基于组件连接成型的桁架在轨建造系统及在轨建造方法

摘要

本发明提出一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统及在轨建造方法，该建造系统的n个纵梁原料存储轮位于机体的尾端，n个横梁存储盒分别位于机体相邻两条支撑梁的外侧，n个纵梁原料成型装置分别位于机体的每条支撑梁上，n个横梁摆放装置位于机体的内部，2n个张力拉索布置装置分别位于机体相邻两条支撑梁的外侧，n个连接固结装置分别固定于机体的每条支撑梁外侧。解决现有技术中的大型空间桁架结构发射成本高、结构复杂、发射时占用体积大的问题。本发明能够实现百米级以及千米级的大型桁架在轨建造，具有结构简单、重量较轻、发射时占用体积小的特点，能够突破火箭运输空间对桁架结构尺寸的限制，并且能够节省火箭运输中的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统及在轨建造方法，属于桁架结构领域。

背景技术

现有技术用于航空航天领域的大型空间桁架，如太阳能电池板支撑架、通讯天线阵列背架、大型空间反射镜背架，都是采用可折展型结构，在地面上制造完毕，收拢发射后在太空中进行展开。但这种折展型的空间大型桁架结构，有以下缺点：1)其尺寸受限于运载火箭的容纳空间；2)随着空间桁架结构尺寸的增加，建造费用会急剧升高，同时稳定性降低；3)重量相对较重，空间利用率小，导致发射成本较高；4)空间桁架结构的长度难以达到百米级甚至千米级。

发明内容

本发明目的是为解决现有技术中的大型空间桁架结构发射成本高、结构复杂、发射时占用体积大以及无法实现百米级甚至千米级的长度的问题，提供一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统及在轨建造方法，能够实现百米级以及千米级的大型桁架在轨建造，具有结构简单、重量较轻、发射时占用体积小的特点，能够突破火箭运输空间对桁架结构尺寸的限制，并且能够节省火箭运输中的成本。

本发明为达此目的，采用以下技术方案：

一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统包括n个纵梁原料存储轮、n个横梁存储盒、n个纵梁原料成型装置、n个横梁摆放装置、n个连接固结装置、2n个张力拉索布置装置和机体，其中n＝桁架截面的多边形边数；所述机体安装于桁架的外周，所述机体包括n条与桁架延伸方向相同的支撑梁，n个纵梁原料存储轮位于机体的尾端，用于供给纵梁原料，n个横梁存储盒分别位于机体相邻两条支撑梁的外侧，用于储存横梁，n个所述纵梁原料成型装置分别位于机体的每条支撑梁上，用于纵梁原料的成型加工，n个所述横梁摆放装置位于机体的内部并分别与每条支撑梁固定连接，用于摆放横梁，2n个所述张力拉索布置装置分别位于机体相邻两条支撑梁的外侧，且每一侧设置有两个张力拉索布置装置，用于布置张力拉索，n个所述连接固结装置分别固定于机体的每条支撑梁外侧，用于将伸出的纵梁和横梁连接固结起来。

优选地，所述纵梁原料为带状，缠绕在纵梁原料存储轮上，纵梁原料从纵梁原料存储轮上伸出，经过纵梁原料成型装置的机械处理，截面形状为封闭形状，形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或三角形。

优选地，所述纵梁原料从纵梁原料存储轮上伸出后，经过纵梁原料成型装置的机械处理截面形状为不封闭形状，形状为C形、角形、V形或U形。

优选地，所述横梁为条状，其截面形状为封闭形状，形状为圆形、椭圆形、方形、矩形或三角形。

优选地，所述横梁为条状，其截面形状为不封闭形状，形状为C形、角形、V形或U形。

优选地，所述张力拉索布置装置包括滑道和圆盘，所述张力拉索缠绕在圆盘上，所述张力拉索缠绕在圆盘上，所述圆盘在滑道上移动，位于一侧的两个所述张力拉索布置装置的圆盘做相向运动，将张力拉索布置在横梁与纵梁形成的框架对角线处。

本发明所述的基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的工作原理为：

所述的大型空间桁架由横梁、纵梁和张力拉索组成，横梁、纵梁和张力拉索等原料在地面上进行打包后，由运载火箭发射至太空，可在轨建造成千米级的大型桁架结构。盘状的纵梁原料从纵梁原料存储轮上拉出，经过纵梁原料成型装置的处理后，形成特定截面形状的连续的纵梁；弹夹式存储的横梁素材一根根取出，连接在纵梁上，再由连接固结装置将横梁与纵梁连接固结起来，最后由张力拉索布置装置将张力拉索连接至横梁和纵梁上，增大桁架结构的刚度。制造纵梁的原料为带状，其材质可以为金属或其他可塑性材料，包装形式为盘状；制造横梁的原料为条状，在地面上进行预成型，其存储方式为弹夹式，即在横梁存储盒内部弹簧的弹力作用下，横梁之间彼此紧密排列，每取出一根横梁，后面的横梁将填补空缺的位置。

一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的在轨建造方法，包括以下步骤：

步骤一：在地面上对横梁、纵梁、张力拉索的零件素材进行打包，由运载火箭发射至太空；

步骤二：所述横梁存储盒的内部存放着紧密排列的横梁，横梁由横梁摆放装置从横梁存储盒中逐个取出，并摆放到与纵梁相接触的指定位置；

步骤三：纵梁原料从纵梁原料存储轮上拉出，经过纵梁原料成型装置的处理后，形成具有特定截面形状的纵梁；

步骤四：连接固结装置将横梁与纵梁连接固结起来；

步骤五：由张力拉索布置装置将张力拉索连接至横梁和纵梁上，增大桁架的结构刚度，此时一段桁架建造完成；

步骤六：纵梁原料成型装置将建造完成的一段桁架向前推进，然后再重复上述步骤建造下一段桁架。

本发明所述的基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的有益效果为：

(1)、本发明采用的用于桁架建造的纵梁原料为盘状的带材，横梁的存储方式为横梁彼此紧密排列的弹夹式，包装密度较高，占用空间小。

(2)、本发明采用的建造方法能够突破航天器运载空间对桁架尺寸的限制，能够实现百米级甚至千米级的空间桁架结构建造。

(3)、本发明中的桁架建造原料可以更换，当原料存储盘上的原料用完后，可以更换新的原料存储盘，继续进行桁架的建造。

(4)、本发明中的桁架建造系统与桁架建造原料可以分批次运入太空，而且在将桁架建造系统运送至太空后，后续建造任务中只需运送桁架建造原料即可。

(5)、本发明可以根据不同的建造需求更改建造系统的结构，横梁和纵梁的截面可以是封闭的，如方形、椭圆形、圆形、矩形、三角形等，也可以是不封闭的，如C形、V形、角形等，结构更加灵活多变。

(6)、本发明所述的基于组件连接成型的连续性桁架在轨建造系统采用将高包装密度的零件素材发射至太空进行组装，能够实现百米级以及千米级的大型桁架在轨建造，具有结构简单、桁架单位长度的重量较轻、发射时占用体积小的优点，能够突破火箭运输空间对桁架结构尺寸的限制，并且节省火箭运输中的成本。

附图说明

图1是本发明所述的基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的结构示意图；

图2是本发明所述的基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的结构简图；

图3是本发明所述的基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的桁架建造流程示意图；

图4是本发明所述的横梁和纵梁的截面结构示意图；

图5是本发明所述的横梁存储盒的结构示意图；

图中：1-纵梁存储轮；2-横梁存储盒；3-纵梁成型装置；4-横梁摆放装置；5-连接固结装置；6-张力拉索布置装置；7-纵梁；8-横梁；9-张力拉索；10-桁架；11-机体。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一、参见图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统包括n个纵梁原料存储轮1、n个横梁存储盒2、n个纵梁原料成型装置3、n个横梁摆放装置4、n个连接固结装置5、2n个张力拉索布置装置6和机体11，其中n＝桁架截面的多边形边数；所述机体11安装于桁架10的外周，所述机体11包括n条与桁架10延伸方向相同的支撑梁，n个纵梁原料存储轮1位于机体11的尾端，用于供给纵梁原料，n个横梁存储盒2分别位于机体11相邻两条支撑梁的外侧，用于储存横梁，n个所述纵梁原料成型装置3分别位于机体11的每条支撑梁上，用于纵梁原料的成型加工，n个所述横梁摆放装置4位于机体11的内部并分别与每条支撑梁固定连接，用于摆放横梁，2n个所述张力拉索布置装置6分别位于机体11相邻两条支撑梁的外侧，且每一侧设置有两个张力拉索布置装置6，用于布置张力拉索9，n个所述连接固结装置5分别固定于机体11的每条支撑梁外侧，用于将伸出的纵梁7和横梁8连接固结起来。

所述的大型空间桁架10由横梁8、纵梁7和张力拉索9组成，在地面上对横梁8、纵梁7、张力拉索9等零件素材进行打包，由运载火箭发射至太空，在太空中进行在轨组装。所述纵梁7的轴向方向与桁架10伸长方向相平行的梁；所述横梁8的轴向方向与桁架10伸长方向相垂直的梁；所述张力拉索9连接横梁8与纵梁7，起到加强桁架10刚度的作用。

该桁架建造系统建造出来的桁架截面形状不限于三角形，也可以是方形、矩形、或其他多边形。桁架建造系统中纵梁原料存储轮1、横梁存储盒2、纵梁原料成型装置3、横梁摆放装置4、连接固结装置5、张力拉索布置装置6的数量应根据需建造桁架的截面来确定。例如，当所需建造的桁架截面为三角形时，在桁架在轨建造系统中，纵梁原料存储轮1、横梁存储盒2、纵梁原料成型装置3、横梁摆放装置4、连接固结装置5、张力拉索布置装置6这六种装置应有三组，且这三组装置绕桁架10的轴线呈圆周阵列分布。当所需建造的桁架截面为多边形时，这六种装置的阵列数应与多边形的边数一致。

所述横梁存储盒2的结构类似弹夹，其内部存放着紧密排列的横梁，横梁可由横梁摆放装置4从横梁存储盒2中逐个取出，并摆放到与纵梁7相接触的指定位置。连接固结装置5可将横梁8与纵梁7的接头处连接到一起，连接方式包括但不限于激光熔接、真空电子束焊接、电流焊接、粘接和铆接。

所述纵梁原料为带状，缠绕在纵梁原料存储轮1上，包装形式为盘状，纵梁原料从纵梁原料存储轮1上伸出，经过纵梁原料成型装置3的机械处理，形成具有特定截面形状的纵梁7，所述截面形状可以为封闭的，如圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形等；其截面形状也可以为不封闭的，如C形、角形、V形、U形等，如图4所示。

所述横梁8为条状，其是在地面上制作好的，存储于横梁存储盒2内，其存储方式为弹夹式，如图5所示。所述横梁8的截面可以为封闭的，如圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形等；其截面形状也可以为不封闭的，如C形、角形、V形、U形等，如图4所示。

所述张力拉索布置装置6包括滑道和圆盘，所述张力拉索9缠绕在圆盘上，所述张力拉索9缠绕在圆盘上，所述圆盘在滑道上移动，位于一侧的两个所述张力拉索布置装置6的圆盘做相向运动，将张力拉索9布置在横梁8与纵梁7形成的框架对角线处。

所述张力拉索9的材料可以为钢丝绳、合成纤维、复合材料绳索或卡夫拉绳索等，但不仅限于以上材料。

所述张力拉索布置装置6可将张力拉索9连接到纵梁7与横梁8的接合处，所述张力拉索9连接横梁8与纵梁7，布置在横梁8与纵梁7形成的框架对角线处，当一段桁架建造完成，也就是把纵梁7固结到横梁8上，再把张力拉索9连接在纵梁7与横梁8的接合处，桁架建造系统借助纵梁原料成型装置3的送进作用将建造完成的一段桁架向前推进，然后再按照该方法建造下一段桁架。

所述纵梁原料存储轮1是可以更换的，当带状纵梁原料用完后，换上新的纵梁原料存储轮即可。

所述横梁存储盒2内部的横梁8是可以补充的，当横梁存储盒2内部的横梁8用完后，将横梁存储盒2打开，把紧密排列的横梁9装入横梁存储盒2即可。

上述零件素材是相互独立的，可以在同一次发射任务中发射升空，也可以分批次发射到太空中。

一种基于组件连接成型的桁架在轨建造系统的在轨建造方法，包括以下步骤：

步骤一：在地面上对横梁8、纵梁7、张力拉索9的零件素材进行打包，由运载火箭发射至太空；

步骤二：所述横梁存储盒2的内部存放着紧密排列的横梁8，横梁8由横梁摆放装置4从横梁存储盒2中逐个取出，并摆放到与纵梁7相接触的指定位置；

步骤三：纵梁原料从纵梁原料存储轮1上拉出，经过纵梁原料成型装置3的处理后，形成具有特定截面形状的纵梁7；

步骤四：连接固结装置5将横梁8与纵梁7连接固结起来；

步骤五：由张力拉索布置装置6将张力拉索9连接至横梁8和纵梁7上，增大桁架10的结构刚度，此时一段桁架10建造完成；

步骤六：纵梁原料成型装置3将建造完成的一段桁架10向前推进，然后再重复上述步骤建造下一段桁架10。

虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。