PL244057B1

PL244057B1 - Self-deployable, cable-and-rod support structure

Info

Publication number: PL244057B1
Application number: PL429902A
Authority: PL
Inventors: Jan Holnicki-Szulc; Andrzej Świercz; Lech Knap
Original assignee: Adaptronica Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Inst Podstawowych Problemow Techniki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2023-11-27
Also published as: PL429902A1

Abstract

Samo-rozkładalna cięgnowo-prętowa struktura wspornikowa do zastosowania w szczególności w inżynierii kosmicznej, wzajemnie przekształcalna z konfiguracji transportowej do konfiguracji funkcjonalnej i odwrotnie, która w konfiguracji funkcjonalnej występuje w postaci kratownicy posiadającej górną podstawę na bazie wielościanu oraz dolną podstawę na bazie wielościanu, charakteryzująca się tym, że jest wielosekcyjna, a w każdej sekcji zawiera parę dwuczłonowych elementów prętowo-cięgowych zawierających pręty (1) o zamkniętym przekroju poprzecznym z przewleczonymi wewnątrz nich cięgnami głównymi (2); przy czym dwuczłonowe pręty (1) tworzą, połączone zakładkowo za pomocą dwuczęściowego sworznia (P3), człony (P1) i (P2), które wyposażone są w mechanizmy przegubowe (3) blokowane po osiągnięciu konfiguracji funkcjonalnej i kontrolowane za pomocą umieszczonego na członie (P1) cięgna blokady mechanizmu przegubowego połączonego z zapadką umieszczoną w otworze przelotowym w członie (P1) oraz dociskanej za pomocą sprężyny do członu (P2); przy czym wielościanem służącym za podstawy struktury jest trójkąt.Self-deployable cable-and-rod cantilever structure for use in particular in space engineering, mutually transformable from the transport configuration to the functional configuration and vice versa, which in the functional configuration takes the form of a truss having an upper base based on a polyhedron and a lower base based on a polyhedron, characterized by in that it is multi-sectional, and in each section it contains a pair of two-member rod-ties elements containing bars (1) with a closed cross-section with main ties (2) threaded inside them; wherein the two-member rods (1) form, overlapped with a two-part pin (P3), members (P1) and (P2), which are equipped with articulation mechanisms (3) locked after reaching the functional configuration and controlled by means of the () placed on the member P1) the lock rod of the joint mechanism connected to the pawl located in the through hole in the link (P1) and pressed against the link (P2) by a spring; the polyhedron serving as the base of the structure is a triangle.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest samo-rozkładalna, cięgnowo-prętowa struktura wsporcza, do ewentualnego zastosowania w inżynierii kosmicznej, pozwalająca na jej wyniesienie przez rakietę na orbitę okołoziemską (przy dużych przeciążeniach).The subject of the invention is a self-deployable, cable-and-rod support structure, for possible use in space engineering, allowing it to be placed in Earth's orbit by a rocket (under high overloads).

Z dokumentu WO2013140201 A1 znane jest rozwiązanie rozkładalnej pierścieniowej konstrukcji cięgnowo-prętowej z wykorzystaniem rozłącznie cięgien do przenoszenia sił osiowych rozciągających oraz prętów do przenoszenia sił osiowych ściskających. Ustrój ma zastosowanie jako konstrukcja wsporcza do anten telekomunikacyjnych umieszczanych na orbicie okołoziemskiej.From document WO2013140201 A1, there is a known solution of a decomposable annular tie-bar structure using detachable tie rods to transfer axial tensile forces and rods to transfer axial compressive forces. The system is used as a supporting structure for telecommunications antennas placed in Earth orbit.

Podobnie, dokument CN105071013 A dotyczy rozstawialnej pierścieniowej struktury do rozmieszczania anteny satelitarnej. Ujawniony element rozstawialny pierścienia składa się z wielu takich samych jednostek, z których każda składa się z dwóch zespołów pręta horyzontalnego, dwóch zespołów pręta środkowego i dwóch ukośnych zespołów prętów, które mają taką samą strukturę. Przy czym, zespoły pręta horyzontalnego ukośne zespoły prętów są umocowane zawiasowo do zespołów pręta środkowego, tworząc teleskopową strukturę czworoboczną. Natomiast dwie sąsiednie jednostki są połączone przez wspólny środkowy pręt pomiędzy nimi.Similarly, document CN105071013 A relates to a deployable annular structure for deploying a satellite dish. The disclosed ring deployable element consists of a plurality of the same units, each of which consists of two horizontal bar assemblies, two center bar assemblies and two diagonal bar assemblies that have the same structure. Wherein, the horizontal rod assemblies and the diagonal rod assemblies are hinged to the central rod assemblies to form a telescopic quadrilateral structure. Whereas two adjacent units are connected by a common middle rod between them.

Z kolei firma AEC-Able Engineering Company opracowała dwa systemy rozkładalnych masztów: FAST i ADAM. Pierwszy z nich do rozłożenia konstrukcji wykorzystuje obrotowe węzły oraz energię sprężystości części prętów wstępnie uformowanych łukowo. Po ich uwolnieniu pręty prostują się i tworzą kwadratowy przekrój poprzeczny masztu. Sekcje są połączone między sobą prętami (słupki) cięgnami (krzyżulce). Za pomocą drugiego systemu możliwe jest tworzenie konstrukcji o znacznych rozpiętościach (ok. 60 m), lecz nie jest strukturą samo-rozkładalną.In turn, AEC-Able Engineering Company has developed two foldable mast systems: FAST and ADAM. The first one uses rotary nodes and the elastic energy of some of the pre-formed arc-shaped rods to unfold the structure. When released, the rods straighten and form a square cross-section of the mast. The sections are connected to each other by rods (posts) and cables (cross braces). Using the second system, it is possible to create structures with large spans (approx. 60 m), but it is not a self-decomposable structure.

Natomiast dokument WO2014127813 A1 dotyczy nadających się do rozmieszczenia struktur wsporczych do zastosowań kosmicznych, takich jak rozkładane anteny reflektorowe, reflektory słoneczne lub koncentratory. Dokument ujawnia rozkładalną konstrukcję nośną zawierającą kratownicę wielościanu. Kratownica wielościanowa zawiera połączenia wielopasmowe i jest przekształcalna ze stanu rozłożonego w pierwszy stan złożony i odwrotnie.WO2014127813 A1 relates to deployable support structures for space applications, such as deployable reflector antennas, solar reflectors or concentrators. The document discloses a decomposable support structure comprising a polyhedral truss. The polyhedral truss contains multi-band connections and is transformable from the unfolded state to the first folded state and vice versa.

W stanie rozłożonym kratownica wielościanowa ma górną podstawę wielokątną prętów przegubowych i dolną podstawę wielokątną prętów przegubowych. Przy czym górna i dolna podstawa wielokątną są prostopadłe do wzdłużnej osi środkowej i połączone ze sobą poprzecznymi prętami, które są obrotowo połączone z przegubowymi prętami górnej i dolnej wielobocznej podstawy. Kratownica wielościanowa jest przystosowana do przekształcania ze stanu rozłożonego w pierwszy stan złożony tak, że w pierwszym stanie złożonym pręty górnej i dolnej podstawy wielokątnej są obracane wokół poprzecznego pręta, do którego są obrotowo sprzężone, aż znajdą się w lekko nachylony lub równoległy do osi wzdłużnej poprzecznego pręta, a poprzeczne pręty są zbieżne w kierunku osi środkowej górnej i dolnej podstawy wielokątnej. Kratownica wielościanowa jest ponadto przystosowana do przekształcania z pierwszego stanu złożonego w drugi stan złożony i odwrotnie tak, że w drugim stanie złożonym dolna część kratownicy wielościanu jest zagięta do górnej części, w którym grupa prętów zawierająca jeden z poprzecznych prętów i prętów dolnej podstawy wielokątnej, które są obrotowo połączone z jednym z poprzecznych prętów, obraca się wokół wspólnej drugorzędnej osi zawiasu.In the unfolded state, a polyhedral truss has an upper polygonal base of hinged rods and a lower polygonal base of hinged rods. Wherein the upper and lower polygonal bases are perpendicular to the longitudinal central axis and connected to each other by transverse rods which are pivotally connected to the hinged rods of the upper and lower polygonal bases. The polyhedral truss is adapted to be transformed from an unfolded state to a first folded state such that in the first folded state the bars of the upper and lower polygonal base are rotated about the transverse bar to which they are pivotally coupled until they are in a slightly inclined or parallel position to the longitudinal axis of the transverse rod, and the transverse rods converge towards the central axis of the upper and lower polygonal base. The polyhedral truss is further adapted to be transformed from a first folded state to a second folded state and vice versa, such that in the second folded state the lower part of the polyhedral truss is bent to the upper part, wherein the group of bars including one of the transverse bars and the bars of the lower polygonal base which are pivotally connected to one of the transverse bars, rotates about a common secondary hinge axis.

Celem wynalazku jest ulepszenie dotychczasowych rozkładalnych konstrukcji wsporczych do zastosowania w szczególności w inżynierii kosmicznej, poprzez zapewnienie lekkiej oraz stabilnej samorozkładalnej konstrukcji wspornikowej o nowej strukturze, z możliwością redukcji drgań.The aim of the invention is to improve the existing decomposable support structures for use in particular in space engineering, by providing a light and stable self-deployable support structure with a new structure, with the possibility of reducing vibrations.

Istotą wynalazku jest samo-rozkładalna cięgnowo-prętowa struktura wsporcza do zastosowania w szczególności w inżynierii kosmicznej, wzajemnie przekształcalna z konfiguracji transportowej do konfiguracji funkcjonalnej i odwrotnie, która w konfiguracji funkcjonalnej występuje w postaci kratownicy posiadającej górną podstawę na bazie wielościanu oraz dolną podstawę na bazie wielościanu, charakteryzująca się tym, że jest wielosekcyjna, a w każdej sekcji zawiera parę dwuczłonowych prętów o zamkniętym przekroju poprzecznym z przewleczonymi wewnątrz nich cięgnami głównymi. Przy czym dwuczłonowe pręty są połączone ze sobą zakładkowo za pomocą dwuczęściowego sworznia z wykorzystaniem mechanizmu przegubowego blokowanego po osiągnięciu konfiguracji funkcjonalnej i kontrolowanego za pomocą umieszczonego na jednym z członów pręta cięgna blokady mechanizmu przegubowego połączonego z zapadką umieszczoną w otworze przelotowym tego członu oraz dociskanej za pomocą sprężyny do drugiego z członów pręta. Korzystnie, wielościanem służącym za podstawy struktury jest trójkąt.The essence of the invention is a self-deployable tie-rod support structure for use in particular in space engineering, mutually transformable from the transport configuration to the functional configuration and vice versa, which in the functional configuration takes the form of a truss having an upper base based on a polyhedron and a lower base based on a polyhedron. , characterized by the fact that it is multi-sectional, and in each section it contains a pair of two-section bars with a closed cross-section with main tendons threaded inside them. The two-section rods are connected with each other by an overlap using a two-part pin using an articulation mechanism that is blocked after achieving the functional configuration and controlled by means of an articulation mechanism locking rod placed on one of the rod members, connected to a pawl located in the through hole of this member and pressed by a spring. to the second member of the rod. Preferably, the polyhedron serving as the base of the structure is a triangle.

Korzystnie cięgna główne stanowią cięgna o regulowanym stopniu napięcia.Preferably, the main cables are cables with an adjustable tension level.

Korzystnie struktura jest trójsekcyjna.Preferably, the structure is three-sectioned.

Korzystnie trójsekcyjna struktura w postaci funkcjonalnej posiada zablokowany mechanizm przegubowy ze współliniowymi osiami członów pręta.Preferably, the three-section structure in functional form has a locked articulation mechanism with collinear axes of the rod members.

Korzystnie trójsekcyjna struktura w konfiguracji transportowej (złożonej) utrzymywana jest przez zespół wstępnie napiętych aktywatorów sprężynowych oraz blokad sprężyn usytuowanych odpowiednio w dolnej, środkowej i górnej sekcji struktury.Preferably, the three-section structure in the transport (folded) configuration is held by a set of pre-tensioned spring activators and spring locks located in the lower, middle and upper sections of the structure, respectively.

Struktura wsporcza według wynalazku zapewnia następujące korzyści:The support structure according to the invention provides the following advantages:

• Topologia struktury pozwala na wzajemną przekształcalność dwóch konfiguracji, z których konfiguracja transportowa ma kompaktową formę ułatwiającą transport;• The topology of the structure allows for the mutual transformation of two configurations, of which the transport configuration has a compact form that facilitates transportation;

• Konstrukcja typu kratownicowego zapewnia lekkość struktury wspornikowej;• Truss type construction ensures light weight of the cantilever structure;

• Struktura wspornikowa jest samo-rozkładalna - konfiguracja transportowa jest utrzymywana w swojej kompaktowej formie za pomocą układu aktywatorów sprężynowych i blokad, których usunięcie powoduje automatycznie rozłożenie i przekształcenie w konstrukcję kratownicową;• The cantilever structure is self-folding - the transport configuration is kept in its compact form by a system of spring activators and locks, the removal of which automatically unfolds and transforms into a truss structure;

• Stabilna forma funkcjonalna - stabilizacja dzięki wykorzystaniu cięgien głównych umieszczonych wewnątrz wybranych elementów prętowych oraz zablokowaniu mechanizmów przegubowych;• Stable functional form - stabilization thanks to the use of main tension rods placed inside selected rod elements and the locking of articulation mechanisms;

• Przy użyciu cięgien głównych struktura może być sprężona w różnym stopniu, co może być wykorzystane do redukcji drgań wywołanych podczas przekształcania struktury do formy funkcjonalnej lub drgań powstałych w wyniku normalnej pracy tej konstrukcji w postaci funkcjonalnej.• Using main tendons, the structure can be prestressed to varying degrees, which can be used to reduce vibrations induced during the transformation of the structure into a functional form or vibrations produced by the normal operation of the structure in a functional form.

Wynalazek szczegółowo przedstawiono na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia wariant trójsekcyjnego wspornika; Fig. 2 przedstawia topologię struktury po złożeniu dolnej sekcji; Fig. 3 przedstawia topologię struktury po złożeniu dolnej i środkowej sekcji; Fig. 4 przedstawia topologię struktury po złożeniu wszystkich trzech sekcji; Fig. 5 przedstawia mechanizm przegubowy; Fig. 6 przedstawia fragment struktury przedstawionej na Fig. 4 w postaci złożonej, tj. trójkątną sekcję dolną i trójkątną sekcję górną; Fig. 7 przedstawia fragment złożonej środkowej sekcji struktury.The invention is detailed in the drawing, where Fig. 1 shows a variant of a three-section bracket; Fig. 2 shows the topology of the structure after the lower section has been assembled; Fig. 3 shows the topology of the structure after the lower and middle sections have been assembled; Fig. 4 shows the topology of the structure with all three sections assembled; Fig. 5 shows the joint mechanism; Fig. 6 shows a fragment of the structure shown in Fig. 4 in assembled form, i.e. a triangular lower section and a triangular upper section; Fig. 7 shows a fragment of the assembled middle section of the structure.

Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach wykonania:The invention is presented in the following embodiments:

Przykład 1Example 1

W tym przykładzie wykonania topologia struktury ma postać trójsegmentowego wspornika (Fig. 1), co pozwala, przy zastosowaniu trzech par elementów prętowo-cięgnowych: A3B4—B3C4, B2A3—C2B3 oraz A1B2—B1C2 (jedna para w każdym segmencie) na realizację zaplanowanych modyfikacji konfiguracji struktury. Dwuczłonowe pręty 1 o zamkniętym przekroju poprzecznym mają wewnątrz przewleczone cięgno główne 2 i mechanizm przegubowy 3, który może być w stanie aktywnym lub nieaktywnym. Przy cięgnach głównych 2 swobodnie uwolnionych, jednocześnie aktywowana para mechanizmów przegubowych 3 w jednej sekcji umożliwia jej złożenie. Po złożeniu sekcji mechanizm przegubowy 3 (przedstawiony na Fig. 5) przechodzi w stan nieaktywny. Przy czym, dwuczłonowy pręt 1 tworzą dwa człony P1 i P2 połączone zakładkowo za pomocą dwuczęściowego sworznia P3. Na elemencie P1 w pobliżu osi sworznia P3 instaluje się układ sprężynowy P4 złożony ze sprężyny P5, zapadki P6, cięgna blokady mechanizmu przegubowego P7 i prowadnic cięgna P8. Cięgno P7 jest połączone trwale z wykorzystaniem prowadnic cięgna P8 z zapadką P6 dociskaną przez sprężynę P5 do członu P2. Zapadka P6 umieszczona jest w otworze przelotowym P9 w członie P1. Przeskok zapadki P6 powoduje aktywację blokady mechanizmu przegubowego 3 (przedstawionego na Fig. 5), co następuje w osiowym ustawieniu otworu przelotowego P9 i jednego z dwóch otworów nieprzelotowych P10 umieszczonych w członie P2. Położenia otworów nieprzelotowych są tak dobrane, aby blokada mechanizmu przegubowego występowała w postaci funkcjonalnej (rozłożonej) i transportowej (złożonej).In this embodiment, the topology of the structure has the form of a three-segment bracket (Fig. 1), which allows, using three pairs of rod-string elements: A3B4—B3C4, B2A3—C2B3 and A1B2—B1C2 (one pair in each segment) to implement planned modifications structure configuration. Two-section bars 1 with a closed cross-section have a main link 2 and an articulation mechanism 3 inside, which can be in an active or inactive state. With the main cables 2 freely released, a simultaneously activated pair of articulation mechanisms 3 in one section allows it to be folded. After folding the sections, the joint mechanism 3 (shown in Fig. 5) goes into inactive state. The two-piece rod 1 consists of two members P1 and P2, overlapped by means of a two-part pin P3. A P4 spring system consisting of a P5 spring, a P6 pawl, a P7 joint mechanism lock rod and P8 rod guides is installed on the P1 element, near the axis of the P3 pin. The P7 cable is permanently connected using the P8 cable guides with the P6 pawl pressed by the P5 spring to the P2 link. The pawl P6 is placed in the through hole P9 in the P1 member. The jump of the pawl P6 activates the lock of the joint mechanism 3 (shown in Fig. 5), which occurs in the axial position of the through hole P9 and one of the two blind holes P10 located in the member P2. The positions of the blind holes are selected so that the joint mechanism is locked in a functional (folded) and transport (folded) form.

Przy czym, złożenie dolnej sekcji wymaga aktywowania mechanizmów przegubowych Q1 i P1, jak przedstawiono na Fig. 2, a złożenie dolnej i środkowej sekcji wymaga aktywacji dwóch par mechanizmów przegubowych Q1-P1 oraz Q2-P2, jak przedstawiono na Fig. 3. W tym przykładzie wykonania kolejność składania sekcji do postaci zredukowanej 2D (transportowej) (przedstawionej na Fig. 4) jest sekwencyjna.However, folding the lower section requires activation of the joint mechanisms Q1 and P1, as shown in Fig. 2, and folding the lower and middle sections requires activation of two pairs of joint mechanisms Q1-P1 and Q2-P2, as shown in Fig. 3. In this In one embodiment, the order of folding the sections into the 2D reduced (transport) form (shown in Fig. 4) is sequential.

Korzystnie konfiguracja transportowa (złożona) utrzymywana jest przez zespół wstępnie napiętych aktywatorów sprężynowych (K2), (K3) lub (K4) oraz blokad sprężyn (L2), (L3) lub (L4) usytuowanych odpowiednio w dolnej, środkowej i górnej sekcji struktury.Preferably, the transport configuration (complex) is maintained by a set of pre-tensioned spring activators (K2), (K3) or (K4) and spring locks (L2), (L3) or (L4) located in the lower, middle and upper sections of the structure, respectively.

Na Fig. 6 przedstawiono fragment struktury z Fig. 4 w postaci złożonej: trójkątną sekcję dolną (elementy i łączące je węzły A2B2C2) i trójkątną sekcję górną (elementy i łączące je węzły A4B4C4). Przy czym, węzły sekcji dolnej instaluje się do podłoża BZ za pomocą zestawu sprężyn K2 i zestawu blokad L2, a węzły sekcji górnej za przy użyciu zestawu sprężyn K4 i zestawu blokad L4. Analogicznie dla złożonej środkowej sekcji struktury wykorzystuje się zestaw sprężyn K3 i zestaw blokad L3, jak przedstawiono na Fig. 7.Fig. 6 shows a fragment of the structure from Fig. 4 in a complex form: a triangular lower section (elements and the nodes connecting them A2B2C2) and a triangular upper section (elements and the nodes connecting them A4B4C4). The nodes of the lower section are installed to the BZ substrate using a set of springs K2 and a set of locks L2, and the nodes of the upper section are installed using a set of springs K4 and a set of locks L4. Similarly, for the folded center section of the structure, a set of springs K3 and a set of locks L3 are used, as shown in Fig. 7.

W tym przykładzie wykonania jednoczesny wyrzut trzech sekcji uzyskuje się poprzez równoczesne zwolnienie blokad L2, L3 i L4 oraz aktywowanie par mechanizmów przegubowych Q1-P1, Q2-P2, i Q3-P3 przy wykorzystaniu wstępnie napiętych sprężyn K2, K3 i K4. Następnie, dezaktywuje się mechanizmy przegubowe poprzez zwolnienie cięgien blokady mechanizmu przegubowego P7, po czym, w postaci funkcjonalnej struktury, przy współosiowej konfiguracji członów P1 i P2 pręta 1, następuje blokada mechanizmów przegubowych 3 poprzez przeskok zapadek P6 do jednego z otworów nieprzelotowych P10.In this embodiment, simultaneous ejection of three sections is achieved by simultaneously releasing the locks L2, L3 and L4 and activating the pairs of joint mechanisms Q1-P1, Q2-P2, and Q3-P3 using pre-tensioned springs K2, K3 and K4. Then, the joint mechanisms are deactivated by releasing the locking rods of the joint mechanism P7, and then, in the form of a functional structure, with the coaxial configuration of the members P1 and P2 of rod 1, the joint mechanisms 3 are blocked by jumping the pawls P6 to one of the blind holes P10.

W postaci funkcjonalnej redukuje się drgania struktury za pomocą zmiany napięć w cięgnach głównych 2. Natomiast uwolnienie cięgien głównych 2 oraz aktywowanie mechanizmów przegubowych 3 umożliwia ponowne złożenie struktury do postaci transportowej.In the functional form, vibrations of the structure are reduced by changing the tensions in the main cables 2. However, releasing the main cables 2 and activating the joint mechanisms 3 allows the structure to be reassembled into a transportable form.

Przykład 2Example 2

Struktura wspornikowa według Przykładu 1, z tym że podczas składania struktury do postaci zredukowanej 2D (transportowej) sekcje są składane jednocześnie.Cantilever structure according to Example 1, except that when folding the structure into a 2D reduced (transport) form, the sections are folded simultaneously.

Przykład 3Example 3

Struktura wspornikowa według Przykładu 1 lub 2, z tym że wyrzut sekcji następuje sekwencyjnie.Cantilever structure according to Example 1 or 2, except that the sections are ejected sequentially.

Claims

Patent claims

1. Self-deployable cable-and-rod cantilever structure for use in particular in space engineering, mutually transformable from the transport configuration to the functional configuration and vice versa, which in the functional configuration takes the form of a truss having an upper base based on a polyhedron and a lower base based on a polyhedron, characterized in that it is multi-sectional, and in each section it contains a pair of two-member rod-ties elements containing bars (1) with a closed cross-section with main ties (2) threaded inside them; wherein the rods (1) form, overlapped with a two-part pin (P3), members (P1) and (P2), which are equipped with articulation mechanisms (3) locked after achieving the functional configuration and controlled by means of the member (P1) placed on ) the lock rod of the joint mechanism (P7) connected to the pawl (P6) located in the through hole (P9) in the link (P1) and pressed by a spring (P5) to the link (P2);

2. Structure according to claim 1, characterized in that the polyhedron serving as the base of the structure is a triangle.

3. Structure according to claim 1, characterized in that the main cables (2) are cables with an adjustable degree of tension.

4. Structure according to claim 1 or 2, characterized in that it is three-section.

5. Structure according to claim. 3, characterized in that in its functional form it has a blocked joint mechanism (3) with collinear axes of the members (P1) and (P2).

6. Structure according to claim. 3, characterized in that the folded configuration is maintained by a set of pre-tensioned spring actuators (K2), (K3) or (K4) and spring locks (L2), (L3) or (L4) located in the lower, middle and upper sections, respectively structures.