一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构的制作方法

1.本发明属于航天器系统组装对接技术领域，尤其是涉及一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构。


背景技术：

2.月球科研站及月面基地建设是未来航天发展的重要任务，各组成舱段需配备对接接口，组装对接完成月球科研试验站建设，并可逐步扩充及完善，因此，月面组装对接是月球科研试验站建设的关键基础技术。如何在月面上实现航天器舱段的组装对接，满足航天器舱间人员、物资等交互需求，是未来月球科研站长期有序运转极具挑战性且具有非常重要价值的研究课题，至少存在以下难点：（1）月面地形条件复杂，对接高差大。月面存在着斜坡地形以及凸起或凹坑等崎岖地貌，在舱体连接过程中，地形的高低起伏给机构设计带来了很大难度。（2）重复展收及连接分离技术难度大。受舱体支撑布局影响，两舱对接接口难以相互贴近，需要建立两舱之间的大跨度通道。而大跨度机构的反复展开、收拢，受重力载荷作用发生变形影响，对精准对接及收拢复位造成了很大困难。（3）承载能力要求高。舱体组装对接通道在月面重力条件下，需承受展收过程的大载荷重力弯矩。完成连接后，通道作为舱体连接桥梁，还要求承受人员、物资的通过载荷。而现有在轨展开机构，均为零重力工作条件，受载较小。（4）月面环境适应性需求。两舱对接建立通道后，面临着月面真空、高低温交变等极端环境，不仅需建立舱体之间的可靠机械连接，还需要具备密封功能，防止内部空气泄露。（5）自主控制需求。为保障宇航员安全，需能在自主控制模式下、无需宇航员舱外活动，即可自主控制完成通道连接及分离等任务。
3.根据上述需求分析情况，月面组装对接需具备月面大容差对接、重复指向展收、大承载及密封防护能力，系统复杂，技术难度大。对此，国内外现有的技术均无法满足月面组装对接需求。例如近地轨道应用的航天器在轨对接技术，可以应用于零重力环境，但无法满足低重力、复杂地形地貌下的重复对接需求；现有的航天器大型伸展机构，一般是在轨零重力一次性展开，无法再收拢，不能重复使用，并且承载能力弱；地面架桥技术虽然可以实现两舱段的连接，满足两舱对接跨度需求，但存在设备体积重量过大，难以密封等问题；用于飞机停靠的对接廊桥，受地形条件限制，也无法满足月面组装对接需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，采用铰接式可重复展收伸展臂实现大跨度展开及承载，具备大高差、姿态偏离下的对接能力，并采用柔性密封蒙皮实现随动伸展，可解决月面舱段的大容差、可重复、大承载、防泄漏等技术难题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，包括廊桥通道、对接装
置、压紧释放装置和密封蒙皮，廊桥通道的一端连接至舱体，廊桥通道的另一端安装压紧释放装置，且压紧释放装置的一端连接至实施物体的连接面，廊桥通道的外围包裹密封蒙皮。
6.进一步的，所述廊桥通道包括多个隔框，且多个隔框相互平行设置，两两隔框之间设置剪叉装置，且剪叉装置是两两隔框的支撑结构。
7.进一步的，所述两两隔框之间设置踏板，且踏板为可收纳结构，踏板的两端分别铰接至一个隔框的一端。
8.进一步的，所述廊桥通道还包括俯仰驱动轴，且俯仰驱动轴的一端铰接至一个隔框的一侧，俯仰驱动轴的另一端铰接至舱体的一侧。
9.进一步的，所述每个隔框上均设有滑孔，且滑孔是长孔，剪叉装置包括第一支杆和第二支杆，且第一支杆中部和第二支杆中部分别转动套接至轴销外围，第一支杆的一端铰接至上游隔框的一侧，第一支杆的另一端滑动连接至下游隔框的滑孔内，第二支杆的一端滑动连接至上游隔框的滑孔内，第二支杆的另一端铰接至下游隔框的一侧。
10.进一步的，所述廊桥通道还包括展开驱动轴，展开驱动轴包括动力电机、丝杠和螺母，螺母的外围固定连接至第一支杆的活动端、第二支杆的活动端，丝杠的外围螺纹连接至螺母内，且丝杠的一端固定连接至动力电机的传动轴，动力电机的外围固定连接至隔框上。
11.进一步的，所述对接装置，包括安装座、多件对接臂杆和动平台隔框，安装座固定安装至远离舱体的隔框的一端，安装座通过多件对接臂杆连接至动平台隔框上，且动平台隔框连接至实施物体的连接面。
12.进一步的，所述动平台隔框上安装有导向板，用于与需对接的实施物体的连接面配合以校正姿态。
13.进一步的，所述压紧释放装置包括件电机卷筒、导向绳轮和绳索，电机卷筒固定安装至舱体的一侧，导向绳轮固定安装至动平台隔框或安装座上，绳索的一端固定连接至舱体或电机卷筒外围，绳索的另一端沿导向绳轮外围延伸后固定连接至电机卷筒的旋转端。
14.进一步的，所述隔框的一端设有对位槽，隔框的另一端设有对位柱，相邻的隔框通过定位柱外围自适应的对位至对位槽内实现收拢定位。
15.进一步的，所述自适应对位结构时定位槽为锥形槽，定位柱为锥形柱。
16.相对于现有技术，本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构具有以下有益效果：（1）本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥通道能够大角度俯仰伸展，无需校正两舱姿态仍能实现组装对接，不受地面凸起或凹坑的影响，可解决月面不确定的高低起伏地形下的大容差精准对接问题。
17.（2）本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥通道由多件隔框及4组剪叉装置共同承载，能够克服重力弯矩作用顺利实现大跨度廊桥机构的伸展及俯仰，廊桥机构无需地面的额外支撑，还能够承受通道连接后人员、物资的通过载荷，承载能力强。
18.（3）本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥通道长度由剪叉装置的伸缩量进行控制，具备伸展长度大，可重复伸缩的特性，通道跨度可调整，可以满足两舱之间的大跨度重复连接分离需求。
19.（4）本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥
主体安装在其中一个舱段的侧壁，另一舱段的连接接口组成简单，有利于被对接舱体的轻量化设计。
20.（5）本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥机构的伸展、对接、密封、分离、收拢等过程，都在自主控制下驱动电机完成，无需宇航员舱外活动，减少了宇航员空间暴露的风险。
附图说明
21.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构除去密封蒙皮，且安装在舱体的结构示意图；图2为本发明实施例所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构除去密封蒙皮的结构示意图；图3为本发明实施例所述的展开驱动轴与隔框配合的结构示意图；图4为本发明实施例所述的对接装置的结构示意图；图5为本发明实施例所述的压紧释放装置的结构示意图；图6为本发明实施例所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构收缩后的结构示意图；图7为本发明实施例所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构展开后的结构示意图；图8为本发明实施例所述的舱体通过一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构串联实施物体的结构示意图。
22.附图标记说明：100-廊桥通道；101-展开驱动轴；102-俯仰驱动轴；103-隔框；104-剪叉装置；105-踏板；200-对接装置；201-安装座；202-多件对接臂杆；203-动平台隔框；300-压紧释放装置；301-电机卷筒；302-导向绳轮；303-绳索；400-密封蒙皮；401-支撑框；500-实施物体；600-舱体。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.如图1-图8所示，一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，包括廊桥通道100、对接装置200、压紧释放装置300和密封蒙皮400，廊桥通道100的一端连接至舱体600，廊桥通道100的另一端安装压紧释放装置300，且压紧释放装置300的一端连接至实施物体500的连接面，廊桥通道100的外围包裹密封蒙皮400。
28.廊桥通道100包括2件展开驱动轴101、2件俯仰驱动轴102、多个隔框103、剪叉装置104和踏板105组成。多件隔框103作为廊桥通道100主承载部件，沿廊桥通道100纵向均布，通过剪叉装置104将各件隔框103连接成整体。
29.廊桥通道100的根部隔框103与舱体600通过转轴连接。本实施例剪叉装置104共计4组，安装在隔框103两个侧面，每个隔框103上均设有滑孔，且滑孔是长孔，剪叉装置104包括第一支杆和第二支杆，且第一支杆中部和第二支杆中部分别转动套接至轴销外围，第一支杆的一端铰接至上游隔框103的一侧，第一支杆的另一端滑动连接至下游隔框103的滑孔内，第二支杆的一端滑动连接至上游隔框103的滑孔内，第二支杆的另一端铰接至下游隔框103的一侧。如图3所示，2件展开驱动轴101分别安装在根部隔框103的两个侧边，展开驱动轴101两端分别与临近的剪叉装置104的连杆铰接，能够驱动该4件连杆沿根部隔框103上下滑动，是剪叉装置104及廊桥通道100的伸展动力源。展开驱动轴101利用丝杠和螺母原理，其动力电机位于中部，输出轴两端分别为旋向相反的丝杠，在动力电机启动后，可以同时驱动廊桥通道100顶部和底部的剪叉装置104伸展或收拢。相邻的2件隔框103之间，都安装有2块踏板105，踏板105与踏板105、以及踏板105与隔框103之间，都为铰链连接。踏板105可随廊桥通道100展开或收拢。
30.2件俯仰驱动轴102的底端分别以铰链连接在舱体600上，另一端安装在廊桥通道100中间的隔框103顶部。俯仰驱动轴102伸长时，可带动廊桥通道100整体绕顶部转轴向上仰方向转动，而收缩时则带动廊桥通道100整体向下转动。
31.对接装置200，包括安装座201、多件对接臂杆202和动平台隔框203，安装座201固定安装至远离舱体600的隔框103的一端，安装座201通过多件对接臂杆202连接至动平台隔框203上，且动平台隔框203连接至实施物体500的连接面，对接装置200为6自由度并联平台，具备6自由度调整、对接功能，安装在廊桥通道100最末端的隔框103上。对接装置200的动平台隔框203上安装有导向板，用于与需对接的舱体600配合以校正姿态。对接装置200可以采用并联机构理论中的6ups (万向铰-移动副-球副机构)构型，也可采用其它构型，如4-urs (万向铰-转动副-球副机构)构型等。
32.压紧释放装置300包括件电机卷筒301、导向绳轮302和绳索303，电机卷筒301固定安装至舱体600的一侧，导向绳轮302固定安装至动平台隔框203或安装座201上，绳索303的一端固定连接至舱体600或电机卷筒301外围，绳索303的另一端沿导向绳轮302外围延伸后固定连接至电机卷筒301的旋转端。
33.本实施例压紧释放装置300共计2套，分别安装在廊桥通道100的顶部及底部。绳索303两端分别固连在电机卷筒301以及舱体600上，导向绳轮302安装在最末端的动平台隔框203上。在廊桥收拢状态下，电机卷筒301收紧绳索303提供预紧载荷，对廊桥机构整体进行压紧。廊桥通道100各隔框103四角设计有锥座，可相互之间嵌套，既能在收拢状态下起到隔框103的定位作用，又能在廊桥机构收拢状态下提供抗剪作用。
34.密封蒙皮400为多层柔性蒙皮，通道圆形的蒙皮支撑框401，连接在廊桥通道100隔框103及对接装置200动平台隔框203上，蒙皮支撑框401直径与隔框103外包络圆直径相同，可随廊桥展开或收拢。
35.隔框103的一端设有对位槽，隔框103的另一端设有对位柱，相邻的隔框103通过定位柱外围自适应的对位至对位槽内实现收拢定位，自适应对位结构时定位槽为锥形槽，定位柱为锥形柱。
36.该廊桥机构安装在舱体600侧壁外侧，舱体600侧壁开有舱门可以实现人员进出。在组装对接前，舱门关闭，廊桥对接过程主要分为展开、对接、锁紧密封、充气过程。本实施例的实施物体500是需串接舱体600，需要组装对接的原舱体和串接舱体600就位后，压紧释放装置300的电机卷筒301释放绳索303，廊桥通道100的展开驱动轴101启动，驱动剪叉装置104伸展，带动廊桥通道100、密封蒙皮400随之展开。在此过程中，俯仰驱动轴102同步驱动廊桥进行俯仰运动，并检测两舱的俯仰高差，满足对接平台的捕获对接精度后停机。上述过程中，4组剪叉装置104与隔框103作为主承力部件，在廊桥通道100展开过程中起到了支撑作用。完成廊桥通道100展开后，已大部分消除了两舱的初始俯仰高差，随后主动控制6自由度对接装置200将动平台隔框203伸出，并与对接舱体600实现捕获，从而初步建立通道。由对接舱体600对廊桥机构的动平台隔框203进行锁紧后，完成了锁紧密封过程。最后，可由两舱对廊桥通道100内部进行充气，到达指定的气压后，密封蒙皮400受内压作用向外膨胀成圆柱形状。随后，即可打开两舱的舱门，进行人员、物资的交互。廊桥的踏板105用以直接承受通道载荷，并传递至隔框103及剪叉装置104共同承载。上述过程均为可逆过程，能够多次、可重复的进行对接及分离。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：包括廊桥通道(100)、对接装置(200)、压紧释放装置(300)和密封蒙皮(400)，廊桥通道(100)的一端连接至舱体，廊桥通道(100)的另一端安装压紧释放装置(300)，且压紧释放装置(300)的一端连接至实施物体(500)的连接面，廊桥通道(100)的外围包裹密封蒙皮(400)，廊桥通道(100)的长度能够伸缩，且廊桥通道(100)远离舱体(600)的一端能够相对廊桥通道(100)靠近舱体(600)的一端摆动。2.根据权利要求1所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：廊桥通道(100)包括多个隔框(103)，且多个隔框(103)相互平行设置，两两隔框(103)之间设置剪叉装置(104)，且剪叉装置(104)是两两隔框(103)的支撑结构。3.根据权利要求2所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：两两隔框(103)之间设置踏板(105)，且踏板(105)为可收纳结构，踏板(105)的两端分别铰接至一个隔框的一端。4.根据权利要求2所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：廊桥通道(100)还包括俯仰驱动轴(102)，且俯仰驱动轴(102)的一端铰接至一个隔框(103)的一侧，俯仰驱动轴(102)的另一端铰接至舱体(600)的一侧。5.根据权利要求2所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：每个隔框(103)上均设有滑孔，且滑孔是长孔，剪叉装置(104)包括第一支杆和第二支杆，且第一支杆中部和第二支杆中部分别转动套接至轴销外围，第一支杆的一端铰接至上游隔框(103)的一侧，第一支杆的另一端滑动连接至下游隔框(103)的滑孔内，第二支杆的一端滑动连接至上游隔框(103)的滑孔内，第二支杆的另一端铰接至下游隔框(103)的一侧。6.根据权利要求5所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：廊桥通道(100)还包括展开驱动轴(101)，展开驱动轴(101)包括动力电机、丝杠和螺母，螺母的外围固定连接至第一支杆的活动端、第二支杆的活动端，丝杠的外围螺纹连接至螺母内，且丝杠的一端固定连接至动力电机的传动轴，动力电机的外围固定连接至隔框上。7.根据权利要求2所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：对接装置(200)包括安装座(201)、多件对接臂杆(202)和动平台隔框(203)，安装座(201)固定安装至远离舱体(600)的隔框(103)的一端，安装座(201)通过多件对接臂杆(202)连接至动平台隔框(203)上，且动平台隔框(203)连接至实施物体(500)的连接面。8.根据权利要求7所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：动平台隔框(203)上安装有导向板，导向板用于与需对接的实施物体(500)的连接面配合以校正姿态。9.根据权利要求7所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其特征在于：压紧释放装置(300)包括件电机卷筒(301)、导向绳轮(302)和绳索(303)，电机卷筒(301)固定安装至舱体的一侧，导向绳轮(302)固定安装至动平台隔框(203)或安装座(201)上，绳索(303)的一端固定连接至舱体(600)或电机卷筒(301)外围，绳索(303)的另一端沿导向绳轮(302)外围延伸后固定连接至电机卷筒(301)的旋转端。10.根据权利要求2所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，其
特征在于：隔框(103)的一端设有对位槽，隔框(103)的另一端设有对位柱，相邻的隔框(103)通过定位柱外围自适应的对位至对位槽内实现收拢定位。

技术总结
本发明提供了一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，包括廊桥通道、对接装置、压紧释放装置和密封蒙皮，廊桥通道的一端连接至舱体，廊桥通道的另一端安装压紧释放装置，且压紧释放装置的一端连接至实施物体的连接面，廊桥通道的外围包裹密封蒙皮。本发明所述的一种用于月面舱段组装对接的大跨度重复展收廊桥机构，廊桥通道能够大角度俯仰伸展，无需校正两舱姿态仍能实现组装对接，不受地面凸起或凹坑的影响，可解决月面不确定的高低起伏地形下的大容差精准对接问题。低起伏地形下的大容差精准对接问题。低起伏地形下的大容差精准对接问题。


技术研发人员：刘卫 戴广永 胡晓光 付建宏
受保护的技术使用者：天津航天机电设备研究所
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/8