一种面向空间材料实验的可展开立方星转让专利
申请号 : CN202110730860.0
文献号 : CN113428384B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 肖立平 , 史吴斌 , 李晓瑜 , 申承成 , 王艺 , 赵海峰 , 王珂
申请人 : 中国科学院空间应用工程与技术中心
摘要 :
权利要求 :
1.一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,包括支撑架、支撑杆、差速旋转驱动机构、光学成像机构以及多层样品托盘层;所述支撑架上连接有样品托盘支撑台,所述样品托盘支撑台包括多个阶梯状布置且由内至外高度逐层降低的环形台阶,每个所述环形台阶上布置有一层所述样品托盘层,每层所述样品托盘层包括多个样品托盘,所述样品托盘一端铰接在对应的环形台阶上;所述支撑杆一端与差速旋转驱动机构的连接轴连接,所述光学成像机构安装在所述支撑杆上,各层所述样品托盘层的样品托盘通过锁紧释放机构在所述支撑杆四周展开;所述差速旋转驱动机构与所述样品托盘支撑台的多个环形台阶连接,并驱动各个环形台阶分别带动其上的样品托盘绕所述支撑杆转动。
2.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述差速旋转驱动机构包括驱动主轴以及多个齿数不同的从动齿轮,多个所述从动齿轮同轴布置且与多个所述环形台阶一一对应连接;所述驱动主轴上连接有一个或多个主齿轮,所述主齿轮分别与对应的从动齿轮啮合并驱动对应从动齿轮上的环形台阶差速转动。
3.根据权利要求2所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述样品托盘支撑台包括两个阶梯状布置且由内至外逐渐降低的环形台阶,所述从动齿轮为同轴布置的两个且与两个所述环形台阶一一对应连接;所述驱动主轴上连接有一个主齿轮,所述主齿轮啮合在两个从动齿轮之间并同时驱动两个从动齿轮上的环形台阶差速转动。
4.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述样品托盘通过弹性部件铰接在所述环形台阶外侧边缘的位置。
5.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,每层所述样品托盘层包括的多个样品托盘合拢后呈筒状结构围绕在所述支撑杆四周。
6.根据权利要求5所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述筒状结构包括圆筒状结构或多边形筒状结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述锁紧释放机构包括绳和电热元件,所述样品托盘的另一端通过绳连接在支撑杆上,所述电热元件安装在所述支撑杆上并与所述绳对应布置;或所述锁紧释放机构包括第一驱动机构、第一形状记忆合金和卡盘,所述样品托盘的另一端通过卡盘卡接在所述支撑杆另一端,所述第一形状记忆合金安装在所述支撑杆上且与所述样品托盘对应布置,所述第一驱动机构与所述第一形状记忆合金连接;或所述锁紧释放机构包括第二驱动机构和第二形状记忆合金,所述第二形状记忆合金安装在所述支撑杆另一端并与样品托盘另一端的周侧限位卡接,所述第二驱动机构与所述第二形状记忆合金连接。
8.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述支撑杆另一端设有防护罩,所述光学成像机构安装在所述支撑杆的另一端并位于所述防护罩内;所述防护罩采用纳米高分子隔热绝缘材料制成,所述防护罩外侧包裹有一层原子氧布。
9.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述样品托盘的外侧壁以及所述支撑架的外侧壁上分别设有太阳能电池板。
10.根据权利要求1所述一种面向空间材料实验的可展开立方星,其特征在于,所述支撑架内设有电源、主控模块和通讯模块,所述电源和通讯模块分别与所述主控模块连接,所述主控模块分别与光学成像机构、差速旋转驱动机构以及所述锁紧释放机构连接。
说明书 :
一种面向空间材料实验的可展开立方星
技术领域
背景技术
导致飞行器产生故障。因此,了解材料在空间中的性能、稳定性和长期的行为变化具有重要
意义。地球上的实验室一次只能模拟有限个空间环境,且地面材料暴露实验的实验室条件
有限。为了深入了解材料在太空环境中的行为,需进行各种太空材料实验。太空材料实验的
样品包括聚合物、涂层、陶瓷、合金和复合材料等,此外,还有生物材料如种子、孢子和各种
类型的细菌。空间材料暴露实验是空间科学实验和空间探索的重要组成部分。了解空间环
境对材料和生物的影响,不仅可以为我国航天器设计工程的材料选择提供技术指标,而且
可以为材料的开发和改进提供指导。除此之外,太空材料实验结果还可作为地面材料暴露
实验的比较或验证。
自身振动对材料的影响。上述这些实验方法的成本较高。NASA在国际空间站上开展一系列
材料暴露实验研究“国际空间站材料实验(Materials International Space Station
Experiment, MISSE)。MISSE是目前为止开展的规模最大的材料使役行为研究。该实验材料
种类涉及润滑材料、太阳能材料、光学材料、光学镀膜材料、可膨胀材料、热控材料、复合材
料等。开展MISSE系列实验的总目标是通过将材料暴露于空间环境中,检验材料的空间稳定
性、耐受性以及设备运转的情况,并获得有价值的材料空间使役行为信息。该空间展开平台
多为公文包形状的样品支撑架,该装置在暴露实验前后,需要安装及拆卸时的特定操作,比
如使用机械臂安装,或需要宇航员进行舱外活动将样品支撑架安装在空间站外部。这样操
作不便且成本较高。
10cm的立方体。立方星最大的优势在于低成本和模块化开发生产。立方星具有的特定标准
使其设计时可以使用大批量生产的组件作为其电子设备和结构,因此立方星的工程和开发
成本比高度定制的小型卫星更低。同时,标准化的形状和尺寸也降低了立方星的发射成本。
本3次用于空间生命科学实验,分别是GeneSat‑1、PharmaSat和O/OREOS。国内外许多高校和
科研机构已经成功的对立方星进行了在轨验证,如代尔夫特理工的DELFI‑C3、东京工业大
学开发的CUTE系列、美国斯坦福大学和加拿大Canx开发的QUAKESAT‑1、中国上海微小卫星
工程中心研制的“上科大二号STU‑2 ”等。
案。
发明内容
架上连接有样品托盘支撑台,所述样品托盘支撑台包括多个阶梯状布置且由内至外高度逐
层降低的环形台阶,每个所述环形台阶上布置有一层所述样品托盘层,每层所述样品托盘
层包括多个样品托盘,所述样品托盘一端铰接在对应的环形台阶上;所述支撑杆一端与差
速旋转驱动机构的连接轴连接,所述光学成像机构安装在所述支撑杆上,各层所述样品托
盘层的样品托盘通过锁紧释放机构在所述支撑杆四周展开;所述差速旋转驱动机构与所述
样品托盘支撑台的多个环形台阶连接,并驱动各个环形台阶分别带动其上的样品托盘绕所
述支撑杆转动。
立方星平台体积小、结构简单、可以降低发射难度、缩短开发周期、降低材料暴露实验的成
本。
一个或多个主齿轮,所述主齿轮分别与对应的从动齿轮啮合并驱动对应从动齿轮上的环形
台阶差速转动。
盘上材料的充分曝光并进行光学信息采集。
上连接有一个主齿轮,所述主齿轮啮合在两个从动齿轮之间并同时驱动两个从动齿轮上的
环形台阶差速转动。
机构包括第一驱动机构、第一形状记忆合金和卡盘,所述样品托盘的另一端通过卡盘卡接
在所述支撑杆另一端,所述第一形状记忆合金安装在所述支撑杆上且与所述样品托盘对应
布置,所述第一驱动机构与所述第一形状记忆合金连接;或所述锁紧释放机构包括第二驱
动机构和第二形状记忆合金,所述第二形状记忆合金安装在所述支撑杆另一端并与样品托
盘另一端的周侧限位卡接,所述第二驱动机构与所述第二形状记忆合金连接。
驱动第一形状记忆合金形变,将卡盘顶起并脱离样品托盘,样品托盘端部的卡盘约束移除
后,样品托盘可以在弹性部件的驱动下自动展开;或者不需要卡盘,直接利用第二形状记忆
合金将样品托盘另一端的周侧进行限位卡接,利用第二驱动机构驱动第二形状记忆合金形
变,解除第二形状记忆合金与样品托盘的卡接,将样品托盘可以在弹性部件的驱动下自动
展开。
外侧包裹有一层原子氧布。
紧释放机构连接。
附图说明
具体实施方式
1、支撑杆2、差速旋转驱动机构3、光学成像机构21以及多层样品托盘层;所述支撑架1上连
接有样品托盘支撑台4,所述样品托盘支撑台4包括多个阶梯状布置且由内至外高度逐层降
低的环形台阶,每个所述环形台阶上布置有一层所述样品托盘层,每层所述样品托盘层包
括多个样品托盘5,所述样品托盘5一端铰接在对应的环形台阶上;所述支撑杆2与差速旋转
驱动机构3的连接轴31连接,所述光学成像机构21安装在所述支撑杆2上,各层所述样品托
盘层的样品托盘5通过锁紧释放机构在所述支撑杆2四周展开;所述差速旋转驱动机构3与
所述样品托盘支撑台4的多个环形台阶连接,并驱动各个环形台阶分别带动其上的样品托
盘5绕所述支撑杆2转动。
轴上连接有一个或多个主齿轮32,所述主齿轮32分别与对应的从动齿轮啮合并驱动对应从
动齿轮上的环形台阶差速转动。同轴布置的多个从动齿轮同轴连接在连接轴31上并能够绕
连接轴31转动。采用齿轮差速驱动机构,可以根据传动比的设计,实现内外不同环形平台的
差速转动,将各层样品托盘层展开后错位布置,实现样品托盘上材料的充分曝光,提高了暴
露材料的种类与暴露面积。通过差速齿轮实现内外层料盒的错动及转动,从而便于材料状
态信息数据的采集。
布置的两个且与两个所述环形台阶一一对应连接;两个从动齿轮从内到外分别为第一从动
齿轮33和第二从动齿轮34,两个环形台阶从内到外分别为第一环形台阶41和第二环形台阶
42,所述第一从动齿轮33与所述第一环形台阶41一体连接,所述第二从动齿轮34与所述第
二环形台阶42一体连接,第二从动齿轮42具体可以选择环形齿环,并将第一从动齿轮33设
置在该环形齿环内。所述驱动主轴上连接有一个主齿轮32,所述主齿轮32啮合在第一从动
齿轮和第二从动齿轮之间并同时驱动两个从动齿轮上的环形台阶差速转动。第一从动齿轮
33、第二从动齿轮34以及主齿轮32的齿数比可以选为1:3:1,当两层样品托盘层都展开后,
可以利用主齿轮32驱动第一从动齿轮33和第二从动齿轮34旋转角度差为22.5°时,实现两
层样品托盘层上样品托盘的充分曝光。
布置的从动齿轮,具体结构可以参考图2和图3以及上面关于齿轮差速驱动机构的优选方
案,再利用另一个主齿轮32驱动一个第三从动齿轮,该第三从动齿轮的尺寸可以介于第一
从动齿轮33和第二从动齿轮34之间,当然第三从动齿轮所在的环形台阶高度和尺寸也介于
第一环形台阶41和第二环形台阶42之间,这样就满足了三层样品托盘层的层叠合拢布置以
及展开后的差速驱动。
利用一个主齿轮32通过外切啮合的方式驱动两个从动齿轮,这两个从动齿轮所在环形台阶
的尺寸和高度存在差异,再通过内切啮合的方式驱动另一个从动齿轮。这三个从动齿轮所
在环形台阶的尺寸和高度各不相同并形成阶梯状结构。
缘的位置。方便将样品托盘自动由合拢状态转动至展开状态。具体可以在所述样品托盘支
撑台4的环形台阶靠近外侧的边缘位置设置安装槽43,然后再样品托盘5另一端设置在所述
安装槽43内并通过弹性部件52进行弹性铰接。限位约束移除后样品托盘在弹性能部件(扭
簧合页铰链)的驱动下展开。
积小,结构简单,可以减少发射难度,降低材料暴露实验的成本。
品托盘可以采用平板状结构,合拢后形成多边形筒状结构;或者将样品托盘内侧面设置为
平面,外侧面设置为弧面,这样合拢后就形成了圆筒状结构。具体的,可以设置3个、4个、5
个、6个、7个、8个、9个等数量的样品托盘,这样样品托盘在合拢后可以形成三棱柱、四棱柱、
五棱柱、六棱柱、七棱柱、八棱柱、九棱柱等结构。每层样品托盘层中的样品托盘数量可以相
同,也可以不同。
置了两个层环形台阶和两个带动对应环形台阶旋转的从动齿轮。每层样品托盘层可以设置
8个样品托盘,8个样品托盘在合拢后可以形成八棱柱结构。
支撑杆2上,所述电热元件安装在所述支撑杆2上并与所述绳对应布置,当需要将样品托盘5
展开时,利用电热元件将对应的绳烧断即可解除对样品托盘5的束缚,使样品托盘5释放展
开;或所述锁紧释放机构包括第一驱动机构、第一形状记忆合金和卡盘,所述样品托盘5的
另一端通过卡盘卡接在所述支撑杆2另一端,所述第一形状记忆合金安装在所述支撑杆2上
且与所述样品托盘5对应布置,所述第一驱动机构与所述第一形状记忆合金连接,第一形状
记忆合金可以采用类似弹簧形状或折叠形状,当需要将样品托盘5展开时,通过第一驱动机
构驱动第一形状记忆合金发生形变,使第一形状记忆合金将样品托盘5顶部的卡盘顶出,使
样品托盘5展开释放;或所述锁紧释放机构包括第二驱动机构和第二形状记忆合金,所述第
二形状记忆合金安装在所述支撑杆2另一端并与样品托盘5另一端的周侧限位卡接,所述第
二驱动机构与所述第二形状记忆合金连接。当需要将样品托盘展开的时候,利用电热元件
烧断绳即可;也可以利用卡盘将样品托盘卡接在支撑杆另一端,然后利用第一驱动机构驱
动第一形状记忆合金形变,将卡盘顶起并脱离样品托盘,样品托盘端部的卡盘约束移除后,
样品托盘可以在弹性部件的驱动下自动展开;或者不需要卡盘,直接利用第二形状记忆合
金将样品托盘另一端的周侧进行限位卡接,利用第二驱动机构驱动第二形状记忆合金形
变,解除第二形状记忆合金与样品托盘的卡接,将样品托盘可以在弹性部件的驱动下自动
展开。卡盘可以采用平板状结构,其周侧设有多个L型卡爪,整个卡盘类似蜘蛛形状,L型卡
爪将多个样品托盘5顶部限位束缚在一起。第一驱动机构和第二驱动机构可以采用热驱动、
化学驱动、电驱动等多种驱动方式,来驱动形状记忆合金发生形变。
绝缘材料制成,所述防护罩22外侧包裹有一层原子氧布。本实施例的光学成像机构可以选
用光学相机,采用防护罩以及原子氧布可以防止摄像头电路被空间环境腐蚀,保证摄像头
的工作温度。
侧壁上分别设有太阳能电池板6。能够利用太阳能电池板进行太阳能发电。
21、差速旋转驱动机构3以及所述锁紧释放机构连接。可以将太阳能电池板6与各个用电模
块进行连接,太阳能电池板6可以为各个用电模块提供电源。
支撑架1四周以及上下盖板上分别涂有隔热材料。本实施例支撑杆2作为光学成像机构21的
支撑结构,可以选用铝合金材料制成。本实施例的样品托盘5 上设有多个样品槽,可以将样
品放置在样品槽中,并通过盖板51进行扣合压紧定位,盖板51上与样品槽对应的位置开设
有多个曝光孔,可以对样品材料进行曝光,曝光面积即为曝光孔的面积。
托盘在未展开状态是围绕立方星支撑杆周围排列的两个同心层,如图4所示。样品托盘一端
与八边形的样品托盘支撑台之间采用弹性部件铰接,在展开时打开样品托盘顶部的缩紧释
放机构,样品托盘弹开,弹性部件可以保证样品托盘保持与立方星底面平行(也可以稍不平
行,或者成一定角度布置,能够将样品托盘展开充分曝光即可)的角度位置。展开过程如图5
所示。待两层样品托盘都展开并稳定后,如图6所示,此时内外层样品托盘是重叠的。随后通
过差速旋转驱动机构即步进电机与齿轮组的差速运动,内外样品托盘以不同的角速度旋
转。两层样品托盘最终可以暴露在外,不再互相遮挡,形成了可展开、可旋转的花瓣状结构,
如图7所示。在材料进行暴露实验过程中,光学相机可在设定好的时间点对暴露的样品进行
图像采集,如有需要,也可再次驱动样品托盘旋转至合适的拍照位置,光学相机通过通信模
块以及主控模块将图像数据传输到地面。
实验与立方星设计结合,使用有限尺寸的立方星实现较大面积的材料暴露实验。本发明基
于材料暴露实验的立方星平台体积小、结构简单,可以减少发射难度,降低材料暴露实验的
成本。另外,现有的材料暴露实验样品回收成本普遍较高。本发明提出了一种非回收式获得
材料暴露实验结果的方法,利用立方星上携带的成像系统,在预设的时间点得到暴露平台
上样品的图像,将目标图像发送至地面分析设备,获取样品暴露实验结果。
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三
个等,除非另有明确具体的限定。
接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
实施例进行变化、修改、替换和变型。