CN106229602B - 完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

一种完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构，其包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和N个内外层连接桁架组件，内层环形桁架组件和外层环形桁架组件均包括N个折展单元，相邻折展单元间通过共用两个花盘连接，内外层环形桁架组件同心设置，内层折展单元每侧的上下两个内层花盘各通过一个内外层连接桁架组件与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架，内外层折展单元相同位置杆件长度及花盘转动副轴线与中心线之间距离满足特定的比例关系，内外层比值均为(1‑sin(180/N))/(1+sin(180/N))。本发明具有刚度高、结构简单和可靠性高的特点，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。

Description

完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构

技术领域

本发明涉及一种可展开天线机构。

背景技术

空间折展机构可以应用于通信卫星平台、空间站、太空望远镜、航天飞行器等航天器上，具有良好的应用前景，已成为航天领域的研究热点之一。大型空间折展机构在航天领域的一个重要应用是作为大口径天线的展开与支撑机构，目前研制成功的大口径空间可展开天线主要有展开肋式天线、构架式可展开天线、环柱形可展开天线和环形桁架式可展开天线。

环形桁架式可展开天线具有大折叠比、质量较小、质量不随口径的增大而成比例增加的特点，是空间几十米到上百米大口径可展开天线的理想结构形式，各国相关科研人员对其进行了深入的研究，并且取得了在轨应用，最典型的为美国于2000年发射的AstroMesh折展天线，它是由多个平面对角线伸缩单元组成的单层环形桁架天线，口径为12.25m，质量为55Kg，收拢时直径和高度分别为1.3m和3.8m。

虽然各国科研人员在环形桁架天线机构方面做了大量研究，但是现有的环形桁架机构类型较少，并且随着天线口径的增大，天线刚度下降较为严重，一些环形桁架可展开天线采用张紧拉锁实现天线机构整体刚度的提高，但是张紧拉锁较为复杂，不易控制，也降低了整体结构的可靠性，在展开过程中极易发生缠绕现象，使环形桁架天线展开失败，造成巨大的经济损失。因此，亟需提出制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造工艺性好、刚度高、折叠比大的完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构。

本发明主要包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和N个内外层连接桁架组件；所述内层环形桁架组件包括N个内层折展单元，各折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元通过共用的两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层环形桁架组件包括N个外层折展单元，各折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元通过共用的两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；整个完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件同心设置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘各通过一个内外层连接桁架组件与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架。

所述内层折展单元，其主要包括两个内层剪叉杆、四个内层连杆以及四个内层花盘(实际只包括一半)；所述两个内层剪叉杆结构完全相同，两个内层剪叉杆中部通过转动副连接，组成内层剪叉折叠杆，每组内层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个内层花盘连接；所述四个内层花盘结构完全相同，每个内层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为(90+180/N)°；所述每组内层剪叉折叠杆自由端分别插入内层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；在该四个内层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根内层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个内层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个内层连杆共组成上下两组内层折叠连杆；同一内层折展单元中的内层折叠连杆和内层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个内层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝外，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

所述外层折展单元，其主要包括两个外层剪叉杆，四个外层连杆以及四个外层花盘(实际只包括一半)；所述两个外层剪叉杆结构完全相同，两个外层剪叉杆中部通过转动副连接，组成外层剪叉折叠杆；每组外层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个外层花盘连接；所述四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为(90-180/N)°；所述每组外层剪叉折叠杆自由端分别插入外层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；在该四个外层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根外层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个外层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个外层连杆共组成上下两组外层折叠连杆；同一外层折展单元中的外层折叠连杆和外层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个外层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝内，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

所述内外层连接桁架组件，其主要包括两个连接剪叉杆，所述两个连接剪叉杆结构完全相同，两个连接剪叉杆通过转动副连接组成连接剪叉折叠杆，但连接两连接剪叉杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，较短的一段与内层剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与外层剪叉杆长度的一半等长；该连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两端分别插入某一内层折展单元同一侧上下两个内层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上距中间连接转动副距离较长的两端分别插入某一外层折展单元同一侧上下两个外层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。

所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，但是构件尺寸不同，内层折展单元和外层折展单元中的相应杆件均满足特定比例关系，所述内层折展单元中的内层剪叉杆和所述外层折展单元中的外层剪叉杆的长度比以及所述内层折展单元中的内层连杆和所述外层折展单元中的外层连杆长度比均为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))。

所述内层花盘和外层花盘，其各转动副轴线与各自花盘中心轴线之间距离满足特定比例关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，内层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比也为(1-sin(180/N))/(1+sin(180N/))，内层花盘和外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的刚度较高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求；

2、本发明具有运动灵活、折叠比较大的优点。

3、本发明结构简单，所含运动副均为转动副，易于实现工程制造。

4、本发明采用了模块化的设计思想，模块数量可以根据天线口径和单元大小的需求而随意改变，模块扩展性强，可实现模块化生产，从而有效降低制造成本和难度。

5、本发明实施方式简单，可靠性高，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。

附图说明

图1是本发明完全展开立体示意简图；

图2是本发明半展开立体示意简图；

图3是本发明完全收拢立体示意简图；

图4是本发明的内层环形桁架组件立体示意简图；

图5是本发明的外层环形桁架组件立体示意简图；

图6是本发明的内层折展单元展开立体示意简图；

图7是本发明的内层折展单元收拢立体示意简图；

图8是本发明的外层折展单元展开立体示意简图；

图9是本发明的内外层连接桁架组件立体示意简图；

图10是本发明的内层花盘的立体示意简图。

图11是本发明的外层花盘的立体示意简图。

图中：A：内层环形桁架组件，B：外层环形桁架组件，C：内外层连接桁架组件，D：内层折展单元，E：外层折展单元；1、内层剪叉杆，2、内层连杆，3、内层花盘，4、外层剪叉杆，5、外层连杆，6、外层花盘，7、连接剪叉杆。

具体实施方式

在图1、图2和图3所示的完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构完全展开、半展开及完全收拢立体示意简图中，其包括内层环形桁架组件A、外层环形桁架组件B和12个内外层连接桁架组件C。在图4所示的本发明的内层环形桁架组件立体示意简图中，该内层环形桁架组件包括12个内层折展单元D，各折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元通过共用的两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构。在图5所示的本发明的外层环形桁架组件立体示意简图中，该外层环形桁架组件包括12个外层折展单元E，各折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元通过共用的两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构。又在图1、图2和图3中，整个完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件同心设置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘各通过一个内外层连接桁架组件C与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架。

在图6和图7所述的本发明的内层折展单元展开立体示意简图中，所述内层折展单元D，其主要包括两个内层剪叉杆1、四个内层连杆2以及四个内层花盘3的各一半；所述两个内层剪叉杆结构完全相同，两个内层剪叉杆中部通过转动副连接，组成内层剪叉折叠杆，每组内层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个内层花盘连接；所述四个内层花盘结构完全相同，如图10所示，每个内层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为105°(90°+180°/12＝105°)；所述每组内层剪叉折叠杆自由端分别插入内层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；在该四个内层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根内层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个内层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个内层连杆共组成上下两组内层折叠连杆；同一内层折展单元中的内层折叠连杆和内层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个内层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝外，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

在图8所示的本发明的外层折展单元展开立体示意简图中，所述外层折展单元E，其主要包括两个外层剪叉杆4，四个外层连杆5以及四个外层花盘6；所述两个外层剪叉杆结构完全相同，两个外层剪叉杆中部通过转动副连接，组成外层剪叉折叠杆；每组外层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个外层花盘连接；所述四个外层花盘结构完全相同，如图11所示，每个外层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为75°(90°-180°/12＝75°)；所述每组外层剪叉折叠杆自由端分别插入外层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；在该四个外层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根外层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个外层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个外层连杆共组成上下两组外层折叠连杆；同一外层折展单元中的外层折叠连杆和外层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个外层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝内，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

在图9所示本发明的内外层连接桁架组件立体示意简图中，所述内外层连接桁架组件，其主要包括两个连接剪叉杆7，所述两个连接剪叉杆结构完全相同，两个连接剪叉杆通过转动副连接组成连接剪叉折叠杆，但连接两连接剪叉杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为l/L＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，较短的一段与内层剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与外层剪叉杆长度的一半等长；该连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两端分别插入某一内层折展单元同一侧上下两个内层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上距中间连接转动副距离较长的两端分别插入某一外层折展单元同一侧上下两个外层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。

所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，但是构件尺寸不同，所述内层折展单元中的内层剪叉杆和所述外层折展单元中的外层剪叉杆的长度比以及所述内层折展单元中的内层连杆和所述外层折展单元中的外层连杆长度比均为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))。

在图10和图11所示的本发明的内层花盘和外层花盘立体示意简图中，所述内层花盘和外层花盘，其各转动副轴线与各自花盘中心轴线之间距离满足特定比例关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离p和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离q之比为p/q＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，内层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离m和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离n之比为m/n＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，内层花盘和外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。

Claims (4)

1.一种完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：其包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和N个内外层连接桁架组件；所述内层环形桁架组件包括N个内层折展单元，各折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元通过共用的两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层环形桁架组件包括N个外层折展单元，各折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元通过共用的两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；整个完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件同心设置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘各通过一个内外层连接桁架组件与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架；

所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，但是构件尺寸不同，内层折展单元和外层折展单元中的相应杆件均满足特定比例关系，所述内层折展单元中的内层剪叉杆和所述外层折展单元中的外层剪叉杆的长度比以及所述内层折展单元中的内层连杆和所述外层折展单元中的外层连杆长度比均为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))；

所述内层花盘和外层花盘，其各转动副轴线与各自花盘中心轴线之间距离满足特定比例关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，内层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比也为(1-sin(180/N))/(1+sin(180N/))，内层花盘和外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。

2.根据权利要求1所述的完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层折展单元，其主要包括两个内层剪叉杆、四个内层连杆以及四个内层花盘；所述两个内层剪叉杆结构完全相同，两个内层剪叉杆中部通过转动副连接，组成内层剪叉折叠杆，每组内层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个内层花盘连接；所述四个内层花盘结构完全相同，每个内层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为(90+180/N)°；所述每组内层剪叉折叠杆自由端分别插入内层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；在该四个内层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根内层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个内层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个内层连杆共组成上下两组内层折叠连杆；同一内层折展单元中的内层折叠连杆和内层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，每个内层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝外，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

3.根据权利要求1所述的完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述外层折展单元，其主要包括两个外层剪叉杆，四个外层连杆以及四个外层花盘；所述两个外层剪叉杆结构完全相同，两个外层剪叉杆中部通过转动副连接，组成外层剪叉折叠杆；每组外层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个外层花盘连接；所述四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以单槽口支叉槽口的对称面为对称，两双槽口支叉每个槽口的对称面与单槽口支叉槽口对称面的夹角为(90-180/N)°；所述每组外层剪叉折叠杆自由端分别插入外层花盘四个远离单槽口支叉的双槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；在该四个外层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，各插有一根外层连杆的自由端，并通过转动副连接，所述四个外层连杆结构完全相同，每两个一端通过转动副连接成一组，四个外层连杆共组成上下两组外层折叠连杆；同一外层折展单元中的外层折叠连杆和外层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，每个外层折展单元四个花盘单槽口支叉的开口槽朝内，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

4.根据权利要求1所述的完全剪铰式双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内外层连接桁架组件，其主要包括两个连接剪叉杆，所述两个连接剪叉杆结构完全相同，两个连接剪叉杆通过转动副连接组成连接剪叉折叠杆，但连接两连接剪叉杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，较短的一段与内层剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与外层剪叉杆长度的一半等长；该连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两端分别插入某一内层折展单元同一侧上下两个内层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上距中间连接转动副距离较长的两端分别插入某一外层折展单元同一侧上下两个外层花盘的单槽口支叉的开口槽中并通过两个转动副连接，连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。