[发明专利]基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构

说明书

技术领域

本发明属于空间展开自动控制装置技术领域，具体涉及一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构。

背景技术

昆虫的翅是由外胚层发育而来，在幼体形态时，鳞翅以器官芽的形式保留在幼体体内（内翅型昆虫），待经历完全变态发育过程后，翅芽发育成完整的翅，此后，其表皮细胞逐渐降解并愈合为翅膜，其上布满各种感觉器官和部分体壁衍生物，而含有气管的体壁渐渐愈合形成翅脉，其内布满各种运动神经、血浆、血淋巴，发育过程如图1所示。羽化完成后，翅脉间的细胞死亡，形成透明的双层角质层，而翅脉的细胞继续存活，成为成体昆虫翅膀中唯一存活的细胞。因此，昆虫翅膀的表皮细胞在羽化展翅后就停止发育，翅膀结构也不再会有变化。

枯叶蛱蝶(Kallima inachus) 属于鳞翅目（Lepidoptera），蛱蝶总科（Nymphaloidea），蛱蝶科（Nymphalidae），蛱蝶亚科(Nymphalinae)，斑蛱蝶族(Hypolimni)，枯叶蛱蝶属(Kallima Doubleday)，是昆虫纲著名的具有拟态与保护色物种，其鳞翅反面具有枯黄叶片的特征，包括叶片的中脉、侧脉、颜色和霉斑等，合拢竖起后类似一片枯叶，如图2中 c 所示，能有效躲避天敌追捕。由于其精致的拟态和保护色，枯叶蛱蝶成虫具有极高观赏开发和收藏价值，是众多观赏蝴蝶园和昆虫工艺产品中不可缺少的种类。此外，对枯叶蛱蝶保护色形成机理的研究在遗传学和仿生学中具有重要价值。

自然界中，动物和植物经过45亿年优胜劣汰及适者生存的进化，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，其结构与功能已达到近乎完美的程度。受生物启发和利用自然的仿生原理来设计高效、可靠的可展结构，是当前空间结构的研究热点。空间可展结构由于受到空间运输系统的体积和运输的成本限制，在结构的收缩性和可展性方面具有很高的要求。枯叶蛱蝶在变态发育期间，蛹的羽化呈现了翅膀的从小变大、由柔变刚的发育展开过程，可供新型空间可展结构设计参考。昆虫的变态发育全过程可以与航天器展开结构的飞行过程逐步对应，最终实现空间结构的仿生发育展开。传统的展开结构比如机械伸展臂、收缩悬梯、大型太阳能电池板支撑架等都广泛地应用在人们的日常工作生活中，在正常的环境下它们都能稳定地工作。然而在航空航天领域中，传统的展开结构就不能正常工作了。首要的挑战就是太空环境，比如不稳定的振动，高强度的电磁辐射，太空垃圾碎片，太空粉尘的侵蚀和陨石颗粒的撞击等，这些因素都在限制着展开结构的应用。例如航天器在登陆其它星球时势必会激起周围的尘土，这些尘土会布满传统展开机构的弹簧元件，造成其在展开过程中发生卡死。由于航天器在外层空间运动时会受到太空垃圾、小型陨石碎片的撞击，这种撞击会导致桁架结构发生损坏，造成伸展不完全。另一个挑战就是在发射前航天器的质量会有严格的限制，因为航天器过重会需要更多质量的燃料来提供足够的动力。但是目前由刚性桁架制成的展开结构的质量相当大，这无疑给航天器的发射带来了很大的压力。面对这些问题，改良原有的展开结构才能满足航天设计不断发展的需要，研究出结构简单、可靠性高、质量轻的新型展开结构十分必要。

发明内容

为解决目前空间可展结构只有较小的展开/收缩体积或面积比、展开过程易发生故障等缺点，本发明受枯叶蛱蝶羽化获得较大鳞翅，并实现稳定展开的生物学启发，在弄清枯叶蛱蝶翅形态特征与生长发育规律、明确枯叶蛱蝶翅羽化展开及其仿生意义基础上，依据得到的仿生学基础和科学依据，提出一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其目的为研究高稳定性的新型空间可展结构提供出设计思路，并最终实现仿生可展开空间结构的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，包括囊状物、主支撑管、次支撑管和连接支撑管；所述的囊状物与主支撑管、次支撑管、连接支撑管均通过连锁结构相连，且主支撑管、次支撑管、连接支撑管均被囊状物所包覆；

所述囊状物的两端分别为固定端和自由端；囊状物内的四周除固定端外，通过1根主支撑管支撑，即主支撑管的两端充气口均位于固定端的两头，且主支撑管环绕了除固定端的四周；

囊状物内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管；次支撑管的一端固定在囊状物的固定端处；次支撑管的另一端与位于囊状物自由端处的主支撑管相连通；

相邻两个次支撑管的中间部位通过一根连接支撑管相连通；

所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的横截面均为椭圆形。