构架式空间可展开支撑臂

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1、32中国空间科学技术2⋯年4月ChineseSpaceScienceandTechn0109y第2期构架式空间可展开支撑臂刘志全黎彪程刚(中国空间技术研究院，北京100094)摘要构架式空间可展开支撑臂在实现大尺寸高刚度航天器方面有着广泛的应用需求。文章论述了几种典型构架式空间可展开支撑臂的结构组成、工作原理和发展现状，从多个方面比较了不同类型构架式空间可展开支撑臂的特点，阐述了构架式空间可展开支撑臂发展趋势，指出球铰接杆式空间可展开支撑臂是适应大型化发展的空间可展开支撑臂主要发展方向，分析了实现球铰接

2、杆式空间可展开支撑臂工程化尚需解决的关键技术。关键词支撑臂构架式盘压杆铰接杆航天器DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2011．02．0051引言随着大型航天器的发展，大型航天器部件的需求越来越大。空间可展开支撑臂以实现航天器大型化的优势和在柔性太阳翼、太阳帆、大口径空间望远镜、空间站等诸多领域具有广泛的应用前景而赢得了航天界的普遍关注。可储存管状伸展杆式支撑臂【l。3]因其承载能力弱、结构刚度低而在实现航天器大型化方面受到了一定的限制。伸缩套筒式支撑臂[4’5。的应用范围也因收拢

3、率(收拢状态下的轴向长度与展开后的轴向长度之比，以百分数表示)较大的缺点而受到了制约。充气刚化式支撑臂¨13虽具有低密度、收拢率小等优点，但一般不可循环收拢展开，且承载能力不足。整体张拉式支撑臂哺：目前还处于研发阶段，在工程中应用较少。构架式空间可展开支撑臂具有收拢率小、可展开长度大等优点，更能够适应于大尺寸和高刚度需求的航天器大型化应用场合，是目前最为先进的可展开支撑臂之一。本文对构架式空间可展开支撑臂的发展现状、结构组成、工作原理、性能特点和发展趋势进行综述，旨在促进构架式空间可展开支撑臂在实现中国

4、航天器大型化方面的发展和应用。2发展现状及特点构架式空间可展开支撑臂一般分为两类：一类是采用弹性杆件以周向盘旋方式进行收拢的盘压杆展开机构，另一类是采用刚性杆件以向心折转或侧向倒伏方式进行收拢的铰接杆展开机构。9。2．1盘压杆展开机构盘压杆展开机构是一种利用纵梁盘压收拢时储存的应变能进行伸展的线性展开机构。这类机构最早由美国ASTR0公司于20世纪60年代提出，其典型代表为Astromastmo的盘压杆机构，如收稿日期：2010—10一08。收修改稿日期：2010一11—242011年4月中国空间科学技

5、术图1所示。盘压杆展开机构由横向支架、纵梁和对角件组成，纵梁为连续的细长弹性杆，横向支架位于与纵梁垂直的平面内，对角件是位于盘压杆每侧面的十字交叉的对角绳索等组件。在收拢状态下，盘压杆受压紧装置的作用被压缩成如图1收拢段所示的螺旋形。此时横向支架中的杆件轴向受压而发生弹性变形，同时连续纵梁产生弯曲变形。当压紧装置释放后，横向支架中的杆件和纵梁中所储存的弹性势能得以释放，使得纵梁恢复为直线型，从而实现了盘压杆的展开。开段渡段拢段图1盘压杆展开机构的组成Fig．1Coilablelatticetrussco

6、nfiguration盘压杆有两种展开方式：拉索展开方式和套筒螺母展开方式，如图2所示。在拉索展开方式中，拉索一端固定在顶盘中心，另一端与盘压杆根部的阻尼器或减速器相连接，利用拉索提供的阻力来控制展开速度。而对于套筒螺母展开方式，在展开过程中，电机通过传动装置驱动提升螺母旋转，在提升螺母的带动下，展开段向外直线伸展，同时展开段带动套筒中收拢段的盘压杆沿着螺旋状导轨运动，实现盘压杆的连续展开。展开段过渡段收拢段(a)拉索展开方式(b)套筒螺母展开方式图2拉索展开方式及套筒螺母展开方式Fig．2lanyar

7、ddeploymentandelevatingnutdeployment拉索展开方式的优点是结构简单、可靠性高，缺点在于展开过程中顶端会旋转，而且在太空只能实现一次伸展，不能自动收拢，展开过程中过渡段的刚度很低。套筒螺母展开方式的优点在于：展开过程中和展开后的盘压杆都具有较高的强度和刚度；展开过程中盘压杆的顶端无转动；可以实现多次收拢展开，并能够提供较大的展开驱动力，可以用于展开较大的负载。其缺点是套筒组件导致总质量加大。自从20世纪60年代盘压杆展开机构问世以来，国外对其进行了大量的构型设计、有限元分

8、析、选材、展开控制系统设计、地面试验和空间展开收拢试验。盘压杆展开机构已成功应用在美国洛克希德公司研制的太阳电推进(SolarElectricPropulsion，SEP)太阳阵和TERRA卫星的太阳翼上。在飞行试验SAFE【11J(SolarArrayFlightExperiment)中，盘压杆展开机构也得到了成功应用。20世纪80年代，日本研究人员在Astromast的基础上研制了两种不同结构型式的盘压杆展开机构SimplexMast和