一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链和太阳翼的制作方法

本发明涉及航天器结构设计领域，特别是一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链和太阳翼。

背景技术：

1、随着航天技术的不断发展，航天器的能量需求不断增加，航天器的太阳翼的面积、质量也随之增大，多折太阳翼的使用更加频繁。因此，提高太阳翼展开过程中的可控性，避免展开过程中太阳翼发生碰撞，减小太阳翼展开过程中的冲击，提高太阳翼展开过程的可靠性和稳定性，对卫星顺利开展任务的重要性不断提高。

2、当前的太阳翼展开大多使用扭簧作为动力，扭簧的劲度系数在展开过程中为定值，而一般为了确保太阳翼展开成功，会选用劲度系数较大的扭簧，保证展开过程的力矩裕度足够。这种做法往往会使太阳翼展开后仍有较大的角速度，给卫星带来较大的冲击。此外，对于多折太阳翼，太阳翼解锁后，每折太阳翼的扭簧同时作用，各折太阳翼同时展开，展开过程不可控，增加了太阳翼彼此之间碰撞、太阳翼碰撞卫星本体、碰撞卫星表面设备的风险。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链以及太阳翼，展开冲击小，能够提高太阳翼展开稳定性；进一步，展开过程可控，降低太阳翼展开过程中碰撞风险。

2、本发明的技术解决方案是：一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链，包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，各连杆互相连接形成闭合四边形，第一连杆、第二连杆长度相等，第三连杆、第四连杆长度相等且长度大于第一连杆、第二连杆，在第一连杆、第二连杆的连接处与第三连杆、第四连杆的连接处之间设置有弹性部件，在铰链展开过程中，所述弹性部件始终处于伸长状态，通过将弹性部件的拉力转换为非线性变化的铰链输出力，驱动太阳翼稳定展开。

3、进一步，还包括固定铰和转动铰，所述固定铰和转动铰均为平面结构，之间通过铰链转动轴活动连接，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆设置在固定铰和转动铰的内侧，固定铰和转动铰的外侧用于和太阳翼固定。

4、进一步，所述固定铰上设置有一三连杆轴，转动铰上设置有二四连杆轴，所述第一连杆为铰链转动轴和一三连杆轴之间形成的虚拟连杆，所述第二连杆为铰链转动轴和二四连杆轴之间形成的虚拟连杆，第三连杆、第四连杆一端分别连接于一三连杆轴、二四连杆轴，另一端共同连接于三四连杆轴。

5、进一步，所述弹性部件为弹簧，在铰链转动轴上还设置有扭簧，利用扭簧与弹簧共同形成铰链展开的铰链输出力，将扭簧提供的线性变化作用力和四杆机构与弹簧提供的非线性变化作用力结合，提高对展开过程的稳定控制。

6、进一步，在铰链上设置限位部件，使铰链在不同的角度进行限位，实现铰链展开角度的控制。

7、进一步，在铰链上增加锁定装置，对铰链展开后进行锁定。

8、本发明还提供一种多折太阳翼，在各折太阳翼之间安装有前述任一所述的太阳翼展开铰链。

9、进一步，在各折太阳翼之间安装的太阳翼展开铰链具有不同的铰链输出力-位移关系，所述铰链输出力-位移关系的确定方式为：

10、根据闭合四边形的形态变化将铰链的运动过程划分为不同状态，分析各状态下铰链输出力与弹性部件位移之间的关系，得到铰链输出力-位移曲线；

11、设计第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的长度，弹性部件的原长和劲度系数，使折叠状态的铰链处于所述铰链输出力-位移曲线上的任意位置；

12、设计限位部件限定铰链的展开角度，使展开状态的铰链处于所述铰链输出力-位移曲线上的任意位置，最终得到的铰链从折叠状态到展开状态的展开过程中，具有满足需求的铰链输出力-位移关系。

13、进一步，所述状态分别为凸四边形状态、三角形状态、凹四边形状态；所述铰链输出力-位移曲线中，包含p、m、q、h点位，凸四边形状态对应p-m-q段，随弹性部件位移逐渐减小，铰链输出力从p先增大至m后减小至q，其中m为所有状态下铰链输出力的最大值；三角形状态对应q点；凹四边形状态对应q-h段，随弹性部件位移逐渐减小，铰链输出力从q至h逐渐减小。

14、进一步，在需要优先展开的太阳翼之间采用折叠状态到展开状态为所述铰链输出力-位移曲线中n-q-h段的铰链，所述n为m点至q点之间任意一点，包括m点和q点；在需要滞后展开的太阳翼之间采用折叠状态到展开状态为所述铰链输出力-位移曲线中p-m-q-h段的铰链，从而控制多折太阳翼的展开顺序。

15、本发明与现有技术相比的优点在于：

16、(1)本发明的技术方案在太阳翼展开始末作用力小，冲击小。现有太阳翼展开铰链的输出力往往呈现线性减小，本发明提出的铰链采用四杆机构结合弹性部件的设计方式，在太阳翼展开过程中，实现铰链的输出力与所设置的弹簧位移成非线性关系，通过选择合适的铰链输出力与弹簧位移关系范围可以有效降低太阳翼展开过程的冲击，提高太阳翼展开过程的稳定性和可靠性；

17、(2)本发明的技术方案克服了现有太阳翼展开铰链展开过程不可控的缺点。现有每折太阳翼的展开铰链同时作用，本发明提出的铰链在太阳翼展开过程中，基于铰链输出力-位移的非线性关系曲线，可以通过调整四杆机构的参数，进而控制铰链输出力，通过在多折太阳翼的不同部位，使用处于铰链输出力-位移曲线上不同阶段的铰链，从而控制多折太阳翼的展开顺序，避免展开过程的碰撞。

技术特征：

1.一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，各连杆互相连接形成闭合四边形，第一连杆、第二连杆长度相等，第三连杆、第四连杆长度相等且长度大于第一连杆、第二连杆，在第一连杆、第二连杆的连接处与第三连杆、第四连杆的连接处之间设置有弹性部件，在铰链展开过程中，所述弹性部件始终处于伸长状态，通过将弹性部件的拉力转换为非线性变化的铰链输出力，驱动太阳翼稳定展开。

2.根据权利要求1所述的基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：还包括固定铰和转动铰，所述固定铰和转动铰均为平面结构，之间通过铰链转动轴活动连接，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆设置在固定铰和转动铰的内侧，固定铰和转动铰的外侧用于和太阳翼固定。

3.根据权利要求2所述的基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：所述固定铰上设置有一三连杆轴，转动铰上设置有二四连杆轴，所述第一连杆为铰链转动轴和一三连杆轴之间形成的虚拟连杆，所述第二连杆为铰链转动轴和二四连杆轴之间形成的虚拟连杆，第三连杆、第四连杆一端分别连接于一三连杆轴、二四连杆轴，另一端共同连接于三四连杆轴。

4.根据权利要求2所述的基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：所述弹性部件为弹簧，在铰链转动轴上还设置有扭簧，利用扭簧与弹簧共同形成铰链展开的铰链输出力，将扭簧提供的线性变化作用力和四杆机构与弹簧提供的非线性变化作用力结合，提高对展开过程的稳定控制。

5.根据权利要求1所述的基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：在铰链上设置限位部件，使铰链在不同的角度进行限位，实现铰链展开角度的控制。

6.根据权利要求1所述的基于四杆机构的太阳翼展开铰链，其特征在于：在铰链上增加锁定装置，对铰链展开后进行锁定。

7.一种多折太阳翼，其特征在于：在各折太阳翼之间安装有权利要求1～6任一所述的太阳翼展开铰链。

8.根据权利要求7所述的多折太阳翼，其特征在于：在各折太阳翼之间安装的太阳翼展开铰链具有不同的铰链输出力-位移关系，所述铰链输出力-位移关系的确定方式为：

9.根据权利要求8所述的多折太阳翼，其特征在于：所述状态分别为凸四边形状态、三角形状态、凹四边形状态；所述铰链输出力-位移曲线中，包含p、m、q、h点位，凸四边形状态对应p-m-q段，随弹性部件位移逐渐减小，铰链输出力从p先增大至m后减小至q，其中m为所有状态下铰链输出力的最大值；三角形状态对应q点；凹四边形状态对应q-h段，随弹性部件位移逐渐减小，铰链输出力从q至h逐渐减小。

10.根据权利要求9所述的多折太阳翼，其特征在于：在需要优先展开的太阳翼之间采用折叠状态到展开状态为所述铰链输出力-位移曲线中n-q-h段的铰链，所述n为m点至q点之间任意一点，包括m点和q点；在需要滞后展开的太阳翼之间采用折叠状态到展开状态为所述铰链输出力-位移曲线中p-m-q-h段的铰链，从而控制多折太阳翼的展开顺序。

技术总结本发明公开了一种基于四杆机构的太阳翼展开铰链和太阳翼，铰链包括满足约束关系的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，各连杆互相连接形成闭合四边形，在第一和第二连杆的连接处与第三和第四连杆的连接处之间设置有弹性部件，在铰链展开过程中，通过将弹性部件的拉力转换为非线性变化的铰链输出力，驱动太阳翼稳定展开；基于铰链输出力和弹性部件位移的非线性关系，设计调整四杆机构的参数，进而控制铰链输出力，并且通过在多折太阳翼的不同部位，使用处于铰链输出力‑位移曲线上不同阶段的铰链，实现控制多折太阳翼的展开顺序的效果。本发明在太阳翼展开始末冲击力小，克服了现有太阳翼展开铰链展开过程不可控的缺点，避免太阳翼碰撞风险。技术研发人员：李腾,张博文,孙正路,张文平受保护的技术使用者：赛思倍斯（绍兴）智能科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/23