一种充气展开式光学载荷及其制备方法与流程

本发明涉及航天器结构技术领域，具体是一种充气展开式光学载荷及其制备方法。

背景技术：

随着航天技术发展，光学载荷趋向于集成化轻型化和多功能化，以减轻重量、降低成本、节省燃料、延长整星寿命。然而，目前在太空中应用的光学载荷的支撑系统主要是机械展开方式，存在重量大和折叠包装尺寸受限制问题。本发明充气展开式光学载荷能很好地解决以上问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种充气展开式光学载荷及其制备方法。该光学载荷搭载发射时可折叠收纳，在轨可通过充入空气展开成型。

一种充气展开式光学载荷，包括：薄膜衍射主镜、支撑结构及收纳结构；所述的薄膜衍射主镜为圆形水平设置，在圆周固定有均匀的花边薄膜，支撑结构包括若干根充气直管和由若干充气短管首尾相接彼此连通构成的充气环管，充气直管下端与充气环管相接并连通，所述的充气直管至少为三根，绕充气环管均匀分布构成锥体，各充气直管的上端通过转接管连接为一体作为充气口；薄膜衍射主镜设置于充气环管的里侧，其花边薄膜通过若干沿圆周均匀分布的张拉索与充气环管相连，所述的充气环管、充气直管、花边薄膜、薄膜衍射主镜均采用聚酰亚胺薄膜。

在上述技术方案中，进一步的，可以在充气短管和充气直管的内壁均布粘接若干钢质弹性片，充气展开后为支撑结构提供一定刚度。钢质弹性片的布置应避开拼缝处。

进一步的，所述收纳结构可以为圆锥壳体，沿圆锥壳体内壁均匀设置至少三个圆筒，用于插入充气直管并粘接固定，所述圆锥壳体的母线斜度和充气直管构成锥体的斜度一致。

上述光学载荷的制备方法，包括如下步骤：

1)根据裁剪分析得到的裁剪下料图，采用激光切割机将聚酰亚胺薄膜进行切割，获得薄膜衍射主镜、花边薄膜、若干短管薄膜和直管薄膜裁剪片；

2)按照设计要求，制作用于辅助制备充气环管的第一拼接模具以及用于辅助充气直管与充气环管相贯连接的第二拼接模具；第一拼接模具由两个相同的铝合金圆柱状结构端部拼接组装而成，模拟充气短管与充气短管的连接；第二拼接模具由一个铝合金圆柱状结构端部与另一个铝合金圆柱状结构中部侧面拼接组装而成，模拟充气直管和充气短管相贯连接；

3)利用第一、二拼接模具辅助，将短管薄膜、直管薄膜裁剪片分别包覆于拼接模具上，在拼缝处采用胶水粘接形成管状结构，对相邻两个管状结构连接处粘接后，取出拼接模具，对所有连接处和拼缝处进行一一粘接，在最后一个连接处，先取出拼接模具，直接采用胶水进行粘接；

4)采用聚酰亚胺胶带将花边薄膜粘接于薄膜衍射主镜圆周，先将花边薄膜与充气环管通过张拉索连接固定，再对薄膜衍射主镜进行调平。

进一步的，所述的聚酰亚胺薄膜可以采用kapton薄膜，所述的粘接胶水采用聚氨酯双组分粘合剂，张拉索采用迪尼马索。

进一步的，该光学载荷的充气直管可采用z字形折叠法折叠，充气环管可对折后采用z字形折叠法折叠，薄膜衍射主镜可采用沿膜面环向z字形折叠，然后绕中心轴线卷曲收拢成一圆柱体的方法折叠。

在发射时，充气展开式光学载荷薄膜衍射主镜以及相应支撑结构折叠收拢至收纳结构内；入轨后，首先收纳结构底板打开；随后，利用充气系统对充气展开式光学载荷内腔充气，使支撑结构充气展开，同时牵引薄膜衍射主镜和花边薄膜展开；最后，充气展开式光学载荷展开到位，开始服役。

附图说明

图1为整体模型轴测图示意图；

图2充气直管和环管的相贯线；

图3充气直管裁剪片及钢质弹性片布置图；

图4充气短管裁剪片及钢质弹性片布置图；

图5充气短管在连接处的裁剪下料图；

图6充气直管z字形折叠模型示意图；

图7充气环管折叠模型示意图；

图8衍射主镜折叠方案；

图9收纳盒示意图；

图10第一、二拼接模具结构图；

图11本发明光学载荷实物结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明：

本发明的一种充气展开式光学载荷具体包括：充气环管1、充气直管2、薄膜衍射主镜3、张拉索4、钢质弹性片，由充气环管1、充气直管2粘接组成支撑结构，薄膜衍射主镜3外围有花边薄膜，通过张拉索4和支撑结构相连，钢质弹性片沿充气直管内壁和充气环管内壁均布粘接，整体模型轴测图示意图见附图1。

薄膜衍射主镜几何形状为平面圆形，圆形薄膜衍射主镜周边共有12个圆弧构成花边薄膜，薄膜衍射主镜和花边薄膜通过12根张拉索和充气支撑结构连接。充气支撑结构包括12根充气短管首尾相接并连通的充气环管1和3根充气直管2，充气直管下端和充气环管1连接，两者内腔相通。

充气直管2和充气环管1之间的相贯线，为复杂的空间曲线，见附图2，制备上述结构时，通过裁剪分析得到的充气直管和充气短管裁剪下料图，采用激光切割机将平面kapton薄膜进行切割得到裁剪片。制备充气支撑结构一共需要不开孔的充气短管平面薄膜裁剪片9片，开孔的充气短管平面薄膜裁剪片3片，充气直管平面薄膜裁剪片3片。然后将钢质弹性片均布粘接于不开孔的充气短管平面薄膜裁剪片和充气直管平面薄膜裁剪片内侧。在充气直管的裁剪片上粘接钢质弹性片，布置位置见附图3。对充气短管的裁剪片粘接钢质弹性片，见附图4。充气直管和充气环管连接的三片充气短管裁剪片不再设置钢质弹性片，其裁剪片图见附图5。充气支撑结构由平面薄膜裁剪片拼接而成，拼接过程使用拼接模具辅助完成，所述的拼接模具如图10所示，第一拼接模具用于辅助制备充气环管，第二拼接模具用于辅助充气直管与充气环管相贯连接；第一拼接模具由两个相同的铝合金圆柱状结构端部拼接组装而成，模拟充气短管与充气短管的连接；第二拼接模具由一个铝合金圆柱状结构端部和另一个铝合金圆柱状结构中部侧面拼接组装而成，模拟充气直管和充气短管相贯连接；利用第一、二拼接模具辅助，将短管薄膜、直管薄膜裁剪片分别包覆于拼接模具上，在拼缝处采用胶水粘接形成管状结构，对相邻两个管状结构连接处粘接后，取出拼接模具，对所有连接处和拼缝处进行一一粘接，在最后一个连接处，先取出拼接模具，直接采用胶水进行粘接；采用聚酰亚胺胶带将花边薄膜粘接于薄膜衍射主镜圆周，先将花边薄膜与充气环管通过张拉索连接固定，再对薄膜衍射主镜进行调平。

充气直管2可以采用z字形折叠法，折叠模型见附图6；充气环管1的折叠过程可以包括两步：沿对称轴对折为两个半圆弧；再沿轴线方向z字折叠。充气环管2折叠模型见附图7。薄膜衍射主镜3可以先沿膜面环向z字折叠，然后绕中心轴线卷曲收拢成一圆柱体，见附图8。

在发射时，充气展开式光学载荷薄膜衍射主镜3以及相应支撑结构收拢至收纳盒内，收纳盒为圆锥壳体，见附图9。圆锥壳体内三个小圆柱的长度只有圆锥壳体母线长度的三分之一，三根充气直管2穿过三个小圆柱，并通过胶接固定在小圆柱内壁上。圆锥壳体的母线斜度和三根充气直管的斜度一致，故充气展开式光学载荷完全展开状态中充气直管和圆锥壳体的内壁完全贴合。充气展开式光学载荷折叠后包装，放置在圆锥壳体收纳盒的下部。

最终制备完成的充气展开式光学载荷样机见图11。