专利名称：盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，属于航天器设计技术 领域。
背景技术：
'随着航天器功能的日益复杂，对航天器的能源需求成倍增长，航天器太阳 电池阵的面积也随之成倍增长，但航天器的包络尺寸受运载火箭有效载荷舱容 积的限制，这就需要可在发射段收缩、在空间展开的空间伸展臂。我国未来的 空间站对能源功率的需求将在20kW以上，现有的刚性基板一扭簧铰链展开式 太阳翼已无法满足需求，而盘绕式空间伸展臂是未来大功率太阳翼的最佳选择。
又如电子侦察卫星为准确对地面信号源定位，要求多个探测器之间有足够的 基线长度，使用盘绕式空间伸展臂可以较好满足该要求。
目前，常用的空间伸展臂主要有薄壁管状伸展臂、套筒管状伸展臂、铰接 式伸展臂、盘绕式伸展臂等。薄壁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，但其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；套筒管状伸展臂可靠性高、可重复展开 和收拢，但收拢后仍较长、构造较复杂；铰接式伸展臂刚度高、寿命长、抗振 性好、精度高，但构造工艺很复杂、铰接点多、可靠性相对较低；盘绕式伸展 臂构造简单、质量较小、可靠性高、伸縮比大，缺点是刚度相对铰接式低。
盘绕式伸展臂是目前研究最深入、应用最广泛的一种伸展臂体制，可分为有铰式和无铰式。国外已有相应的机构研制成功盘绕式空间伸展臂，比较有代 表性的是包括美国国家航空航天局研制的Astro-mast伸展臂成功应用于 Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast无铰伸展臂成功应用于 Space Flight Unit航天器的太阳电池阵。由于各方面原因国内对空间可展机构的 研究起歩较晚，目前虽己开展相关研究，但尚无成功应用于航天器的盘绕式空 间伸展臂，且国外的技术又对中国保密。受制于此国内的航天器始终局限在中、 小型平台难以"大型化"。本发明通过采用了一种简单的铰链形式实现了该伸展 臂的研制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，是一种高 伸缩比、可自主展开的低成本盘绕式有铰空间伸展臂。
本发明是一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其技术方案是该伸展 臂包括若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索。
所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成， 为纵杆提供侧向支撑。所述的三角形铰接头由一个60。连接件、 一个有阶梯的 圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成。钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉 固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有两个Olmm的孔用于固定 对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2蟀纹，通过螺母限制圆柱接头相对于 60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的 M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。
相邻两个三角形横架的节距根据伸展臂刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵 杆屈曲所至端点转角由铰链实现，对角加劲索所引起的形变由三根短杆的弯曲变形实现。三根纵杆长度与伸展臂展开长度相同，由具有优异超弹性的钛镍形 状记忆合金加工而成。收拢时纵杵受弯曲盘紧，压縮比大，最大可以达到3%。 展开时三根连续纵杆为伸展臂提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆直径根据伸展臂 刚度、盘绕半径等确定。节间对角加劲索为伸展臂每侧面节间钢丝，承受预应 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。
其中，所述的纵杆直径为2mm。
其中，所述的伸展臂盘绕半径R (三根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有 重要影响， 一般为50 200mm。
其中，相邻两个铰接式三角形横架之间的节距应满足盘压时几何约束协调， 半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索两端点距离要大于收拢时的距离， 可推导出节距取值范围R<t<2R。
本发明一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其优点及功效是以简单 的机构形式实现了高伸縮比、高可靠性、高刚度的伸展臂。相比国外已研制的 盘绕式有铰伸展臂，铰链的形式更加简化，减少了零件数量、简化了装配布局 和检测、减轻了质量、节约了成本。可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池 阵、空间站主结构等领域。
图1为盘绕式有铰空间伸展臂的展开后示意图。
图2为铰接式三角形横架示意图。
图3为圆柱接头的剖视图
图4为盘压收拢状态示意图。
图中具体标号如下
.1、三角形横架 2、纵杆 3、对角加劲索4、三角形铰接头 5、 60°连接件6、圆柱接头
7、 M2螺钉 8、 M3螺钉 9、螺母
10、钛镍合金短杆
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其技术方案是: 该伸展臂包括若干铰接式三角形横架l、三根纵杆2及若干对角加劲索3。
如图2，所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头4和三根钛镍合
金短杆10组成，为纵杆提供侧向支撑。所述的三角形铰接头4由一个60° 连接件5、 一个有阶梯的圆柱接头6、三个螺钉和两个螺母9组成。钛镍合金短 杆10的端头通过两个M2螺钉7固定于60°连接件5的孔内；60°连接件上 还设有的两个①lmm的孔用于固定对角加劲索；圆柱接头如图3所示，其较细 的一端为M2螺纹，通过螺母9限制圆柱接头相对于60。连接件的三个位移和 两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉8将纵杆与60。 连接件固定连接。
相邻两个三角形横架的节距根据伸展臂刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵 杆屈曲所至端点转角由铰链实现，对角加劲索所引起的形变由三根短杆的弯曲 变形实现。三根纵杆长度与伸展臂展开长度相同，由具有优异超弹性的钛镍形 状记忆合金加工而成。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压縮比大，最大可以达到3%。 展开时三根连续纵杆为伸展臂提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆直径根据伸展臂 刚度、盘绕半径等确定。节间对角加劲索为伸展臂每侧面节间钢丝，承受预应 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。
下面详述伸展臂各参数的设计。1、伸展臂设计参数
本发明所述的伸展臂设计参数包括几何结构设计参数、结构特性等。结构 几何设计决定结构特性(频率、模态、屈曲临界载荷)、质量、伸縮比。伸展 臂节距、伸展臂盘绕半径、以及纵杆直径是关键设计参数。
(1) 纵杆直径d 根据整体刚度的要求和材料的力学性能，确定d=2mm。
(2) 纵杆弹性极限弯曲应变s
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式中d为纵杆直径；R为伸展臂盘绕半径。
考虑到纵杆的材料性能和整体的刚度，.选取伸展臂纵杆弹性极限弯曲应变 <formula>formula see original document page 7</formula>
(3) 盘绕半径R
伸展臂盘绕半径R (三根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，一 般为50~200mm，由上面的计算得R=70mm。
(4) 节距t
节距是指相邻两个三叉架之间的距离。节距应满足盘压时几何约束协调。 半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索两端点距离要大于收拢时的距离， 可推导出节距取值范围R〈K2R，取^1.36i a95mm。
(5) 收藏高度h
参阅图4，伸展臂盘绕一圈后三根纵杆叠起的高度为
c = 3(e +d)
其中e为盘压后纵杆间的间隙(纵杆与三角形横架的三角形铰接头高度)， 为保证连接处强度取e=d，则则伸展臂完全收拢后的高度h为
"丄.c二 1.910"
其中/为伸展臂展开后的长度。实例中取"2m，则收拢高度"54.6附m。
2、伸展臂力学性能
弯曲刚度
其中d为连续纵杆的直径。 剪切刚度
CM = 3五4 sin ^ cos2 ^ 其中E4为对角件加劲索预加张力后的拉伸刚度；^为对角件加劲索与三 角形横架之间的夹角，为38.1° 。 扭转刚度
其中G是纵杆材料的剪切模量；^是纵杆的截面积。 弯曲强度
同时，弯曲强度还要受纵杆失稳条件限制。
剪切强度
需要说明的是上式受三角形横架失稳条件限制。 .扭转强度
rcr = 1.5蠻3￡4需要说明的是上式受三角形橫架失稳条件限制，典型情况下，三角形横架短杆 直径应取纵杆截面直径的80%。
权利要求
1、一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，包括若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索，其特征在于所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，为纵杆提供侧向支撑；所述的三角形铰接头由一个60°连接件、一个有阶梯的圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成；钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有的两个孔用于固定对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2螺纹，通过螺母限制圆柱接头相对于60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。
2、 根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征 在于所述的纵杆直径为2mm。
3、 根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征 在于所述的伸展臂盘绕半径R-70mm。
4、 根据权利要求1所述的一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，其特征 在于所述的相邻两个铰接式三角形横架之间的节距，95mm。
全文摘要
本发明涉及一种盘绕式三角形横架有铰空间伸展臂，包括若干铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索；所述的铰接式三角形横架，由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，为纵杆提供侧向支撑；所述的三角形铰接头由一个60°连接件、一个有阶梯的圆柱接头、三个螺钉和两个螺母组成；钛镍合金短杆的端头通过两个M2螺钉固定于60°连接件上的孔内；60°连接件上还设有的两个孔用于固定对角加劲索；圆柱接头较细的一端为M2螺纹，通过螺母限制圆柱接头相对于60°连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱接头通过轴向的M3螺钉将纵杆与60°连接件固定连接。本发明可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池阵、空间站主结构等领域。
文档编号B64G1/22GK101428690SQ200810240159
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者伟 张, 王新升, 海 黄 申请人:北京航空航天大学