可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构的制作方法

本发明涉及可展开单元机构，具体涉及一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，可用于卫星抛物面天线、空间平面天线支撑背架、双层环形桁架式可展开天线、太阳能电池阵支撑架等空间可展机构，属于航天器材与设备技术领域。

背景技术：

随着航天器功能日益复杂，对航天器的口径和面积的需求大幅增长，如国际空间站这样复杂大型的航天器，天阳能电池阵面积庞大，但航天器的包络尺寸却受到运载火箭有效载荷舱容积的限制，这就需要在发射阶段可以收缩为体积很小，而在运行阶段又能展开成大面积或者体积的高折叠比可展机构。可展机构在空间站、通讯卫星平台、太空望远镜、航天飞机、星球探测器等航天器上被广泛采用。如空间站基础骨架、可展开/收拢的空间机械臂、空间伸展臂、大口径可展开天线、大型柔性太阳帆板支架等。

空间可展机构通常分为三种：杆状可展机构、面状可展机构和体状可展机构。其中，这三类可展机构都可以通过空间可展单元在一维、二维、三维方向上阵列组合而得到。根据可展机构的组成原理，可展机构又可以分为铰接式可展机构和柔性材料可展机构两大类，前者由运动副和连杆组成，此类机构的展开过程由铰链活动实现，可重复折叠展开性好、寿命长、抗震性好、精度高、刚度大，当前已经被广泛应用于空间可展桁架、空间伸展臂、卫星可展天线等领域，目前已作为成熟组件广泛的应用于各类航天器中。柔性材料可展机构由柔性材料的弹性变形实现折叠展开，构造工艺相对简单，但是可重复收拢性差，精度和刚度都相对较低。

当前国外已成功研制多种类型的铰接式可展机构，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、国际空间站主太阳翼支撑龙骨、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、美国thuraya通信卫星上直径达12m的环形桁架式天线、日本ets-8卫星上的13m口径构架型天线等。未来星球探测、太空组装与操作、太空建设、太空运输等作业，都需要宇航空间可折展机构来完成相应的作业。为此，我国相关科研机构对空间可展机构开展了一系列前瞻性的研究工作，并取得一定成果，但是目前尚无大型复杂的空间可展机构付诸应用。本发明研制了32种可以折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，通过对模块单元可以组装成大尺度空间可展机构。

国内以往研制的四棱柱可展开单元机构在展开状态下为几何欠静定结构，刚度和强度低，而且折叠状态大多是平面状态，折叠体积较大，折叠形式单一，不适于组装空间大尺度可展开机构。本发明克服了此类缺点。

技术实现要素：

本发明为解决现有的四棱柱可展开单元机构在展开状态下为几何欠静定结构，刚度和强度较低，折叠体积较大，适应性差的问题，进而提供一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，它包含18个构件，18个构件之间通过运动副相连接成可折叠机构，该可折叠机构展开状态下为静定四棱柱结构；该18个构件分为7个固定长度构件和11个可变长度构件，18个构件中的其中12个构件构成四棱柱的框架主体，其余6个构件分别作为四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的对角线，相对的两个面布置的对角线交叉布置。

本发明与现有的技术相比具有以下有益效果：本发明提出了32种高折叠比、高刚度的可以折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，极大的扩展了空间可展开单元的选择范围，并且每种单元的展开状态为几何静定结构，单元刚度和强度高，单元刚度和强度提升80％以上，单元的折叠状态为直线，折叠体积小，折叠体积减少了70％以上，展开性能良好，可靠性高，适用于大尺度空间可展机构。可用于卫星抛物面天线、空间平面天线支撑背架、双层环形桁架式可展开天线、太阳能电池阵支撑架等空间可展机构。按照不同的单元阵列组合方式还可以得到其他不同结构形式的空间大型可展开机构。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开示意图；其中，构件中含有黑色圆点标记的为可变长度构件，不含黑色圆点标记的为固定长度构件；

图2为图1的可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢示意图；其中黑色圆点为对应的静定四棱柱框架的顶点；

图3为第一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；其中，构件中含有黑色圆点标记的为可变长度构件，不含黑色圆点标记的为固定长度构件；

图4为第一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；其中黑色圆点为对应的静定四棱柱框架的顶点；

图5为第一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；其中黑色圆点为对应的固定长度构件，而空心圆点为对应的可变长度构件；

图6为第二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图7为第二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图8为第二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图9为第三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图10为第三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图11为第三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图12为第四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图13为第四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图14为第四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图15为第五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图16为第五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图17为第五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图18为第六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图19为第六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图20为第六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图21为第七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图22为第七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图23为第七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图24为第八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图25为第八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图26为第八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图27为第九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图28为第九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图29为第九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图30为第十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图31为第十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图32为第十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图33为第十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图34为第十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图35为第十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图36为第十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图37为第十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图38为第十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图39为第十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图40为第十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图41为第十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图42为第十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图43为第十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图44为第十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图45为第十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图46为第十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图47为第十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图48为第十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图49为第十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图50为第十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图51为第十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图52为第十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图53为第十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图54为第十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图55为第十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图56为第十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图57为第十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图58为第十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图59为第十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图60为第二十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图61为第二十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图62为第二十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图63为第二十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图64为第二十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图65为第二十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图66为第二十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图67为第二十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图68为第二十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图69为第二十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图70为第二十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图71为第二十三种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图72为第二十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图73为第二十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图74为第二十四种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图75为第二十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图76为第二十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图77为第二十五种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图78为第二十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图79为第二十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图80为第二十六种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图81为第二十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图82为第二十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图83为第二十七种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图84为第二十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图85为第二十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图86为第二十八种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图87为第二十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图88为第二十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图89为第二十九种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图90为第三十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图91为第三十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图92为第三十种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图93为第三十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图94为第三十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图95为第三十一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图96为第三十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图；

图97为第三十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构收拢状态示意图；

图98为第三十二种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构对应的拓扑连接关系示意图；

图99为将单个空间四棱柱可展开机构单元机构按照一维单方向阵列组合构成的空间支撑臂机构展开状态示意图；

图100为图99的收拢状态示意图；

图101为将单个空间四棱柱可展开机构单元按照二维双方向阵列组合构成的空间平面天线支撑背架机构的展开状态示意图；

图102为图101的收拢状态示意图；

图103为将单个空间四棱柱可展开机构单元按照周向环形阵列组合构成的空间双层环形桁架式可展开天线的支撑背架机构的展开状态示意图；

图104为图103的收拢状态示意图；

图105为将由空间四棱柱可展开机构单元阵列组合构成的空间支撑臂机构按照周向环形间隔阵列，组成的空间抛物面可展开天线的支撑背架机构的展开状态示意图；

图106为图105的收拢状态示意图。

具体实施方式

参见图1-图98说明，可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，它包含18个构件，18个构件之间通过运动副相连接成可折叠机构，该可折叠机构展开状态下为静定四棱柱结构；该18个构件分为7个固定长度构件和11个可变长度构件，18个构件中的其中12个构件构成四棱柱的框架主体，其余6个构件分别作为四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的对角线，相对的两个面布置的对角线交叉布置。

图3至图98中，32种的每一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构展开状态示意图中含有黑色圆点标记的构件为可变长度构件，不含黑色圆点标记的构件为固定长度构件；对应的收拢状态示意图中黑色圆点为对应的静定四棱柱框架的顶点，对应的拓扑图连接关系图中黑色圆点表示相应的固定长度构件，而空心圆点表示相应的可变长度构件。

以第一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构为例，如图3所示，a，b，c，d，e，f，g，h分别代表构建的静定四棱柱的八个顶点，或者构件之间连接节点，节点含有运动副，其中ab，bc，cd，da，ah，he，ed，ef，fc，fg，gb和gh这12个构件形成静定四棱柱的框架主体，ac，ge，ag，ec，ae和gc这6个构件分别为静定四棱柱的上面、下面、左面、右面、前面和后面的对角线。其中带有黑色圆点的bc，da，gb，ed，fg，he，ef，ag，ac，cg和ce这11个构件还分别表示可变长度构件，而ab、cd、ah、gh、ge、cf、ae这7个构件还分别表示固定长度构件。可变长度构件优选用可折叠铰链杆、套筒杆或可变长度柔性索，各个节点含有的运动副优选用转动副、球副或u副。

具体收拢过程为：ef、ed、ce构件拉长的同时围绕顶点g以ge为半径、以顶点h以he为半径旋转做相对旋转一定角度，bc、da、ag构件收缩，同时八个顶点(节点)相对转动，最后得到如图4的可折叠成直线的收拢状态图，图3和图4的相对应的拓扑连接关系如图5所示。图5中的ab、ac、ad、ae、ag、ah、bc、bg、cd、ce、cf、cg、de、ef、eg、eh、fg、gh分别表示构件，其中带有黑色圆点的构件(ab、ae、ah、cd、cf、eg和gh)代表固定长度构件，而空心圆点的构件(ac、ad、ag、bc、bg、ce、cg、de、ef、eh和fg)代表可变长度构件，图5中的上述18个构件之间的连线表示构件之间的连接关系。

以此类推，类似结构的单元还有31种，如图6至图98所示，只是对可变长度构件的位置进行了不同的布置。第2种至第32种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构按照给出的可变长度构件和固定长度构件的布置位置结合四棱柱框架主体的顶点或节点含有的运动副最终实现展开、收拢及拓扑连接关系图的相应构建。在32种中可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构涉及的运动副优先选用转动副、球副或u副，涉及的可变长度构件优先选用可折叠铰链杆、套筒杆或可变长度柔性索，或者运动副及可变长度构件的任意有效性组合，以实现完成每一种可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构相应的展开、收拢及对应的拓扑连接关系图的构建。

本发明提供32种高折叠比、高刚度的可以折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构，每个单元由11个可变长度构件与7个固定长度构件组成，可以方便扩展成为直线型、平面型、三维曲面型可展机构。

将单个可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构按照一维单方向阵列组合可以构成如图99和图100所示的空间支撑臂机构。

将单个可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构按照二维双方向阵列组合可以构成如图101和图102所示的空间平面天线支撑背架机构。

将单个可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构按照周向环形阵列组合可以构成如图103和图104所示的空间双层环形桁架式可展开天线的支撑背架机构。

将由可折叠成直线的空间四棱柱可展开单元机构阵列组合构成的空间支撑臂机构按照周向环形间隔阵列，可以组成如图105和图106所示的空间抛物面可展开天线的支撑背架机构。

按照不同的单元阵列组合方式还可以得到其他不同结构形式的空间大型可展开机构。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。