一种可展开式遮光罩的制作方法

本发明属于光学系统遮光罩设计领域，更具体地，涉及一种可展开式遮光罩。

背景技术：

目前，影响光学系统成像质量的因素主要有两种，一是光学结构的设计质量，二是对系统杂散光的抑制。对于空间光学系统，遮光罩及其上的挡光环结构是空间光学系统的重要组成部分，是抑制外来杂散光的有效装置。随着对杂散光的分析和研究的深入，遮光罩的研究得到了不断的发展。在实际生活中，遮光罩在摄影领域应用广泛，品种多样，如方形、圆形、花瓣形遮光罩等等。随着航天技术的发展也促进了遮光罩的更新换代，由固定尺寸和放置位置的普通遮光罩发展到可展式遮光罩。

随着探测器灵敏度的提高，光电探测系统尤其是空间光电探测系统的探测能力己经接近或达到光学系统的衍射极限，此时对光学系统杂散光抑制能力提出了更加苛刻的要求。增大遮光罩长度是一种直接有效的方法，但由于目前空间光学系统的升空方式为火箭运载升空，而火箭运载舱的容量有限，这就要求遮光罩在发射状态的质量和尺寸都要尽量小，升空并进入工作状态后的尺寸则需要较长，这就需要对遮光罩进行改进，即发射时为折叠收纳状态，进入轨道后再逐步展开，使其具有可伸缩性。

现有技术中研究设计了一些开展式遮光罩，例如，CN201210019011.5公开的一种空间大口径可展开遮光罩结构，该遮光罩具备收缩发射、在轨展开的功能，优化了遮光罩与卫星整流罩的空间接口关系；又如，CN 201310288763.6公开的一种分段可展开可旋转的楔形遮光罩，该遮光罩在发射前处于收缩状态，在轨后采用直线铰方式沿着轴线方向分段展开圆筒部分及斜角部分，斜角部分通过对太阳的定位不断调整姿态，使短边背离太阳，对太阳光形成遮蔽，有效地解决太阳引起的杂散光和热流量问题；又如，CN201310331513.6公开的一种弹出式遮光罩，其包括多个套筒、连接基板、可伸缩折叠梁和弹簧组件，各节套筒的直径依次减小，安装时处于收缩状态，工作时弹出成要求的形状。然而上述现有的遮光罩均只能实现轴向展开，无法实现径向展开，仍然存在体积过大，结构过于复杂的问题。再如，CN200910022264.6公开的一种可折叠和展开的光学相机遮光罩，其虽然可实现轴向和径向的展开，但由于该遮光罩采用框架结构外加遮光布的形式，遮光布抵御恶劣环境的能力弱，使整个结构的使用范围受限，也不能添加挡光环结构，使得该遮光罩的遮光能力受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可展开式遮光罩，该遮光罩通过设置径向展开机构和轴向展开机构，并配合折叠式底盘，使得遮光罩在未使用状态时收缩，在工作时迅速展开成预定形状，具有体积小、可自动弹出的优点，满足空间光学系统的实际需要。

为实现上述目的，本发明提出了一种可展开式遮光罩，该遮光罩包括折叠式底盘、径向展开机构和轴向展开机构，其中：

所述折叠式底盘包括第一底盘和第二底盘，所述第一底盘和第二底盘上设有滑槽，并且两者通过合页相连，当折叠式底盘折叠时，第一底盘与第二底盘垂直，当折叠式底盘展开时，第一底盘与第二底盘在同一水平面上，以为径向展开机构提供运行轨道；

所述径向展开机构包括支架和滑轮组件，所述支架包括多根连杆和多根卷尺弹簧，所述连杆和卷尺弹簧依次彼此铰接，以形成封闭的环，所述滑轮组件安装在连杆和卷尺弹簧的铰接处，并与折叠式底盘上的运行轨道相配合，当径向展开机构收缩时，卷尺弹簧向内弯曲折叠，使遮光罩的径向大小为多根连杆组成的多边形，当径向展开机构展开时，卷尺弹簧释放弹性势能，推动连杆沿径向移动，使遮光罩的径向大小变为由多根连杆和多根卷尺弹簧组成的多边形；

所述轴向展开机构包括片弹簧组件、折叠梁以及多个沿轴向布置的所述支架，所述支架两两之间通过片弹簧组件和折叠梁相连。

作为进一步优选的，所述第一底盘为圆板形，所述第二底盘为六个，六个第二底盘沿着所述第一底盘的周向布置。

作为进一步优选的，所述滑轮组件包括滑轮杆和滑轮，所述滑轮杆与连杆和卷尺弹簧的铰接处相连，所述滑轮设于滑轮杆的端部，并与所述滑槽滑动配合，该滑轮上还嵌装有一圈滚珠，该滚珠与滑槽的端面接触，以起到轴向固定作用，并减少径向展开过程中的横向摩擦阻力。

作为进一步优选的，所述连杆和卷尺弹簧均为六根，当径向展开机构收缩时，遮光罩的径向大小为六根连杆组成的六边形，当径向展开机构展开时，遮光罩的径向大小变为由六根连杆和六根卷尺弹簧组成的十二边形。

作为进一步优选的，所述片弹簧组件设于两根连杆之间，其包括多对依次相连的片弹簧，每对片弹簧由两片片弹簧组成，两片片弹簧的两端彼此相连，所述片弹簧的原始状态为圆弧形，完全压缩后呈近似直线形。

作为进一步优选的，所述折叠梁设于两根连杆之间，其包括上梁、中间梁和下梁，所述上梁、中间梁和下梁依次通过合页相连，当完全展开时，折叠梁在保证展开状态的情况下，同时承受轴向拉力和轴向压力，以实现自锁。

作为进一步优选的，所述锁定机构包括扭簧、连杆和凸台，所述扭簧设在第一底盘上，所述凸台设在第二底盘上，所述连杆的一端与扭簧相连，另一端与凸台抵接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的遮光罩在未使用时处于轴向与径向的双向收缩状态，相比现有的遮光罩，体积进一步减小，工作时遮光罩能够快速的从轴向和径向弹出成预定的形状，并且轴向展开和径向展开机构相互独立、互不干涉，既保证了遮光罩良好的遮光性能，又解决了其运载不便的难题，具有体积小、可自动弹出的优点，满足空间光学系统的实际需要。

2.本发明的底盘为折叠式底盘，在遮光罩未使用时，该底盘为折叠状态，第一底盘和第二底盘呈90°夹角，将径向展开机构和轴向展开机构包裹在内部，使遮光罩的体积尽可能的达到最小，遮光罩使用时，第二底盘顺势展开成花瓣状，此时，第二底盘和第一底盘在同一水平面上，为径向展开机构提供了运行所需的轨道，使得径向展开机构按照预定的路线弹出预定的形状。

3.本发明的径向展开机构由连杆和卷尺弹簧构成，遮光罩未使用时，卷尺弹簧向内弯曲折叠，使遮光罩的径向大小仅为多根连杆组成的多边形，进一步减小遮光罩的尺寸，当遮光罩工作时，利用卷尺弹簧释放的弹性势能，即可推动连杆沿径向移动，使遮光罩的径向大小变为由连杆和卷尺弹簧组成的多边形，实现遮光罩径向的快速展开，并且为了使得遮光罩展开成预定的形状，在连杆和卷尺弹簧的铰接处设置有与底盘滑动配合的滑轮组件，可保证径向展开机构按照预定路线展开，具有结构简单，操作方便等优点。

4.本发明的轴向展开机构由弹簧组件提供驱动力，方便快捷，本发明还对弹簧组件的弹性系数做出合理的设计，以避免轴向展开机构在展开后由于速度过大导致结构的瞬间变形量过大，从而引起遮光罩的永久变形，并通过设置可伸缩式折叠梁，以保证完全展开状态；弹簧组件在展开过程完成后仍有剩余的弹性应变能，使得折叠梁在展开后不会收缩，同时折叠梁在展开后有较高的支承刚度，使得弹簧组件一直保持压缩状态，两者相互限制，实现自锁，从而保证遮光罩径向展开的稳定性。

5.本发明底盘的展开采用伺服电机驱动，可保证速度稳定，位置准确，并且利用减速器来提高扭矩，从而可以保证底盘在展开过程的稳定性；本发明利用扭簧带动连杆运动，在第二底盘完全展开后，连杆顶住凸台，使得底盘展开后固定在确定位置，保持锁定状态，其机构简单，但可操作性很强。

附图说明

图1是本发明实施例的可开展式遮光罩收缩时的主视图；

图2是本发明实施例的可开展式遮光罩收缩时的俯视图；

图3是本发明实施例的可开展式遮光罩展开时的主视图；

图4是本发明实施例的可开展式遮光罩展开时的俯视图；

图5是本发明的底盘机构示意图；

图6是本发明的驱动机构示意图；

图7是本发明的锁定机构示意图；

图8(a)和(b)分别是本发明的支架收缩与展开时的示意图；

图9是本发明的滑轮组件结构示意图；

图10是本发明的轴向展开机构示意图；

图11是本发明的片弹簧组件结构示意图；

图12是本发明的折叠梁结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-4所示，本发明实施例提供的一种可展开式遮光罩，其主要包括折叠式底盘、径向展开机构和轴向展开机构，其中，折叠式底盘作为整个遮光罩的支撑部件，为遮光罩中的其他组件提供支撑力，并且为径向展开机构提供其展开时所需的运行轨道，所述径向展开机构用于实现遮光罩的径向展开，使遮光罩的径向尺寸达到预定的大小，所述轴向展开机构用于实现遮光罩的轴向展开，两个展开机构主要依靠弹簧作为动力进行驱动。通过上述各个组件及机构的相互配合，可实现遮光罩在运载阶段处于收缩状态，工作时能够快速弹出，并且通过设置径向及轴向展开机构，可使遮光罩在非使用状态时的径向与轴向均处于压缩状态，进一步减小了遮光罩整体的体积。本发明的遮光罩可应用于空间光学系统，在该空间光学系统由火箭运载升空时，遮光罩处于收缩状态，即在发射状态时收缩，工作时迅速展开成预定的形状。

下面将分别对各个部件进行详细的说明和描述。

如图5所示，折叠式底盘包括第一底盘1和第二底盘2，两者通过合页4相连，第一底盘1和第二底盘2上设有滑槽3。其中，第一底盘1为圆板形，其水平布置，第二底盘2优选为六个，六个第二底盘沿着第一底盘的周向布置，当折叠式底盘折叠时，第二底盘2向上折叠，此时第二底盘2与第一底盘1的夹角呈90°(即第二底盘垂直布置)，当折叠式底盘展开时，六个第二底盘2呈花瓣状分布在第一底盘的圆周，其水平布置，并与第一底盘1在同一水平面上，由于底盘完全展开，第二底盘2与第一底盘组成的水平面形成了一个完整的运行轨道，可以使支架沿轨道滑移到指定位置。

为了实现第二底盘的顺利展开与收缩，其上设置有驱动机构，如图6所示，该驱动机构包括伺服电机、减速器和两根连杆(长杆和短杆)，伺服电机安装在第一底盘上，其与减速器相连，利用伺服电机确保速度稳定、位置精确，同时也利用减速器提高扭矩，保证运动平稳，减速器的输出端与短杆相连，短杆与长杆相连，长杆与第二底盘相连。工作时，伺服电机驱动，经减速器带动两杆运动，进而带动第二底盘完成90度旋转。

为了便于第二底盘的锁定，提高支撑稳定性，在第一底盘1与第二底盘2折叠交界处设置锁定机构，如图7所示，该锁定机构包括扭簧18、连杆件19和设在第二底盘上的凸台20，扭簧18设在第一底盘上，连杆件19的一端与扭簧18相连，另一端与凸台20的相抵接。在展开前，扭簧存储了一部分弹性势能，将连杆件挤压在第二底盘的凸台(连杆件与凸台的台面相抵接)上，随着第二底盘的展开，扭簧带动连杆件运动，连杆件沿着凸台的台面向下滑动，当第二底盘完全展开后，连杆件正好顶住第二底盘凸台的侧面，由此使得第二底盘停留在确定的位置上，保持锁定状态。当底盘完全展开后，由外界引起的弯矩、扭矩、剪力通过连杆件以集中力形式传递，底盘展开机构不再工作。

如图8(a)-(b)所示，径向展开机构包括支架5，支架5包括多根连杆6和多根卷尺弹簧7，连杆6和卷尺弹簧7依次彼此铰接，以形成封闭的环。具体的，连杆6和卷尺弹簧7均优选为六根，当径向展开机构收缩时，卷尺弹簧7向内弯曲折叠，使遮光罩的径向尺寸大小仅为六根连杆组成的六边形大小，六根连杆组成的六边形位于第一底盘的上方，并且被六个第二底盘包围，当径向展开机构展开时，卷尺弹簧7释放弹性势能，六根卷尺弹簧推动连杆沿径向移动，使遮光罩的径向大小变为由六根连杆和六根卷尺弹簧组成的十二边形，六根连杆和六根卷尺弹簧组成的十二边形位于第二底盘的上方，由此实现了遮光罩的径向展开。当支架完全撑开后，卷尺弹簧又能提供一定的刚度，保证径向结构的稳定性。

由于径向展开依靠的是卷尺弹簧释放的弹性势能，所以在连杆6和卷尺弹簧7的铰接处下端设计了滑轮组件，该滑轮组件与折叠式底盘上的运行轨道(即滑槽)相配合，其作用是减小在径向展开过程中的摩擦力，并对整个遮光罩起轴向固定作用。

如图9所示，滑轮组件包括滑轮杆8和滑轮9，滑轮杆8与连杆6和卷尺弹簧7的铰接处相连，滑轮9设于滑轮杆8的端部，并与滑槽3滑动配合，该滑轮9上还嵌装有一圈滚珠10，该滚珠10与滑槽3的端面接触，滚珠具体嵌装在滚轮的中部，在滚轮的中部嵌入一圈滚珠，既起到轴向固定的作用，又能减少在径向展开过程中的横向摩擦阻力。

如图10所示，轴向展开机构包括片弹簧组件16、折叠梁17以及多个支架5，其中，多个支架5依次沿遮光罩轴向布置(即沿竖直方向依次叠加)，位于最底层的支架设有与底盘配合的所述滑轮组件，上下两个支架之间通过片弹簧组件和折叠梁相连。

如图11所示，片弹簧组件是遮光罩的动力装置，有足够的弹力，能够使遮光罩从开始的压缩状态展开成需要的形状，同时，弹簧组件在展开过程完成后仍有剩余的弹性应变能，即还处于压缩状态，有利于提高遮光罩的稳定性。具体的，片弹簧组件设于上下两个支架的上下两根连杆6之间，其包括多对依次相连的片弹簧11，多对片弹簧的使用增加了单个片弹簧的伸缩长度，也保证了弹簧组件的高弹性。每对片弹簧由两片片弹簧12组成，片弹簧12的原始状态为圆弧形，完全压缩后呈近似直线形，两片片弹簧12的两端彼此相连，具体的使用铰链或金属片压合的方式连接以保证弹簧可以完全压缩。

片弹簧组件在弹出过程中，加速度始终为正值，弹出结构的速度一直增加，因此，弹簧组件还要能够保证展开完成时的速度在合理范围内，以免在展开后由于速度过大导致结构的瞬间变形量过大，引起遮光罩的永久变形，从而需要对弹簧组件的弹性系数做出合理的设计。具体采用如下方式进行设计：

式中：F为弹簧的弹力，k为弹簧的弹性系数，m为弹簧质量，a为弹簧运动时加速度，v为弹簧运动时速度，x₀为弹簧的自由长度，x₁为弹簧在压缩状态下的长度，x₂为弹簧在完全展开状态下的长度。

如上式所示，速度的平方与弹簧的弹性系数k成正比，由于速度被确定在一定范围内，具有上限值，其他参数为已知的，从而可在一定裕度范围内根据速度值来确定弹簧的弹性系数k的值，进而合理地设计弹簧组件。

进一步的，折叠梁是连接相邻两层径向展开机构的关键部件，是一个组合结构，设于上下两个支架的上下两根连杆6之间，如图12所示，其包括上梁13、中间梁14和下梁15，上梁13、中间梁14和下梁15依次通过合页相连，当完全展开时，折叠梁在保证展开状态的情况下，同时承受较大的轴向拉力和轴向压力，从而实现自锁。

下面将对本发明的遮光罩的具体使用方法进行详细说明。

首先，在展开前，第一底盘和第二底盘通过合页连接，垂直摆放，当卫星到达指定位置时，伺服电机通过减速器驱动连杆，从而带动第二底盘围绕第一底盘旋转，当第二底盘旋转90度，与第一底盘位于同一平面时，形成了一个完整的运行轨道，这时伺服电机停止工作，并且在展开过程中，扭簧推动连杆运动，直至连杆恰好顶在第二底盘的凸台上，使第二底盘保持锁定状态，这样由外界引起的弯矩、扭矩、剪力通过连杆以集中力形式传递，底盘展开机构不再工作；

其次，底盘完全展开时形成了一个完整的运行轨道，这时火控装置启动，捆绑遮光罩的绳索断裂，卷尺弹簧释放弹性势能，推动遮光罩支架沿径向移动，最底层支架在滑轮组件的导向下，使遮光罩的径向大小变为由6根连杆和6根支架组成的十二边形大小；当展开支架完全撑开后，卷尺弹簧又能提供一定的刚度，保证径向结构的稳定性；同时，由于捆绑遮光罩的绳索断裂，轴向展开机构中的弹簧组件释放储存的弹性势能，推动遮光罩支架沿轴向展开，弹簧组件能够使遮光罩从开始的压缩状态展开成需要的形状，同时其在轴向展开过程完成后仍有剩余的弹性应变能，使得折叠梁在展开后不会收缩，并且折叠梁在展开后有较高的支承刚度，使得弹簧组件一直保持压缩状态，两者相互限制，实现自锁，从而保证遮光罩径向展开的稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。