[发明专利]单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种可展机构，特别是一种空间可展机构。

背景技术

随着航天事业的发展，航天工程中需要的空间机构尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求，但由于受到航天运载工具的空间限制，要求宇航空间机构在发射阶段必须折叠起来并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后，再依靠自带的动力源将其展开至工作状态。在空间站、通信卫星平台、太空望远镜、对地观测、星球探测等航天任务中，各种类型的空间折展机构得到了快速发展和应用，如折展太阳能电池板、空间站基础骨架、空间机械臂、空间伸展臂、大口径折展天线、大型柔性太阳帆板支撑架等。

可展机构一般有两种稳定状态：完全收拢状态和完全展开状态(工作状态)，依据不同的机构展开收拢原理，国内外航天科研院所提出了多种可展机构。根据可展机构的空间几何形状，可以分为线状可展机构、面状可展机构和体状可展机构，其中应用最多的是面状可展机构，此类机构可以展开成平面，被大量应用于空间伸展臂、太阳能电池阵、卫星天线支撑架等领域。根据可展机构展开与收拢方式，可展机构又可以分为铰接桁架式可展机构、变形材料可展机构以及充气展开式可展机构，铰接桁架式可展机构主要由连杆和运动副组成，此类机构具有收拢折叠比较大、精度高、可重复收拢展开性好和寿命长的优点，目前已经被广泛应用于空间站基础骨架、空间伸展臂以及大口径折展天线等领域，同时此类机构也存在着铰接点多、自由度较多、构造工艺复杂、控制复杂等缺点。变性材料可展机构采用具有大弹性变形的材料作为可展机构的主体材料，在折叠收拢状态下材料发生变形而储存弹性变形能，释放后依靠弹性变性能驱动机构转化为展开状态，构造工艺相对简单，但是可重复收拢展开性差，精度较低。充气展开式可展机构原理为用柔性材料制成密闭结构，入轨后靠填充气体将密闭结构展开的一类可展机构，具有质量小、折叠比大的优点，但是形面精度较低，结构热稳定性差，刚度较低，技术尚不成熟。

目前，在轨运行的空间伸展臂、折展天线等结构较多的采用铰接桁架式可展机构形式，如俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、日本菊8号卫星上的六面体可展单元桁架式抛物面天线、日本JAXA为工程实验卫星ETS-VIII研制的由14个六棱柱钢化结构单元组成的桁架式天线反射器、美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、美国Thuraya卫星上口径为12.25m的Astro Mesh环形桁架折展天线等。随着航天事业的快速发展，航天工程中所需要的铰接桁架空间可展机构不断向着大尺度、大折叠比、高精度、高刚度、易于控制方向发展，因此，需要在现有可展机构相关研究基础上提出自由度少、制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由度少、结构简单、折叠比大、刚度高、展开性能好、可靠性高、易于控制的单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构。

本发明的单自由度过约束剪式可展单元为单自由度多闭环六面体基本可展单元，其包括八个剪叉杆、十六个连杆和八个花盘；所述八个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，其两剪叉杆中间通过转动副连接，八个剪叉杆共组成四组剪叉折叠杆，四组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的四个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；所述十六个连杆结构完全相同，两个连杆为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，十六个连杆共组成八组折叠连杆，八组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有四组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；所述八个花盘结构完全相同，均为正方形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆并通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆并通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，八个花盘对称分布在基本可展单元的八个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的四个花盘的中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成的剪叉折叠杆的转动副轴线平行，每组剪叉折叠杆中共连接有五个转动副，五个转动副轴线分别和对侧剪叉折叠杆上位置相对的转动副轴线重合；每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行，每组折叠连杆共连接有三个转动副，三个转动副轴线分别和处于同一平面对侧折叠连杆上位置相对的转动副轴线重合，分布在基本可展单元的上下两个面上折展方向相同的折叠杆上的各转动副轴线以及两个侧面上具有相同折展方向的剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。