本發(fā)明涉及一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，屬于太空制造。

背景技術(shù)：

1、飛行器制造技術(shù)已被公認為是提升人類太空活動能力、保障地外基地建設和太空探測任務的關(guān)鍵技術(shù)。隨著空間站、大型通信天線、大口徑紅外望遠鏡、空間太陽能電站等大型空間結(jié)構(gòu)的尺度不斷擴大，多次發(fā)射組件并在軌裝配的模式存在耗時、成本高、可靠性差等不足。為解決上述問題，急需發(fā)展太空制造技術(shù)，實現(xiàn)從“地造天用”向“天造天用”的戰(zhàn)略性能力躍升，大幅提升裝備作戰(zhàn)效能和部署敏捷性，加速未來大型空間結(jié)構(gòu)和航天強國建設重大戰(zhàn)略發(fā)展。

2、榫卯工藝作為古建筑中極為精巧的構(gòu)件連接方式，不但可以承受較大的荷載，且允許產(chǎn)生一定的變形，具有較強的非機械連接穩(wěn)定，榫卯是在兩個木構(gòu)件上所采用的一種凹凸結(jié)合的連接方式，凸出部分叫榫(或榫頭)，凹進部分叫卯(或榫眼、榫槽)。榫卯結(jié)構(gòu)早期應用于房屋建筑，雖然每個構(gòu)件都比較單薄，但其整體卻能承受巨大的載荷。為進一步破解人類太空活動能力、保障地外基地建設以及太空探測任務等存在的關(guān)鍵技術(shù)難點，解決隨著空間站、大型通信天線、大口徑紅外望遠鏡、空間太陽能電站等大型空間結(jié)構(gòu)的尺度不斷擴大，多次發(fā)射組件并在軌裝配的模式存在耗時、成本高、可靠性差等問題，亟需一種新型結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對目前現(xiàn)有技術(shù)中，存在的發(fā)射組件并在軌裝配的模式存在耗時、成本高、可靠性差等問題，提出了一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

3、一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，包括薄壁基礎胞元，各薄壁基礎胞元根據(jù)拓撲截面進行搭積木式自鎖裝配，薄壁基礎胞元之間的自鎖裝配通過壁身內(nèi)陷缺口幾何約束及端面缺口幾何約束實現(xiàn)；薄壁基礎胞元間通過壁身內(nèi)陷缺口幾何約束進行空間自鎖以形成中尺度結(jié)構(gòu)胞元，中尺度結(jié)構(gòu)胞元通過薄壁基礎胞元間的端面缺口幾何約束實現(xiàn)空間內(nèi)各維度的積木超結(jié)構(gòu)的搭建。

4、所述薄壁基礎胞元為空心輕質(zhì)薄壁管類結(jié)構(gòu)，包括管體、壁身內(nèi)陷缺口、端面缺口，管體一側(cè)設置有兩處相同的壁身內(nèi)陷缺口用于實現(xiàn)壁身內(nèi)陷缺口幾何約束，管體兩端設置有不同類型的端面缺口以實現(xiàn)端面缺口幾何約束。

5、所述端面缺口類型包括端面圓形、端面方形、端面六邊形，根據(jù)積木超結(jié)構(gòu)的設計需求確定，積木超結(jié)構(gòu)的設計需求包括圓管構(gòu)型、方管構(gòu)型、六邊形管構(gòu)型；薄壁基礎胞元按照積木超結(jié)構(gòu)的設計需求確定數(shù)量，通過對應類型端面缺口進行空間自鎖，自鎖裝配為預設尺度大小的積木超結(jié)構(gòu)。

6、所述薄壁基礎胞元兩端的端面缺口均為燕尾形斷面楔形槽口，根據(jù)端面缺口的類型實現(xiàn)相鄰薄壁基礎胞元間的互鎖裝配，薄壁基礎胞元間通過端面缺口實現(xiàn)三個維度的擴展裝配，燕尾形端面楔形槽口由燕尾榫與燕尾卯組成，薄壁基礎胞元端面至少布置2個燕尾榫與燕尾卯。

7、所述壁身內(nèi)陷缺口為壁身同形內(nèi)陷缺口面，壁身內(nèi)陷缺口與相鄰薄壁基礎胞元的管體貼合，根據(jù)壁身內(nèi)陷缺口實現(xiàn)互鎖裝配的薄壁基礎胞元間的多自由度約束，薄壁基礎胞元壁身內(nèi)陷缺口用于不同薄壁基礎胞元之間進行自鎖裝配，以調(diào)節(jié)積木超結(jié)構(gòu)力學特性。

8、當積木超結(jié)構(gòu)的設計需求設置為薄壁圓管構(gòu)型時，薄壁基礎胞元之間依次垂直交叉進行裝配時，利用壁身內(nèi)陷缺口將圓管構(gòu)型管體的薄壁基礎胞元進行自鎖裝配；圓管構(gòu)型的薄壁基礎胞元的壁身內(nèi)陷缺口按照一定數(shù)量排布在薄壁基礎胞元壁身的一側(cè)，壁身內(nèi)陷缺口面之間的最小距離為壁身內(nèi)陷缺口在空心輕質(zhì)薄壁管軸向尺寸長度。

9、薄壁基礎胞元之間利用壁身內(nèi)陷缺口幾何約束進行空間自鎖，形成可周期陣列的中尺度結(jié)構(gòu)胞元，根據(jù)積木超結(jié)構(gòu)的設計需求利用預設類型的端面缺口實現(xiàn)端面缺口結(jié)合約束，用于形成無限制拓展的積木超結(jié)構(gòu)，包括圓管構(gòu)型太空桁架及其裝備結(jié)構(gòu)。

10、當積木超結(jié)構(gòu)的設計需求設置為薄壁方管構(gòu)型時，薄壁基礎胞元之間依次垂直交叉進行裝配，利用壁身內(nèi)陷缺口將方管構(gòu)型管體的薄壁基礎胞元進行自鎖裝配；方管構(gòu)型的薄壁基礎胞元的利用壁身內(nèi)陷缺口幾何約束進行空間自鎖，形成可周期陣列的中尺度結(jié)構(gòu)胞元，中尺度結(jié)構(gòu)胞元根據(jù)端面缺口幾何約束進行空間自鎖，用于形成無限制拓展的積木超結(jié)構(gòu)，包括方管構(gòu)型太空桁架及其裝備結(jié)構(gòu)。

11、當積木超結(jié)構(gòu)的設計需求設置為薄壁六邊形管構(gòu)型時，各六邊形管構(gòu)型薄壁基礎胞元之間依次垂直交叉進行裝配，利用壁身內(nèi)陷缺口將各六邊形管構(gòu)型薄壁基礎胞元進行自鎖裝配；六邊形管構(gòu)型薄壁基礎胞元內(nèi)陷缺口按照一定數(shù)量排布在薄壁基礎胞元壁身的一側(cè)，壁身內(nèi)陷缺口面之間的最小距離為壁身內(nèi)陷缺口在空心輕質(zhì)薄壁管軸向尺寸長度。

12、六邊形管構(gòu)型薄壁基礎胞元之間利用壁身內(nèi)陷缺口幾何約束進行空間自鎖，形成可周期陣列的中尺度結(jié)構(gòu)胞元；中尺度結(jié)構(gòu)胞元利用薄壁基礎胞元端面缺口幾何約束進行空間自鎖，在空間前后左右多維度可進行積木超結(jié)構(gòu)無限制拓展，以形成無限制拓展的積木超結(jié)構(gòu)，包括六邊形管構(gòu)型太空桁架及其裝備結(jié)構(gòu)。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

14、(1)本發(fā)明提供的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，采用天造天用的方式，利用逐漸成熟的太空增材制造技術(shù)對離散積木超結(jié)構(gòu)進行制備，可根據(jù)不同材料以及組件單元的拓撲構(gòu)型進行按需加工，較傳統(tǒng)“地造天用”航天器設計方案更加節(jié)能低耗、效率更高，可充分利用太空資源進行太空桁架及其裝備的制造；

15、(2)本發(fā)明由若干薄壁管件單元按不同空間規(guī)模尺度經(jīng)非機械連接靈活組裝設計，降低了太空增材制造裝備的規(guī)模技術(shù)需求，制造成型更加靈活，組裝工藝更加精簡，同時設計了自鎖模塊設計，通過定義不同拓撲類型的缺口自鎖空間，可實現(xiàn)離散積木超結(jié)構(gòu)的快速組裝與拆卸，可有效實現(xiàn)一維組件胞元向多維宏觀結(jié)構(gòu)拓展；

16、(3)本發(fā)明設計了離散結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的太空桁架及其裝備及其性能需求，所制備的標準化離散結(jié)構(gòu)可按照基體材料、組件胞元的拓撲構(gòu)型以及組裝規(guī)模進行性能定制可調(diào)，采用的積木超結(jié)構(gòu)利用摩擦與壓力的耦合特性，使得積木超結(jié)構(gòu)裝配過程不易受太空極端多變環(huán)境影響，具有輕質(zhì)、高承載、耐沖擊、易部署等諸多優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
一種面向太空裝備的輕質(zhì)高承載抗沖擊多功能積木超結(jié)構(gòu)，積木超結(jié)構(gòu)主要由不同尺度的薄壁基礎胞元組成，薄壁基礎胞元之間首先利用壁身內(nèi)陷缺口幾何約束進行空間自鎖，形成可周期陣列的中尺度結(jié)構(gòu)胞元，然后利用薄壁基礎胞元端面缺口幾何約束進行空間自鎖，在空間前后左右多維度可進行積木超結(jié)構(gòu)無限制拓展，以形成大尺度太空桁架及其裝備結(jié)構(gòu)；針對不同宏觀結(jié)構(gòu)的大尺度太空桁架及其裝備，可由不同拓撲截面的小尺度薄壁基礎胞元進行“搭積木”式裝配制備，該裝配過程不易受太空極端多變環(huán)境影響，具有輕質(zhì)、高承載、耐沖擊、易部署等諸多優(yōu)勢，為破解未來大型空間結(jié)構(gòu)發(fā)展提出重要解決方案。

技術(shù)研發(fā)人員：王昕,王鵬飛,李振,李秉洋,趙維剛,遲百宏,馮相超,董雯,耿新宇,章琪,朱楠
受保護的技術(shù)使用者：中國航天科技創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14