專利名稱：盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，屬于航天器設計 技術領域。
技術背景
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，現有的剛性基板一扭簧鉸鏈展開式 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，使用盤繞式空間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，且國外的技術又對中國保密。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"。本實用新型通過采用了一種簡單的鉸鏈形式實現了該 伸展臂的研制。 實用新型內容
本實用新型的目的在于提供一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，是一 種高伸縮比、可自主展開的低成本盤繞式有鉸空間伸展臂。
本實用新型是一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其技術方案是該 伸展臂包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對角加勁索。
所述的鉸接式三角形橫架，由三個三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成， 為縱桿提供側向支撐。所述的三角形鉸接頭由一個60。.連接件、 一個有階梯的 圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成。鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘 固定于60°連接件上的孔內；60°連接件上還設有兩個①lmm的孔用于固定 對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2螺紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于 60°連接件的三個位移和兩個轉動，但不限制軸向轉動；圓柱接頭通過軸向的 M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。
相鄰兩個三角形橫架的節距根據伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過程中，縱 桿屈曲所至端點轉角由鉸鏈實現，對角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲變形實現。三根縱桿長度與伸展臂展開長度相同，由具有優異超彈性的鈦鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時縱桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到3%。 展開時三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。節間對角加勁索為伸展臂每側面節間鋼絲，承受預應 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉剛度。
其中，所述的縱桿直徑為2mm。
其中，所述的伸展臂盤繞半徑R (三根縱桿中心線外接圓半徑)對剛度有 重要影響， 一般為.50 200mm。
其中，相鄰兩個鉸接式三角形橫架之間的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。
本實用新型一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其優點及功效是以 簡單的機構形式實現了高伸縮比、高可靠性、高剛度的伸展臂。相比國外己研 制的盤繞式有鉸伸展臂，鉸鏈的形式更加簡化，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為盤繞式有鉸空間伸展臂的展開后示意圖。
圖2為鉸接式三角形橫架示意圖。
圖3為圓柱接頭的剖視圖
圖4為盤壓收攏狀態示意圖。.
圖中具體標號如下
1、三角形橫架 2、縱桿 3、對角加勁索4、三角形鉸接頭 5、 60°連接件 6、圓柱接頭
7、 M2螺釘 8、 M3螺釘 9、螺母
10、鈦鎳合金短桿具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的技術方案做進一步的說明。 如圖1所示，本發一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其技術方案是: 該伸展臂包括若干鉸接式三角形橫架l、三根縱桿2及若干對角加勁索3。
如圖2，所述的鉸接式三角形橫架，由三個三角形鉸接頭4和三根鈦鎳合 金短桿10組成，為縱桿提供側向支撐。所述的三角形鉸接頭4由一個60° 連接件5、 一個有階梯的圓柱接頭6、三個螺釘和兩個螺母9組成。鈦鎳合金短 桿10的端頭通過兩個M2螺釘7固定于60°連接件5的孔內；60°連接件上 還設有的兩個①lmm的孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭如圖3所示，其較細 的一端為M2螺紋，通過螺母9限制圓柱接頭相對于60。連接件的三個位移和 兩個轉動，但不限制軸向轉動；圓柱接頭通過軸向的M3螺釘8將縱桿與60。 連接件固定連接。
相鄰兩個三角形橫架的節距根據伸展臂剛度確定，在盤繞折疊過程中，縱 桿屈曲所至端點轉角由鉸鏈實現，對角加勁索所引起的形變由三根短桿的彎曲 變形實現。三根縱桿長度與伸展臂展開長度相同，由具有優異超彈性的釹鎳形 狀記憶合金加工而成。收攏時縱桿受彎曲盤緊，壓縮比大，最大可以達到3%。 展開時三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。節間對角加勁索為伸展臂每側面節間鋼絲，承受預應 力，提高伸展臂抗剪切和抗扭轉剛度。
下面詳述伸展臂各參數的設計。1、伸展臂設計參數
本實用新型所述的伸展臂設計參數包括幾何結構設計參數、結構特性等。 結構幾何設計決定結構特性(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
￡■=——
2及
式中d為縱桿直徑；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 (三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=70mm。
(4) 節距t
節距是指相鄰兩個三叉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？ = 1.36i95附m 。
(5) 收藏高度h
參閱圖4，伸展臂盤繞一圈后三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(縱桿與三角形橫架的三角形鉸接頭高度)， 為保證連接處強度取e=d，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"2m，則收攏高度"54.6mm。
2、伸展臂力學性能
彎曲剛度-
其中d為連續縱桿的直徑。 剪切剛度
GL4 = 3五4 sin^cos2 ^ 其中^A為對角件加勁索預加張力后的拉伸剛度；-為對角件加勁索與:
角形橫架之間的夾角，為38.r 。
扭轉剛度
O/ = 0.5G^ 2
其中G是縱桿材料的剪切模量；^是縱桿的截面積。 彎曲強度
Mcr = 7.44E7 3s4
同時，彎曲強度還要受縱桿失穩條件限制。 剪切強度
^ =1.8機2￡4
需要說明的是上式笑三角形橫架失穩條件限制。 扭轉強度
乙=1.5懂3 需要說明的是上式受三角形橫架失穩條件限制，典型情況下，三角形橫架短桿 直徑應取縱桿截面直徑的80%。
權利要求1、一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對角加勁索，其特征在于所述的鉸接式三角形橫架，由三個三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成，為縱桿提供側向支撐；所述的三角形鉸接頭由一個60°連接件、一個有階梯的圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘固定于60°連接件上的孔內；60°連接件上還設有的兩個孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2螺紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于60°連接件的三個位移和兩個轉動，但不限制軸向轉動；圓柱接頭通過軸向的M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。
2、 根據權利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的縱桿直徑為2mm。
3、 根據權利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的伸展臂盤繞半徑R-70mm。
4、 根據權利要求1所述的一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，其特征 在于所述的相鄰兩個鉸接式三角形橫架之間的節距t=95mm。
專利摘要本實用新型涉及一種盤繞式三角形橫架有鉸空間伸展臂，包括若干鉸接式三角形橫架、三根縱桿及若干對角加勁索鉸接式三角形橫架，由三個三角形鉸接頭和三根鈦鎳合金短桿組成，為縱桿提供側向支撐；所述的三角形鉸接頭由一個60°連接件、一個有階梯的圓柱接頭、三個螺釘和兩個螺母組成；鈦鎳合金短桿的端頭通過兩個M2螺釘固定于60°連接件上的孔內；60°連接件上還設有的兩個孔用于固定對角加勁索；圓柱接頭較細的一端為M2螺紋，通過螺母限制圓柱接頭相對于60°連接件的三個位移和兩個轉動，但不限制軸向轉動；圓柱接頭通過軸向的M3螺釘將縱桿與60°連接件固定連接。本實用新型可用于空間探測臂、航天器大型太陽電池陣、空間站主結構等領域。
文檔編號B64G1/22GK201309599SQ20082012469
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
發明者偉 張, 王新升, 海 黃 申請人:北京航空航天大學