空间充气展开舱段的制作方法

本发明涉及太空舱技术领域，具体地说是一种空间充气展开舱段。

背景技术：

现有技术中，包括国际空间站在内的在轨道航天器大多以刚性金属舱为主，刚性金属密封舱存在质量重、体积大、发射成本高、在轨组装困难等缺点。此外，由于受运载火箭包络尺寸的限制，传统刚性金属密封舱必须设计的相对紧凑，这就造成舱内有效空间狭窄，导致诸多科学试验难以顺利开展，已经难以满足未来深空探测发展的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间充气展开舱段，具有可折叠、质量小、制作成本低、防护性能好等优点，在深空探测领域具有广泛的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种空间充气展开舱段，包括气闸舱、舱段芯柱和柔性外壳，所述舱段芯柱设置于柔性外壳中，气闸舱设置于所述舱段芯柱上端且设置于柔性外壳外侧，所述柔性外壳充气展开；所述舱段芯柱包括一个芯柱框架，且在所述芯柱框架上由上到下依次设有上端层、中间层和下端层，所述上端层和下端层内均设有端层板组件，且所述上端层和下端层通过所述端层板组件分成多个活动区域，所述中间层内设有中间层板组件，且所述中间层通过所述中间层板组件分成多个活动区域，在所述柔性外壳内，在所述舱段芯柱外侧设有空间扩展组件，所述空间扩展组件设有多个扩展板，且相邻扩展板之间均设有扩展支撑杆，在所述芯柱框架内设有驱动展开机构，扩展支撑杆通过所述驱动展开机构驱动摆动，扩展板通过所述扩展支撑杆摆动驱动展开。

所述气闸舱包括刚性舱体和气闸舱门，在所述刚性舱体上下两端分别设有上端板和下端板，且所述上端板下侧和下端板下侧均铰接有一个气闸舱门，所述上端板和下端板下侧均设有锁紧槽，所述气闸舱门上设有可伸缩的锁紧块，且所述气闸舱门在所述锁紧块伸出插入对应锁紧槽锁定。

所述气闸舱门包括舱门壳体、操作手柄、中间齿轮、行星齿轮、齿圈、连杆和锁紧块，所述中间齿轮、行星齿轮、齿圈和连杆均设置于所述舱门壳体内，且所述中间齿轮和行星齿轮设置于所述齿圈内，多个行星齿轮沿圆周方向均布且内侧与所述中间齿轮啮合、外侧与所述齿圈啮合，所述中间齿轮的齿轮轴两端分别伸出至舱门壳体外并分别与舱门壳体两侧的操作手柄相连，所述齿圈外侧均布有多个连杆，在所述舱门壳体圆周边缘均布有多个滑动通孔，且每个滑动通孔内均设有一个锁紧块，所述锁紧块与所述连杆一一对应相连。

所述端层板组件包括端层底板、端层固定隔板和端层移动隔板，其中端层底板固装于芯柱框架上，端层固定隔板呈直角形状并固装于所述端层底板上，所述端层固定隔板两端均设有端层移动隔板。

所述中间层板组件包括中间层底板、中间层立板和环形套，中间层底板固装于芯柱框架上，中间层立板和环形套固装于所述中间层底板上，且多个中间层立板沿着圆周方向均布于环形套内。

所述空间扩展组件包括多个上扩展板和多个下扩展板，且相邻两个上扩展板之间设有上扩展支撑杆，在相邻两个下扩展板之间设有下扩展支撑杆，所述芯柱框架上设有多个底板支撑环，且所述上端层和中间层固装于不同底板支撑环上，所述上扩展支撑杆铰接于支撑上端层的底板支撑环上，且在该底板支撑环上侧设有上驱动环，所述上扩展支撑杆通过上驱动连杆与所述上驱动环相连，所述下扩展支撑杆铰接于支撑中间层的底板支撑环上，且在该底板支撑环下侧设有下驱动环，所述下扩展支撑杆通过下驱动连杆与所述下驱动环相连，所述上驱动环和下驱动环通过所述驱动展开机构驱动反向移动。

所述驱动展开机构包括两组结构相同且对称设置的驱动组件，所述上驱动环和下驱动环分别通过不同驱动组件驱动移动，所述驱动组件包括驱动电机、丝杠、丝母和连接块，所述丝杠通过所述驱动电机驱动旋转，在所述丝杠上套装有丝母，所述丝母上固设有连接块与上驱动环或下驱动环固连。

所述芯柱框架上设有导向机构，所述导向机构包括两组结构相同的导向组件，所述导向组件包括导向杆和导向块，所述导向块套装于导向杆上，且所述上驱动环和下驱动环分别与不同导向组件中的导向块相连。

所述空间扩展组件还包括设置于柔性外壳内侧的上充气环和下充气环，在所述上充气环和下充气环之间设有连接柱，所述柔性外壳充气展开时，所述上充气环、下充气环和连接柱内部均充气，所述上扩展板完全展开后边缘与所述上充气环相抵，所述下扩展板完全展开后边缘与所述下充气环相抵。

所述柔性外壳由外到内依次设有原子氧防护层、热防护层、外防护层、外泡沫层、中间防护层、内泡沫层、内防护层、结构限制层、备气密层、间隔层、主气密层和内衬层。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的柔性外壳可在发射前处于折叠状态，进入预定轨道后再充气展开，因此与传统的刚性铝壳结构舱体相比，具有更高的容积质量比，且发射成本大大降低，另外柔性外壳的材料容易获取，柔性舱体的制作过程中只需要在半洁净的环境中即可，制作成本低。

2.本发明内部设有空间扩展组件，可展开形成供航天员活动的平台，另外本发明上端层和下端层内均设有可伸出的端层移动隔板，这些都充分保证舱段内有足够空间供航天员活动。

3.本发明与传统刚性金属舱相比，由于体积和质量大大降低，因此经运载火箭运载至工作轨道之后，在轨组装易于实施。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中的舱段芯柱示意图，

图3为图2中的气闸舱结构示意图，

图4为图3中的气闸舱门示意图，

图5为图4中的气闸舱门内部结构示意图，

图6为图2中的上端层结构示意图，

图7为图2中的中间层结构示意图，

图8为图2中的下端层结构示意图，

图9为图8中的下端层另一角度示意图，

图10为图2中的芯柱框架示意图，

图11为图10中的驱动展开机构示意图，

图12为图10中的导向机构示意图，

图13为图1中的柔性外壳折叠示意图。

其中，1为气闸舱，101为密封圈，102为下端板，103为刚性舱体，104为上端板，105为气囊预埋件，106为第二端盖，107为第一端盖，108为舱体法兰；2为端层板组件，201为端层底板，202为端层移动隔板，203为端层固定隔板，204为隔板固定件；3为中间层，301为中间层立板，302为中间层底板，303为立板固定件，304为环形套；4为空间扩展组件，401为上充气环，402为下充气环，403为连接柱，404为上扩展板，4041为上扩展支撑杆，4042为上驱动连杆，4043为上驱动环，405为下扩展板，4051为下扩展支撑杆，4052为下驱动连杆，4053为下驱动环；5为柔性外壳，501为原子氧防护层，502为热防护层，503为外防护层，504为外泡沫层，505为中间防护层，506为内泡沫层，507为内防护层，508为结构限制层，509为备气密层，510为间隔层，511为主气密层，512为内衬层；6为气闸舱门，601为操作提示牌，602为锁紧螺母，603为操作手柄，604为铰接板，605为锁紧块，606为舱门下端盖，607为舱门上端盖，608为连杆，609为齿圈，610为行星齿轮，611为中间齿轮，612为齿轮轴；7为芯柱框架，701为框架侧梁，702为驱动展开机构，7021为驱动电机，7022为轴承座，7023为丝母，7024为连接块，7025为丝杠，703为导向机构，7031为导向支架，7032为导向杆，7033为导向块，704为底板支撑环；8为底端法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～13所示，本发明包括气闸舱1、舱段芯柱和柔性外壳5，所述舱段芯柱设置于柔性外壳5中，气闸舱1设置于所述舱段芯柱上端，且柔性外壳5上侧套装于所述气闸舱1与所述舱段芯柱相连一端，在所述舱段芯柱下端设有底端法兰8，柔性外壳5下侧套装于所述底端法兰8上，如图13所示，所述柔性外壳5在舱段发射前可沿着所述舱段芯柱折叠以减小体积，使用时充气即可展开。如图1～2所示，所述舱段芯柱包括芯柱框架7、上端层、中间层3和下端层，所述上端层、中间层3和下端层均安装在所述芯柱框架7上，且上端层设置于中间层3上侧，下端层设置于中间层3下侧，所述上端层和下端层内均设有端层板组件2，且所述上端层和下端层内部均通过所述端层板组件2分成多个活动区域，所述中间层3内设有中间层板组件，且所述中间层3通过所述中间层板组件分成多个活动区域。如图1～2和图6～7所示，在所述柔性外壳5内，在所述舱段芯柱的中间层3外侧设有空间扩展组件4，所述空间扩展组件4设有多个扩展板，且相邻扩展板之间均设有扩展支撑杆，在所述芯柱框架7内设有驱动展开机构702，且所述扩展支撑杆通过所述驱动展开机构702驱动同步摆动，进而驱动扩展板展开形成可供活动的平台。

如图3所示，所述气闸舱1包括刚性舱体103和气闸舱门6，两个气闸舱门6分设于所述刚性舱体103的上下两端，在所述刚性舱体103下端设有舱体法兰108，且在所述舱体法兰108上侧由上到下依次设有第一端盖107和第二端盖106。所述柔性外壳5为多层结构，且所述柔性外壳5由外到内依次设有原子氧防护层501、热防护层502、外防护层503、外泡沫层504、中间防护层505、内泡沫层506、内防护层507、结构限制层508、备气密层509、间隔层510、主气密层511和内衬层512，其中在所述内衬层512端部设有气囊预埋件105，所述气囊预埋件105固装于芯柱框架7上端，且所述内衬层512设置于气囊预埋件105下侧，所述备气密层509、间隔层510和主气密层511设置于气囊预埋件105上侧并通过舱体法兰108压住固定，所述间隔层510将备气密层509和主气密层511分离，所述结构限制层508设置于舱体法兰108上侧并通过所述第二端盖106压住固定，所述原子氧防护层501、热防护层502、外防护层503、外泡沫层504、中间防护层505、内泡沫层506和内防护层507设置于所述第二端盖106上侧并通过所述第一端盖107压住固定。所述柔性外壳5下侧固装于所述底端法兰8上且安装结构与上侧相同。

如图3所示，在所述刚性舱体103上下两端分别设有上端板104和下端板102，如图4所示，在所述气闸舱门6一侧设有铰接板604，两个气闸舱门6即通过所述铰接板604和铰链分别铰接于刚性舱体103的上端板104下侧和下端板102下侧，所述上端板104和下端板102下侧均沿圆周方向设有锁紧槽，如图4～5所示，所述气闸舱门6上沿着圆周方向均布有多个可同步伸缩的锁紧块605，当所述锁紧块605伸出插入所述锁紧槽时，所述气闸舱门6即锁定。

如图4～5所示，所述气闸舱门6包括舱门壳体、操作手柄603、中间齿轮611、行星齿轮610、齿圈609、连杆608和锁紧块605，本实施例中，所述舱门壳体由舱门上端盖607和舱门下端盖606扣合而成，在舱门壳体上下两侧均设有操作手柄603，且在舱门壳体上下两侧均设有操作提示牌601，所述中间齿轮611、行星齿轮610、齿圈609和连杆608均设置于所述舱门壳体内，且所述中间齿轮611和多个行星齿轮610设置于所述齿圈609内，所述多个行星齿轮610沿圆周方向均布且内侧与所述中间齿轮611啮合、外侧与所述齿圈609啮合，所述中间齿轮611的齿轮轴612两端分别伸出至舱门壳体外并分别与舱门壳体上下侧的操作手柄603相连，所述齿圈609外侧沿着圆周方向均布有多个连杆608，在所述舱门壳体圆周边缘均布有多个滑动通孔，且每个滑动通孔内均设有一个锁紧块605，所述锁紧块605与所述连杆608一一对应相连并通过所述连杆608驱动伸缩移动。

如图3所示，在所述刚性舱体103的上端板104与上侧的气闸舱门6之间设有两道密封圈101，在所述刚性舱体103的下端板102与下侧的气闸舱门6之间也设有两道密封圈101。

如图6和图8所示，所述端层板组件2包括端层底板201、端层固定隔板203和端层移动隔板202，其中端层底板201固装于芯柱框架7上，端层固定隔板203呈直角形状并通过隔板固定件204固装于所述端层底板201上，且在所述端层固定隔板203两端均设有端层移动隔板202，本实施例中，共包括四个端层固定隔板203并形成十字形状的活动区域，端层移动隔板202伸长即可延伸活动区域范围，所述端层移动隔板202通过滑轨滑块结构与所述端层固定隔板203滑动连接。

如图7所示，所述中间层板组件包括中间层底板302、中间层立板301和环形套304，中间层底板302固装于芯柱框架7上，中间层立板301和环形套304固装于所述中间层底板302上，且多个中间层立板301沿着圆周方向均布于环形套304内，从而将环形套304内等分成多个活动区域，本实施例中，所述环形套304为环形水套，所述中间层立板301通过立板固定件303固装于所述中间层底板302上。

如图10所示，在所述芯柱框架7上设有多个底板支撑环704，所述上端层的端层底板201和中间层3的中间层底板302分别固装于不同的底板支撑环704上，所述下端层的端层底板201固装于所述芯柱框架7的底端。

如图2和图6～7所示，所述空间扩展组件4包括多个上扩展板404和多个下扩展板405，且所述多个上扩展板404展开后形成一个可供活动的上平台，所述多个下扩展板405展开后形成一个可供活动的下平台，在相邻两个上扩展板404之间均设有上扩展支撑杆4041，且所述上扩展板404通过所述上扩展支撑杆4041摆动展开或收起，在相邻两个下扩展板405之间均设有下扩展支撑杆4051，且所述下扩展板405通过所述下扩展支撑杆4051摆动展开或收起。

如图10所示，所述上扩展支撑杆4041均铰接于支撑上端层端层底板201的底板支撑环704上，且在该底板支撑环704上侧设有上驱动环4043，所述上扩展支撑杆4041分别通过上驱动连杆4042与所述上驱动环4043相连。所述下扩展支撑杆4051均铰接于支撑中间层底板302的底板支撑环704上，且在该底板支撑环704下侧设有下驱动环4053，所述下扩展支撑杆4051分别通过下驱动连杆4052与所述下驱动环4053相连。所述上驱动环4043和下驱动环4053均套设于所述芯柱框架7外侧，且在所述芯柱框架7上设有驱动展开机构702驱动所述上驱动环4043和下驱动环4053反向移动，从而使所述上扩展板404和下扩展板405展开或收起，另外在所述芯柱框架7上设有导向机构703引导上驱动环4043和下驱动环4053升降移动。本实施例中，如图10所示，在所述芯柱框架7前后侧均设有一个驱动展开机构702和一个导向机构703，所述芯柱框架7包括多个框架侧梁701，各个驱动展开机构702和各个导向机构703分别安装在不同的框架侧梁701上。

如图11所示，所述驱动展开机构702包括两组对称设置的驱动组件，且所述上驱动环4043和下驱动环4053通过不同驱动组件驱动移动。

如图11所示，所述驱动组件包括驱动电机7021、丝杠7025、丝母7023和连接块7024，所述驱动电机7021固装在框架侧梁701上，所述丝杠7025两端分别通过轴承座7022支承安装于框架侧梁701上，且所述丝杠7025通过所述驱动电机7021驱动旋转，在所述丝杠7025上套装有丝母7023，所述丝母7023上固设有连接块7024与上驱动环4043或下驱动环4053固连。

如图12所示，所述导向机构703包括两组导向组件，且所述上驱动环4043和下驱动环4053通过不同导向组件导向。

如图12所示，所述导向组件包括导向支架7031、导向杆7032和导向块7033，所述导向杆7032两端分别通过导向支架7031支承安装于框架侧梁701上，所述导向块7033套装于导向杆7032上，且所述导向块7033与上驱动环4043或下驱动环4053固连。

如图1～2所示，所述空间扩展组件4还包括设置于柔性外壳5内侧的上充气环401和下充气环402，在所述上充气环401和下充气环402之间设有连接柱403，所述柔性外壳5充气展开时，所述上充气环401、下充气环402和连接柱403内部均充气使刚度变大，进而增加柔性外壳5刚度，所述上扩展板404展开后边缘与所述上充气环401相抵，所述下扩展板405展开后边缘与所述下充气环402相抵，且上扩展板404和下扩展板405之间通过连接柱403支撑限位。

本发明的工作原理为：

如图13所示，柔性外壳5在发射之前可以沿中央舱段芯柱进行折叠，经运载火箭运至预定工作轨道之后，柔性外壳5内部开始充气并在内部气压的作用下实现柔性外壳5的展开，与此同时上充气环401和下充气环402内部也充气，并随着压力升高刚度变大，从而增加柔性外壳5的刚度。

然后驱动展开机构702中的驱动电机7021启动，通过丝杠丝母机构驱动上驱动环4043和下驱动环4053移动，从而使上扩展板404和下扩展板405完全展开形成可供活动的上平台和下平台，另外所述上端层和下端层内的端层移动隔板202也可伸出，从而延伸层内活动区域。

所述柔性外壳5中的原子氧防护层501和热防护层502在舱段在轨运行过程中可分别起到原子氧防护和热防护作用，所述外防护层503、外泡沫层504、中间防护层505、内泡沫层506、内防护层507可起到微小陨石及轨道碎片防护作用，所述主气密层511起到气密性作用，备气密层509为在主气密层511无法保证气密性时确保舱内气不会泄露，所述结构限制层508为柔性外壳5中最主要的承力层，用于承受舱内气体压力，所述内衬层512的主要作用是防止主气密层511被舱内锐器刺破。

所述气闸舱1的主要作用为在航天员进出舱段的过程中提供一个压力过渡区，以出舱为例，航天员首先在舱内将气闸舱1内压力升至与舱内压力一致，接着开启下端的气闸舱门6，航天员进入气闸舱1内，然后关闭下端的气闸舱门6，调整气闸舱1压力下降至与待进入舱内气体压力一致，开启上端的气闸舱门6，航天员进入别的舱室，并关闭上端的气闸舱门6，最后气闸舱内气体压力复原。返回时操作顺序与出舱相反。