一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置
阅读说明：本技术 一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置 (Active driving type large-scale film unfolding sail device ) 是由 梁振华 胡传飞 廖文和 张翔 王淞韬 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置,包括自上而下依次设置的上层展开装置、帆存储装置、下层展开装置、驱动装置、锁紧装置,上层展开装置和下层展开装置用于实现带状弹性桅杆的延伸,进而牵拽薄膜帆的展开；帆存储装置中存储薄膜帆；驱动装置用于驱动展开装置中带状弹性桅杆的展开；锁紧装置用于锁紧状态时展开装置的锁紧。本发明还包括用于将内部装置与外部环境隔离开的档板装置。本发明可作为离桅帆用于卫星寿命末期离轨；也可作为太阳帆,用作未来航天器推进系统,适用于远距离深空探测航天器的推进系统,同时能够减轻装置的质量,简化结构设计,提高系统可靠性和稳定性。(The invention discloses an active driving type large-scale film sail unfolding device which comprises an upper layer unfolding device, a sail storage device, a lower layer unfolding device, a driving device and a locking device which are sequentially arranged from top to bottom, wherein the upper layer unfolding device and the lower layer unfolding device are used for realizing the extension of a strip-shaped elastic mast so as to drag the unfolding of a film sail; storing the film sail in a sail storage device; the driving device is used for driving the strip-shaped elastic mast in the unfolding device to unfold; the locking device is used for locking the unfolding device in a locking state. The invention also includes a barrier device for isolating the internal device from the external environment. The invention can be used as a mast sail for the off-orbit in the last stage of the satellite life; the solar sail can be used as a future spacecraft propulsion system, is suitable for a propulsion system of a long-distance deep space exploration spacecraft, and can reduce the mass of the device, simplify the structural design and improve the reliability and stability of the system.)
技术领域
本发明属于空间结构机构领域，具体涉及一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置。
背景技术
薄膜展开帆作为一种航天空间结构机构系统，可作为离轨帆用于卫星寿命末期离轨，也可作为太阳帆，用作未来航天器推进系统。
薄膜离轨帆装置主要通过增加卫星在飞行方向上的迎风面积，从而提高卫星所受 到的大气阻力，加速卫星离轨。离轨帆主要用于低轨航天器，在寿命末期展开后加速离轨。 Patrick公开报道了一种适用于低轨道立方星的离轨帆装置AEOLDOS，该装置展开面积仅为 1m2，占用了星内约0.3U（3cm×10cm×10cm）的空间。NASA所设计的离轨帆装置Nanosail-D 是目前公开报道最早的在轨演示验证装置，展开后面积最大可达到10 m2，也是迄今为止展 开面积最大的离轨帆，占用了星内2U（20cm×10cm×10cm）的空间。加拿大多伦多大学研制 了针对20 kg级以下的微纳卫星离轨帆装置，主要采用单层四根带状弹性桅杆牵拽四张面 积为1的三角形薄膜帆展开，其四块薄膜帆分别存储于四个帆存储仓内，需要占用了星 内0.5U（5cm×10cm×10cm）的空间。目前国内外所设计出的离轨帆装置多采用单层四桅杆 结构，帆展开面积基本在10m2以内，均适用于微纳卫星，针对大型失效航天器、火箭末子级、 飞船等，由于其质量较大，为了加速其离轨，则需要提高其在轨飞行的面质比，因此需要设 计出大型薄膜展开帆装置。
太阳帆适合高轨道卫星变轨或者深空航行等领域，目前处于各个研究单位与公司的热点领域。2010年5月21日，日本JAXA成功发射了世界上第一个太阳帆航天器“IKAROS”号，帆面展开后规格约为14m×14m，首次完成了太阳帆的在轨展开、在轨光压加速航行以及加速飞掠金星任务。此后，美国行星协会先后发送“LightSail-1”和“LightSail-2”号太阳帆航天器，其中“LightSail-2”号首次成功演示了太阳驱动飞行，抬升轨道，开启了一个新的行星际航行模式。薄膜帆无质损、无限比冲的本质特征使其成为深空探测领域，尤其是非开普勒轨道任务领域的研究焦点。目前我国在太阳帆的轨道转移和姿态控制等领域进行了部分基础研究，但在大型太阳帆展开装置研究仍处于起步阶段，装置存在复杂度高，可靠性低的问题，且暂时未进行在轨展开试验及推进试验的应用研究。
基于上述分析，目前国内外薄膜展开帆装置的设计主要从结构机构展开可行性、产品可靠性以及在轨寿命角度考虑。在低轨离轨帆领域，主要采用主动驱动式展开模式设计，利用桅杆所存储的弹性势能，驱动薄膜帆展开；在太阳帆领域，主要采用电机驱动式展开模式设计，利用步进电机驱动薄膜帆展开。两种设计方案适用范围窄，并且难以实现通用化，从而导致目前太阳帆与离轨帆难以扩大其空间应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置（帆面积20至100m2），适用于运行于深空探测等领域，解决了部分航天器进行远距离深空探测的推进系统的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置，包括自上而下的上层展开装置、帆存储装置、下层展开装置、驱动装置、锁紧装置；
所述帆存储装置用于存储薄膜帆。
所述上层展开装置包括上层桅杆中心轴、上层展开子机构、两根上层带状弹性桅杆，上层带状弹性桅杆的固定段设置在上层展开子机构内，且缠绕在上层桅杆中心轴上，上层带状弹性桅杆的延伸段伸出上层展开子机构后与薄膜帆连接，在展开时，与下层的两根下层带状弹性桅杆同步展开，从而带动与其连接的薄膜帆展开。
所述下层展开装置包括下层桅杆中心轴、下层展开子机构和两根下层带状弹性桅杆，两根下层带状弹性桅杆和两根上层带状弹性桅杆垂直分布，所述下层带状弹性桅杆的固定段设置在下层展开子机构内，且缠绕在下层桅杆中心轴上，下层带状弹性桅杆的延伸段伸出下层展开子机构后与薄膜帆连接，在展开时，与两根上层带状弹性桅杆同步展开，从而带动与其连接的薄膜帆展开。
所述驱动装置用于驱动上层展开装置中的上层带状弹性桅杆以及下层展开装置中的下层带状弹性桅杆展开。
所述锁紧装置用于锁紧状态时，上层展开装置和下层展开装置的锁紧。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1） 本发明体积小、质量轻，减少对其他系统质量和空间的限制，提高薄膜帆展开装置的功能密度。
（2）本发明采用双层弹性桅杆展开，使得每层的展开机构中存储的弹性桅杆的长度增加，极大的增加了帆的展开面积。
（3）本发明在装置中使用涡卷弹簧驱动，利用自身存储的机械能展开薄膜帆，减少地面控制难度，降低薄膜帆展开系统的制造成本，并且进一步减轻了装置重量。
（4）本发明压紧机构采用双摩擦滚筒和拉簧对带状弹性桅杆进行压紧，在保证带状弹性桅杆受力均匀的基础上实现结构简化。
（5）本发明设计帆板将内部原部件与外界环境隔离，防止安装、运输过程中外界干扰对装置功能产生影响。
（6）本发明薄膜帆帆面采用帆压块固定在桅杆中心轴上，安装简单，并且由于反行程自锁原理，不易松动。
（7）本发明采用定位销进行锁紧，结构简单，可靠性好，加工成本低，实用性强。
附图说明
图1为本发明薄膜帆展开装置装配完毕后的外部结构示意图。
图2为本发明薄膜帆展开装置内部结构示意图。
图3为本发明薄膜帆展开装置展开后的立体结构示意图。
图4为本发明上层展开装置的外部结构示意图。
图5为本发明上层展开装置的内部立体示意图 。
图6为本发明上层展开装置中压紧机构的结构示意图。
图7为本发明帆存储装置的结构示意图。
图8为本发明下层展开装置的结构示意图。
图9为本发明驱动装置的的结构示意图。
图10为本发明驱动装置的传动轴结构示意图。
图11为本发明锁紧装置的结构示意图。
图12为本发明档板装置的结构示意图。
图13为本发明锁紧装置的底板的结构示意图。
图14为本发明下层桅杆中心轴结构示意图。
图15为本发明上层桅杆中心轴结构示意图。
附图标记说明：
1-锁紧装置，2-上层展开装置，3-帆存储装置，4-下层展开装置，5-驱动装置，6-下层桅杆中心轴，7-上层桅杆中心轴，8-1-上层带状弹性桅杆，8-2-上层带状弹性桅杆，9-上层外壳体，10-端盖，11-支撑板，12-第一拉簧，13-压块，14-摩擦滚筒轴，15-摩擦滚筒，16-导向滚筒轴，17-导向滚筒，18-帆固定块，19-下档板，20-第一凸台，21-第二凸台，25-下层外壳体，26-齿轮， 28-帆压块，29-底层外壳体，30-发条，31-传动轴，32-第二拉簧，33-定位销，34-定位杆，35-定位台，36-正六边形凸台，37-压紧机构，39-档板装置，40-传动齿轮，41-薄膜帆，42-扭转弹簧，43-帆板轴，44-帆板，45-挡环，46-底板，47-弹簧，48-第三凸台。
具体实施方式
下面结合附图对本装置作进一步说明。
结合图1~图15，一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置，占用空间80mm*80mm*140mm，自上而下分别为上层展开装置2、帆存储装置3、下层展开装置4、驱动装置5和锁紧装置1。
结合图4和图5，所述上层展开装置2包括上层桅杆中心轴7、上层展开子机构、两根上层带状弹性桅杆8-1。所述下层展开装置4包括下层桅杆中心轴6、下层展开子机构和两根下层带状弹性桅杆8-2，下层展开子机构结构与上层展开子机构相同。
上层展开子机构包括上层外壳体9、下层外壳体25、两个端盖10、一对支撑板11、四组压紧机构37、两对导向滚筒17、两对导向滚筒轴16；支撑板11呈L型，一对支撑板11对称设置，两者的相接处留有桅杆伸出缝，一对支撑板11的顶面和底面分别固连有一个端盖10，构成桅杆腔，上层外壳体9固连在桅杆腔顶面；下层外壳体25固连在桅杆腔底面；所述上层展开子机构呈中心对称结构，两对导向滚筒轴16设置在桅杆腔内，且每个桅杆伸出缝处设有一对导向滚筒轴16，每个导向滚筒轴16上套有一个导向滚筒17，通过端盖10将两对导向滚筒轴16定位在上层展开子机构的第一对角上，同一对中的导向滚筒17之间留有1-3mm间隙；所述桅杆中心轴沿桅杆腔的中心轴线设置，且其两端分别伸入上层外壳体9和下层外壳体25，沿带状弹性桅杆的固定段缠绕在桅杆中心轴上，同一层的两个带状弹性桅杆的延伸段各经一对导向滚筒17后向不同的桅杆伸出缝伸出后再与薄膜帆41连接。
结合图5和图6，所述每组压紧机构37包括两个压块13、两个摩擦滚筒轴14和两个摩擦滚筒15和八根第一拉簧12；两个摩擦滚筒轴14平行设置在桅杆腔内，其两端分别穿过两个端盖10后固连一个压块13，一个压块13 位于上层外壳体9内，另一个位于下层外壳体25内；每个摩擦滚筒轴14上设有一个摩擦滚筒15；位于上层外壳体9中内的四个压块13，相邻的两个压块13通过第一拉簧12连接，四根第一拉簧12构成四边形；所述四组压紧机构37位于上层展开子机构的四个角处，通过端盖10进行定位，用于将带状弹性桅杆压紧，以防止带状弹性桅杆在收缩状态时，在装置内部“开花”。
结合图7，所述帆存储装置包括帆固定块18、帆压块28和下档板19；帆压块28为一圆台型套筒，但外侧开有螺纹，并且大端开有四个缝，使得帆压块28的孔径大小可以进行微小变化。帆固定块18内侧设有螺纹，用于与帆压块28进行配合。当帆固定块18与帆压块28拧紧时，在螺纹上预紧力的作用下，帆压块28内径缩小，紧紧固定在下层桅杆中心轴6上，薄膜帆的中心被压紧在帆压块28和下层桅杆中心轴6之间。当薄膜帆展开装置处于锁紧状态时，薄膜帆以一定的方式折叠起来并处于下档板19和上层展开装置2的下层外壳体25之间。
结合图8，所述下层展开装置还包括齿轮26；齿轮26设置在下层桅杆中心轴6上，且位于下层展开子机构的底面，齿轮26用于啮合驱动装置5，沿下层桅杆中心轴6的中心设有螺纹孔，在下层桅杆中心轴6的顶面设有正六边形凸台，用于与上层桅杆中心轴7固连，下层桅杆中心轴6底面设有正六边形凸台，用以与齿轮26进行过盈配合。
上层桅杆中心轴7的中心设有螺纹通孔，在上层桅杆中心轴7底面向上开有正六边形凹槽，正六边形凹槽用于与下层桅杆中心轴6固连。
沿下层桅杆中心轴6的中心设有螺纹孔，在下层桅杆中心轴6的顶面设有正六边形凸台，用于与上层桅杆中心轴7固连，下层桅杆中心轴6底面设有正六边形凸台，用以与齿轮26进行过盈配合。
结合图9，所述驱动装置5包括底层外壳体29、发条30、传动轴31和传动齿轮40；传动轴31自上向下包括第一圆柱、第二圆柱、第一圆盘、第三圆柱、第二圆盘和正六边形凸台，底层外壳体29为无顶盖的壳体，其底面的内壁中心设有凸台，传动轴31的正六边形凸台穿过底层外壳体29底面，伸入锁紧装置1中，以便在锁紧状态时被锁紧装置1锁紧，传动轴31与底层外壳体29转动连接，传动齿轮40固定在第二圆柱上，传动齿轮40与齿轮26啮合，以驱动桅杆中心轴的转动，进而使带状弹性桅杆的展开，第一圆柱向上伸入下层展开子机构与下层外壳体25转动连接，发条30为平面涡卷弹簧，一端固定缠绕在凸台上，另一端固定在第三圆柱上。
结合图10、图11和图13，所述锁紧装置1包括底板46、弹簧47、第二拉簧32、定位销33和四个挡环45；挡环45通过螺钉固定在底板46上的定位杆34上，同时整个定位杆34位于底部外壳体29四个对角的阶梯孔内，挡环45用于限制底板46的移动距离；第二拉簧32的一端与底板46上的带有通孔的第三凸台固连，另一端与定位销33的一端固连，定位销33的另一端尼龙绳相连接；当处于锁紧状态时，一端固定在四周带有凹槽的第一凸台上，另一端给着定位销33一个拉力，使得第二拉簧32处于拉伸状态，定位销33位于传动轴31的正六边形凸台上的通孔内，同时弹簧47被处于压缩状态；当处于展开状态时，通过烧线模块将与定位销33固连的尼龙绳烧断，此时定位销33在与其固连的第二拉簧32作用下离开传动轴31，锁紧装置1解锁，传动轴在发条的作用下开始旋转，同时在弹簧47的作用下锁紧装置释放档板装置。
结合图11和图12，所述主动驱动式大型薄膜展开帆装置还包括档板装置39，所述档板装置39沿薄膜帆展开装置的中心轴线方向环绕上层展开装置2、帆存储装置3、下层展开装置4、驱动装置5、锁紧装置1设置。
所述档板装置39包括帆板44、扭转弹簧42和帆板轴43；帆板44内壁上部设有一对第一支耳，在上层展开子机构的上层外壳体9外壁上设有一对第二支耳，第一支耳和第二支耳高度相等，帆板轴43穿过第一支耳和第二支耳，扭转弹簧42设置在帆板轴43上，通过扭转弹簧42和帆板轴43实现档板装置39和上层外壳体9的打开；帆板44底面与锁紧装置1的底板46接触，并通过薄弱件实现限位；当展开状态时，底板46在弹簧47产生的弹簧力的作用下，冲破薄弱件释放档板装置39，进而使帆板44展开。
工作说明：
本发明顶部与立方星固连，可用于立方星的离轨或者高轨道卫星变轨和深空航行等领域。
当主动驱动式大型薄膜展开帆装置处于锁紧状态下：整块薄膜帆41以折叠状态存储在帆存储装置3中，薄膜帆41的四角用牵引绳固定在带状弹性桅杆的延伸段；上层带状弹性桅杆8-1和下层带状弹性桅杆8-2固定端分别顺时针绕在上层桅杆中心轴7和下层桅杆中心轴6上，由压紧机构37将带状弹性桅杆压紧，防止带状弹性桅杆在收缩状态时在装置内部“开花”； 锁紧状态下，与定位销固连的第二拉簧32处于拉伸状态，锁紧装置1的定位销33一端与第二拉簧32固连，另一端与连接绳固连，并且定位销位于传动轴31正六边形凸台的通孔内，进而将传动轴31锁紧，进而将下层桅杆中心轴6和上层桅杆中心轴固定，防止带状弹性桅杆因自身的弹性势能意外展开；底板46定位台35上的弹簧47处于压缩状态，帆板44底面与锁紧装置1的底板46接触，并通过薄弱件实现限位，防止帆板44因为扭转弹簧42的弹性势能而展开。
展开状态下：锁紧装置1中附加的烧线模块将定位销33一段的连接绳烧断，定位销33在与其固连的第二拉簧32作用下离开传动轴31正六边形凸台36上的通孔；底板46在弹簧47的作用下向远离底层外壳体29的方向移动，使得帆板44离开帆板槽38，帆板44在扭转弹簧42的作用下，向外展开；由于定位杆34上的挡环45被底层外壳体29上的阶梯孔所限制，使得底板不完全脱离薄膜帆展开装置；同时传动轴31在发条30的作用下转动，动力依次由传动轴31、齿轮26传递到下层桅杆中心轴6和上层桅杆中心轴7；上层带状弹性桅杆8-2和下层带状弹性桅杆8-2逐渐展开，在展开过程中，绕在桅杆中心轴上的带状弹性桅杆层数逐渐减少，同时压紧机构37在第一拉簧12的作用下，始终压紧绕在中心轴上的带状弹性桅杆；导向滚筒限制上层带状弹性桅杆8-1和下层带状弹性桅杆8-2延伸段离开装置时的展开方向；在展开过程中上层带状弹性桅杆8-1和下层带状弹性桅杆8-2延伸段拖曳薄膜帆41向外延伸，直至薄膜帆41完全展开。
综上所述，本发明所述的一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置，具有体积小、质量轻，减少对其他系统质量和空间的限制等优点；同时采用双层弹性桅杆展开，使得上层展开机构中存储的上层带状弹性桅杆8-1和下层展开机构中存储的下层带状弹性桅杆8-2的长度增加，极大的增加了帆的展开面积；采用发条30驱动，利用自身存储的机械能展开薄膜帆41，减少地面控制难度，降低薄膜帆展开系统的制造成本，并且进一步减轻了装置重量；增添档板装置39将内部原部件与外界环境隔离，防止安装、运输过程中外界干扰对装置功能产生影响；薄膜帆41帆面采用帆压块28固定在下层桅杆中心轴6上，安装简单，并且由于自锁原理，不易松动；锁紧装置1利用定位销33进行锁紧，结构简单，可靠性好，加工成本低，实用性强。
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