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《杆状构架式展开机构》
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典型的杆状构架式展开机构
摘要
随着人类太空开发和探索活动的增多,航天器空间构型已变得日趋复杂与多样。在航天器本体结构大型化的同时,大面积柔性太阳电池阵、大型天线、对地遥感和深空探测器等的支撑结构亦相应变大。这就要求这些大型支撑结构,在航天器发射及动力飞行阶段能可靠收拢于有限的包容空间内;在动力飞行结束后的某一指定轨道上可伸展为预定的空间构型,因此需对空间展开结构进行研究。
展开机构的概念由美国航空航天局于20世纪60年代率先提出。80年代后,随着研究的深入,该技术日臻成熟, 已广泛用于多类航天器中。自由号空间站乃至后来的阿尔法空间站项目的实施, 使展开机构技术得到了进一步的发展展开机构的种类繁多, 其中应用较多、发展迅速的是杆状构架式展开机构。自1975 年作为磁强计支架首次用于美国空军S-3卫星后, 已多次用于各类航天器。目前, 包括美国、日本、俄罗斯、中国和欧空局等均已开展了杆状构架式展开机构的研究, 其中美国AEC-Able 公司对该项技术的研究及其产业化处于领先地位。杆状构架式展开机构为可收拢和可展开机构,具有质量小、收藏比大、比刚度高、可靠性高及理论上可无限扩充等优点。以杆状构架作为空间大型支撑结构, 可较好地解决运载整流罩的包容空间有限对航天器空间构型的制约问题。
下面介绍几种杆状构架式的展开机构。
1 盘压杆展开机构
盘压杆展开机构是一种利用盘压杆构件盘压收拢时贮存的应变能进行伸展,并保持其展开后构型的线性展开装置,其基本组件为盘压杆、支撑盘、贮存筒和锁定释放装置。以最简单的方式展开时,顶端负载以松开盘绕的旋转运动向外推进。当顶端负载不能承受其自由展开时的冲击载荷时,须应用展开控制装置,以约束轴向展开速度;当要求负载展开为平动时,则须使用套筒展开装置对展开实施驱动。整体图如下所示:
图1 不同的盘压杆展开机构
盘压杆
盘压杆是一种可伸展和收拢的格柱状桁架, 由纵梁、横向支架和对角件等组成,其典型构型如图2所示。图中, 纵梁为连续的细长弹性杆,长度与桁架的长度相同; 横向支架是在垂直于纵梁平面内的三角状框架, 与纵梁铰接; 对角件是位于每一格柱侧面呈交叉布置的斜拉绳索, 绳索张力通过三角状框架的预设翘曲变形予以施加。
图2 盘压杆构型
盘压杆依靠构件盘压收拢贮存的内能而伸展。收拢时纵梁受弯沿周向盘紧, 收拢后的尺寸较小, 并贮存展开内能( 纵梁应变能);三角状框架横杆的翘曲程度减弱; 沿纵梁盘绕方向的斜拉绳索保持绷紧,其他方向则呈松弛状态并绕绷紧的斜拉绳索对称折叠。因纵梁具有良好的弹性,从收拢状态展开后, 盘压杆可完全恢复原有的直线状构型。
盘压杆多选用复合材料弹性构件,如热稳定性好、线膨胀系数小的材料。纵梁
和三角状框架横杆的形变较大, 需应用弹性弯曲变形能力较强的抗蠕变材料,推荐采用S玻璃纤维/环氧树脂复合材料。对角件可使用复合材料或不锈钢绳索。须注意的是,在长期收藏贮存中盘压杆复合材料构件会发生蠕变现象, 当贮存温度较高时尤为明显, 因此在研制中应加以考虑。
构件的大变形或横向支架与纵梁间的铰接间隙,使盘压杆具有明显的非线性,其理论分析与模型仿真的难度较大,构型匹配时格柱高度通常取盘压杆包络直径的58%; %;横杆截面直径应小于纵梁, 并根据斜拉索所需的张力而定。设计时,应注意盘压杆展开状态的包络直径与收拢状态并不相同。
支撑盘
支撑盘为铝质镂空法兰盘, 位于盘压杆两端并与纵梁铰接, 其顶端支撑盘用于连接负载和锁定释放装置; 在盘压杆以自由式和约束式展开时, 底端支撑盘用于与贮存筒的连接, 在以套筒驱动式展开时,用作转盘, 与贮存筒保持浮动。
贮存筒
贮存筒一般为薄壁加筋铝质圆筒, 其底端与航天器本体固连, 顶端外侧装有锁定释放装置, 主要用于收纳盘压杆, 传递负载载荷。当使用套筒展开装置进行驱动展开时, 还可为展开装置提供刚性支撑。
锁定释放装置
锁定释放装置用于负载支撑盘与贮存筒间的锁定与释放。通过锁定将负载所承受的飞行载荷有效传递至航天器本体, 避免因过载而损坏; 通过在轨释放实现盘压杆的展开。一般采用火工切割器作为锁定释放装置的动力元件。按锁定点的释放方式, 可将锁定释放装置划分为独立释放和联动释放两类。前者须使用与锁定点相同数量的切割器; 后者则只需使用一个切割器,通过解除联动绳索的约束即可完成所有锁定点的释放。综合考虑可靠性、使用成本等因素, 推荐使用后者。
展开控制装置
展开控制装置主要组成构件为拉索、鼓轮和制动装