盘绕式伸展臂初步设计与分析

《盘绕式伸展臂初步设计与分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第18卷第2期载人航天Vo1．18No．22012年2月MannedSpaceflight45盘绕式伸展臂初步设计与分析张伟，于潇(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要简要介绍盘绕式伸展臂的组成，并对三种展开控制方式进行对比分析。分析伸展臂构型设计，包括纵杆数目、横架形状、连接方式和材料选取原则等，由此得出伸展臂关键设计参数间关系的计算公式。通过推导力学模型，得出伸展臂展开状态力学特性的计算公式。关键词盘绕式伸展臂；构型设计；设计参数；力学特性中图分类号：V414．1文献标识码

2、：A文章编号：1674—5825(2012)02—0045—041引言横架在空间站的建造及运行中，能源需求是非常大纵杆的，现有的刚性基板一扭簧铰链展开式太阳翼将难以展开段满足日益增长的能源需求，而盘绕式伸展臂可作为未来载人航天工程中大功率太阳翼的最佳选择之列角加劲一。盘绕式伸展臂具有刚度大、质量轻、收拢比高、伸缩平稳、热稳定性好、低磁甚至无磁和展开可靠性高过渡段等优点，在国外航天器上得到广泛应用，主要用途包收拢段括：太阳翼展开机构、空间机械臂、天线展开机构、太阳帆展开机构，以及其它科学探测仪器的展

3、开机构。图1盘绕式伸展臂的组成示意2伸展臂组成和展开方式(3)对角加劲索2．1组成节间对角加劲索为桁架每侧面节间绳索，承受盘绕式伸展臂通常是由连续纵杆、横架和对角预应力，可提高抗剪切和抗扭转刚度。加劲索三部分构成的桁架式机构，如图1。2．2展开方式(1)纵杆盘绕式伸展臂具体构造形式不尽相同，依展开连续纵杆长度与展开后伸展臂长度相同，具有方式的不同可分为三类：自由展开、拉索展开和螺母良好的弹性。收拢时纵杆受弯曲盘紧，收拢比高；展展开，如图2所示Il12】。开时纵杆为伸展臂提供轴向弯曲刚度和强度。2．

4、2．1自由展开(2)横架自由展开的盘绕式伸展臂如图2(a)所示。盘压横架是垂直于纵杆的结构件，与纵杆相连接，为收拢时的应变能为伸展臂的展开提供能量，展开时纵杆提供侧向支撑。盘绕式伸展臂顶端以旋转方式向外推进，展开方式收稿日期：2011-05—16；修回日期：2012一O1—09作者简介：张伟(1985一)，男，硕士，工程师，主要从事航天总体设计研究工作。E-mail：yuhang30@163_c0m载人航天第18卷(1)以材料自身应变能和电机为共同动力源展开，电机是主要动力源；(2)采用多线螺旋传

5、动方式实现展开；(3)展开过程中无明显过渡区，展开段几乎具有完全的刚度和强度，因而可以承受较大的载荷，可以携带较大质量的负载；(4)既可展开也可收拢；(5)展开过程中，杆的负载端无旋转；(a)自由展开(b)拉索展开(C)螺母展开(6)比上述两种方式展开机构的收藏体积更大、图2盘绕式伸展臂展开方式重量更大，控制方式更复杂。最简单。主要特点有：3盘绕式空间伸展臂构型分析(1)完全以材料自身应变能为动力源展开；3．1纵杆数目(2)展开过程不受控；通常纵杆的数目为3根或4根，相应为三角形(3)展开结束瞬间

6、负载端会承受较大的冲击载桁架和四边形桁架。三角形桁架和四边形桁架的整荷；体性能比较如表1所示。(4)展开过程中，杆的负载端会旋转；(5)展开时的过渡区(收拢区和展开区之间)的表1三角形桁架和四边形桁架的整体性能比较刚度很低，在展开过程中不能承受过大的载荷；四边形桁架三角形桁架(6)结构最简单，因而费用最低。模态频率较高高2．2．2拉索展开刚度较高高拉索展开的盘绕式伸展臂如图2(b)所示。在自由展开伸展臂基础上，增加了一根拉索来控制伸展质量较大较小运动，拉索通过伸展臂中心，绕在阻尼器或者电机驱可靠性

7、较低高动的鼓轮上，依靠后者实现对展开过程的部分控制。注：性能指标由低到高是，低<较低<较高<高。主要特点有：(1)完全以材料自身应变能为动力源展开；由表1的对比可知，3根纵杆的构型性能更优，(2)以电机或阻尼器控制系绳的释放实现对展下文分析所涉及盘绕式伸展臂的纵杆数目为三根。开过程的控制，因而展开过程平稳，不会出现展开结3．2横架形状束瞬间的冲击现象；盘绕式伸展臂的横架可以采用两种形式：一种(3)展开过程中，杆的负载端会旋转；是三角形横架，一种是Y形横架，其三个顶点分别与(4)展开时过渡区刚度很低

8、，在展开过程中不能三根纵杆相连，如图3所示。承受过大的载荷；(5)结构相对简单，费用较低。2．2I3螺母展开．螺母展开的盘绕式伸展臂如图2(c)所示。该类图3横架截面示意图装置采用了可旋转底盘、导向滑道、多线螺母驱动装置、电机及传动装置『3_5】。盘绕式伸展臂的展开运3．3横架与纵杆的连接动由螺旋驱动装置驱动滚子在导向滑道内运动来横架与纵杆的连接方式可分为有铰连接和无铰实现。在展开的过程中，筒外的已展开柱杆部分沿连接。有铰伸展臂在盘压收拢过程中，纵杆屈曲所至直线运动，而筒内的柱杆部