專利名稱：盤繞式y形橫架無鉸空間伸展臂的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，屬于航天器設計技術領域。
背景技術：
隨著航天器功能的日益復雜，對航天器的能源需求成倍增長，航天器太陽 電池陣的面積也隨之成倍增長，但航天器的包絡尺寸受運載火箭有效載荷艙容 積的限制，這就需要可在發射段收縮、在空間展開的空間伸展臂。我國未來的 空間站對能源功率的需求將在20kW以上，現有的剛性基板—扭簧鉸鏈展開式 太陽翼已無法滿足需求，而盤繞式空間伸展臂是未來大功率太陽翼的最佳選擇。
又如電子偵察衛星為準確對地面信號源定位，要求多個探測器之間有足夠的
基線長度，使用盤繞式伸展臂可以較好滿足該要求。
目前，常用的空間伸展臂主要有薄壁管狀伸展臂、套筒管狀伸展臂、鉸接 式伸展臂、盤繞式伸展臂等。薄壁管狀伸展臂構造簡單、可靠性高、收攏體積 小、可重復展開和收攏，但其根部翹曲限制了結構強度，因而熱穩定性、抗彎
及抗扭剛度較低，難以實現精確定位；套筒管狀伸展臂可靠性高、可重復展開 和收攏，但收攏后仍較長、構造較復雜；鉸接式伸展臂剛度高、壽命長、抗振 性好、精度高，但構造工藝很復雜、鉸接點多、可靠性相對較低；盤繞式伸展 臂構造簡單、質量較小、可靠性高、伸縮比大，缺點是剛度相對鉸接式低。
盤繞式伸展臂是目前研究最深入、應用最廣泛的一種伸展臂體制，可分為 有鉸式和無鉸式。國外已有相應的機構研制成功盤繞式空間伸展臂，比較有代 表性的是包括美國國家航空航天局研制的Astro-mast伸展臂成功應用于 Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast無鉸伸展臂成功應用于 Space Flight Unit航天器的太陽電池陣。由于各方面原因國內對空間可展機構的 研究起步較晚，目前雖已開展相關研究，但尚無成功應用于航天器的盤繞式空 間伸展臂。受制于此國內的航天器始終局限在中、小型平臺難以"大型化"。發明內容
本發明的目的在于提供一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，以提供一種 高伸縮比、可自主展開的低成本盤繞式無鉸空間伸展臂。
本發明是一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其技術方案是 該伸展臂主要包括
若干三叉橫架，呈"Y"形，三個頂點處具有穿孔，相鄰兩個三叉橫架之
間的節距根據伸展臂剛度確定；
三根縱桿，貫穿于三叉橫架的穿孔中；縱桿與三叉橫架的連接處通過上下 兩夾具固定；
若干節間對角加勁索，為固定于伸展臂節間每側面的鋼絲，承受預應力， 提高伸展臂抗剪切和抗扭轉剛度。
其中，所述的三叉橫架的材料為鈦鎳形狀記憶合金。 其中，所述的三叉橫架的厚度為0.5毫米。
其中，所述的三叉橫架中心具有一圓孔，用于穿過鎖緊釋放機構。 其中，所述的縱桿的材料為鈦鎳形狀記憶合金。 其中，所述的縱桿的直徑為2mm。
其中，所述的伸展臂盤繞半徑R (即3根縱桿中心線外接圓半徑)對剛度 有重要影響，為69mm。
其中，所述的節距(即相鄰兩個三叉橫架之間的距離)應滿足盤壓時幾何 約束協調。即半節距小于盤繞半徑，且展開時對角加勁索兩端點距離要大于收 攏時的距離，可推導出節距取值范圍R〈K2R。
在盤繞折疊過程中，縱桿屈曲所至端點轉角由三叉橫架的徑向桿扭轉變形 實現，節間對角加勁索長度引起的變形由三叉橫架的彎曲變形實現。收攏時縱 桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到2%。展開時3根連續縱桿為伸展臂 提供軸向彎曲剛度和強度。縱桿直徑根據伸展臂剛度、盤繞半徑等確定。
本實用新型盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其優點及功效是以最簡單 的機構形式實現了高伸縮比、高可靠性、高剛度、高抗剪切和扭轉的伸展臂， 大幅減少了零件數量、簡化了裝配布局和檢測、減輕了質量、節約了成本。可 用于空間探測臂、航天器大型太陽電池陣、空間站主結構等領域。
.圖1為盤繞式無鉸空間伸展臂的展開后示意圖。
圖2為Y形三叉架示意圖。 圖3為盤壓收攏狀態示意圖。
圖中具體標號如下
1、三叉橫架 2、縱桿 3、夾具
4、圓孔 5、節間對角加勁索
具體實施方式
以下結合附圖，對本發明的技術方案做進一步的說明。 本發明一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，如圖1至3所示，該伸展臂
主要包括
Y形三叉橫架1、 3根連續縱桿2和節間對角加勁索5三部分。 三叉橫架采用厚度為0.5毫米的鈦鎳合金加工而成，三個頂點處具有穿孔， 三叉橫架之間的節距根據伸展臂剛度確定，并通過上下兩夾具3固定；為縱桿 2提供側向支撐，節距根據伸展臂剛度確定。3根縱桿長度與伸展臂展開長度相 同，貫穿于三叉橫架的穿孔中，由具有優異超彈性的鈦鎳合金加工而成，縱桿 與三叉橫架的連接處通過上下兩夾具固定。
節間對角加勁索5為桁架側面節間鋼絲，承受預應力，提高伸展臂抗剪切 和抗扭轉剛度。
.在盤繞折疊過程中，縱桿屈曲所至端點轉角由三叉橫架徑向桿扭轉變形實 現，對節間對角加勁索長度引起的變形由三叉橫架的彎曲變形實現。收攏時縱 桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到2%。展開時3根連續縱桿為伸展臂 提供軸向彎曲剛度和強度。縱桿直徑根據伸展臂剛度、盤繞半徑等確定。
下面詳述該伸展臂各參數的設計
1、伸展臂設計參數
盤繞式伸展臂設計參數包括幾何結構設計參數、結構特性等。幾何結構設 計決定結構特性(頻率、模態、屈曲臨界載荷)、質量、伸縮比。伸展臂節距、 伸展臂盤繞半徑、以及縱桿直徑是關鍵設計參數。 (1)縱桿直徑d根據整體剛度的要求和材料的力學性能，確定d=2mm。
(2) 縱桿彈性極限彎曲應變s
f =——
式中R為伸展臂盤繞半徑。
考慮到縱桿的材料性能和整體的剛度，選取伸展臂縱桿彈性極限彎曲應變 f = 0.0143。
(3) 盤繞半徑R
伸展臂盤繞半徑R (3根縱桿中心線外接圓半徑)對剛度有重要影響，一 般為50 200mm，由上面的計算得R=69mm。
(4) 節距t
節距是指相鄰2個三叉橫架之間的距離。節距應滿足盤壓時幾何約束協調。 半節距小于盤繞半徑，且展開時對角加勁索兩端點距離要大于收攏時的距離， 可推導出節距取值范圍R<t<2R，取f = 1.36i95mm 。
(5) 收藏高度h
參閱圖3，伸展臂盤繞一圈后3根縱桿疊起的高度為
c = 3(e +力
其中e為盤壓后縱桿間的間隙(縱桿與三叉橫架的夾具高度)，為保證連 接處強度取^d，則
則伸展臂完全收攏后的高度h為
其中/為伸展臂展開后的長度。實例中取/ = 2附，則收攏高度"54.626mm。
2、伸展臂力學性能
彎曲剛度
其中d為縱桿的直徑。 剪切剛度<formula>formula see original document page 7</formula>
其中E^為對角加勁索預加張力后的拉伸剛度；-為對角加勁索與三叉橫
架之間的夾角，為38.r 。
扭轉剛度
其中G是縱桿材料的剪切模量；X是縱桿的截面積。 彎曲強度
同時，彎曲強度還要受縱桿失穩條件限制，上式只適用于1根縱桿受壓，2 根縱桿受拉，并且節距等于1.25R的情形，實際上，節距最小只能取到l.OR。 剪切強度
需要說明的是上式受三叉橫架失穩條件限制。
扭轉強度
需要說明的是上式受三叉橫架失穩條件限制。
權利要求1、一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征在于該伸展臂包括三叉橫架，呈“Y”形，三個頂點處具有穿孔，相鄰兩個三叉橫架之間的節距根據伸展臂剛度確定；三根縱桿，貫穿于三叉橫架的穿孔中；縱桿與三叉橫架的連接處通過上下兩墊片固定；節間對角加勁索，為固定于伸展臂每側面節間的鋼絲，承受預應力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉剛度。
2、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的三叉橫架的材料為鈦鎳形狀記憶合金。
3、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的三叉橫架的厚度為0.5毫米。
4、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的三叉橫架中心具有一圓孔。
5、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的縱桿的材料為鈦鎳形狀記憶合金。
6、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的縱桿的直徑為2mm。
7、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的伸展臂盤繞半徑R為69mm。
8、 根據權利要求1所述的一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的節距t為95mm。
專利摘要本實用新型涉及一種盤繞式Y形橫架無鉸空間伸展臂，該伸展臂包括三叉橫架，呈“Y”形，三個頂點處具有穿孔，相鄰兩個三叉橫架之間的節距根據伸展臂剛度確定；三根縱桿，貫穿于三叉橫架的穿孔中；縱桿與三叉橫架的連接處通過上下兩墊片固定；節間對角加勁索，為固定于伸展臂每側面節間的鋼絲，承受預應力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉剛度。該伸展臂以最簡單的機構形式實現了高伸縮比、高可靠性、高剛度、高抗剪切和扭轉的伸展臂，大幅減少了零件數量、簡化了裝配布局和檢測、減輕了質量、節約了成本。可用于空間探測臂、航天器大型太陽電池陣、空間站主結構等領域。
文檔編號B64G1/22GK201309598SQ20082012469
公開日2009年9月16日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者吳瑞蘭, 岳冠楠, 偉 張, 博 李, 王新升, 韓建斌 申請人:北京航空航天大學