本發(fā)明涉及可展開單元機構，具體涉及一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，可用于衛(wèi)星拋物面天線、空間平面天線支撐背架、雙層環(huán)形桁架式可展開天線、太陽能電池陣支撐架等空間可展機構，屬于航天器材與設備技術領域。

背景技術：

隨著航天器功能日益復雜，對航天器的口徑和面積的需求大幅增長，如國際空間站這樣復雜大型的航天器，天陽能電池陣面積龐大，但航天器的包絡尺寸卻受到運載火箭有效載荷艙容積的限制，這就需要在發(fā)射階段可以收縮為體積很小，而在運行階段又能展開成大面積或者體積的高折疊比可展機構?？烧箼C構在空間站、通訊衛(wèi)星平臺、太空望遠鏡、航天飛機、星球探測器等航天器上被廣泛采用。如空間站基礎骨架、可展開/收攏的空間機械臂、空間伸展臂、大口徑可展開天線、大型柔性太陽帆板支架等。

空間可展機構通常分為三種：桿狀可展機構、面狀可展機構和體狀可展機構。其中，這三類可展機構都可以通過空間可展單元在一維、二維、三維方向上陣列組合而得到。根據(jù)可展機構的組成原理，可展機構又可以分為鉸接式可展機構和柔性材料可展機構兩大類，前者由運動副和連桿組成，此類機構的展開過程由鉸鏈活動實現(xiàn)，可重復折疊展開性好、壽命長、抗震性好、精度高、剛度大，當前已經被廣泛應用于空間可展桁架、空間伸展臂、衛(wèi)星可展天線等領域，目前已作為成熟組件廣泛的應用于各類航天器中。柔性材料可展機構由柔性材料的彈性變形實現(xiàn)折疊展開，構造工藝相對簡單，但是可重復收攏性差，精度和剛度都相對較低。

當前國外已成功研制多種類型的鉸接式可展機構，如美國用于三維地形觀測的60m可折展雷達支撐臂、國際空間站主太陽翼支撐龍骨、俄羅斯“聯(lián)盟號”飛船上的四面體構架天線、美國thuraya通信衛(wèi)星上直徑達12m的環(huán)形桁架式天線、日本ets-8衛(wèi)星上的13m口徑構架型天線等。未來星球探測、太空組裝與操作、太空建設、太空運輸?shù)茸鳂I(yè)，都需要宇航空間可折展機構來完成相應的作業(yè)。為此，我國相關科研機構對空間可展機構開展了一系列前瞻性的研究工作，并取得一定成果，但是目前尚無大型復雜的空間可展機構付諸應用。本發(fā)明研制了32種可以折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，通過對模塊單元可以組裝成大尺度空間可展機構。

國內以往研制的四棱柱可展開單元機構在展開狀態(tài)下為幾何欠靜定結構，剛度和強度低，而且折疊狀態(tài)大多是平面狀態(tài)，折疊體積較大，折疊形式單一，不適于組裝空間大尺度可展開機構。本發(fā)明克服了此類缺點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有的四棱柱可展開單元機構在展開狀態(tài)下為幾何欠靜定結構，剛度和強度較低，折疊體積較大，適應性差的問題，進而提供一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是：

可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，它包含18個構件，18個構件之間通過運動副相連接成可折疊機構，該可折疊機構展開狀態(tài)下為靜定四棱柱結構；該18個構件分為7個固定長度構件和11個可變長度構件，18個構件中的其中12個構件構成四棱柱的框架主體，其余6個構件分別作為四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的對角線，相對的兩個面布置的對角線交叉布置。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術相比具有以下有益效果：本發(fā)明提出了32種高折疊比、高剛度的可以折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，極大的擴展了空間可展開單元的選擇范圍，并且每種單元的展開狀態(tài)為幾何靜定結構，單元剛度和強度高，單元剛度和強度提升80％以上，單元的折疊狀態(tài)為直線，折疊體積小，折疊體積減少了70％以上，展開性能良好，可靠性高，適用于大尺度空間可展機構?？捎糜谛l(wèi)星拋物面天線、空間平面天線支撐背架、雙層環(huán)形桁架式可展開天線、太陽能電池陣支撐架等空間可展機構。按照不同的單元陣列組合方式還可以得到其他不同結構形式的空間大型可展開機構。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式的可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開示意圖；其中，構件中含有黑色圓點標記的為可變長度構件，不含黑色圓點標記的為固定長度構件；

圖2為圖1的可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏示意圖；其中黑色圓點為對應的靜定四棱柱框架的頂點；

圖3為第一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；其中，構件中含有黑色圓點標記的為可變長度構件，不含黑色圓點標記的為固定長度構件；

圖4為第一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；其中黑色圓點為對應的靜定四棱柱框架的頂點；

圖5為第一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；其中黑色圓點為對應的固定長度構件，而空心圓點為對應的可變長度構件；

圖6為第二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖7為第二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖8為第二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖9為第三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖10為第三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖11為第三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖12為第四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖13為第四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖14為第四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖15為第五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖16為第五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖17為第五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖18為第六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖19為第六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖20為第六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖21為第七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖22為第七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖23為第七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖24為第八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖25為第八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖26為第八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖27為第九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖28為第九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖29為第九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖30為第十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖31為第十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖32為第十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖33為第十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖34為第十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖35為第十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖36為第十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖37為第十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖38為第十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖39為第十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖40為第十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖41為第十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖42為第十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖43為第十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖44為第十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖45為第十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖46為第十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖47為第十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖48為第十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖49為第十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖50為第十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖51為第十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖52為第十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖53為第十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖54為第十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖55為第十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖56為第十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖57為第十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖58為第十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖59為第十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖60為第二十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖61為第二十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖62為第二十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖63為第二十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖64為第二十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖65為第二十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖66為第二十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖67為第二十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖68為第二十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖69為第二十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖70為第二十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖71為第二十三種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖72為第二十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖73為第二十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖74為第二十四種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖75為第二十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖76為第二十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖77為第二十五種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖78為第二十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖79為第二十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖80為第二十六種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖81為第二十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖82為第二十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖83為第二十七種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖84為第二十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖85為第二十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖86為第二十八種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖87為第二十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖88為第二十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖89為第二十九種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖90為第三十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖91為第三十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖92為第三十種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖93為第三十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖94為第三十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖95為第三十一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖96為第三十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖；

圖97為第三十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構收攏狀態(tài)示意圖；

圖98為第三十二種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構對應的拓撲連接關系示意圖；

圖99為將單個空間四棱柱可展開機構單元機構按照一維單方向陣列組合構成的空間支撐臂機構展開狀態(tài)示意圖；

圖100為圖99的收攏狀態(tài)示意圖；

圖101為將單個空間四棱柱可展開機構單元按照二維雙方向陣列組合構成的空間平面天線支撐背架機構的展開狀態(tài)示意圖；

圖102為圖101的收攏狀態(tài)示意圖；

圖103為將單個空間四棱柱可展開機構單元按照周向環(huán)形陣列組合構成的空間雙層環(huán)形桁架式可展開天線的支撐背架機構的展開狀態(tài)示意圖；

圖104為圖103的收攏狀態(tài)示意圖；

圖105為將由空間四棱柱可展開機構單元陣列組合構成的空間支撐臂機構按照周向環(huán)形間隔陣列，組成的空間拋物面可展開天線的支撐背架機構的展開狀態(tài)示意圖；

圖106為圖105的收攏狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

參見圖1-圖98說明，可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，它包含18個構件，18個構件之間通過運動副相連接成可折疊機構，該可折疊機構展開狀態(tài)下為靜定四棱柱結構；該18個構件分為7個固定長度構件和11個可變長度構件，18個構件中的其中12個構件構成四棱柱的框架主體，其余6個構件分別作為四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的對角線，相對的兩個面布置的對角線交叉布置。

圖3至圖98中，32種的每一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構展開狀態(tài)示意圖中含有黑色圓點標記的構件為可變長度構件，不含黑色圓點標記的構件為固定長度構件；對應的收攏狀態(tài)示意圖中黑色圓點為對應的靜定四棱柱框架的頂點，對應的拓撲圖連接關系圖中黑色圓點表示相應的固定長度構件，而空心圓點表示相應的可變長度構件。

以第一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構為例，如圖3所示，a，b，c，d，e，f，g，h分別代表構建的靜定四棱柱的八個頂點，或者構件之間連接節(jié)點，節(jié)點含有運動副，其中ab，bc，cd，da，ah，he，ed，ef，fc，fg，gb和gh這12個構件形成靜定四棱柱的框架主體，ac，ge，ag，ec，ae和gc這6個構件分別為靜定四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的對角線。其中帶有黑色圓點的bc，da，gb，ed，fg，he，ef，ag，ac，cg和ce這11個構件還分別表示可變長度構件，而ab、cd、ah、gh、ge、cf、ae這7個構件還分別表示固定長度構件。可變長度構件優(yōu)選用可折疊鉸鏈桿、套筒桿或可變長度柔性索，各個節(jié)點含有的運動副優(yōu)選用轉動副、球副或u副。

具體收攏過程為：ef、ed、ce構件拉長的同時圍繞頂點g以ge為半徑、以頂點h以he為半徑旋轉做相對旋轉一定角度，bc、da、ag構件收縮，同時八個頂點(節(jié)點)相對轉動，最后得到如圖4的可折疊成直線的收攏狀態(tài)圖，圖3和圖4的相對應的拓撲連接關系如圖5所示。圖5中的ab、ac、ad、ae、ag、ah、bc、bg、cd、ce、cf、cg、de、ef、eg、eh、fg、gh分別表示構件，其中帶有黑色圓點的構件(ab、ae、ah、cd、cf、eg和gh)代表固定長度構件，而空心圓點的構件(ac、ad、ag、bc、bg、ce、cg、de、ef、eh和fg)代表可變長度構件，圖5中的上述18個構件之間的連線表示構件之間的連接關系。

以此類推，類似結構的單元還有31種，如圖6至圖98所示，只是對可變長度構件的位置進行了不同的布置。第2種至第32種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構按照給出的可變長度構件和固定長度構件的布置位置結合四棱柱框架主體的頂點或節(jié)點含有的運動副最終實現(xiàn)展開、收攏及拓撲連接關系圖的相應構建。在32種中可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構涉及的運動副優(yōu)先選用轉動副、球副或u副，涉及的可變長度構件優(yōu)先選用可折疊鉸鏈桿、套筒桿或可變長度柔性索，或者運動副及可變長度構件的任意有效性組合，以實現(xiàn)完成每一種可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構相應的展開、收攏及對應的拓撲連接關系圖的構建。

本發(fā)明提供32種高折疊比、高剛度的可以折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構，每個單元由11個可變長度構件與7個固定長度構件組成，可以方便擴展成為直線型、平面型、三維曲面型可展機構。

將單個可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構按照一維單方向陣列組合可以構成如圖99和圖100所示的空間支撐臂機構。

將單個可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構按照二維雙方向陣列組合可以構成如圖101和圖102所示的空間平面天線支撐背架機構。

將單個可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構按照周向環(huán)形陣列組合可以構成如圖103和圖104所示的空間雙層環(huán)形桁架式可展開天線的支撐背架機構。

將由可折疊成直線的空間四棱柱可展開單元機構陣列組合構成的空間支撐臂機構按照周向環(huán)形間隔陣列，可以組成如圖105和圖106所示的空間拋物面可展開天線的支撐背架機構。

按照不同的單元陣列組合方式還可以得到其他不同結構形式的空間大型可展開機構。

本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可以利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術方案范圍。