一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及航天器用的小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，克服现有技术中各类试验装置的不足，解决小型空间一维伸展机构在地面重力环境下模拟在轨运行零重力状态问题，并进一步解决与真空试验、热试验综合运行的兼容性问题。本发明专利技术利用方形齿啮合的原理，结合同步带的实时同步性来实现对被测机构的垂直悬吊。设计简便易行，体积小质量轻，移动方便，对环境的适应性强，能够有效工作在真空及热环境条件下，可用于测试盘绕式伸展臂、薄壁管状伸展臂等一维伸展机构的展开特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，应用于空间一维伸展机构零重力环境模拟试验，属于航天

技术介绍
随着航天器功能的日益复杂及大型有效载荷的进一步应用，空间展开机构尤其是一维伸展机构，以其质量轻、延展性好等特点逐渐受到更多的关注和发展。小型空间一维伸展机构，其研究最早、最深入、最系统，技术最成熟，应用最广泛。小型空间一维伸展机构主要呈一维线性体系，为细长管、杆或构架，可用于大型空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、空间探测臂机构等，主要作为支承受力体系的结构性元件，同时作为机构系统实现空间展开折叠运动功能。以机构展开的工作原理作为分类的标准，可将空间一维伸展机构分为如下四类:a)薄壁管状伸展臂薄壁管状伸展臂为空间伸展臂最早、最基本的形式，它利用薄壳弹性变形及弹性恢复实现折叠与展开，材料高比强、韧性好、导热系数高、热膨胀系数小，常用铍铜合金、钥、鹤等。薄壁管状伸展臂主要利用弹性变形、弹性恢复和电机卷绕实现伸展收缩，基本运动为:转动和伸展。该伸展臂构造简单、可靠性高、收拢体积小，可重复伸展和收拢，已成功应用于单极和双极天线、重力梯度杆等。b)套筒伸展臂套筒伸展臂是由一系列同心薄壁圆柱形管相互嵌套构成。伸展长度受管壁厚和重叠长度因素影响，多采用壁厚0.5mm的铝合金和碳纤维复合材料，常见截面为圆形。套筒伸展臂可通过驱动螺杆顺序展开，也可通过组合绳索滑轮技术实现同步展开。c)铰接式伸展臂铰接式伸展臂被广泛使用于航天领域，有很多具体的形式。该伸展臂刚度高、抗振性好、精度高、几何扩展性好。其收拢状态是由支杆通过旋转铰链折叠压紧而成。展开过程通常由电机带动丝杠引导杆件逐段实现，也存在同步展开的铰接杆。其在展开过程中保持直线状、等外接圆，并且有较高的强度和刚度，便于运动控制、实现精确定位和与其他结构连接。d)盘绕式伸展臂盘绕式空间伸展臂是首先由美国AEC-ABLE公司首先开发的一种轻便的空间一维展开机构，因其压缩方式而得名。盘绕式伸展通常是由3根连续纵杆、横架和对角加劲索构成的桁架式伸展臂。3根连续纵杆长度与伸展臂展开长度相同，具有良好的弹性；横架是垂直于纵梁平面的结构件，与纵梁相连接，为纵杆提供侧向支撑；节间对角加劲索为桁架每侧面节间绳索，承受预应力，提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。在卫星等航天器的研制过程中，空间展开机构的地面展开试验是一项基本的必不可少的试验内容。鉴于其运行环境条件下的失重状态，空间展开机构模拟轨道的零重力状态是试验成败的一个关键因素。零重力环境试验即微重力环境试验，主要检验机构在失重环境效应下的各种性能适应性。而且随着目前空间展开机构在轨应用范围的扩展，零重力环境试验往往与真空试验、热试验同时进行，以考量空间展开机构在复杂环境下工作的综合效果。因此，零重力环境试验和真空、热试验等应能够在统一的环境下实现。这就对现阶段的零重力环境试验方法提出要求。零重力环境试验设计的关键之处在于维持试验设备所受合力为零的状态。目前正在使用的地面零重力试验设备主要有:(I) 二维悬吊设备；(2 )气浮平台装置；(3 )气球悬吊法；(4)水中悬浮法。二维悬吊设备的试验方法是目前最常用的方法。在二自由度导轨上连接吊索，吊索与空间展开机构连接，静止时空间展开机构所受合力为零，展开时机构拖动吊索沿二自由度的导轨运行，由于吊索与导轨之间存在阻力，因此吊索无法保持竖直，从而使得展开机构合力无法保持零状态，不能真实模拟零重力环境。气浮平台装置在平台上形成气垫将展开机构托起，在地面大气环境下通过合力的平衡抵消重力，模拟微重力效应。该装置虽然解决了阻力问题，但对于空间展开机构的变质量特性，气垫升力的稳定控制成为一个技术难点，同时也使得整个试验装置较为复杂。由于气浮平台装置气垫的存在，该装置无法应用于真空环境。气球悬吊方法的原理是利用气球产生一个与空间展开机构所受重力大小相等方向相反的浮力来使空间展开机构所受合力为零。当空间展开机构展开时，由于气球体积大造成可悬吊点的数量有限，另外在展开过程中气球运动受到的空气阻力较大，模拟零重力的状态有较大的失真。水中悬浮方法，在空间展开机构上增加配重，使得试验设备整体在水中所受浮力与重力相等，静止时达到合力为零。由于展开动作在水中进行，水阻力远大于空气，从而使得展开阻力很大，模拟真空零重力状态有较大失真，同时水可能对试验设备产生污染，此方法已很少米用。上述四种方法虽然能够实现一定程度上的零重力环境，但是均存在一定的不足，尤其是对于空间一维伸展机构来讲，均存在难以弥补的缺憾。气浮平台装置组成较为复杂，控制难度大，并且无法在真空条件下进行联合试验验证；二维悬吊设备吊索对于伸展机构的重力补偿难以精确控制，设备复杂、占用空间较大，整个设备在真空环境设施中进行试验的成本较高；气球悬吊法空气阻力与占用空间均较大，在真空环境中难以实现；水中悬浮法阻力较大，对试验设备有污染并难以在真空中实现。
技术实现思路
为了实现小型一维伸展机构的研制，加速大型航天器的实用进程，本专利技术提供了一种适用于真空环境设施的，简易廉价、补偿精确的空间一维伸展机构零重力试验装置。本专利技术的技术解决方案是:一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于:所述装置包括支撑系统、导轨系统、驱动与同步系统、吊挂系统;支撑系统由光学平台和框架式支撑结构组成，框架支撑结构安装在光学平台上；导轨系统采用圆截面纵向导轨，安装在框架式支撑结构之间；驱动与同步系统由电机、轴承滑轮、同步带组成，其中电机安装在框架式支撑结构底部的平台上，轴承滑轮安装在框架式支撑结构上，同步带绕过轴承滑轮与滑块相连；吊挂系统由滑块、吊索、滑环、测力计组成，滑块沿导轨线性一维运动，吊索连接滑块与滑环，并与伸展机构顶端相连。上述支撑系统的框架式结构由杆状铝型材与铝制转接头组成，通过调整转接头位置可以调节框架式结构整体尺寸；光学平台提供高平面度的安装面，其底部安装定位升降螺栓，可调节整套结构的高低位置。上述驱动系统的电机通过轴承滑轮，一方面与伸展机构顶端连接进行拉索展开，另一方面与同步带相连，带动滑块沿导轨移动。上述同步系统的同步带为PVC制成的方孔形狭长带，与轴承滑轮上的方形齿啮合，形成传动机构。上述吊挂系统中的吊索采用断裂伸长率小于4%的凯夫拉绳，可以通过调节螺栓改变在滑块上的位置，从而保证吊索竖直连接滑环，并使吊索通过吊挂物质心。上述吊挂系统中的滑环通过适配机构与不同的伸展机构顶端连接，能够保证在伸展机构顶端旋转的情况下实现吊挂连接。上述吊挂系统中吊索与滑环之间装有测力计，用来计量展开过程中的拉力变化。本专利技术小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置利用方形齿啮合的原理，实现吊索与被测机构同步移动，利用两者的实时同步性来实现对被测机构的垂直悬吊，设计简便易行，体积小质量轻，移动方便，对环境的适应性强，能够有效工作在真空及热环境条件下，可用于测试盘绕式伸展臂、薄壁管状伸展臂等一维伸展机构的展开特性，服务于未来大型航天器结构机构等领域。附图说明附图1为本专利技术空间一维伸展机构地面零重力试验装置的结构示意图。附图2为本专利技术空间一维伸展机构地面零重力试验装置的局部示意图。图中标记为:1.支撑系统、2.导轨系统、3.驱动与问步系统、4.吊挂系统、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型空间一维伸展机构地面零重力试验装置，其特征在于：所述装置主要包括支撑系统[1]、导轨系统[2]、驱动与同步系统[3]、吊挂系统[4]；支撑系统[1]由光学平台和框架式支撑结构组成，框架支撑结构安装在光学平台上；导轨系统[2]采用圆截面纵向导轨，安装在框架式支撑结构之间；驱动与同步系统[3]由电机[5]、轴承滑轮[6]、同步带[7]等组成，其中电机[5]安装在框架式支撑结构底部的平台上，轴承滑轮[6]安装在框架式支撑结构上，同步带[7]绕过轴承滑轮[6]与滑块[8]相连；吊挂系统[4]由滑块[8]、吊索[9]、滑环[10]、测力计[11]组成，滑块[8]沿导轨线性一维运动，吊索[9]连接滑块[8]与滑环[10]，并与伸展机构顶端相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王新升，黄海，马海波，戴勇超，管帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：