[发明专利]一种星载柔性超轻型折叠式碳纤维伸杆

说明书

本发明公开了一种星载柔性超轻型折叠式碳纤维伸杆，所述碳纤维伸杆包括：柔性伸杆(1)，所述柔性伸杆(1)沿杆件轴向设置若干个长圆通孔(3)，作为柔性弯曲关节(15)。本发明采用一体化碳纤维材料构型设计，碳纤维伸杆具备超轻质量的特点，适用于大型卫星、小型卫星等不同规模的卫星安装使用，其单位长度重量小于200g；而且由于本发明的碳纤维伸杆采用自动存储、释放弹性势能的柔性弯曲关节设计，其具备无外需能源自展开，并自动展开定型的功能，节省了星上资源的消耗。

技术领域

本发明涉及航天空间可展机构技术领域，特别涉及一种星载柔性超轻型折叠式碳纤维伸杆。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人类对于空间科学研究领域大为拓展，空间科学任务越来越复杂，对地遥感、空间探测等越来越多的太空活动，对满足不同任务需要的空间飞行器探测载荷提出了更高要求，例如：低频率大尺寸天线、伸出卫星本体一定距离的有效载荷探测仪器以及需干涉测量的高精度高分辨率载荷都要求有相应的伸杆机构来实现发射时收拢、在轨时展开的功能。

20世纪60年代，随着航天技术的发展，促使了一类新的结构机构——空间可展结构机构的诞生。空间伸展臂是最基本的一类空间可展结构机构，其通过杆状可展机构展开为一维线性体系，呈细长管或单向构架，主要可用于大型空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、探测臂机构等，主要作为结构性元件，同时作为机构系统实现空间展开折叠运动功能。

空间伸展臂形式多样，目前，按照其结构形式进行分类，共有六大类结构形式：薄壁管状伸展臂、套筒管状伸展臂、铰接式伸展臂、盘绕式伸展臂、展开折叠式伸展臂、充气式空间伸展臂。

(1)薄壁管状伸展臂

薄壁管状伸展臂利用薄壳弹性变形、弹性恢复和电机卷绕实现伸杆折叠与展开，基本运动为：转动或扭转、伸展。其材料常用铜铍合金、钼和钨等。管状伸展臂构造简单、可靠性高、收拢体积小，可重复展开和收拢，管状杆直径可为6.0-50.0mm，伸杆长度可达300m。但是其臂根部翘曲限制了结构强度，因而热稳定性、抗弯及抗扭刚度较低，难以实现精确定位。

德国空间中心在研的太阳帆CTM支承结构，通过把两个STEM在边界粘接形成闭口的薄壁杆，实现在轨拼接薄壁管，从而获得更大收纳容量，突破目前能达到的伸杆长度极限。

(2)套筒管状伸展臂

套筒管状伸展臂由一系列同心薄壁圆管相互嵌套而成，其展开方式有：通过驱动螺杆或丝杠顺序展开，或同步展开；借助外力(如离心力)，在外力作用下逐渐展开。考虑伸杆长度受管壁和重叠长度因素影响，其材料多为轻合金、复合材料等。套筒一般为薄壁管，厚度0.5-1.0mm，常见截面为圆形，薄壁管之间锁紧装置最为关键。套筒管状伸展臂可作为支承杆或推杆，用于天线、太阳电池阵展开，一般可达40m长。套筒管状伸展臂可靠性高，但收拢后薄壁管仍然较长，收缩比低。

Telescopic Boom套筒管状伸缩臂由法国国家空间研究局CNES(Centre Nationald'Etudes Spatiales)和COMAT共同研制，可以将有效载荷伸出卫星平台以外，定位准确，结构刚度高。此伸展臂工程样机重2.9kg，伸展长度3.5m，精度±1.5mm，有效载荷装在远端最细的一节上，伸杆展开依靠电机驱动，不具备再次收拢功能。伸展臂展开时，各节套筒依次展开，每节套筒通过三个导向针在中心螺纹柱滑动以导向，一旦某一个套筒到达螺纹柱终点，同步锁紧机构动作，同时下一个套筒锁紧销钉拔出，并在中心螺旋机构的驱动下展开。

(3)铰接式伸展臂