋放機構(gòu)5鎖緊，探測載荷7的電纜13沿著柔性伸桿1的直管段外壁進行盤繞，在柔性彎曲關(guān)節(jié)15處電纜13彎曲所在平面與柔性彎曲關(guān)節(jié)15所在平面夾角呈90°，以避免電纜13自身彎曲剛度對柔性彎曲關(guān)節(jié)15展開產(chǎn)生影響。電纜13由探測載荷7伸出直至伸入到主星11內(nèi)部，采用聚酰亞胺膠帶14將探測載荷7的電纜13綁緊于柔性伸桿1的外壁。當夾緊釋放機構(gòu)5解鎖后，所述柔性伸桿1在其柔性彎曲關(guān)節(jié)15的彈性勢能釋放作用下展開，最后轉(zhuǎn)動支座8轉(zhuǎn)動90°將所述柔性伸桿1豎起展開到位。

所述3折碳纖維伸桿的工作原理如下：

當收到解鎖的指令后，3折碳纖維伸桿采用逐次分段式展開方式。夾緊于探測載荷7的兩個夾緊釋放機構(gòu)5同時解鎖，使得3折碳纖維伸桿距離遠端最近處的柔性彎曲關(guān)節(jié)15釋放彈性勢能轉(zhuǎn)動90°，帶動3折碳纖維伸桿最外端直管段轉(zhuǎn)動展開；當3折碳纖維伸桿最外端直管段展開完畢穩(wěn)定后，夾緊3折碳纖維伸桿下一處直管段的夾緊釋放機構(gòu)5解鎖，使得3折碳纖維伸桿位于中間部位的柔性彎曲關(guān)節(jié)15釋放彈性勢能轉(zhuǎn)動90°，帶動剛剛解鎖的夾緊釋放機構(gòu)5夾持的直管段以及已經(jīng)解鎖展開的部分碳纖維伸桿一起轉(zhuǎn)動展開；當被解鎖展開的部分碳纖維伸桿展開完畢穩(wěn)定后，夾緊3折碳纖維伸桿下一處直管段的夾緊釋放機構(gòu)5解鎖，使得3折碳纖維伸桿距離根部最近的柔性彎曲關(guān)節(jié)15釋放彈性勢能轉(zhuǎn)動90°，帶動剛剛解鎖的夾緊釋放機構(gòu)5夾持的直管段以及已經(jīng)解鎖展開的部分碳纖維伸桿一起轉(zhuǎn)動展開；此時，3折碳纖維伸桿已經(jīng)完全展開，當3折碳纖維伸桿穩(wěn)定后，最后一個夾緊釋放機構(gòu)5解鎖，轉(zhuǎn)動支座8在驅(qū)動扭簧的驅(qū)動力作用下轉(zhuǎn)動90°并鎖止，帶動3折碳纖維伸桿轉(zhuǎn)動90°，至此，3折碳纖維伸桿完成了由收攏狀態(tài)到展開工作狀態(tài)的全過程。

本發(fā)明的創(chuàng)新點在于：

1、本發(fā)明的折疊式伸桿采用結(jié)構(gòu)機構(gòu)一體化設計，柔性彎曲關(guān)節(jié)在彎曲狀態(tài)下儲存彈性勢能，具有展開機構(gòu)的功能；柔性彎曲關(guān)節(jié)在展開狀態(tài)下成為具有一定剛度的結(jié)構(gòu)件，具有支撐結(jié)構(gòu)的功能；

2、碳纖維伸桿采用一體成型設計方式，柔性彎曲關(guān)節(jié)通過直管段加工長圓通孔得到；

3、通過合理的鋪層設計，使得碳纖維伸桿同時具備薄壁超輕與彎折90°、180°的產(chǎn)品特性；

4、在探測載荷電纜盤繞柔性彎曲關(guān)節(jié)處理上：柔性彎曲關(guān)節(jié)處探測載荷電纜彎曲所在的平面與柔性彎曲關(guān)節(jié)所在平面夾角呈90°，避免了電纜自身彎曲剛度對柔性彎曲關(guān)節(jié)展開產(chǎn)生的影響。

碳纖維伸桿地面展開驗證試驗主要針對帶有探測載荷配重的碳纖維伸桿的解鎖釋放功能、柔性彎曲關(guān)節(jié)耦合展開效果、柔性伸桿穩(wěn)定展開性能進行考察，以保證實際任務中收攏狀態(tài)的碳纖維伸桿在夾緊釋放機構(gòu)解鎖后各個柔性彎曲關(guān)節(jié)同步順利展開并且由展開而產(chǎn)生的振動能夠迅速衰減，達到碳纖維伸桿全部伸展穩(wěn)定狀態(tài)。

1折碳纖維伸桿地面展開試驗：

1折碳纖維伸桿地面展開試驗主要考核碳纖維伸桿在模擬被夾緊狀態(tài)下柔性彎曲關(guān)節(jié)的180°可折疊性能、碳纖維伸桿展開方案的可行性、柔性彎曲關(guān)節(jié)展開的穩(wěn)定性。

1折碳纖維伸桿地面展開試驗采用平臺式零重力模擬試驗方案，通過與實際一致的釋放流程與狀態(tài)，模擬零重力條件下的1折碳纖維伸桿自主展開過程。

(1)試驗準備

a首先將探測載荷結(jié)構(gòu)件安裝于碳纖維伸桿相應安裝支座上；

b將探測載荷電纜按照設計狀態(tài)綁扎于碳纖維伸桿外側(cè)；

c按壓住碳纖維伸桿根部使其保持不動，將碳纖維伸桿柔性彎曲關(guān)節(jié)彎折180°后用手按住碳纖維伸桿端部，使碳纖維伸桿輕微接觸光滑平面。

(2)試驗過程

a按住碳纖維伸桿根部使其保持不動；

b給出解鎖口令，松手將碳纖維伸桿端部釋放，使其在柔性彎曲關(guān)節(jié)彈性勢能作用下，輕貼光滑平面自由展開。

通過1折碳纖維伸桿展開試驗的試驗結(jié)果可以得出：1折碳纖維伸桿柔性彎曲關(guān)節(jié)具備180°折疊彎曲性能，并且彎曲后具有足夠彈性勢能將碳纖維伸桿自由展開；1折碳纖維伸桿在解鎖后可以順利、穩(wěn)定展開。

3折碳纖維伸桿地面展開試驗：

3折碳纖維伸桿地面展開試驗主要考核3折碳纖維伸桿在模擬實際夾緊機構(gòu)解鎖過程中的夾緊固定狀態(tài)的合理性、碳纖維伸桿與夾緊釋放機構(gòu)的安裝匹配性、碳纖維伸桿分段依次展開方案的可行性、碳纖維伸桿柔性彎曲關(guān)節(jié)夾緊與展開的穩(wěn)定性。

3折碳纖維伸桿地面展開試驗采用提繩式零重力模擬試驗方案，通過與實際一致的夾緊、釋放流程與狀態(tài)，模擬零重力條件下的碳纖維伸桿自主展開過程。

(1)試驗準備

a首先將探測載荷結(jié)構(gòu)件安裝于碳纖維伸桿相應安裝支座上；

b將探測載荷電纜按照設計狀態(tài)綁扎于碳纖維伸桿外側(cè)；

c將伸展狀態(tài)的碳纖維伸桿安裝于主星頂板上；

d將主星頂板連同伸展狀態(tài)的碳纖維伸桿放置于光滑地面上；

e按壓住頂板使其保持不動，將碳纖維伸桿彎曲關(guān)節(jié)按照由根部到端部的次序依次彎曲并同時使夾緊釋放機構(gòu)將柔性彎曲關(guān)節(jié)之間的直管段進行夾緊，采用魚線代替實際的火工爆炸螺栓將夾緊釋放機構(gòu)拴緊。

(2)試驗過程

a按住主星頂板使其固定，準備剪刀于夾緊釋放機構(gòu)魚線綁扎處；

b給出解鎖口令，剪斷最外側(cè)兩個夾緊釋放機構(gòu)上的魚線，碳纖維伸桿最外側(cè)段同時展開，此時，將懸掛繩同步與碳纖維伸桿外端部運動，但要稍微錯后于碳纖維伸桿外端部展開路徑，以消除人為施加于碳纖維伸桿展開趨勢上的力；

c在碳纖維伸桿每個展開段重復上述操作，依次將夾緊釋放機構(gòu)解鎖，使碳纖維伸桿由最外端逐段展開，直至完全展直。

通過3折碳纖維伸桿展開試驗的試驗結(jié)果可以得出：3折碳纖維伸桿夾緊釋放機構(gòu)設計、布局合理，可以將3折碳纖維伸桿完全限位夾緊并順利解鎖；探測載荷電纜與碳纖維伸桿綁扎安裝配合合理可行；3折碳纖維伸桿在夾緊釋放機構(gòu)解鎖后可以順利、穩(wěn)定展開。

本試驗的主要目的是測試碳纖維伸桿重復折疊展開指向精度。按要求制備并裝配工作狀態(tài)完整試驗件，并測試試驗件的重復折疊展開指向精度。

1折碳纖維伸桿測試結(jié)果如表1所示：

表1

3折碳纖維伸桿測試結(jié)果如表2所示：

表2

測試結(jié)果表明：1折碳纖維伸桿重復折疊展開10次后偏差角的6σ值為0.00828°，滿足指向精度0.018°的指標要求；3折碳纖維伸桿重復折疊展開10次后偏差角為0.0178°，滿足指向精度0.02°的指標要求。