一种适于分块方形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法

摘要

本发明公开了一种适于分块方形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法，对四块太阳帆帆面分别进行折叠，然后将折叠好的四块三角形帆面的顶点固定在四个帆面卷轴上，将四块帆面分别卷在四个帆面卷轴上，帆面卷轴固定在支撑包装结构底板上，相邻帆面卷轴上两个三角形帆面相邻的两个斜边顶点与两帆面卷轴间支撑杆的伸出端相连，完成了帆面折叠及整体收纳。本发明解决了帆面分块、采用五点连接式的大面积支撑杆型太阳帆帆面的折叠问题，折叠方式简单，在支撑杆沿帆面对角线方向伸出时，能够带动各个帆面独立展开，展开过程稳定有序，帆面不会出现相互缠绕等现象，提高了可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳帆帆面的折叠方法，尤其涉及一种适用于帆面为分块 的方形帆、采用五点连接的支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法。

背景技术

太阳帆是利用太阳光压进行宇宙航行的飞行器。在理想的情况下，太阳帆 航天器不需要任何燃料，它可以从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙 空间。只要形状和倾角适当，太阳帆可以飞向包括朝向光源在内的任何方向， 在深空探测方面有极大的优越性。目前，美国、日本、俄罗斯和欧洲都开展了 太阳帆相关技术的研究。

光子撞击太阳帆面并被完全反射回去，对太阳帆产生反作用力推动太阳帆 进行宇宙航行，为了使太阳能提供足够的光压，太阳帆必须尽可能多地捕捉到 太阳光，这就意味着帆的面积必须足够大；在发射时，由于发射空间有限，又 需要将太阳帆贮存在较小的空间内。因此，需要对太阳帆的帆面进行合理的折 叠，以保证太阳帆进入轨道后在空间的顺利展开。

太阳帆有多种分类方式：根据帆面形状不同，可以分为方形帆、圆形帆和 叶形帆；根据展开方式不同，可分为自旋展开太阳帆和支撑杆型太阳帆，自旋 展开太阳帆利用自旋离心力实现帆面的展开和帆面形状的保持，而支撑杆型太 阳帆则是利用支撑杆实现帆面的展开及形状保持。太阳帆帆面形状巨大，通常 将分块制造帆面。对于方形的支撑杆型太阳帆，通常沿方形帆的对角线方向将 帆面分为四块等腰直角三角形帆面来分别制造，称其为帆面分块的太阳帆。对 帆面分块的方形支撑杆型太阳帆，支撑杆和帆面有较常用的两种连接方式：第 一种连接方式是将方形帆面四个顶点和中心点分别与支撑杆连接，称为五点连 接，这种连接方式有利于帆面和支撑杆分别折叠，避免了展开时过多的相互干 扰；第二种连接方式不仅将帆面四个顶点和中心点与支撑杆连接，而且将帆面 边缘与支撑杆相邻处进行多点连接，将帆面与支撑杆连接为一个整体，这种连 接方式要求帆面与支撑杆在折叠时相互配合，二者在展开时也会有较大的干扰。

日本IKAROS于2010年5月发射升空，成功实现了太阳帆的在轨展开。它 对太阳帆面的整体进行折叠，利用自旋离心力实现帆面的分步展开，但是这种 折叠方式仅适用于对整个方形帆面进行，对于帆面分块制造，分别折叠的太阳 帆并不适合。美国于2010年11月发射的NanoSail-D太阳帆也成功进入近地轨 道并进行了展开实验。NanoSail-D帆面采用分块制造，四块帆面分别进行简单 的竖向Z型折叠之后，再一起卷在位于太阳帆中心的卷轴上，支撑杆与帆面采 用五点连接方式。在支撑杆的拉力作用下，帆面迅速展开，但是仅适用于面积 较小的帆面，展开初期出现帆面堆积的情况，对大面积太阳帆在帆面展开初期 有可能出现帆面缠绕的状况，阻碍帆面的进一步展开。

由于太阳帆构型不同，以及帆面采用整体折叠或分块折叠的差异，帆面适 合的折叠方式也有所不同。对于帆面分块且分别折叠的、利用支撑杆展开的大 型方形太阳帆，目前没有较适合的折叠方式使得四块太阳帆面能够在支撑杆拉 力作用下同步有序稳定的展开。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适于分块方形 支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法，解决了帆面分块、采用五点连接式的大面积 支撑杆型太阳帆帆面的折叠问题,折叠方式简单，展开过程稳定有序，提高了可 靠性。

本发明的技术方案是：一种适于分块方形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法， 包括如下步骤：

（1）将方形太阳帆帆面沿两个对角线方向分为四块等腰直角三角形帆面；

（2）每块三角形帆面分别按照以下方式进行折叠：

设每块三角形帆面的直角顶点为A，另两个顶点分别为B和C，取斜边BC 的中点D，将帆面沿AD对折，将AD等分为n段，设n-1个节点分别为 P₁、P₂、……、P_n-1，在三角形ADC内经过每一个节点作直角边AC的平行线，分 别为P₁N₁、P₂N₂、……、P_n-1N_n-1，在三角形ADB内经过每一个节点作直角边AB 的平行线，分别为P₁M₁、P₂M₂、……、P_n-1M_n-1；然后将DP₁N₁和DP₁M₁从AP₁N₁C和 AP₁M₁B之间穿过，并沿P₁N₁和P₁M₁进行折叠；将DP₂N₂和DP₂M₂从P₁N₁N₂P₂和 P₁M₁M₂P₂之间穿过，并沿P₂N₂和P₂M₂进行折叠；依此交错方向折叠，直到将 DP_n-1N_n-1和DP_n-1M_n-1从P_n-2N_n-2N_n-1P_n-1和P_n-2M_n-2M_n-1P_n-1之间穿过，并沿P_n-1M_n-1和 P_n-1N_n-1进行折叠，从而完成一块三角形帆面的折叠；

（3）将每块三角形帆面的直角顶点A固定在一个帆面卷轴上，折叠好的 帆面卷在帆面卷轴上，卷完之后两个斜边顶点B和C露在帆面卷轴外端，四块 三角形帆面分别卷在四个帆面卷轴上；

（4）中心柱体1固定在放置太阳帆支撑杆与帆面的包装结构的底板3上， 帆面卷轴2和支撑杆卷轴4围绕中心柱体1间隔放置，帆面卷轴2一端固定在 中心柱体1上，另一端固定在底板3上，支撑杆卷轴4固定在中心柱体1上， 支撑杆伸出端连接相邻帆面卷轴上两个三角形帆面相邻的两个斜边顶点，完成 帆面整体的收纳；

（5）当帆面展开时，四根支撑杆卷轴沿帆面展开时的对角线方向逐步伸展， 带动帆面卷轴2转动，实现帆面的逐步展开。

所述AD等分的段数n由帆面折叠收纳后高度的限制h决定，n为满足不 等式的最大整数值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明折叠方式简单，易于对帆面进行简单折叠；

(2)本发明中四块帆面分别折叠并卷在不同帆面卷轴上，各个帆面独立展 开，展开过程稳定有序，帆面不会出现相互缠绕等现象，可靠性较高；

(3)本发明中帆面与支撑杆相连接的位置可以根据支撑杆收纳后的位置来 调整，保证了帆面与支撑杆连接的灵活性；

(4)应用本发明的折叠方法对太阳帆帆面进行折叠后，实现帆面展开仅需要 在帆面的四个顶点施加沿对角线方向的拉力，四个方向同时施加同时展开，对 支撑杆的要求较低，可以采用充气式支撑杆或者可卷曲的人字形支撑杆等各种 类型的支撑杆；

(5)应用本发明的折叠方式折叠后，在支撑杆展开时能够同时带动帆面展 开，展开方式简单，展开过程一步到位，避免分步展开带来的对展开机构的要 求过高等问题。

附图说明

图1为采用五点连接的分块方形支撑杆型太阳帆帆面示意图；

图2为一块帆面的折叠过程示意图；

图3为折叠后的一块帆面顶点固定在帆面卷轴上的示意图；

图4为一块帆面半卷在帆面卷轴上的示意图；

图5为一块帆面完全卷在帆面卷轴上的示意图；

图6为帆面卷轴以及支撑杆的连接方式示意图；

图7为帆面整体半展开状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的介绍。

本发明针对的是五点连接式的帆面分块的方形支撑杆型太阳帆，方形帆四 个顶点及帆面中心点与支撑杆固连，这种类型太阳帆帆面的分块方式是：沿两 个对角线方向将帆面分为四块等腰直角三角形帆面。由于帆面与支撑杆采用五 点连接的方式，即每块三角形帆面的三个顶点都与支撑杆固定连接。每块三角 形帆面分别按照“L”型折叠的方式进行折叠，“L”型折叠也称为单叶折叠方式， 是基于仿生学提出的一种折叠方式，它对帆面两个方向同时进行折叠，折叠之 后的三角形帆面呈细长的条状。将帆面顶点，即太阳帆的中心点固定在帆面卷 轴上，太阳帆两个顶点朝外，将条状帆面卷在帆面卷轴上。四个帆面卷轴固定 在帆面中心点一定位置处，配合太阳帆的其他装置放置，使帆面卷轴尽可能的 接近中心点位置，但四个帆面卷轴相互之间留有间隔，避免帆面卷轴过分贴近 导致展开时相互干扰。相邻三角形帆面的顶点与支撑杆的一端固定连接在一起， 处于收纳状态时根据支撑杆收纳后顶点的位置来调整帆面顶点位置，发射入轨 后支撑杆沿对角线方向缓慢伸出时带动太阳帆面同时展开，实现太阳帆的在轨 展开。

如图1所示为帆面分块的方形支撑杆型太阳帆帆面。本发明的适于分块方 形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法，包括如下步骤：

（1）将方形太阳帆帆面沿两个对角线方向分为四块等腰直角三角形帆面；

（2）每块三角形帆面分别按照以下方式进行折叠：

设每块三角形帆面的直角顶点为A，另两个顶点分别为B和C，取斜边BC 的中点D，将帆面沿AD对折，将AD等分为n段，设n-1个节点分别为 P₁、P₂、……、P_n-1，在三角形ADC内经过每一个节点作直角边AC的平行线，分 别为P₁N₁、P₂N₂、……、P_n-1N_n-1，在三角形ADB内经过每一个节点作直角边AB 的平行线，分别为P₁M₁、P₂M₂、……、P_n-1M_n-1；然后将DP₁N₁和DP₁M₁从AP₁N₁C和 AP₁M₁B之间穿过，并沿P₁N₁和P₁M₁进行折叠；将DP₂N₂和DP₂M₂从P₁N₁N₂P₂和 P₁M₁M₂P₂之间穿过，并沿P₂N₂和P₂M₂进行折叠；依此交错方向折叠，直到将 DP_n-1N_n-1和DP_n-1M_n-1从P_n-2N_n-2N_n-1P_n-1和P_n-2M_n-2M_n-1P_n-1之间穿过，并沿P_n-1M_n-1和 P_n-1N_n-1进行折叠，从而完成一块三角形帆面的折叠；

图2中(a)所示即为分块后的一块帆面，即整块帆面的1/4帆面。设该块太 阳帆帆面的直角顶点为A，另两个顶点分别为B和C，取斜边BC的中点D， 连接AD，首先将一块帆面沿AD段对折，点C在点B的正上方，根据对帆面 折叠收纳后高度的限制h，确定AD段需等分的段数n，令n取满足不等式 的最大整数值。以n=4为例对折叠过程进行详细说明，将AD平均划 分为4段，划分后三个节点分别为点P₁、P₂、P₃；在点P₁处做直角边AC（AB） 的平行线P₁N₁（P₁M₁），如图2中(b)所示，然后将DP₁N₁和DP₁M₁从AP₁N₁C和AP₁M₁B 之间穿过，并沿P₁N₁和P₁M₁进行折叠（从图2中看即为从AC和AB之间穿过， 向右折叠），折叠后如图2中(c)所示；然后将DP₂N₂和DP₂M₂从P₁N₁N₂P₂和P₁M₁M₂P₂之间穿过，并沿P₂N₂和P₂M₂进行折叠（从图2中看即为从P₁N₁和P₁M₁之间穿过， 向左折叠），折叠后如图2中(d)所示；然后将DP₃N₃和DP₃M₃从P₂N₂N₃P₃和P₂M₂M₃P₃之间穿过，并沿P₃M₃和P₃N₃进行折叠（从图2中看即为从P₂M₂和P₂N₂之间穿过， 向右折叠），折叠后如图2中(e)所示；从而完成一块帆面的折叠；

（3）将每块三角形帆面的直角顶点A固定在一个帆面卷轴上，将折叠好 的帆面卷在帆面卷轴上，卷完之后两个斜边顶点B和C露在帆面卷轴外端，四 块三角形帆面分别卷在四个帆面卷轴上；

折叠后的一块帆面直角处的顶点A固定在一个帆面卷轴上，如图3所示（图 3中(a)为一块帆面直角处的顶点固定在一个帆面卷轴上的主视图，(b)为右视图， (c)为仰视图），将折叠好的帆面卷在帆面卷轴上，如图4所示是一块帆面半卷 在帆面卷轴上的示意图，最后露在外端的是三角形帆面除直角顶点以外的两个 斜边顶点；完全卷好的一块帆面如图5所示（图5中(a)是卷好的一块帆面的 主视图，(b)是左视图）。

（4）3为放置太阳帆支撑杆与帆面的包装结构的底板，中心柱体1固定在 底板3上，帆面卷轴2和支撑杆卷轴4围绕中心柱体1间隔放置，帆面卷轴2 一端固定在中心柱体1上，另一端固定在底板3上，支撑杆卷轴4固定在中心 柱体1上，支撑杆的伸出端连接相邻卷轴上两个三角形帆面相邻的两个斜边顶 点，完成帆面整体的收纳；

把四个帆面卷轴围绕飞行器中心体的中心位置（中心柱体1）对称放置， 四个帆面卷轴之间留有一定间隔，防止因距离过近导致帆面展开时相互干扰。 如图6中(a)所示为帆面卷轴以及支撑杆卷轴的连接方式的三维示意图，(b)为俯 视图。图6中仅简单画出支撑杆卷轴及支撑杆伸出端方向，不涉及支撑杆的展 开辅助机构，用以说明帆面与支撑杆放置的相对位置及连接方式。如图6中（a） 所示，太阳帆飞行器帆面发射时帆体和支撑结构需要紧凑的包装起来，即需要 一个支撑包装结构，图中的3即为包装结构的底板。中心柱体1固定在底板3 上，帆面卷轴2垂直于底板3，并通过其中心轴一端固定在中心柱体1上，另 一端固定在底板3上，支撑杆卷轴4的中心轴固定在中心柱体1上，帆面卷轴 和支撑杆卷轴围绕中心柱体间隔放置，放置位置如图6中(b)所示，支撑杆卷轴 4的伸出端连接相邻帆面卷轴上两个三角形帆面相邻的两个斜边顶点，即每个 帆面卷轴露在外面的与支撑杆卷轴相邻的顶点分别与支撑杆伸出端连接，完成 帆面整体的收纳。

（5）当帆面展开时，四根支撑杆卷轴沿帆面展开时的对角线方向逐步伸展， 带动帆面卷轴2转动，实现帆面的逐步展开。

按照本方法折叠以后的帆面展开过程的具体实施方式：帆面整体收纳好时 的状态如图6所示，四根支撑杆沿帆面展开时的对角线方向逐步伸展时，带动 帆面卷轴转动，帆面逐步展开；图7所示是帆面在支撑杆带动下展开一半时的 状态；随后支撑杆继续伸出，直至支撑杆完全伸展开，而帆面此时也实现了完 全展开，完成太阳帆面整体的展开。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。