一種空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構的制作方法

本發明涉及到空間大型展開結構技術領域，特別是一種空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構。

背景技術：

遮光罩是空間相機光學系統的重要部分，它既能隔絕在觀測時接收到的大密度熱流，保持空間相機結構的熱穩定性，還可以阻止部分地氣光和其他雜光進入相機鏡頭，同時利用表面材料特性，最大限度地吸收進入遮光罩的雜散光，保證較高的成像信噪比，提高相機成像質量。

目前主要的遮光罩結構有蜂窩夾層式、內置光闌式和薄壁殼體式等幾種類型，經過分析發現有以下幾種局限性：第一，大多數遮光罩采用金屬、樹脂基復合材料等剛性材料作為罩體，造成遮光罩尺寸大，重量大，收縮后體積仍然很大的問題；第二，遮光罩多采用絲杠、空間支架、卷尺彈簧等機械式的展開結構，導致遮光罩結構復雜；第三，傳統遮光罩需要多種驅動和傳感裝置，其控制系統較為復雜。

技術實現要素：

為避免以上傳統設計方案的局限性，本發明設計了一種新的遮光罩結構----空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構。這種結構能很好地滿足遮光罩在航天方面的輕量化要求，可以實現遮光罩遮光和隔熱的功能，同時滿足航天領域的輕量化要求。它在展開前是柔性的，其擺放和折疊形式較為自由，占用較小的發射空間，當其工作時，展開結構通過充氣順序膨脹并帶動薄膜可控展開，完全展開后利用材料或結構剛化技術成為遮光罩的支撐結構，具有結構簡單、重量輕、收縮后體積小、儲存空間要求低、穩定性高、制造成本低和可控展開等優點。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

一種空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構，包括固接在空間相機底座的遮光罩底座，和沿遮光罩底座周向分布的收攏筒，在收攏筒上套有與遮光罩底座固接、用于遮光罩展開和支撐的充氣管骨架，還包括張拉在充氣管骨架表面用于充氣管骨架展開控制的調整索-桿，以及粘接在充氣管骨架外側構成遮光罩的索網加強的遮光薄膜；在遮光罩底座上設有與充氣管骨架對應并連通的充氣罐；其中，遮光罩底座上的充氣罐和收攏筒按照正n邊形頂點位置的沿徑向方向依次向內排列的方式與遮光罩底座固定連接；

充氣管骨架和調整索-桿收攏時，沿收攏筒平行折疊收攏，并通過遮光罩底座與空間相機底座固連、鎖緊；充氣管骨架和調整索-桿展開時，充氣罐向充氣管骨架充氣，充氣管按順序膨脹并驅動遮光薄膜展開。

進一步，所述遮光罩底座為圓環形結構，遮光罩底座上分布的n個充氣罐和n個與其數量相對應的收攏筒通過n根導氣管連通。

進一步，所述充氣管骨架包括n根軸向充氣管、n個連接在收攏筒上的搭扣環和若干組沿軸向充氣管環向分布的環向充氣管。

進一步，所述收攏筒為空心的兩級凸臺結構，軸向充氣管套在兩級凸臺上，第一級凸臺直徑小于折疊的軸向充氣管直徑；第二級凸臺直徑大于折疊的軸向充氣管直徑，且在與軸向充氣管內壁接觸的表面、第二級凸臺外周壁上涂有固體減摩材料并固化的減摩涂層。

進一步，所述與軸向充氣管內壁接觸的表面為大弧度面或圓角結構。

進一步，所述軸向充氣管的頂部設有搭扣環，為環狀彈性結構，每個搭扣環粘接在第二級凸臺與減摩涂層下方，搭扣環外環直徑等于軸向充氣管直徑，內環直徑小于收攏筒第二級凸臺的直徑。

進一步，所述調整索-桿包括若干組環向調整桿、n根連接在軸向充氣管上的展開調整索和設在遮光罩底座上與其對應的n個索控制模塊；若干組環向調整桿環向分布在軸向充氣管之間。

進一步，每根展開調整索一端與索控制模塊相連，另一端與軸向充氣管上部相連，并按照對角位置分成n/2組，相鄰每組展開調整索固接在軸向充氣管上的高度不同。

進一步，n個索控制模塊按照正n邊形頂點位置沿徑向排列在充氣罐外側，調節與之相連的展開調整索。

進一步，所述索網加強的遮光薄膜由矩形的膜材首尾相連接構成筒狀結構，位于充氣管骨架構成的正n棱柱內部，通過與軸向充氣管粘接的方式實現位置的固定。

本發明與現有技術相比有以下幾個優點：

1.與傳統遮光罩相比，本發明采用充氣遮光薄膜結構，具有結構簡單、重量輕、體積小、儲存空間要求低和制造成本低等優點，符合航天器的輕量化要求。

2.本發明通過底座的收攏筒和搭扣環結構實現充氣薄膜遮光罩結構在收拾狀態的鎖定和充氣時的順序展開，不需要設計額外的控制裝置，使得整個結構更加簡單穩定。

3.本發明展開過程僅利用調整索的索長/索力進行反饋控制，無需其他驅動和傳感裝置，降低系統復雜程度。

附圖說明

圖1(a)是充氣薄膜遮光罩充氣骨架展開結構圖；

圖1(b)充氣薄膜遮光罩主視圖；

圖1(c)充氣薄膜遮光罩俯視圖；

圖2是充氣薄膜遮光罩收攏結構圖；

圖3是充氣薄膜遮光罩底座結構圖；

圖4是收攏筒結構圖；

圖5是充氣骨架收攏結構圖。

圖中：1.遮光罩底座，2.充氣罐，3.收攏筒，3a.第一級凸臺，3b.第二級凸臺，3c.減摩涂層，4.導氣管，5.搭扣環，6.軸向充氣管，7.環向充氣管，8.環向調整桿，9.展開調整索，10.索控制模塊，11.遮光薄膜，12.索網。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對發明作進一步的詳細說明，但并不作為對發明做任何限制的依據。

如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)和圖2所示，一種空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構，包括固接在空間相機底座的遮光罩底座1，和沿遮光罩底座1周向分布的收攏筒3，在收攏筒3上套有與遮光罩底座1固接、用于遮光罩展開和支撐的充氣管骨架，還包括張拉在充氣管骨架表面用于充氣管骨架展開控制的調整索-桿，以及粘接在充氣管骨架外側構成遮光罩的索網12加強的遮光薄膜11；在遮光罩底座1上設有與充氣管骨架對應并連通的充氣罐2。其中，遮光罩底座1上的充氣罐2和收攏筒3按照正n邊形頂點位置的沿徑向方向依次向內排列的方式與遮光罩底座1固定連接；充氣管骨架和調整索-桿收攏時，沿收攏筒3平行折疊收攏，并通過遮光罩底座1與空間相機底座固連、鎖緊；充氣管骨架和調整索-桿展開時，充氣罐2向充氣管骨架充氣，充氣管按順序膨脹并驅動遮光薄膜11展開。

如圖3所示，為遮光罩底座示意圖，在遮光罩底座1上分布有n(n＝6～12)個充氣罐2、n個收攏筒3和n根連通充氣罐2和收攏筒3的導氣管4。遮光罩底座1為圓環形結構，與空間相機底座固定連接，其正面按照正n邊形頂點位置固接n個收攏筒3。n個充氣罐2同樣按照正n邊形頂點位置沿徑向排列在收攏筒3外側，并通過導氣管4與收攏筒3導通，為充氣管骨架的展開提供動力。

其中，如圖4所示，收攏筒3為空心的兩級凸臺結構，第一級凸臺3a直徑小于折疊的軸向充氣管6直徑；第二級凸臺3b直徑略大于軸向充氣管6直徑，且在與充氣管內壁接觸的表面、第二級凸臺3b外周壁上涂有固體減摩材料形成減摩涂層3c。這種設計有四種作用：第一，空心的收攏筒結構通過導氣管4與充氣罐2相連接，可作為氣流通道的一部分；第二，第一級凸臺3a直徑小于折疊的充氣管，可以將充氣管收攏套在筒外側；第三，第二級凸臺3b直徑略大于充氣管直徑，并在第二級凸臺與充氣管內壁的接觸面涂有固體減摩材料形成減摩涂層3c，保證折疊的充氣管段部分的氣密性，很好地實現充氣管骨架的順序展開，同時，接觸面做成大弧度面或圓角，使充氣管展開更加順利；第四，第二級凸臺3b通過與充氣管內壁頂部的搭扣環5配合，使遮光罩結構保持收攏狀態。

如圖1結合圖5所示，充氣管骨架包括n根軸向充氣管6、n(n＝6～12)個連接在收攏筒3上的搭扣環5和若干組沿軸向充氣管6環向分布的環向充氣管7。軸向充氣管6的頂部設有搭扣環5，每個搭扣環5粘接在軸向充氣管6內壁距離頂部一個收攏筒3第二級凸臺3b軸向距離的位置，為環狀彈性結構，其外環直徑等于軸向充氣管6直徑，內環直徑小于收攏筒第二級凸臺3b的直徑。

每根軸向充氣管6套在收攏筒3上與底座1固定連接，處于收拾狀態時，管壁向內折疊，壓縮在收攏筒3外側，并通過搭扣環5與收攏筒第二級凸臺3b的配合，實現充氣管骨架的收攏固定。充氣時，軸向充氣管6上部首先膨脹，按照從上到下的順序逐漸展開，展開后利用自身的剛化材料特點實現結構的剛化作為遮光罩結構的支撐結構。每組環向充氣管7連通n根軸向充氣管6，收攏時隨折疊的軸向充氣管6自然收攏，充氣展開后用于平衡各軸向充氣管6的管內氣壓。

如圖1所示，調整索-桿包括若干組環向調整桿8、n(n＝6～12)根連接在充氣管6上的展開調整索9和設在遮光罩底座1上與其對應的n個索控制模塊10。若干組環向調整桿8環向分布在軸向充氣管6之間，可以準確地將軸向充氣管6支撐到設計位置，保證遮光薄膜準確成形，很好地增強遮光罩結構的剛度，收縮時隨充氣管的折疊平行收拾，減小收縮空間。每根展開調整索9一端與索控制模塊10相連，另一端與軸向充氣管6上部相連，并按照對角位置分成n/2組，相鄰每組展開調整索9固接在軸向充氣管6上的高度存在一定高度差，通過索控制模塊10對索長的調整，可以抑制充氣管骨架出現大幅度晃動和不利振動，并有效防止其彎折。n個索控制模塊10按照正n邊形頂點位置沿徑向排列在充氣罐2外側，通過調節與之相連的展開調整索9，保持遮光罩結構展開和工作的穩定性。

如圖1所示，索網12加強的遮光薄膜11是一種索網加勁的索膜結構，由矩形的膜材首尾相連接構成筒狀結構，位于充氣管骨架構成的正n(n＝6～12)棱柱內部，通過與軸向充氣管6粘接的方式實現位置的固定，作為棱柱結構的“面”。索網12布置在遮光薄膜11表面，作為外部約束限制膜結構的變形，分擔膜面的應力，提高了膜結構抵抗變形和承受外荷載的能力。

如圖2所示，當遮光罩處于收拾狀態時，遮光薄膜處于松弛狀態，沒有剛度和固定的形狀，隨著折疊的充氣管骨架采用折痕平行的的折疊方式收攏，防止展開時相互纏繞。完全展開后，充氣管骨架和索網12對其施加充氣壓力和預應力，使之具有足夠的剛度并張拉成設計的形狀，實現遮光罩對位于其內部的空間相機遮光和隔熱的功能。

下面說明空間可展開大型充氣薄膜遮光罩結構是如何進行展開的：

空間可展開大型充氣薄膜遮光罩在衛星入軌前收攏包裝于相機與整流罩之間的容腔內，收攏方式如圖5所示，充氣管骨架的軸向充氣管6管壁向內折疊并沿中心軸線方向套在收攏筒3外側，并且通過管內搭扣環5與收攏筒的第二級凸臺3b的配合實現收攏狀態的固定。同時，遮光薄膜、調整索-桿和充氣管骨架的環向充氣管7隨軸向充氣管6的折疊自然平行折疊，見圖2。收攏包裝好的遮光罩結構通過底座1與空間相機底座固連、鎖緊，當衛星入軌后，由衛星上的控制系統啟動展開程序。首先為充氣薄膜遮光罩解除包裝，延時幾秒后發出充氣命令，充氣罐2通過導氣管4向充氣管骨架底部進行充氣，縱向和橫向的充氣管按順序膨脹并驅動遮光薄膜展開。同時，調整索-桿的控制模塊通過展開調整索的索長進行反饋控制，結合環向調整桿8將遮光罩張拉到設計的形狀。展開后充氣管骨架利用自身材料剛化技術成為充氣薄膜遮光罩的支撐結構，滿足遮光罩高穩定性的要求，實現遮光罩遮光和隔熱的功能。

其中，具體的展開方式為：如圖5所示，開始充氣后，軸向充氣管6內壁與收攏筒的第二級凸臺3b的過盈配合形成的具有氣密性的空腔氣壓逐漸上升，當腔內氣壓超過閥值時，搭扣環5產生足夠的彈性變形，軸向充氣管6上部膨脹并沿著軸線方向逐漸展開，同時，在展開過程中因為氣密性始終能保持折疊管段的收攏。并且，可以選擇合適的減摩涂層3c，結合充氣罐充入氣體的流速，使展開過程更加穩定可靠。

本發明并不局限于上述實施例，在本發明公開的技術方案的基礎上，本領域的技術人員根據所公開的技術內容，不需要創造性的勞動就可以對其中的一些技術特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發明的保護范圍內。