一种航天器用可卷绕收拢的闭口薄壁杆的制作方法

本实用新型属于航天器展开机构技术领域，具体涉及一种航天器用可卷绕收拢的闭口薄壁杆。

背景技术：

通过检索国内外有关的文献及专利数据库可知，在航天领域，国外对可卷绕收拢的三角形薄壁杆进行了较深入的研究，而国内尚未对该种薄壁杆进行研究。美国的Jeremy A.Banik和Thomas W.Murphey在文献“Performance Validation fo the Triangular Rollable and Collapsible Mast”(24th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites)对这种三角形薄壁杆的结构和设计进行了描述，这种薄壁杆由两个左右对称的截面为圆弧形的细长等截面薄片组成，两个薄片通过胶粘剂粘接为三角形截面的开口的细长杆状结构，薄片的材料可以为金属材料或者纤维增强复合材料。该薄壁杆的两个薄片可以通过外力压扁后像消防水管一样卷绕成密实的圆柱体，依靠卷绕时薄片存贮的弹性应变能自主展开，不需要另外的展开动力源。该薄壁杆具有刚度高、收纳比高、结构简单、可靠性高、重量轻、成形工艺过程简单等许多优点，已经应用于Nano-D太阳帆并且成功实现在轨展开。但该薄壁杆为开口截面的薄壁杆，其开口截面的结构特征，导致其展开状态受到较小的弯曲和轴向压缩载荷时开口迅速增大而失稳，即其弯曲和轴向压缩临界失稳载荷很小。而在实际的应用中，主要是利用该薄壁杆的外弯方向(绕垂直于两薄片粘接面的轴的方向)的抗弯能力和轴向抗压能力，使其应用仅局限于小型的太阳帆等薄膜结构上，而不能应用于中大型的薄膜结构的展开。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种航天器用可卷绕收拢的闭口薄壁杆，适用于薄膜太阳电池阵、薄膜天线、太阳帆、薄膜反射镜等薄膜结构的展开，具有开口薄壁杆无法比拟的高承载特性。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种航天器用可卷绕收拢的闭口薄壁杆，包括：两片相同的条状薄片A和薄片B及一片条状的薄膜；

所述薄片A和薄片B在自然状态下的横截面为圆弧段及位于圆弧段两端或一端且与其相 切的直线段组成；

其连接关系如下：薄片A一端的直线段和薄片B一端的直线段固接；薄膜的两端分别与薄片A和薄片B未固定连接的一端连接，由此形成横截面为三角形的闭口薄壁杆；

当薄片A和薄片B通过薄膜连接的一端靠拢直至薄片A和薄片B贴合压紧，此时薄膜进行对折，薄片A、薄片B及薄膜形成一个平直的薄板；将所述薄板卷绕在外部中心轴的外圆周面上。

进一步的，薄片A和薄片B未固定连接的一端表面上加工有与薄片A和薄片B长度方向一致的条形凹面，用于固定薄膜。

进一步的，薄片A和薄片B与薄膜的固定连接端的厚度小于薄片A和薄片B另一端的厚度。

进一步的，所述薄片A和薄片B由薄壁金属或纤维增强复合材料制成。

进一步的，所述薄膜为高分子聚合物薄膜。

进一步的，当所述闭口薄壁杆采用通过薄膜的中部向远离两片薄片的方向靠拢直至两片薄片贴合压紧，实现薄膜的对折时，薄膜的两端分别固定在薄片A和薄片B未固定连接端的外表面。

进一步的，当所述闭口薄壁杆采用通过薄膜的中部向靠近两片薄片的方向靠拢直至两片薄片贴合压紧，实现薄膜的对折时，薄膜的两端分别固定在薄片A和薄片B未固定连接端的内表面。

有益效果：(1)本实用新型通过采用薄膜将由两个薄片组成的三角形开口薄壁杆变为三角形闭口结构，所述闭口薄壁杆在承受外弯方向(绕垂直于两薄片粘接面的轴的方向，即薄膜发生面外弯曲的方向)的弯曲载荷和轴向压缩载荷时，薄膜受到拉伸从而阻止两薄片开口的增大，从而大大提高了外弯方向弯曲承载能力和轴向承载能力，即大大提高了外弯方向弯曲和轴向压缩临界失稳载荷，分析表明外弯方向弯曲临界失稳载荷和轴向压缩临界失稳载荷均可以提高5倍以上。

(2)本实用新型的薄膜使得闭口薄壁杆在展开状态时提高了外弯方向弯曲刚度。

(3)本实用新型的闭口薄壁杆通过卷绕收拢成圆柱状，具有非常高的收纳比，并且可以依靠薄片在收拢时存储的弹性应变能展开，非常适合用于航天器薄膜结构的在轨展开和支撑。

附图说明

图1为本实用新型的闭口薄壁杆采用向远离两个薄片方向对折的方案时的展开状态图。

图2为本实用新型的闭口薄壁杆采用向远离两个薄片的方向对折方案时的过渡状态图。

图3为本实用新型的闭口薄壁杆采用向远离两个薄片的方向对折方案时的压扁状态图。

图4为本实用新型的闭口薄壁杆采用向远离两个薄片的方向对折压扁后卷绕收拢状态图。

图5为本实用新型的闭口薄壁杆采用采用向靠近两个薄片方向对折的方案时的展开状态图。

图6为本实用新型的闭口薄壁杆采用向靠近两个薄片的方向对折的方案时的过渡状态图。

图7为本实用新型的闭口薄壁杆采用向靠近两个薄片的方向对折的方案时的压扁状态图。

图8为本实用新型的闭口薄壁杆采用向靠近两个薄片的方向对折压扁后卷绕收拢状态图。

其中，1-薄片A，2-薄片B，3-薄膜，4-中心轴。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种航天器用可卷绕收拢的闭口薄壁杆，参见附图1-3和5-7，包括：两片相同的条状薄片A1和薄片B2及一片条状的薄膜3；

所述薄片A1和薄片B2由薄壁金属或纤维增强复合材料制成，结构与钢卷尺相似，在自然状态下，薄片A1和薄片B2的横截面为圆弧段及位于圆弧段两端或一端且与其相切的直线段组成；

所述薄膜3为高分子聚合物薄膜，如聚酰亚胺或聚氨酯薄膜；

其连接关系如下：薄片A1的一端直线段和薄片B2一端的直线段部分通过焊接或胶接固定连接，形成横截面为三角形的开口薄壁杆；薄膜3与所述开口薄壁杆的开口端通过胶接固定，即薄膜3的两端分别与薄片A1和薄片B2未固定连接的一端连接，由此形成横截面为三角形的闭口薄壁杆，此时为闭口薄壁杆的展开状态,如图1所示；

当薄片A1和薄片B2通过薄膜3连接的一端靠拢直至薄片A1和薄片B2贴合压紧，同时，薄膜3的中部向远离薄片A1和薄片B2的方向对折，如图2所示，直到薄片A1、薄片B2及薄膜3形成一个平直的薄板，如图3所示；或薄膜3的中部向靠近薄片A1和薄片B2的方向对折，如图6所示，位于薄片A1和薄片B2之间后形成一个平直的薄板，如图7所示，此时为闭口薄壁杆的压扁状态；将所述薄板卷绕在外部结构的中心轴4的外圆周面上，在薄板的卷绕过程中继续将所述闭口薄壁杆压平，最终卷绕成为一个密实的圆柱体，参见附图4、8， 从而实现高收纳比的卷绕收拢；

其中，薄片A1和薄片B2未固定连接的一端表面上加工有与薄片A1和薄片B2长度方向一致的条形凹面，用于固定薄膜3，以使薄膜3粘接在薄片A1和薄片B2上后的表面平滑；或使薄片A1和薄片B2与薄膜3的固定连接端的厚度小于薄片A1和薄片B2另一端的厚度；以使薄膜3粘接在薄片A1和薄片B2上后的表面平滑，从而减小所述薄板卷绕收拢后形成的圆柱体的直径，即减小收拢体积，提高收纳比；

当所述闭口薄壁杆采用通过薄膜3的中部向远离两片薄片的方向靠拢直至两片薄片贴合压紧，实现薄膜3的对折时，薄膜3的两端分别固定在薄片A1和薄片B2未固定连接端的外表面；如图1所示；

当所述闭口薄壁杆采用通过薄膜3的中部向靠近两片薄片的方向靠拢直至两片薄片贴合压紧，实现薄膜3的对折时，薄膜3的两端分别固定在薄片A1和薄片B2未固定连接端的内表面；如图6所示；

工作原理：所述闭口薄壁杆卷绕收拢后可以弹性自展开，即依靠薄片A1和薄片B2在卷绕收拢过程中存贮的弹性应变能展开，展开过程中薄片A1和薄片B2像弹簧一样恢复其展开状态的形状，并且将薄膜3拉伸为平直状态，最终由所述薄板卷绕收拢形成的圆柱体变为截面为三角形的闭口薄壁杆。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。