一种气动驱动的竖直展开装置的制作方法

1.本发明涉及展开机构技术领域，具体地，涉及一种气动驱动的竖直展开装置，适用于月球表面、火星表面等的架高机构。


背景技术：

2.随着月球、火星等探测的深入发展，月球、火星科研站等探测形式将包括多个探测器，在各个探测器间需要建立相应的通讯链路。由于月面没有大气、水分等，目前一般认为在月面通讯覆盖是以直线方式通讯，在视距范围内能够建立有效通讯链路。由于月球半径比地球小，月面的曲率更大，为了在月面建立较广的通讯覆盖范围，需要将通讯基站的天线进行架高。
3.月面通讯基站的天线架高的展开机构，由着陆器携带到月面，在飞行过程中，展开机构压紧于着陆器顶端，待着陆器着陆到月球表面后，压紧释放装置解锁，解锁后展开机构完成起竖动作，起竖完成后，根据着陆器着陆姿态的测量信息，进行着陆姿态补偿，将展开机构调整为竖直方式，确保展开后，不会因翻转力矩增大，影响着陆器平台的安全。
4.月球存在相当于地球1/6的重力，在月球展开大尺度的结构，对展开机构的驱动有较高的要求。在轨展开大尺度的结构产品已经多次飞行，然而月面受到重力影响后，展开机构的驱动难度加大，如果利用传统的电机进行驱动，需要克服的驱动力矩远高于在轨飞行机构，造成机构设计复杂，设计难度增加，可靠性降低，以及试验验证困难。
5.航天器着陆到月球后，推进系统不需要再次工作。推进系统携带的增压气体在月面不需要工作，而成为着陆器的呆重和闲置物资。
6.为此，本发明提供一种气动驱动的竖直展开装置，对推进系统的高压气瓶的增压气体进行“废物利用”，通过气体驱动机构展开，产品结构简单，动作可靠性高，满足通讯站天线架高的需求。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种气动驱动的竖直展开装置。
8.本发明提供的气动驱动的竖直展开装置，包括x轴调整机构、y轴调整机构、伸缩套管、管路系统，所述x轴调整机构的输出端能够转动，所述y轴调整机构的输出端能够转动，所述伸缩套管的一端与所述y轴调整机构的输出端连接，所述伸缩套管的另一端安装有载荷设备，例如通讯天线或太阳翼，所述y轴调整机构与所述x轴调整机构的输出端固定连接，所述管路系统的一端连接至推进分系统的气瓶，所述管路系统的另一端连接至所述伸缩套管，所述伸缩套管在气体的驱动下能够展开。
9.优选地，还包括压紧装置，所述压紧装置与所述伸缩套管的侧壁配合。
10.进一步地，所述x轴调整机构包括第一电机、第一减速器、第一蜗杆、第一蜗轮、第一输出轴，所述第一电机的输出端与所述第一减速器连接，所述第一减速器的输出端与所述第一蜗杆连接，所述第一蜗杆与所述第一蜗轮配合，所述第一蜗轮的转动中心与所述第
一输出轴连接。
11.优选地，所述第一电机是无刷电机或步进电机，所述第一减速器是齿轮减速器或谐波减速器，所述第一蜗轮为扇形。
12.优选地，所述第一蜗轮的扇形角大于20
°×
2。
13.调整机构的调整能力不小于15
°
，为可靠性和结构设计余量保留5
°
。
14.进一步地，所述y轴调整机构包括第二电机、第二减速器、第二蜗杆、第二蜗轮、第二输出轴，所述第二电机的输出端与所述第二减速器连接，所述第二减速器的输出端与所述第二蜗杆连接，所述第二蜗杆与所述第二蜗轮配合，所述第二蜗轮的转动中心与所述第二输出轴连接，所述y轴调整机构的安装座与所述第一涡轮或第一输出轴固定连接，所述伸缩套管的一端与所述第二蜗轮或第二输出轴连接。
15.优选地，所述第二电机是无刷电机或步进电机，所述第二减速器是齿轮减速器或谐波减速器，所述第二蜗轮为扇形。
16.优选地，所述第二蜗轮的扇形角大于20
°
+90
°
。
17.一侧机构的调整能力不小于15
°
，为可靠性和结构设计余量保留5
°
。
18.进一步地，所述伸缩套管包括逐级相连的套筒，所述伸缩套管伸开后，相邻的套筒之间通过锁定装置锁定。
19.进一步地，所述管路系统上设有波纹软管、自锁阀和减压阀。
20.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
21.1、本发明提出的气动驱动的竖直展开装置，能够完成90
°
起竖功能，并进行两维姿态调整，确保展开机构处于竖直状态；展开装置利用着陆后推进分系统的增压气瓶中剩余的高压气体作为动力源，完成机构的一次展开并锁定，有效实现了对剩余气体的再利用。
22.2、本发明提出的气动驱动的竖直展开装置，由气体进行驱动，驱动力量大，产品结构简单，动作可靠性高，能够满足通讯站天线、太阳翼等的架高需求。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置的结构示意图；
25.图2为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置竖起后的示意图；
26.图3为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置竖起后套管展开示意图；
27.图4为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置竖起后展开的放大图；
28.图5为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置的x轴调整机构示意图；
29.图6为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置的x轴调整机构的调整范围示意图；
30.图7为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置的y轴调整机构示意图；
31.图8为本发明实施例的气动驱动的竖直展开装置的y轴调整机构的调整范围示意图。
32.图中，1-x轴调整机构，11-第一电机，12-第一减速器，13-第一蜗杆，14-第一蜗轮，15-第一输出轴，2-y轴调整机构，21-第二电机，22-第二减速器，23-第二蜗杆，24-第二蜗
轮，25-第二输出轴，3-伸缩套管，31-锁定装置，4-管路系统，41-波纹软管，42-自锁阀，43-减压阀，5-压紧装置，6-通讯天线，7-高压气瓶。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
34.本发明提供了一种气动驱动的竖直展开装置，对推进分系统的高压气瓶内的增压气体进行再利用，利用气体驱动展开装置进行展开，避免了常规的电机为动力源的大尺寸展开机构的复杂驱动装置。
35.如图1所示，本实施例的气动驱动的竖直展开装置，设于着陆器的顶部，在发射时平躺安装于着陆器顶部，利用压紧装置压紧于顶面。本实施例的展开装置包括x轴调整结构1、y轴调整机构2、伸缩套管3、管路系统4、压紧装置5，y轴调整机构2设在x轴调整机构1的输出端上，伸缩套管3的一端与y轴调整机构2的输出端连接，伸缩套管3的另一端连接有通讯天线6，管路系统4的一端与推进分系统的高压气瓶7连接，管路系统4的另一端与伸缩套管3连接；在展开装置平躺时，伸缩套管3由压紧装置5进行压紧。
36.x轴调整机构1和y轴调整机构2对伸缩套管3的着陆姿态进行补偿，且x轴调整机构1和y轴调整机构2实现两维正交的姿态补偿，x轴调整机构1实现
±
15
°
的输出轴角位移，y轴调整机构2实现90
°
起竖驱动，然后实现
±
15
°
的输出轴角位移。伸缩套管3为可伸缩结构，管路系统4将高压气瓶7内的残余气体引送至伸缩套管3内，使伸缩套管3在气动驱动下实现展开。
37.如图2、图3和图4所示，着落器在着陆后，本实施例的展开装置在工作时，先由y轴调整机构2转动90
°
，实现伸缩套管3的竖起。由于着陆器着陆区域可能不是水平状态，存在一定的倾斜角，导致着陆器着陆后顶面存在一定的倾斜，因此，在完成起竖后，由x轴调整机构1和y轴调整机构2根据着陆器顶面的倾斜程度，进行驱动补偿；驱动机构在角度补偿完成后，伸缩套管3处于竖直状态。最后管路系统4导通，高压气瓶7内的气体进入伸缩套管3内，使伸缩套管3展开，展开后的天线高度大于10m。
38.伸缩套管3为多层套筒结构，相邻的套筒之间能够滑动，在气体引入伸缩套管3内部后，多层套筒结构在气体作用下驱动展开。相邻的套筒之间设有锁定装置31，套筒展开到位后，套筒之间通过锁定装置31锁定，锁定后，展开装置完成所有展开动作。通过锁定装置31的锁定，形成不可收回状态，满足通讯天线6架高增加覆盖面积的需求。
39.管路系统4上设有波纹软管41、自锁阀42、减压阀43，波纹软管41使管路系统4能够适应伸缩套管3的起竖过程；减压阀43使高压气瓶7内的气压减到合适的压力，再打开自锁阀42，将气体引入至伸缩套管3内；展开动作完成后，关闭自锁阀42，使伸缩套管3处于稳定状态。
40.如图5和图6所示，x轴调整机构包括第一电机11、第一减速器12、第一蜗杆13、第一蜗轮14、第一输出轴15，第一电机11的输出端与第一减速器12连接，第一减速器12的输出端与第一蜗杆13连接，第一蜗杆13与第一蜗轮14配合，第一蜗轮14的转动中心与第一输出轴
15连接。第一电机11可以选择无刷电机或步进电机，第一减速器12可以选择常规齿轮减速器或谐波减速器，第一蜗轮14、第一蜗杆13主要起到低速驱动，放大驱动力矩作用，并且利用蜗轮蜗杆的自锁功能，为机构提供足够的断电保持力矩。由于只需要
±
15
°
输出，第一蜗轮14不需要完整结构，只需要一定的扇形面即可，可以使结构更加紧凑和降低结构质量；扇形面理论上只需要大于15
°×
2的角度即可，为了保证蜗轮蜗杆的啮合，扇形面的扇形角可以大于20
°×
2。
41.如图7和图8所示，y轴调整机构2包括第二电机21、第二减速器22、第二蜗杆23、第二蜗轮24、第二输出轴25，第二电机21的输出端与第二减速器22连接，第二减速器22的输出端与第二蜗杆23连接，第二蜗杆23与第二蜗轮24配合，第二蜗轮24的转动中心与第二输出轴25连接，y轴调整机构2的安装基座与第一蜗轮14或第一输出轴15固定连接。x轴调整机构1驱动能够实现对y轴调整机构2相对于着陆器姿态的调整。伸缩套管3的一端与第二蜗轮24连接或与第二输出轴25固连，由第二蜗轮24或第二输出轴25带动伸缩套管3转动。y轴调整机构2驱动能够实现伸缩套管3相对于着陆器姿态的调整。通过x轴调整机构1和y轴调整机构2配合工作，实现对伸缩套管3的起竖，和完成伸缩套管3的竖直姿态调整。第二电机21可以选择无刷电机或步进电机，第二减速器22可以选择常规齿轮减速器或谐波减速器，第二蜗轮24、第二蜗杆23主要起到低速驱动，并且利用蜗轮蜗杆的自锁功能，为机构提供足够的断电保持力矩。y轴调整机构2具备90
°
起竖能力，在此基础上，还具有
±
15
°
姿态调整输出。第二蜗轮24不需要完整结构，只需要一定的扇形面即可，可以使结构更加紧凑和降低结构质量。理论上图8中只需要α1》15
°
即可，为了蜗轮蜗杆的啮合需求，可以使α1≥20
°
。其中α2的运动范围为90
°
起竖角包络范围内，对扇形面和扇形角设计没有影响；扇形面的扇形角建议取值为20
°
+90
°
。本实施中，第二输出轴25与第一输出轴15垂直布局，通过第一输出轴15的转动，带动y轴调整机构2的整体转动，实现x方向的姿态补偿。
42.在航天器着陆过程中，着陆器着陆地点的月面可能与水平面存在一定夹角，导致展开装置安装平面不水平；本发明的气动驱动的竖直展开装置，x轴调整机构、y轴调整机构呈“十”字交叉构型，能够用于调整展开装置的安装平面，确保展开机构展开后处于竖直状态。本发明能够用于通讯天线或者太阳翼的架高，通讯天线架高后能够避免月面地形的遮挡，提高通讯覆盖范围；太阳斜射时，太阳翼架高后，能够避免月面地形遮挡太阳光，提高光照时长，增强发电能力。
43.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，包括x轴调整机构、y轴调整机构、伸缩套管、管路系统，所述x轴调整机构的输出端能够转动，所述y轴调整机构的输出端能够转动，所述伸缩套管的一端与所述y轴调整机构的输出端连接，所述伸缩套管的另一端安装有载荷设备，所述y轴调整机构与所述x轴调整机构的输出端固定连接，所述管路系统的一端连接至推进分系统的气瓶，所述管路系统的另一端连接至所述伸缩套管，所述伸缩套管在气体的驱动下能够展开。2.根据权利要求1所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，还包括压紧装置，所述压紧装置与所述伸缩套管的侧壁配合。3.根据权利要求1所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述x轴调整机构包括第一电机、第一减速器、第一蜗杆、第一蜗轮、第一输出轴，所述第一电机的输出端与所述第一减速器连接，所述第一减速器的输出端与所述第一蜗杆连接，所述第一蜗杆与所述第一蜗轮配合，所述第一蜗轮的转动中心与所述第一输出轴连接。4.根据权利要求3所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述第一电机是无刷电机或步进电机，所述第一减速器是齿轮减速器或谐波减速器，所述第一蜗轮为扇形。5.根据权利要求4所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述第一蜗轮的扇形角大于20
°×
2。6.根据权利要求1所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述y轴调整机构包括第二电机、第二减速器、第二蜗杆、第二蜗轮、第二输出轴，所述第二电机的输出端与所述第二减速器连接，所述第二减速器的输出端与所述第二蜗杆连接，所述第二蜗杆与所述第二蜗轮配合，所述第二蜗轮的转动中心与所述第二输出轴连接，所述y轴调整机构的安装座与所述第一涡轮或第一输出轴固定连接，所述伸缩套管的一端与所述第二蜗轮或第二输出轴连接。7.根据权利要求6所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述第二电机是无刷电机或步进电机，所述第二减速器是齿轮减速器或谐波减速器，所述第二蜗轮为扇形。8.根据权利要求7所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述第二蜗轮的扇形角大于20
°
+90
°
。9.根据权利要求1所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述伸缩套管包括逐级相连的套筒，所述伸缩套管伸开后，相邻的套筒之间通过锁定装置锁定。10.根据权利要求1所述的气动驱动的竖直展开装置，其特征在于，所述管路系统上设有波纹软管、自锁阀和减压阀。

技术总结
本发明提供了一种气动驱动的竖直展开装置，包括X轴调整机构、Y轴调整机构、伸缩套管、管路系统，所述X轴调整机构的输出端能够转动，所述Y轴调整机构的输出端能够转动，所述伸缩套管的一端与所述Y轴调整机构的输出端连接，所述伸缩套管的另一端安装有载荷设备，所述Y轴调整机构与所述X轴调整机构的输出端固定连接，所述管路系统的一端连接至推进分系统的气瓶，所述管路系统的另一端连接至所述伸缩套管，所述伸缩套管在气体的驱动下能够展开。本发明结构简单，动作可靠性高，能够满足载荷设备的架高需求。备的架高需求。备的架高需求。


技术研发人员：袁勇 苏秀中 刘志强 易凌宇 竹阳升 赵晨 胡震宇 陈辉
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/6/12