基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板

1.本发明属于太阳能收集板技术领域，特别涉及一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板。

背景技术：

2.空间可展结构是20世纪60年代后期，随着航天领域的飞速发展诞生的一种具有可展开特性的大型航天结构，在发射过程中处于折叠收拢状态，固定安装在运载火箭内部，保持体积最小发射到太空中。进入轨道后，由地面指挥中心控制结构依据设计要求逐渐展开，形成一个大型空间结构，锁定后保持工作运行状态。折叠式太阳能收集机构是空间可展结构在航天工程中的一个应用，是卫星结构的重要组成部分，为卫星的持续航行及任务执行提供动力能源。
3.目前大型固面展开机构多种多样，此类机构由几块可动的刚性厚板组成，在收拢状态下，各板折叠在一起。需要工作时，各板通过连接铰链适当地转动或者平动，展开成一个固面状机构。但其主要缺点在于传统可折展机构的折展比小，折展过程中各板容易相互干涉，难以满足当前的工程实际需求，因此设计具有折展比大、自由度少、型面精度高的可折展机构一直是研究人员的重点关注问题。

技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，采用剪纸折叠原理设计出由中间基板、基本折展单元以及过渡基板组成的太阳能帆板，并通过弹簧驱动铰链自身的驱动力实现太阳能帆板的自主阵列展开或收拢，同时还可以利用各板面之间的干涉实现太阳能帆板展开后的自我锁定，使得太阳能帆板结构简单、易于实现，且具有较大的折展比及较高的型面精度。
5.本发明采用的技术方案是一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其包括中间基板、基本折展单元和过渡基板，所述中间基板呈正多边形结构状，且所述中间基板的各棱边处间隔设置有中间凸台；所述基本折展单元圆周环绕设于所述中间基板的外侧，且所述相邻两个基本折展单元之间通过所述过渡基板连接，所述每个基本折展单元均包括第一基板、第二基板、第三基板和弹簧驱动铰链，所述第一基板第一端的棱边处设有第一凸台，且所述第一凸台的上边沿通过所述弹簧驱动铰链与所述中间凸台的上边沿转动连接，所述第一基板第一侧面的上边沿通过转动副与所述第二基板第一侧面的上边沿转动连接，且所述第二基板第二侧面的下边沿通过转动副与所述第三基板第一侧面的下边沿转动连接，所述第三基板第一端面的上边沿通过转动副与所述中间基板侧面的上边沿转动连接，且所述第三基板第二侧面的下边沿通过转动副与所述过渡基板第一侧面的下边沿转动连接，所述过渡基板第二侧面的上边沿通过转动副与所述相邻基本折展单元中第一基板第二侧面的上边沿转动连接，通过共同驱动所述基本折展单元中的弹簧驱动铰链转动能实现太阳能帆板的展开及收拢，且当所述中间基板的上表面与所述第一支撑板的上表面平行
时，此时太阳能帆板处于完全展开状态，当所述中间基板的上表面与所述第一支撑板的上表面垂直时，此时太阳能帆板处于完全收拢状态。
6.进一步地，所述弹簧驱动铰链包括合页、驱动弹簧、连接销轴和固定螺栓，所述合页通过固定螺栓分别设于所述中间凸台和第一凸台上，所述合页通过所述连接销轴转动连接，且所述连接销轴上设有所述驱动弹簧。
7.优选地，所述中间基板的内角与所述第二基板的扇形角之和等于所述第一基板的夹角与所述第三基板的夹角之和，且所述中间基板的内角与所述第二基板的扇形角之和等于180
°
。
8.优选地，所述第一凸台的高度等于所述第三基板的厚度，所述中间凸台的高度等于所述第二基板的厚度，且所述第三基板厚度等于所述第二基板厚度的两倍。
9.优选地，当太阳能帆板处于完全展开状态时，所述中间基板的上表面、所述基本折展单元中第一基板、第二基板和第三基板的上表面以及所述过渡基板的上表面均平行；当太阳能帆板处于完全收拢状态时，所述中间基板与所述第一支撑板的上表面垂直，所述第二基板及所述过渡基板均处于直立状态，且所述第二基板及所述过渡基板所在的平面垂直于所述中间基板，所述第三基板位于所述第一基板的内侧。
10.本发明的特点和有益效果是：
11.1、本发明提供的一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，采用剪纸折叠原理设计出由中间基板、基本折展单元以及过渡基板组成的太阳能帆板，并通过弹簧驱动铰链实现太阳能帆板的展开或收拢，同时可以利用各板面之间的干涉实现太阳能帆板展开后的自我锁定，有利于实现太阳能帆板具有单个自由度、较大的折展比及较高的型面精度。
12.2、本发明提供的一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，在合页的连接销轴处加装驱动弹簧，能通过驱动弹簧自身的驱动力实现太阳能帆板的自主阵列展开，具有结构简单、易于实现、有利于贮存等优点。
13.3、本发明提供的一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，当太阳能帆板完全展开时，太阳能帆板中的各板面均平行，有利于增加太阳能帆板吸光面积，提高储能效率，减少储能时间；当太阳能帆板完全收拢时，太阳能帆板中的各板面均均处于直立状态，减少了贮存太阳能帆板所占用的空间，有利于太阳能帆板的贮存收纳。
附图说明
14.图1是本发明基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板的整体结构示意图；
15.图2是本发明的中间基板、单个基本折展单元及过渡基板的连接示意图；
16.图3是本发明的完全展开状态及弹簧驱动铰链安装示意图；
17.图4是本发明的完全收拢状态示意图；
18.图5a)～5d)是本发明的折叠过程水平方向示意图；
19.图6a)～6d)是本发明的折叠过程竖直方向示意图。
20.主要附图标记：
21.弹簧驱动铰链1；合页11；驱动弹簧12；连接销轴13；固定螺栓14；中间基板2；中间凸台21；基本折展单元3；第一基板31；第一凸台311；第二基板32；第三基板33；过渡基板4。
具体实施方式
22.为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
23.本发明提供一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，如图1和图2所示，包括中间基板2、基本折展单元3和过渡基板4，中间基板2呈正多边形结构状，且中间基板2的各棱边处间隔设置有中间凸台21，基本折展单元3圆周环绕设于中间基板2的外侧，且相邻两个基本折展单元3之间通过过渡基板4连接，每个基本折展单元3均包括第一基板31、第二基板32、第三基板33和弹簧驱动铰链1，第一基板31第一端的棱边处设有第一凸台311，且第一凸台311的上边沿通过弹簧驱动铰链1与中间凸台21的上边沿转动连接，第一基板31第一侧面的上边沿通过转动副与第二基板32第一侧面的上边沿转动连接，且第二基板32第二侧面的下边沿通过转动副与第三基板33第一侧面的下边沿转动连接，第三基板33第一端面的上边沿通过转动副与中间基板2侧面的上边沿转动连接，且第三基板33第二侧面的下边沿通过转动副与过渡基板4第一侧面的下边沿转动连接，过渡基板4第一侧面的上边沿通过转动副与相邻基本折展单元3中第一基板31第二侧面的上边沿转动连接，通过共同驱动基本折展单元3中的弹簧驱动铰链1转动能实现太阳能帆板的展开及收拢，且当中间基板2的上表面与第一支撑板31的上表面平行时，此时太阳能帆板处于完全展开状态，当中间基板2的上表面与第一支撑板31的上表面垂直时，此时太阳能帆板处于完全收拢状态。
24.如图2所示，中间基板2的内角α
34
与第二基板32的扇形角α
12
之和等于第一基板31的夹角α
41
与第三基板33的夹角α
23
之和，且中间基板2的内角α
34
与第二基板32的扇形角α
12
之和等于180
°
。即：
25.α
12
+α
34
＝α
23
+α
41
＝π
26.第一凸台311的高度a
34
等于第三基板33的厚度a
12
，中间凸台21的高度a
41
等于第二基板32的厚度a
23
，且第三基板33厚度a
12
等于第二基板32厚度a
23
的两倍。即：
27.a
34
＝a
12
,a
41
＝a
23
28.a
12
＝2a
23
。
29.如图3所示，弹簧驱动铰链1包括合页11、驱动弹簧12、连接销轴13和固定螺栓14，合页11通过固定螺栓14分别设于中间凸台21和第一凸台311上，合页11通过连接销轴13转动连接，且连接销轴13上设有驱动弹簧12。由于太阳能帆板具有单个自由度，仅需要一个驱动力即可实现阵列的折叠运动，因此弹簧驱动铰链1能够为折展阵列关键驱动位置提供驱动力，其余位置提供辅助展开力，帮助折展阵列实现折叠运动。
30.如图3～图6所示，当太阳能帆板处于完全展开状态时，中间基板2的上表面、基本折展单元3中第一基板31、第二基板32和第三基板33的上表面以及过渡基板4的上表面均平行；当太阳能帆板处于完全收拢状态时，中间基板2与第一支撑板31的上表面垂直，第二基板32及过渡基板4均处于直立状态，且第二基板32及过渡基板4所在的平面垂直于中间基板2，第三基板33位于第一基板31的内侧。
31.本发明的具体操作步骤如下：
32.如图1～图6所示，本发明的一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，包括中间基板2、基本折展单元3和过渡基板4，基本折展单元3圆周环绕设于中间基板2的外侧，且相邻两个基本折展单元3之间通过过渡基板4连接，每个基本折展单元3均包括第一基
板31、第二基板32、第三基板33和弹簧驱动铰链1，且第一基板31与中间基板2之间、第一基板31与第二基板32之间、第二基板32与第三基板33之间、第三基板33与中间基板2之间、第三基板33与过渡基板4之间以及过渡基板4与相邻基本折展单元3中第一基板31之间均采用转动副连接，通过共同驱动基本折展单元3中的弹簧驱动铰链1转动能实现太阳能帆板的展开及收拢。
33.在具体工作过程中，将太阳能帆板工作面向上放置在水平面上，对收拢状态下的可展固面天线人为去除约束，使得弹簧驱动铰链1在驱动弹簧12自身的弹力作用下驱动太阳能帆板展开，如图5和图6所示，展开到预期的工作位置后各板之间在转动副处产生干涉碰撞而自锁，同时在弹簧弹力和厚板板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置。同时各支撑板可以采用3d打印进行制作，加工材料为pla，选用这种加工方法及材料，使得阵列复杂板面加工较为简单，结构稳固，重量较轻，成本较低。弹簧驱动铰链为金属材质，安装在可展阵列折痕位置，具有强度高，质量轻的优点。
34.本发明基于采用剪纸折叠原理设计折展阵列，使该折展阵列具有更大的折展比，在非工作阶段可以折叠成较小的体积以便于运输，在工作阶段再展开到预期的工作位置，并且该折展阵列具有单个自由度。同时利用弹簧驱动铰链安装在单自由度折展阵列的连接转动副处，通过弹簧弹性驱动折展阵列展开运动，通过弹簧弹力可实现折展阵列自动展开，通过板面关节之间的干涉可以实现展开后的自我锁定，使得折叠可靠性得到提升。此外通过材料切除与增添的方式对该折展阵列进行表面形貌处理，使得该阵列具有较高型面精度并能实现展开后的自我锁定；给合借用弹簧驱动力驱动阵列展开，去除了部分多余的驱动转动副，提高展开过程的稳定性，具有结构简单，折展比大，展开稳定，型面精度高等优点。
35.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其特征在于，其包括中间基板、基本折展单元和过渡基板，所述中间基板呈正多边形结构状，且所述中间基板的各棱边处间隔设置有中间凸台；所述基本折展单元圆周环绕设于所述中间基板的外侧，且所述相邻两个基本折展单元之间通过所述过渡基板连接，所述每个基本折展单元均包括第一基板、第二基板、第三基板和弹簧驱动铰链，所述第一基板第一端的棱边处设有第一凸台，且所述第一凸台的上边沿通过所述弹簧驱动铰链与所述中间凸台的上边沿转动连接，所述第一基板第一侧面的上边沿通过转动副与所述第二基板第一侧面的上边沿转动连接，且所述第二基板第二侧面的下边沿通过转动副与所述第三基板第一侧面的下边沿转动连接，所述第三基板第一端面的上边沿通过转动副与所述中间基板侧面的上边沿转动连接，且所述第三基板第二侧面的下边沿通过转动副与所述过渡基板第一侧面的下边沿转动连接，所述过渡基板第二侧面的上边沿通过转动副与所述相邻基本折展单元中第一基板第二侧面的上边沿转动连接，通过共同驱动所述基本折展单元中的弹簧驱动铰链转动能实现太阳能帆板的展开及收拢，且当所述中间基板的上表面与所述第一支撑板的上表面平行时，此时太阳能帆板处于完全展开状态，当所述中间基板的上表面与所述第一支撑板的上表面垂直时，此时太阳能帆板处于完全收拢状态。2.根据权利要求1所述的基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其特征在于，所述弹簧驱动铰链包括合页、驱动弹簧、连接销轴和固定螺栓，所述合页通过固定螺栓分别设于所述中间凸台和第一凸台上，所述合页通过所述连接销轴转动连接，且所述连接销轴上设有所述驱动弹簧。3.根据权利要求1所述的基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其特征在于，所述中间基板的内角与所述第二基板的扇形角之和等于所述第一基板的夹角与所述第三基板的夹角之和，且所述中间基板的内角与所述第二基板的扇形角之和等于180
°
。4.根据权利要求1所述的基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其特征在于，所述第一凸台的高度等于所述第三基板的厚度，所述中间凸台的高度等于所述第二基板的厚度，且所述第三基板厚度等于所述第二基板厚度的两倍。5.根据权利要求1所述的基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其特征在于，当太阳能帆板处于完全展开状态时，所述中间基板的上表面、所述基本折展单元中第一基板、第二基板和第三基板的上表面以及所述过渡基板的上表面均平行；当太阳能帆板处于完全收拢状态时，所述中间基板与所述第一支撑板的上表面垂直，所述第二基板及所述过渡基板均处于直立状态，且所述第二基板及所述过渡基板所在的平面垂直于所述中间基板，所述第三基板位于所述第一基板的内侧。

技术总结

本发明涉及一种基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板，其包括中间基板、基本折展单元和过渡基板，基本折展单元圆周环绕设于中间基板的外侧，且相邻两个基本折展单元之间通过过渡基板连接，基本折展单元中第一基板通过弹簧驱动铰链与中间基板转动连接，第一基板与第二基板转动连接，且第二基板与第三基板转动连接，第三基板与中间基板转动连接，且第三基板与过渡基板转动连接，过渡基板与相邻基本折展单元中的第一基板转动连接。本发明采用剪纸折叠原理设计出由多块基板组成的太阳能帆板，并通过弹簧驱动铰链自身的驱动力实现太阳能帆板的自主展开或收拢，使得太阳能帆板结构简单、易于实现，且具有较大的折展比及较高的型面精度。型面精度。型面精度。