一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构

本发明属于航天大型空间结构的在轨组装技术，具体涉及一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构。

背景技术：

1、近年来，面向深空探测、高精度对地观测、空间太阳能电站等多样化的空间任务需求，大型空间结构已成为空间资源利用、探索宇宙、移民太空等重大空间战略的重要装备。受火箭整流罩包络和运载能力限制，大型空间结构通常无法通过折叠收拢发射入轨与一次在轨展开的方式搭建。

2、随着在轨服务技术的发展，在轨组装成为近些年来航天科技工程领域的研究热点，在轨组装和维护技术已成为实现超大型空间结构的最佳途径，该项技术将突破运载器包络及推进能力的限制。在轨组装是将单次或多次入轨的结构或功能模块依序组装成预期的大型空间系统，需要能够实现大型航天器的在轨连接，替换，构建，组合或重组，进而实现更复杂更多样化的大型空间结构。

3、为了实现大型空间结构的实际工程应用，各航天大国积极展开在轨技术的探索，组装对象由部件级逐步转向跨尺度，高精度，结构功能一体化的空间设施，但目前大部分技术可实现展收的组装单元折展较小、展开后承载能力差，迫切需要设计出折展大，拥有较高刚度的折展单元。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，解决了现有技术中可展收单元折展小、展开后承载能力差的问题。

2、为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，由六个模块单元构成等边六边形结构，相邻的模块单元之间通过碳纤维薄壳和连接器连接；

4、所述碳纤维薄壳一端与模块单元的转轴连接，另一端与相邻单元的连接器连接，连接器固定在模块单元外壳的一侧，步进电机为模块单元的转轴系提供动力，限位盖对卷缩部分限位；

5、所述碳纤维薄壳在自然伸展状态下呈圆心角为120度(半径2cm)的弧面杆状薄壳，两端加工出圆孔用于固定；薄壳在转轴扭矩的作用下可卷缩；

6、所述转轴两侧有圆形挡边，转轴主体呈不规则圆柱状，配合特定压片和螺栓，可固定薄壳。转轴中心开孔，一端与抱紧式联轴器相连；

7、所述转轴直径通过实验确定，设置转轴的系列直径，测量比较薄壳卷缩部分的贴附情况及伸展部分的稳定性，选择最佳直径；

8、所述限位盖固定于转轴上侧，与电机座相连，侧视呈“u”型，贴近转轴，薄壳伸出侧有特殊开口；

9、所述光轴穿过转轴，两端由轴承座内嵌轴承支撑，轴承座通过螺栓固定在电机座上方，42步进电机固定在电机座下方，电机轴与光轴之间通过同步带传递扭矩；

10、所述光轴通过隔离柱，金属垫片，联轴器，同步带轮实现与光轴配合零件的定位与固定；

11、所述模块单元外壳由上壳和下壳构成，下壳通过螺栓连接电机座，前后侧空间用于电子元件(及供电系统)放置；上壳前侧有开口，用于相邻单元的连接器插入；上下壳通过四颗长螺栓相连。

12、有益效果：本发明提供了一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，与现有技术相比，具有以下优势：

13、1、本发明薄壳结构由六个可展开模块单元通过弧形碳纤维薄壳相连而成，碳纤维薄壳一端与转轴连接，一端被相邻单元的连接器固定，各单元连接后相邻的杆状薄壳间夹角为120度，从而构成稳定、较高强度、易扩展的等边六边形桁架结构，满足太空中桁架结构作业需要；

14、2、弧形碳纤维薄壳自然伸展状态下呈弧面杆状，具有一定刚度、抗弯强度、抗拉强度和稳定性，在一端受扭矩后可沿杆方向卷缩或伸展，该特性满足零件在可展开的同时具有一定力学性能的需要；

15、3、步进电机通过同步带驱动转轴，与转轴分别安装在电机座上下侧，与直接联轴驱动相比，减小单元所需横向空间，利于结构收拢，提高结构伸缩比；

16、4、步进电机为转轴提供动力，使薄壳卷缩或伸展，从而改变碳纤维薄壳的伸展长度，运载时各单元薄壳完全卷缩，各单元连接器插入相邻单元六边形外壳中，相邻单元外壳紧贴，结构收拢，所占空间最小；在轨后，各单元电机同时运动，六根碳纤维薄壳逐渐伸展，结构展开，所占空间最大，这种可展开的特性提高了结构的空间利用率和灵活性；

17、5、限位盖安装在转轴上侧，对碳纤维薄壳的卷缩部分进行限位，防止薄壳散开(使薄壳与转轴紧贴)，同时对碳纤维薄壳起一定的保护作用；

18、6、本发明薄壳结构为模块化设计，利于组装和拓展，在地面加工制造后即可进行单元间的连接，同时完成大部分组装调试，减少在轨后组装调试的时间，使桁架结构能够快速投入工作。

技术特征：

1.一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，由六个模块单元构成等边六边形结构，相邻的模块单元之间通过碳纤维薄壳和连接器连接；相邻两个模块单元之间的碳纤维薄壳一端连接模块单元，另一端连接相邻模块单元侧面安装的连接器；所述模块单元中内置电机提供驱动力带动碳纤维薄壳卷缩或伸展，调节等边六边形结构的总空间大小。

2.根据权利要求1所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述等边六边形结构的总空间大小计算公式为：

3.根据权利要求2所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，lmax:a＝10:1；s2:s1＝46:1。

4.根据权利要求1所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述模块单元包括上壳、下壳、转轴系；上壳、下壳通过对称设置的四颗长螺栓相连；转轴系安装于上壳和下壳组成的空间内。

5.根据权利要求4所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述连接器插入在上壳的一侧内，该侧与连接碳纤维薄壳的一侧之间成120度，使模块单元能够呈等边六边形。

6.根据权利要求4所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述转轴系包括转轴、光轴、联轴器、隔离柱、轴承、垫片、固定环、同步带轮、同步带、电机座、电机；所述光轴穿过转轴、联轴器、隔离柱、轴承及垫片；所述联轴器嵌入转轴与光轴连接，通过抱紧方式将转轴固定在光轴上；所述光轴的两端由轴承支撑；所述隔离柱、轴承及垫片分别对称安装于转轴两端，从内向外依次为隔离柱、轴承、垫片；固定环通过顶丝安装于光轴一端末，同步带轮通过顶丝安装于光轴另一端末；所述同步带安装于同步带轮上；所述转轴通过两端轴承座支撑安装在电机座上方，所述电机安装在电机座下方，所述电机座安装于下壳内部的中心；所述电机通过驱动同步带轮，从而带动同步带驱动转轴，带动碳纤维薄壳卷缩或伸展。

7.根据权利要求6所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述碳纤维薄壳与模块单元连接的一端通过固定盖固定在转轴上；所述转轴上方贴近转轴处安装限位盖包围碳纤维薄壳。

8.根据权利要求7所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述转轴侧面为两不等径圆弧面，一圆弧面上对称开有两个螺纹孔，所述固定盖通过螺栓将碳纤维薄壳的一端压紧；所述转轴侧面圆弧的直径通过卷缩过程中碳纤维薄壳的稳定性对比选取最优。

9.根据权利要求7所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述限位盖侧视呈“u”型，底部四角与电机座相连，所述限位盖和上壳侧面对应部分设置用于碳纤维薄壳伸出的开口。

10.根据权利要求1或9所述的用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，其特征在于，所述碳纤维薄壳在自然伸展状态下呈圆心角为120度的弧面杆状薄壳，其厚度为0.2mm。

技术总结本发明公开了一种用于在轨组装的可展开模块化薄壳结构，属于太空在轨组装的桁架结构技术领域，本发明可展开模块化薄壳结构由六个模块单元连接而成，模块单元包括碳纤维薄壳，驱动电机，转轴，限位盖，连接器，外壳；相邻的模块单元之间通过可展开的碳纤维薄壳连接，构成一个等边六边形的桁架结构；各模块单元通过内置电机控制薄壳展开长度，可灵活改变六边形桁架的大小。本发明提高了桁架结构的灵活性和空间利用率，能够解决传统桁架结构所需运载空间大，在轨组装难的问题。技术研发人员：褚睿宇,段权宸,唐承磊,孙加亮,文浩,金栋平受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16