一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置及其控制方法

摘要

本发明公开一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置及其控制方法，以实现卷曲折叠充气管的卷曲装夹固定和展开控制。其中卷曲折叠充气管装夹展开控制装置包括堵头装置、刚性挡板及柔性挡板，本发明通过柔性挡板与卷曲折叠充气管之间的摩擦阻力来约束卷曲折叠充气管的展开过程，从而避免了无约束展开导致的剧烈振动和摆动。在卷曲折叠充气管自由端充入气体，压力达到一定水平后，受压膨胀的充气管将克服摩擦阻力的约束，沿柔性挡板的边沿逐渐展开。本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置的结构简单，空间占有少，充气压力要求低，摩擦阻力可调，管外壁无需附加Velcro粘扣带，特别适用于薄壁卷曲折叠充气管的展开控制。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置及其控制方法，其应用于航天器 空间充气管的装夹展开控制。

背景技术：

由于空间充气展开结构的主要构成部分是柔性薄膜材料，故此，空间充气展开结构 具有质量轻、包装体积小、成本低和展开可靠性高，以及能够满足空间应用等结构要求。 在空间任务中，空间充气展开结构应用越来越广泛。卷曲折叠充气管是一种简单、典型 的空间充气展开结构，可用于航天器充气支撑管、可展开天线和太阳帆等。无约束卷曲 折叠充气管在展开过程中将产生剧烈摆动和振动，甚至导致航天器失稳，因此对展开过 程施加约束控制是其成功应用的关键。针对卷曲折叠充气管展开问题，现有的主流方式 是通过Velcro粘扣控制卷曲折叠充气管的充气过程，需要在管外壁附加Velcro粘扣带， 附加质量、空间要求较高，而且不便于调节展开阻尼力，而对于薄壁卷曲折叠充气管， Velcro粘扣带将无法使用。

发明内容：

本发明提供一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置及其控制方法，该装夹展开控制 装置所需安装空间小，效果稳定，特别适用于细长薄壁卷曲折叠充气管的装夹展开控制。

本发明采用如下技术方案：一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置，其包括堵头装 置、刚性挡板及柔性挡板，所述堵头装置包括左侧堵头及与左侧堵头安装于一起的右侧 堵头，所述左侧堵头包括第一基体及自第一基体的一侧延伸的左侧堵头轴，所述右侧堵 头包括第二基体及自第二基体的一侧延伸的且与左侧堵头轴螺纹连接于一起的右侧堵 头轴，在所述第一基体和第二基体之间自左向右依次安装有刚性挡板、柔性挡板、卷曲 折叠充气管、柔性挡板及刚性挡板。

进一步地，所述柔性挡板包括分别设置于卷曲折叠充气管两侧的两个。

进一步地，所述刚性挡板包括分别设置于柔性挡板两侧的两个。

进一步地，在所述左侧堵头轴上与第一基体相对的末端凹陷形成有螺纹孔。

进一步地，所述右侧堵头轴呈阶梯状，其包括自第二基体的一侧延伸的直径较大的 第一部分以及直径小于第一部分的第二部分。

进一步地，在所述第二部分的外表面上形成有与螺纹孔相配合的螺纹。

进一步地，所述刚性挡板和柔性挡板的侧面直径相同，所述刚性挡板和柔性挡板侧 面直径尺寸等于所述卷曲折叠充气管的最大折叠厚度的1.1～1.3倍。

进一步地，所述堵头装置的左侧堵头轴和右侧堵头轴的第一部分的直径尺寸相同， 且等于卷曲折叠充气管的初始折叠直径，第一基体和第二基体的直径尺寸相同，且等于 卷曲折叠充气管的初始折叠直径的1.4～1.6倍。

本发明还采用如下技术方案：一种卷曲折叠充气管装夹展开控制装置的控制方法， 其包括如下步骤：

步骤一：通过螺纹旋转调节左侧堵头的第一基体和右侧堵头的第二基体之间的距 离，进而调整卷曲折叠充气管装夹时所受侧向夹紧力，该力的大小通过以下公式计算：

$F=\mathrm{EA}\frac{D-D_0}{2d}$

其中，E是柔性挡板的弹性模量，A是柔性挡板受力面积，D₀柔性挡板未变形时第一 基体和第二基体之间的距离，D柔性挡板变形后第一基体和第二基体之间的距离，d是 未变形时柔性挡板厚度；

步骤二：在卷曲折叠充气管的自由端连接气源，充气管不断膨胀，充气管所受到的 约束力越来越小，当膨胀到一定程度后，即可完全克服卷曲折叠充气管装夹时所受侧向 夹紧力，卷曲折叠充气管逐渐展开。

本发明具有如下有益效果：

1).与现有的Velcro粘扣带固定方式相比，本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装 置所需安装空间小，能够很大程度上节约航天器内部紧张的空间，卷曲折叠圈数越多， 所节省空间越多；

2).本发明利用柔性挡板的变形恢复力约束卷曲折叠充气管，该方式能够提供连续 稳定的约束力，使得折叠充气管展开过程匀速平稳；

3).卷曲折叠充气管充气到特定程度(即充气管横截面宽度小于未变形柔性挡板间 距离)，将会完全克服本发明中所提供的约束，展开过程对充气压力要求很低；

4).相比于现有的Velcro粘扣带固定方式，本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装 置，特别适用于细长薄壁卷曲折叠充气管的装夹展开控制。

附图说明：

图1为本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置的结构示意图。

图2为图1所示卷曲折叠充气管装夹展开控制装置中堵头装置的结构示意图。

其中：

1-堵头装置；2-刚性挡板；3-柔性挡板；4-卷曲折叠充气管；10-左侧堵头；11-右侧 堵头；100-第一基体；101-左侧堵头轴；102-螺纹孔；110-第二基体；111-右侧堵头轴； 112-螺纹；1110-第一部分；1111-第二部分。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

请参照图1和图2所示，本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置包括堵头装置1、 刚性挡板2、柔性挡板3以及卷曲折叠充气管4。其中堵头装置1包括左侧堵头10及与 左侧堵头10安装于一起的右侧堵头11，其中左侧堵头10包括圆板状的第一基体100 及自第一基体100一侧延伸的左侧堵头轴101，在左侧堵头轴101上与第一基体100相 对的末端凹陷形成有螺纹孔102。其中右侧堵头11包括圆板状的第二基体110及自第二 基体110一侧延伸的阶梯状的右侧堵头轴111，其中阶梯状的右侧堵头轴111包括自第 二基体110一侧延伸的直径较大的第一部分1110以及直径小于第一部分的第二部分 1111，在直径较小的第二部分1111的外表面上形成有与螺纹孔102相配合的螺纹112。 其中第一基体100和第二基体110的直径相同，左侧堵头轴101和右侧堵头轴111的第 一部分1110的直径相同。同时第一基体110的直径大于左侧堵头轴101的直径，第二 基体110的直径大于右侧堵头轴111第一部分1110的直径。

本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置中在第一基体100和第二基体110之间自 左向右依次安装有刚性挡板2-柔性挡板3-卷曲折叠充气管4-柔性挡板3-及刚性挡板2， 其中通过将右侧堵头11的螺纹112旋转至左侧堵头10的螺纹孔102中，可以使得柔性 挡板3达特定变形程度，进而为卷曲折叠充气管提供特定的约束力。

其中堵头装置1用于控制施加在卷曲折叠充气管4上约束力大小，刚性挡板2用于 给柔性挡板3提供支撑，柔性挡板3的恢复力是折叠管所受的约束力来源。在卷曲折叠 充气管4的自由端连接气源，充气管不断膨胀，充气管所受到的约束力越来越小，当膨 胀到一定程度后，即可完全克服柔性挡板3提供的约束力，随着时间的推移充气管逐渐 展开。

刚性挡板2、柔性挡板3以及堵头装置1侧面直径尺寸可以根据卷曲折叠充气管4 的最大折叠厚度以及初始折叠直径决定。刚性挡板2、柔性挡板3侧面直径尺寸取最大 折叠厚度的1.1～1.3倍左右即可，堵头装置1的左侧堵头轴101和右侧堵头轴111的第 一部分1110的直径尺寸可以选择等于初始折叠直径，第一基体100和第二基体110的 直径尺寸为堵头装置1的左侧堵头轴101和右侧堵头轴111的第一部分1110的直径尺 寸的1.4～1.6倍左右即可。堵头装置1的第一基体100和第二基体110之间的长度可以 根据刚性挡板2厚度d₂和柔性挡板3厚度d₃以及卷曲折叠充气管4折叠状态的宽度(即 πr，r为折叠管外壁半径)决定，堵头装置(1)的长度变化范围取 (2d₂+2d₃+πr)(80％-100％)即可。

本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置中左侧堵头10和右侧堵头11通过螺纹旋 转调节两侧堵头基体之间距离，进而调整卷曲折叠充气管装夹时所受侧向夹紧力，该力 的大小可以通过以下公式估计：

$F=\mathrm{EA}\frac{D-D_0}{2d}$

其中，E是柔性挡板的弹性模量，A是柔性挡板受力面积，D₀柔性挡板未变形时第一 基体和第二基体之间的距离，D柔性挡板变形后第一基体和第二基体之间的距离，d是 未变形时柔性挡板厚度。由于柔性挡板与卷曲折叠充气管之间的摩擦阻力与卷曲折叠充 气管装夹时所受侧向夹紧力F大致为正比关系，因此通过上述方法调整卷曲折叠充气管 装夹时所受侧向夹紧力F，即可实现卷曲折叠充气管展开时需克服的摩擦阻力的调节。

在卷曲折叠充气管4的自由端连接气源，充气管不断膨胀，当卷曲折叠充气管充气 到一定程度即可完全克服该摩擦阻力的约束。假设卷曲折叠充气管完全充气后其半径为 r，则未充气折叠管的宽度为管壁周长的一半，即πr；而当卷曲折叠充气管完全充气后， 其横截面宽度为2r。采用本发明卷曲折叠充气管装夹展开控制装置时，通常将柔性挡板 内侧面间距设置为介于2r与πr之间。当卷曲折叠充气管充气至一定程度时，其截面最 大宽度将小于柔性挡板内侧面间距，此段时间内卷曲折叠充气管将不再受到柔性挡板的 摩擦阻力约束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。