一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂

1.本发明属于空间可展开结构技术领域，具体涉及一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂。


背景技术：

2.空间伸展臂是完成太空组装、太空维修、紧急太空救援等任务的基础设施，也是协助航天员出舱不可或缺的重要机构。空间伸展臂搭载发射时，要求发射质量小、折叠体积小，而在轨展开要求刚度高、稳定性高。
3.目前伸展臂的结构形式主要有机械式和充气式，机械式伸展臂存在质量大、折叠效率低、发射成本高、作用空间范围有限等问题。此外，航天员出舱后主要采用机械臂进行辅助操作，机械臂体系复杂且庞大，一旦设备失灵将会非常危险，为航天员舱外操作增大了难度。充气式伸展臂具有质量轻、折展比大等优点，但仍存在一些不足，如难以实现多自由度转动作业，充气展开刚度小、伸展与收缩稳定性不足。


技术实现要素：

4.本发明为了解决目前空间伸展臂的使用需求，尤其是考虑其发射体积、发射质量、作用空间范围、操作难度等需求，提出一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂；
5.本发明所采取的技术方案是：一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂，包括扩展端头、充气臂、收展装置、充气系统及抽气系统；所述充气臂一端与收展装置连接并缠绕在收展装置上，收展装置实现充气臂的卷绕折叠及充气展开，充气臂另一端安装有扩展端头，用于与不同核心舱末端执行机构进行连接，完成空间各项任务，收展装置内部安装有充气系统及抽气系统。
6.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
7.1、充气伸缩臂主体结构由充气臂及收展装置构成，在空间可充气展开和抽气收缩，可通过充气和抽气实现充气臂的伸展及收缩，从而形成可控伸缩的空间充气式伸缩臂，控制方式简单、可靠。
8.2、充气伸缩臂是一种薄壁管状结构，采用卷绕式折叠，折叠形式紧凑、体积小，重量轻，显著减小发射体积和难度，发射成本低。
9.3、充气臂由多层气体阻隔薄膜层和纤维复合材料层制成，充气展开后为薄壁管状结构，在充气臂内部较高充气压力作用下，其薄壁内的膜应力使得充气臂具有较高的表观结构刚度，从而显著提高其承载能力。
10.4、充气伸缩臂一端通过扩展端头与不同末端执行机构连接，满足空间多种使用功能。充气伸缩臂管壁布设充气导管，其自由端为进气口，提高充气伸缩臂展开稳定性。
11.5、收展装置通过转动中心卷轴及辅助卷轴，能够实现充气臂有序展开及折叠。通过正向旋转卷轴，实现充气臂的卷绕收缩；通过反向旋转，辅助充气伸缩臂进行充气展开，保证伸展臂工作过程稳定可靠。
12.6、转动辅助卷轴挤压充气臂内部的气体，能够有效控制充气伸缩臂的结构刚度，并在收卷过程中有效辅助充气臂的抽气过程。
13.7、收展装置设置充气臂支撑筒，可有效提高充气伸缩臂的稳定性及结构刚度。
14.8、收展装置的中心卷轴内部安装气源、抽气装置等，有效减小发射体积。
15.9、俯仰装置及转台控制充气伸缩臂的方向，实现空间多自由度转动，有效扩展了充气伸缩臂的作用空间。
16.10、充气所需气量小，且通过充气、抽气系统能够实现气体重复使用，从而实现充气伸缩臂的重复展开与收缩，使用方便且降低了使用成本。
附图说明
17.图1是本发明轴测图；
18.其中：1、扩展端头；2、充气导管；3、充气臂；4、支撑筒；5、辅助卷轴；6、中心卷轴；7、充气系统；8、抽气系统；9、俯仰装置；10、俯仰机构；11、转台基座；12、转台；13、收展装置。
具体实施方式
19.本发明发射前可将充气伸缩臂卷绕折叠，入轨后根据使用需求将充气伸缩臂扩展端头与末端执行机构连接，利用充气系统为其充气，展开为大范围长距离作业的空间充气伸缩臂，待任务完成时可抽气收缩并卷绕折叠撤回。
20.本发明通过充气、抽气实现充气伸缩臂的展开及撤收，在空间站能够应用于太空组装、太空维修、紧急太空救援等任务，此外，还可以应用于协助航天员出舱、空间抓捕等其他太空活动中。
21.参照图1说明本实施方式，本发明提供一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂，包括扩展端头1、充气臂3、收展装置13、充气系统7及抽气系统8；所述充气臂3一端与收展装置13连接并缠绕在收展装置13上，收展装置13实现充气臂3的卷绕折叠及充气展开，充气臂3另一端安装有扩展端头1，用于与不同核心舱末端执行机构进行连接，完成空间各项任务，收展装置13内部安装有充气系统7及抽气系统8，利用充气系统7及抽气系统8完成充气臂3的伸缩，在充气臂3外壁上设置线路与核心舱保持连接，
22.充气臂3的侧壁内部由多层气体阻隔薄膜层制成，外部由柔性纤维复合材料层制成，气密性较好，充气展开刚度高，充气展开后为薄壁管状结构，在搭载发射时呈卷曲折叠状态，发射后可在轨充气展开形成充气臂3。
23.收展装置13通过中心卷轴6及转台12配合实现充气臂3的卷绕折叠及充气展开，通过正向旋转中心卷轴6，实现充气臂3的卷绕收缩；通过反向旋转，辅助充气臂3进行充气展开，保证充气臂3工作过程稳定可靠。通过转动辅助卷轴5有效控制充气臂内的气压及充气展开、卷绕收缩过程，转动辅助卷轴5挤压充气臂3内部的气体，能够有效控制充气臂3的结构刚度，并在收卷过程中有效辅助充气臂3的抽气过程。辅助卷轴5和中心卷轴6由电机控制转动。
24.具体为：收展装置13包括中心卷轴6、支撑筒4及两个辅助卷轴5；中心卷轴6同心安装在转台12的上表面上，充气臂3一端缠绕在中心卷轴6上，两个辅助卷轴5转动安装在转台12的外边缘上，支撑筒4安装在两个辅助卷轴5上，充气臂3另一端依次穿过两个辅助卷轴5
之间的间隙以及支撑筒4与扩展端头1连接。
25.支撑筒4可有效提高充气臂3的稳定性及结构刚度。
26.中心卷轴6内部安装有充气系统7及抽气系统8，有效减小发射体积。
27.充气系统7包括气源及充气导管2，气源安装在中心卷轴6内部，充气导管2设置在充气臂3的外壁上并随充气臂3收展，便于搭载发射及充气线路布置，充气导管2固定端与气源连通，充气导管2的自由端为进气口与充气臂3内腔连通，提高充气伸缩臂展开稳定性，
28.充气系统7的充气方式采用气瓶或航天器气源充气，沿充气导管2充气并通过对电磁阀的控制，实现充气速度的控制，从而实现充气展开过程的控制，通过转动中心卷轴6及辅助卷轴5，辅助充气伸缩臂进行充气展开。
29.抽气装置配合中心卷轴6、辅助卷轴5及转台12实现伸缩臂的撤收折叠过程。
30.抽气系统8沿充气导管2抽气，反向转动中心卷轴6及辅助卷轴5，实现充气臂3的卷绕收缩。
31.所述充气臂3一端安装在俯仰装置9上并通过俯仰装置9实现充气臂3在不同方向上的充气展开及多自由度转动。
32.具体为：俯仰装置9包括俯仰机构10及转台基座11；所述转台基座11安装在俯仰机构10上，实现转台基座11竖向多自由度转动，所述转台12安装在转台基座11上，实现充气臂3在水平方向不同方向上的充气展开及多自由度转动。
33.本发明中的抽气装置为现有技术中能够进行抽气的装置均可。
34.本发明中的俯仰机构10为现有技术中能够进行俯仰等动作的机械结构均可。
35.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。