基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构
基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构
随着空间探测工程的持续推进，航天器的设计面临着越来越高的要求。传统的空间展开机构存在展收比小、操作复杂、抗干扰能力差等问题。为了解决这些问题，研究人员从自然界中寻找灵感，提出了基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构。这种创新设计不仅实现了超大展收比，还具备简单可靠的展收形式和强稳定的抗干扰性能，为航天器的设计提供了新的思路。
背景技术
在空间探测工程的持续推进过程中，航天器发挥着举足轻重的作用，航天器的结构和功能也日趋完善。能够小体积折叠运输、大面积展开工作是航天器设计及其性能提升的首要前提。因此，空间折叠展开机构在航天器的设计过程中扮演着无可替代的关键作用。设计一种具有超大展收比、操作简单、性能可靠的折叠展开机构新构型，是实现航天器性能提升的前提。
现有的空间展开机构中，有可折叠铰接式展开或索杆铰接式展开，这种主要适用于桁架结构，对于大幅阵面的空间天线无法直接适用。大幅阵面展开结构通常采用伸缩臂与连杆机构组合的形式实现，但这种方式展收比小，展收效果过度依赖于伸缩臂的加工性能，并且在空间极端环境中抗干扰能力差。
可以发现，现有的空间展开机构普遍存在以下问题：展收比小，无法适应未来航天器性能提升的需要；展收方式复杂，极大降低了空间探测的可靠性和生存能力；纯刚性结构抵抗干扰能力差，在面对复杂、突发载荷时，会影响航天器的使用寿命及性能。
另一方面，自然界存在着值得人类学习的卓越工程师。小小的蝗虫能够进行洲际飞行，翅翼重量为其自身总重量的1-2%，但在飞行中却表现出超强的稳定性和极好的承载能力，是一种性能优良的结构。此外，蝗虫翅翼具有极大展收比，在飞行时，可迅速进行展翅动作，将隐藏在身体内部的翅翼结构迅速展开形成大面积的翅膀结构。研究者在对蝗虫翅翼进行深入研究后发现，蝗虫翅翼之所以具有高稳定性和高承载性，是因为其翅翼结构由纵横交错的翅脉和翅膜组成。刚性翅脉和柔性翅膜的组合形式构成一种刚柔耦合体，在力学性能提升中发挥了关键作用。
技术实现思路
针对上述问题，本发明根据蝗虫翅翼的特点，提出一种基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，解决现有空间展开机构普遍存在的问题。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，由基体与折展阵面构成；
所述折展阵面位于基体两侧，左右对称固定于基体上。折展阵面包括仿生翅翼骨架阵列、柔性薄膜阵面、剪叉联动展开装置与引导轨道。
其中，仿生翅翼骨架阵列为由多根仿生翅翼骨架构成，多根仿生翅翼骨架前端滑动套接于基体前端左右两侧设计的弧形引导轨道上。多根仿生翅翼骨架仿生翅翼骨架阵列表面铺设有柔性薄膜阵面；相邻仿生翅翼骨架相对侧面间安装有剪叉联动展开装置。剪叉联动展开装置包括由四根连杆相互铰接构成的剪叉单元以及相对铰接轴间安装的预紧弹簧构成；剪叉单元另两个相对的铰接轴连接相邻两根仿生翅翼骨架。
由此，通过驱动机构控制，实现折展阵面中各仿生翅翼骨架同步沿引导轨道展开或收拢。
本发明的优点在于：
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，实现航天器结构超大展收比设计，同时具备简单可靠展收形式、强稳定的抗干扰性能，确保航天器在轨运行的安全可靠。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，具有可以提供预先储存能量的弹簧机构，可以保证结构的稳定性，能适合于纯粹的被动展开。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，可以通过预先调节预载弹簧的载荷预加值，使得整体结构在展开到位后，弹簧仍处于工作状态，如此则可以保证阵面在工作过程中的稳定性，形成一个刚柔耦合的一体结构，避免了纯刚性结构在外部扰动下的大响应难题。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，各剪叉联动展开装置结构统一，便于实现模块化设计。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，可以调节各仿生翅翼骨架的长度，进而实现不同阵面形状，实现了阵面结构的多样化设计。
本发明基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，使用预载弹簧可以使得整体结构在展开过程中利用储存的弹性势能迅速展开，展开高效。
技术特征
基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：由基体与折展阵面构成；
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：折展阵面完全展开状态时，柔性薄膜阵面完全展开呈平面，达到最大展开表面积，且最外级骨架到达引导轨道的前端位置，预载弹簧处于拉伸状态；折展阵面完全收拢状态时，各仿生翅翼骨架完全收拢后相邻仿生翅翼骨架相对侧面间相互贴合。
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：相邻剪叉联动展开装置位置对应，相对连杆端部铰接于两者间的仿生翅翼骨架上同一根铰接轴上。
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：预载弹簧替换为拉伸弹簧，拉伸弹簧的末端与前端分别通过钢丝绳连接剪叉单元两个相对的铰接轴。
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：柔性薄膜阵面周向外缘沿位于最外侧两个仿生翅翼骨架长方向铺设并固定，同时与各个仿生翅翼骨架末端间连接固定。
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：驱动机构安装于基体顶面，包括滚珠丝杠、驱动连杆与减速电机；其中，滚珠丝杠的丝杠沿基体前后方向设置，两端由轴承座支撑；滚珠丝杠一端与驱动电机输出轴同轴连接；驱动连杆末端与滚珠丝杠上套接的丝杠螺母连接形成转动副，驱动连杆前端用于与最外侧的仿生翅翼骨架前部连接形成转动副。
如权利要求6所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：驱动机构为一套，具有两根驱动连杆；两根驱动连杆末端铰接于丝杠螺母左右对应位置，前端分别与基体左右最外侧的仿生翅翼骨架前部连接形成转动副。
如权利要求6所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：驱动机构为两套左右对称设置，两套驱动机构中各具有一根驱动连杆，驱动连杆前端分别与基体左右最外侧的仿生翅翼骨架前部连接形成转动副。
如权利要求1所述基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，其特征在于：相邻仿生翅翼骨架之间相对侧面间通过限位绳进行连接；限位绳在折展阵面完全展开处于完全展开状态下处于松散状态，直至到达完全展开状态时绷紧。
技术总结
本发明公开一种基于蝗虫翅翼的仿生变刚度折叠展开结构，属于空间飞行器领域，由基体与折展阵面组成。其中，基体用于模拟蝗虫的身体主干部分；两个折展阵面用于模拟蝗虫翅膀，左右对称布置安装于基体左右两侧。两个折展阵面由多根骨架构成，多根骨架前端可沿基体两侧滑轨滑动，使多根骨架以扇面展开方式进行展收，实现多根骨架保证骨架间运动的确定性和有序性。上述相邻骨架间通过剪叉联动展开装置相连，实现个骨架间运动的同步性。本发明可实现航天器结构超大展收比设计，同时具备简单可靠展收形式、强稳定的抗干扰性能，确保航天器在轨运行的安全可靠。
技术研发人员：刘世伟,吕胜男,丁希仑
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21