一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构

1.本发明属于空间展开机构技术领域，具体地说是一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构。


背景技术：

2.空间太阳帆展开机构是一种利用太阳光压进行推进的先进太空技术，它具有高效、环保的特点，可以长期持续推进、紧凑和重量轻等优点；且其灵活性好，可以设计成各种形状和大小，适应于不同的任务需求，因此它成为一种具有潜力的推进技术，为未来太空探索和宇宙飞行提供了新的可能性。
3.空间太阳帆展开机构广泛应用于深空探测任务、太阳观测任务以及未来的星际航行。它为探索太阳系的外行星、彗星和小行星提供了一种高效的推进方法，同时在太阳活动观测和未来星际探索中具有潜在应用价值。展开机构在太阳帆的部署和收起过程中扮演着重要角色，不正确的展开可能导致太阳帆无法正常工作，甚至损坏整个航天器。
4.但目前现有的太阳帆展开装置一般采用单个转轴推出帆桁的结构，将所有帆桁都绕在同一个转轴上，在伸长推出帆桁时容易使还在卷曲状态下的帆桁的内层和外层发生相对移动，使帆桁突然出现“鼓包”的情况，进而影响太阳帆正常展开。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，包括双帆桁轮毂安装框架、双帆轮毂安装架、步进电机、中央传动轴、钢带轮、钢带、卷设有帆桁的帆桁轮毂、用于控制帆桁伸展方向的定位组件、卷设有太阳帆薄膜的双帆轮毂及用于限制帆桁轮毂反转的转动限制组件；所述中央传动轴安装于所述双帆桁轮毂安装框架的内侧中部，所述中央传动轴通过所述步进电机带动转动，所述钢带轮设置于所述中央传动轴上，所述双帆桁轮毂安装框架的内侧且在所述中央传动轴的两侧对称位置上各转动设有帆桁轮毂，每个所述帆桁轮毂分别与所述钢带轮通过钢带连接，所述钢带的一端固定于钢带轮上，所述钢带另一端缠绕过所述钢带轮若干圈后固定于对应的帆桁轮毂上，每个所述帆桁轮毂上卷设有两组帆桁、分为帆桁a及帆桁b，每个所述帆桁轮毂的帆桁a的伸展方向与同一个帆桁轮毂的帆桁b的伸展方向呈固定夹角，其中一个所述帆桁轮毂的帆桁a的伸展方向与另一个所述帆桁轮毂的帆桁a的伸展方向相反，其中一个所述帆桁轮毂的帆桁b的伸展方向与另一个所述帆桁轮毂的帆桁b的伸展方向相反，各所述帆桁的最外端均设有帆桁支架；每个所述帆桁轮毂与一组所述转动限制组件对应使用，每组所述转动限制组件包括棘轮、棘爪及扭簧，每组所述转动限制组件的棘轮安装于对应的所述帆桁轮毂上，每组所
述转动限制组件的棘爪的一端通过该组转动限制组件的扭簧与双帆桁轮毂安装框架连接，每组所述转动限制组件的棘爪的另一端插入至同组所述转动限制组件的棘轮的外齿面上；所述双帆轮毂安装架安装于所述双帆桁轮毂安装框架的下侧，所述双帆轮毂安装架上与各所述帆桁轮毂对应的位置上分别设有双帆轮毂支撑芯轴，每个所述双帆轮毂支撑芯轴上套设有一个所述双帆轮毂，每个所述双帆轮毂上卷设有两组太阳帆薄膜，每组所述太阳帆薄膜分别对应连接一个所述帆桁a上的帆桁支架及与该帆桁a相邻的一个帆桁b上的帆桁支架，每个所述帆桁b与相邻的帆桁a之间均对应设有太阳帆薄膜。
7.所述双帆桁轮毂安装框架包括框架顶板、框架底板及若干个支撑柱，各所述支撑柱分别支撑设置于框架顶板及框架底板之间，所述中央传动轴转动设置于框架顶板及框架底板之间，两个所述帆桁轮毂分别转动设置于框架底板上。
8.所述定位组件包括若干个导向杆，所述框架顶板上及框架底板上均设有导向杆调节槽，所述框架顶板上的导向杆调节槽及所述框架底板上的导向杆调节槽均位于靠近各所述帆桁延伸出双帆桁轮毂安装框架处，所述框架顶板上的导向杆调节槽的设置位置与框架底板的导向杆调节槽的设置位置上下相互对应，每上下相互对应的两个所述导向杆调节槽之间穿设有同一个所述导向杆，每个所述导向杆均与邻近的一个所述支撑柱之间形成帆桁伸展出口、并对对应的一个帆桁的外侧面起到限位作用。
9.各组所述转动限制组件的棘轮均安装于对应的所述帆桁轮毂上端，各组所述转动限制组件的棘爪的一端通过该组转动限制组件的扭簧连接于所述框架顶板的上侧面上，所述框架顶板的上侧面上还设有分别用于罩住各所述棘轮的上端盖。
10.所述定位组件包括设置于所述双帆桁轮毂安装框架的内侧的若干个压板，每个所述压板的一端均延伸至靠近邻近的一个所述帆桁轮毂处、并设有压紧滚轮，各所述压紧滚轮分别抵接于所述帆桁轮毂上卷设的帆桁的表面上。
11.所述步进电机安装于所述双帆桁轮毂安装框架上，所述步进电机的驱动轴通过传动齿轮组带动所述中央传动轴，所述传动齿轮组包括主动齿轮、惰齿轮及从动齿轮，所述主动齿轮安装于所述步进电机的驱动轴上，所述从动齿轮安装于所述中央传动轴上，所述惰齿轮转动设置于所述双帆桁轮毂安装框架上，所述惰齿轮分别与所述主动齿轮及从动齿轮啮合。
12.每个所述帆桁上的帆桁支架与相邻的所述太阳帆薄膜之间均通过拉簧连接。
13.每个所述帆桁轮毂的下端均连接有卷簧盘，所述卷簧盘的内侧设有卷簧，所述卷簧的一端与所述卷簧盘连接，所述卷簧的另一端与邻近的一个所述双帆轮毂支撑芯轴连接。
14.本发明的优点与积极效果为：本发明由一个中央传动轴通过钢带轮及钢带同时带动两个帆桁轮毂匀速地转动，使每个帆桁轮毂上的两组帆桁分别伸出，展开更加平稳，相比现有的太阳帆展开机构仅由一个转轴带动所有帆桁伸出的结构能够更有效避免“鼓包”的发生；且通过转动限制组件的设置，可使帆桁轮毂可靠稳定单向转动并带动帆桁展开，避免帆桁轮毂意外反转而影响太阳帆的使用，在太阳帆完全展开后可自动锁定帆桁轮毂转动位置，确保帆桁及太阳帆薄膜保持稳定展开。
附图说明
15.图1为本发明拆下帆桁及太阳帆薄膜的主体部分结构示意图；图2为本发明在帆桁及太阳帆薄膜展开时的结构示意图之一；图3为本发明在帆桁及太阳帆薄膜展开时的结构示意图之二；图4为本发明的拆下框架底板、帆桁及太阳帆薄膜等的主体部分结构示意图；图5为图4的a处放大图；图6为本发明的主体部分的零件拆分示意图；图7为图2的b处放大图；图8为本发明的主体部分底部朝上时的结构示意图。
16.图中：1为步进电机、2为中央传动轴、3为钢带轮、4为钢带、5为帆桁轮毂、6为双帆轮毂、7为帆桁支架、8为棘轮、9为棘爪、10为扭簧、11为双帆轮毂支撑芯轴、12为框架顶板、13为框架底板、14为支撑柱、15为导向杆、16为导向杆调节槽、17为上端盖、18为压板、19为压紧滚轮、20为主动齿轮、21为惰齿轮、22为从动齿轮、23为拉簧、24为卷簧盘、25为卷簧、26为双帆轮毂安装底板、27为空心连接柱；001为帆桁、0011为帆桁a、0012为帆桁b、002为太阳帆薄膜。
具体实施方式
17.下面结合附图1-8对本发明作进一步详述。
18.一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，如图1-8所示，本实施例中包括双帆桁轮毂安装框架、双帆轮毂安装架、步进电机1、中央传动轴2、钢带轮3、钢带4、卷设有帆桁001的帆桁轮毂5、用于控制帆桁001伸展方向的定位组件、卷设有太阳帆薄膜002的双帆轮毂6及用于限制帆桁轮毂5反转的转动限制组件。本实施例中步进电机1采用市购产品，由外接控制器控制动作。本实施例中帆桁001在帆桁轮毂5的卷设结构及太阳帆薄膜002在双帆轮毂6上的卷设结构，都采用现有太阳帆展开机构的卷设方式。
19.中央传动轴2安装于双帆桁轮毂安装框架的内侧中部，中央传动轴2通过步进电机1带动转动，钢带轮3设置于中央传动轴2上，双帆桁轮毂安装框架的内侧且在中央传动轴2的两侧对称位置上各转动设有帆桁轮毂5，每个帆桁轮毂5分别与钢带轮3通过钢带4连接，钢带4的一端固定于钢带轮3上，钢带4另一端缠绕过钢带轮3若干圈后固定于对应的帆桁轮毂5上，每个帆桁轮毂5上卷设有两组帆桁001、分为帆桁a 0011及帆桁b 0012，每个帆桁轮毂5的帆桁a 0011的伸展方向与同一个帆桁轮毂5的帆桁b 0012的伸展方向呈固定夹角、例如九十度角，其中一个帆桁轮毂5的帆桁a 0011的伸展方向与另一个帆桁轮毂5的帆桁a 0011的伸展方向相反，其中一个帆桁轮毂5的帆桁b 0012的伸展方向与另一个帆桁轮毂5的帆桁b 0012的伸展方向相反，各帆桁001的最外端均设有帆桁支架7。本实施例中帆桁轮毂5和钢带4采用卷曲牵引的方式传动，可由一个中央传动轴2同时带动两个帆桁轮毂5匀速地转动，使每个帆桁轮毂5上的两组帆桁001分别伸出，展开更加平稳。相比现有的太阳帆展开机构仅由一个转轴带动所有帆桁001伸出的结构能够更有效避免“鼓包”的发生。
20.如图4-6所示，每个帆桁轮毂5与一组转动限制组件对应使用，每组转动限制组件包括棘轮8、棘爪9及扭簧10，每组转动限制组件的棘轮8安装于对应的帆桁轮毂5上，每组转动限制组件的棘爪9的一端通过该组转动限制组件的扭簧10与双帆桁轮毂安装框架连接，
每组转动限制组件的棘爪9的另一端插入至同组转动限制组件的棘轮8的外齿面上。通过包括棘轮8、棘爪9及扭簧10的转动限制组件的设置，可使帆桁轮毂5可靠稳定单向转动并带动帆桁001展开，避免帆桁轮毂5意外反转而影响太阳帆的使用，在太阳帆完全展开后可自动锁定帆桁轮毂5转动位置，确保帆桁001及太阳帆薄膜002保持稳定展开。
21.双帆轮毂安装架安装于双帆桁轮毂安装框架的下侧，双帆轮毂安装架上与各帆桁轮毂5对应的位置上分别设有双帆轮毂支撑芯轴11，每个双帆轮毂支撑芯轴11上套设有一个双帆轮毂6，每个双帆轮毂6上卷设有两组太阳帆薄膜002，每组太阳帆薄膜002分别对应连接一个帆桁a 0011上的帆桁支架7及与该帆桁a 0011相邻的一个帆桁b 0012上的帆桁支架7，每个帆桁b 0012与相邻的帆桁a 0011之间均对应设有太阳帆薄膜002。各帆桁001向外侧伸出展开的同时，带动所连接的太阳帆薄膜002同步展开。
22.具体而言，如图1、图4及图6所示，本实施例中双帆桁轮毂安装框架包括框架顶板12、框架底板13及六个支撑柱14，各支撑柱14分别支撑设置于框架顶板12及框架底板13之间，中央传动轴2转动设置于框架顶板12及框架底板13之间，两个帆桁轮毂5分别转动设置于框架底板13上，制造装配容易。本实施例中双帆轮毂安装架包括双帆轮毂安装底板26及空心连接柱27，空心连接柱27的一端与框架底板13连接，空心连接柱27的另一端与双帆轮毂安装底板26连接，双帆轮毂支撑芯轴11分别固定于双帆轮毂安装底板26上。
23.具体而言，如图4所示，本实施例中定位组件包括四个导向杆15，框架顶板12上及框架底板13上均设有导向杆调节槽16，框架顶板12上的导向杆调节槽16及框架底板13上的导向杆调节槽16均位于靠近各帆桁001延伸出双帆桁轮毂安装框架处，框架顶板12上的导向杆调节槽16的设置位置与框架底板13的导向杆调节槽16的设置位置上下相互对应，每上下相互对应的两个导向杆调节槽16之间穿设有同一个导向杆15，每个导向杆15均与邻近的一个支撑柱14之间形成帆桁伸展出口、并对对应的一个帆桁001的外侧面起到限位作用。如说明书附图中所示，帆桁001在脱离帆桁轮毂5向外伸展的过程中，帆桁001宽度方向形状会扩展，导向杆调节槽16的设置可用于根据帆桁001扩展的宽度调节帆桁伸展出口的宽度。定位组件还包括设置于双帆桁轮毂安装框架的内侧的若干个压板18，每个压板18的一端均延伸至靠近邻近的一个帆桁轮毂5处、并设有压紧滚轮19，各压紧滚轮19分别抵接于帆桁轮毂5上卷设的帆桁001的表面上，对在展开过程中还在帆桁轮毂5上处于卷曲状态的帆桁001提供额外的约束力，进一步防止帆桁001出现“鼓包”现象。
24.具体而言，如图1及图6所示，本实施例中各组转动限制组件的棘轮8均安装于对应的帆桁轮毂5上端，各组转动限制组件的棘爪9的一端通过该组转动限制组件的扭簧10连接于框架顶板12的上侧面上，框架顶板12的上侧面上还设有分别用于罩住各棘轮8的上端盖17，上端盖17可起到对内部结构的保护作用，拆装容易。
25.具体而言，如图1及图6所示，本实施例中步进电机1安装于双帆桁轮毂安装框架上，步进电机1的驱动轴通过传动齿轮组带动中央传动轴2，传动齿轮组包括主动齿轮20、惰齿轮21及从动齿轮22，主动齿轮20安装于步进电机1的驱动轴上，从动齿轮22安装于中央传动轴2上，惰齿轮21转动设置于双帆桁轮毂安装框架上，惰齿轮21分别与主动齿轮20及从动齿轮22啮合，传动可靠稳定。本实施例中中央传动轴2的轴向中心线、钢带轮3的轴向中心线、从动齿轮22的轴向中心线、空心连接柱27的轴向中心线均共线。本实施例中中央传动轴2的轴向中心线、各帆桁轮毂5的轴向中心线、步进电机1的驱动轴的中心线相互平行。
26.具体而言，如图7所示，本实施例中每个帆桁001上的帆桁支架7与相邻的太阳帆薄膜002之间均通过拉簧23连接，避免瞬时拉力过大使太阳帆薄膜002与帆桁001断开，并保证具有较稳定的牵引力。
27.具体而言，如图6及图8所示，本实施例中每个帆桁轮毂5的下端均连接有卷簧盘24，卷簧盘24的内侧设有卷簧25，卷簧25的一端与卷簧盘24连接，卷簧25的另一端与邻近的一个双帆轮毂支撑芯轴11连接。通过卷簧盘24及卷簧25的设置，可产生与帆桁001展开时所产生力的相反力，进一步防止帆桁001突然内外层发生相对移动，增强展开时的稳定性。
28.当需要太阳帆展开时，使步进电机1带动中央传动轴2及钢带轮3转动，两侧的帆桁轮毂5在钢带4的牵引下同步转动，双帆轮毂6也在帆桁001及太阳帆薄膜002拉动下同步转动，帆桁001及太阳帆薄膜002同步展开；太阳帆全部展开后，转动限制组件自动锁定帆桁轮毂5转动位置，将展开的太阳帆及时锁定在张紧的位置，防止帆桁轮毂5发生旋转，即完成一次空间太阳帆机构的展开。

技术特征：
1.一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：包括双帆桁轮毂安装框架、双帆轮毂安装架、步进电机（1）、中央传动轴（2）、钢带轮（3）、钢带（4）、卷设有帆桁（001）的帆桁轮毂（5）、用于控制帆桁（001）伸展方向的定位组件、卷设有太阳帆薄膜（002）的双帆轮毂（6）及用于限制帆桁轮毂（5）反转的转动限制组件；所述中央传动轴（2）安装于所述双帆桁轮毂安装框架的内侧中部，所述中央传动轴（2）通过所述步进电机（1）带动转动，所述钢带轮（3）设置于所述中央传动轴（2）上，所述双帆桁轮毂安装框架的内侧且在所述中央传动轴（2）的两侧对称位置上各转动设有帆桁轮毂（5），每个所述帆桁轮毂（5）分别与所述钢带轮（3）通过钢带（4）连接，所述钢带（4）的一端固定于钢带轮（3）上，所述钢带（4）另一端缠绕过所述钢带轮（3）若干圈后固定于对应的帆桁轮毂（5）上，每个所述帆桁轮毂（5）上卷设有两组帆桁（001）、分为帆桁a（0011）及帆桁b（0012），每个所述帆桁轮毂（5）的帆桁a（0011）的伸展方向与同一个帆桁轮毂（5）的帆桁b（0012）的伸展方向呈固定夹角，其中一个所述帆桁轮毂（5）的帆桁a（0011）的伸展方向与另一个所述帆桁轮毂（5）的帆桁a（0011）的伸展方向相反，其中一个所述帆桁轮毂（5）的帆桁b（0012）的伸展方向与另一个所述帆桁轮毂（5）的帆桁b（0012）的伸展方向相反，各所述帆桁（001）的最外端均设有帆桁支架（7）；每个所述帆桁轮毂（5）与一组所述转动限制组件对应使用，每组所述转动限制组件包括棘轮（8）、棘爪（9）及扭簧（10），每组所述转动限制组件的棘轮（8）安装于对应的所述帆桁轮毂（5）上，每组所述转动限制组件的棘爪（9）的一端通过该组转动限制组件的扭簧（10）与双帆桁轮毂安装框架连接，每组所述转动限制组件的棘爪（9）的另一端插入至同组所述转动限制组件的棘轮（8）的外齿面上；所述双帆轮毂安装架安装于所述双帆桁轮毂安装框架的下侧，所述双帆轮毂安装架上与各所述帆桁轮毂（5）对应的位置上分别设有双帆轮毂支撑芯轴（11），每个所述双帆轮毂支撑芯轴（11）上套设有一个所述双帆轮毂（6），每个所述双帆轮毂（6）上卷设有两组太阳帆薄膜（002），每组所述太阳帆薄膜（002）分别对应连接一个所述帆桁a（0011）上的帆桁支架（7）及与该帆桁a（0011）相邻的一个帆桁b（0012）上的帆桁支架（7），每个所述帆桁b（0012）与相邻的帆桁a（0011）之间均对应设有太阳帆薄膜（002）。2.根据权利要求1所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：所述双帆桁轮毂安装框架包括框架顶板（12）、框架底板（13）及若干个支撑柱（14），各所述支撑柱（14）分别支撑设置于框架顶板（12）及框架底板（13）之间，所述中央传动轴（2）转动设置于框架顶板（12）及框架底板（13）之间，两个所述帆桁轮毂（5）分别转动设置于框架底板（13）上。3.根据权利要求2所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：所述定位组件包括若干个导向杆（15），所述框架顶板（12）上及框架底板（13）上均设有导向杆调节槽（16），所述框架顶板（12）上的导向杆调节槽（16）及所述框架底板（13）上的导向杆调节槽（16）均位于靠近各所述帆桁（001）延伸出双帆桁轮毂安装框架处，所述框架顶板（12）上的导向杆调节槽（16）的设置位置与框架底板（13）的导向杆调节槽（16）的设置位置上下相互对应，每上下相互对应的两个所述导向杆调节槽（16）之间穿设有同一个所述导向杆（15），每个所述导向杆（15）均与邻近的一个所述支撑柱（14）之间形成帆桁伸展出口、并对对应的一个帆桁（001）的外侧面起到限位作用。
4.根据权利要求2所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：各组所述转动限制组件的棘轮（8）均安装于对应的所述帆桁轮毂（5）上端，各组所述转动限制组件的棘爪（9）的一端通过该组转动限制组件的扭簧（10）连接于所述框架顶板（12）的上侧面上，所述框架顶板（12）的上侧面上还设有分别用于罩住各所述棘轮（8）的上端盖（17）。5.根据权利要求1所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：所述定位组件包括设置于所述双帆桁轮毂安装框架的内侧的若干个压板（18），每个所述压板（18）的一端均延伸至靠近邻近的一个所述帆桁轮毂（5）处、并设有压紧滚轮（19），各所述压紧滚轮（19）分别抵接于所述帆桁轮毂（5）上卷设的帆桁（001）的表面上。6.根据权利要求1所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：所述步进电机（1）安装于所述双帆桁轮毂安装框架上，所述步进电机（1）的驱动轴通过传动齿轮组带动所述中央传动轴（2），所述传动齿轮组包括主动齿轮（20）、惰齿轮（21）及从动齿轮（22），所述主动齿轮（20）安装于所述步进电机（1）的驱动轴上，所述从动齿轮（22）安装于所述中央传动轴（2）上，所述惰齿轮（21）转动设置于所述双帆桁轮毂安装框架上，所述惰齿轮（21）分别与所述主动齿轮（20）及从动齿轮（22）啮合。7.根据权利要求1所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：每个所述帆桁（001）上的帆桁支架（7）与相邻的所述太阳帆薄膜（002）之间均通过拉簧（23）连接。8.根据权利要求1所述的一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，其特征在于：每个所述帆桁轮毂（5）的下端均连接有卷簧盘（24），所述卷簧盘（24）的内侧设有卷簧（25），所述卷簧（25）的一端与所述卷簧盘（24）连接，所述卷簧（25）的另一端与邻近的一个所述双帆轮毂支撑芯轴（11）连接。

技术总结
本发明属于空间展开机构技术领域，具体地说是一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构，包括双帆桁轮毂安装框架、双帆轮毂安装架、步进电机、中央传动轴、钢带轮、钢带、卷设有帆桁的帆桁轮毂、卷设有太阳帆薄膜的双帆轮毂及转动限制组件等。本发明由一个中央传动轴通过钢带轮及钢带同时带动两个帆桁轮毂匀速地转动，使每个帆桁轮毂上的两组帆桁分别伸出，相比现有的太阳帆展开机构仅由一个转轴带动所有帆桁伸出的结构能够更有效避免“鼓包”的发生；且可使帆桁轮毂可靠稳定单向转动并带动帆桁展开，避免帆桁轮毂意外反转而影响太阳帆的使用，在太阳帆完全展开后可自动锁定帆桁轮毂转动位置，确保帆桁及太阳帆薄膜保持稳定展开。确保帆桁及太阳帆薄膜保持稳定展开。确保帆桁及太阳帆薄膜保持稳定展开。


技术研发人员：张入铭 吴晨晨 张福建
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/8