CN106374184B - 一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置及其收拢展开方法 - Google Patents

Abstract

一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置，包括收拢解锁装置(1)、底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)、根部展开铰链(8)。卫星发射前，通过收拢解锁装置(1)将偶极子天线阵(6)收拢在卫星本体(9)上。卫星入轨后，收拢解锁装置(1)解除约束，各铰链同时作用展开，展开到位后，通过根部展开铰链(8)及中间折叠铰链(3)的到位锁定功能，锁定偶极子天线阵(6)的主体，同时通过底部馈电杆铰链(2)、顶部馈电杆铰链(4)、底部非馈电杆铰链(7)及顶部非馈电杆铰链(5)的保持力矩，使得偶极子天线阵(6)在最终的展开位置保持稳定状态。

Description

一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置及其收拢展开方法

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种星载天线阵的收拢展开方法。

背景技术

目前，多种航天任务需要采用偶极子天线阵或者振子天线，并且在天线工作时需要具备一定的形态以保证电性能设计要求，如舰船定位用的AIS卫星，卫星需携带约8套甚至更多套偶极子天线组阵以实现任务功能。偶极子天线的工作形态往往占据较大的空间，并且发射时难以满足力学要求。因此需要针对此类天线设计收拢/展开方式，即天线在运输发射时收拢至卫星本体上，到达预定工作轨道后，收拢装置可靠解锁，天线进行空间展开，并保持工作状态。

当前卫星较少使用偶极子天线阵，偶有使用的卫星往往具有较大的体积并且天线阵不需要占据较大面积，因此没有较为严格的收拢要求，星载偶极子天线往往不需要收拢展开或者天线阵整体展开即可。还有就是部分卫星携带较长的振子天线，但是由于天线较为简单，不需要组成复杂天线阵完成所要求任务，以此往往采用套筒式展开或者弹性自回弹展开，而这些展开方式不适合复杂偶极子天线阵的展开。

综上所述，当前没有较为合适的小型卫星所携带的复杂星载偶极子天线阵收拢展开方法研究。因此需要根据实际情况设计天线阵可靠的收拢展开方式，从而满足小型卫星星载偶极子天线阵及振子的可靠收拢/展开需求，并且具备将天线阵展开至足够面积的能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载偶极子天线阵的收拢展开方法，可以使得具有较大展开面积的复杂偶极子天线阵较为可靠的收拢至较小的收拢体积内，并通过收拢释放装置将其可靠解锁，解锁后利用无源自驱动铰链展开至工作形态，并可以较好保持所要求的形态。

本发明的技术解决方案是：一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置，其特征在于包括：收拢解锁装置、底部馈电杆铰链、中间折叠铰链、顶部馈电杆铰链、顶部非馈电杆铰链、底部非馈电杆铰链、根部展开铰链，所述的收拢解锁装置在解锁前将偶极子天线阵收拢在卫星本体上，并通过火工品解除对偶极子天线阵的约束；所述的偶极子天线阵包括根部固定杆、底部左振子、底部右振子、底部馈电杆、底部非馈电杆、顶部馈电杆、顶部非馈电杆、顶部左振子、顶部右振子；根部展开铰链将根部固定杆与卫星本体底部棱角相连，提供90°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能；中间折叠铰链连接底部非馈电杆与顶部非馈电杆，提供180°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能；底部馈电杆铰链连接底部左振子与底部馈电杆，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；底部非馈电杆铰链连接底部右振子与底部非馈电杆，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；顶部馈电杆铰链连接顶部左振子与顶部馈电杆，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；顶部非馈电杆铰链连接顶部右振子与顶部非馈电杆，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态。

所述的收拢解锁装置包括火工品、紧固螺栓、锁紧固定座、三个金属片、三个弹簧、四个连接轴以及底座；所述的底座和锁紧固定座分别固定在卫星本体上，四个连接轴将底座、三个金属片以及紧固螺栓的一端顺序连接成链式结构，其中底座与三个金属片之间相连的连接轴上还分别安装有弹簧，紧固螺栓的另一端通过火工品与锁紧固定座固定连接。

所述的底部馈电杆铰链、中间折叠铰链、顶部馈电杆铰链、顶部非馈电杆铰链、底部非馈电杆铰链或者根部展开铰链的展开力矩不小于0.18Nm。

一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置的收拢展开方法，包括：

(A)通过将根部展开铰链将根部固定杆与卫星本体底部棱角相连；通过中间折叠铰链连接底部非馈电杆与顶部非馈电杆；通过底部馈电杆铰链连接底部左振子与底部馈电杆；通过底部非馈电杆铰链连接底部右振子与底部非馈电杆；通过顶部馈电杆铰链连接顶部左振子与顶部馈电杆；通过顶部非馈电杆铰链连接顶部右振子与顶部非馈电杆；

(B)控制底部馈电杆铰链、中间折叠铰链、顶部馈电杆铰链、顶部非馈电杆铰链、底部非馈电杆铰链和根部展开铰链全部处于非展开状态，由此使得由包括根部固定杆、底部左振子、底部右振子、底部馈电杆、底部非馈电杆、顶部馈电杆、顶部非馈电杆、顶部左振子、顶部右振子的偶极子天线阵收拢在卫星本体侧面，并通过卫星本体上的收拢解锁装置进行固定；

(C)将处于收拢状态的偶极子天线阵与卫星本体一起发射入轨，入轨后，收拢解锁装置的火工品起爆，收拢释放装置解除对偶极子天线阵的约束；

(D)底部馈电杆铰链、中间折叠铰链、顶部馈电杆铰链、顶部非馈电杆铰链、底部非馈电杆铰链、根部展开铰链同时作用展开；其中根部展开铰链将根部固定杆与卫星底部展开90°；中间折叠铰链将底部非馈电杆与顶部非馈电杆展开180°；底部馈电杆铰链将连接底部左振子与底部馈电杆展开90°；顶部馈电杆铰链将顶部左振子与顶部馈电杆展开90°；顶部非馈电杆铰链将顶部右振子与顶部非馈电杆展开90°；底部非馈电杆铰链将底部右振子与底部非馈电杆展开90°；

(E)展开到位后，通过根部展开铰链及中间折叠铰链的到位锁定功能，锁定偶极子天线阵的主体，同时通过底部馈电杆铰链、顶部馈电杆铰链、底部非馈电杆铰链及顶部非馈电杆铰链的保持力矩，使得偶极子天线阵在最终的展开位置保持稳定状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法通过设计不同展开角度的铰链，并将其合理利用于偶极子天线的馈电杆、非馈电杆以及振子连接处，可以在不增大卫星包络尺寸的前提下，使得卫星携带较大工作面积的复杂偶极子天线阵，避免了天线阵整体展开需要占据较大的收拢空间问题，并且具有较高的展开/收拢比；

(2)本发明方法基于可靠性思想，取消了复杂的展开控速机构、展开过程控制机构及外接动力源。通过运动学分析其展开运动空间，从原理上避免了展开过程中各杆件的干涉问题；

(3)本方法同时设计了可靠展开的收拢释放装置，采用自回弹表链式包带将收拢后的天线阵紧固在卫星本体上，通过采用自驱动弹簧铰链来提供动力，在展开时确保包带回弹较小，减小了对天线杆件的影响；

(4)本方法权衡展开机构的可靠性及复杂性的问题，在部分关键铰链设计了到位锁定机构，在其它部分设计较大的保持力矩，综合作用可以将展开后天线阵保持所需的工作形态；

(5)采用本发明方法，可以根据实际要求在卫星上布置其它工作形态的展开偶极子天线阵，满足多种任务需求。

附图说明

图1为本发明偶极子天线阵展开后各铰链安装位置立体图；

图2为本发明偶极子天线阵中各铰链结构图一；

图3为本发明偶极子天线阵中各铰链结构图二；

图4为本发明收拢释放机构释放中间过程示意图；

图5为本发明根部展开铰链示意图；

图6为本发明底部非馈电杆铰链示意图；

图7为本发明底部馈电杆铰链、顶部馈电杆铰链及顶部非馈电杆铰链示意图；

图8为本发明中间折叠铰链示意图；

图9为本发明天线阵收拢状态示意图；

图10为本发明天线阵展开过程中间示意图。

图中各部件分别为：收拢解锁装置1、底部馈电杆铰链2、中间折叠铰链3、顶部馈电杆铰链4、顶部非馈电杆铰链5、偶极子天线阵6、底部非馈电杆铰链7、根部展开铰链8、卫星本体9、火工品11、紧固螺栓12、金属片13，14，15、底座16、锁紧固定座17、弹簧18，19，20、连接轴21，22，23，24、底部左振子31、底部馈电杆32、顶部馈电杆33、顶部左振子34、顶部右振子35、顶部非馈电杆36、底部非馈电杆37、底部右振子38、根部固定杆39。

具体实施方式

本发明的展开思想是根据天线工作形态的要求以及卫星本体的要求，综合考虑天线阵的收拢方式，通过不同铰链实现展开及到位锁定。同时，基于提高可靠性考虑，铰链采用储存在铰链内部的弹性势能提供展开力矩。天线收拢包带可靠解锁后，各个铰链在弹簧驱动的作用下快速展开至设计位置，并通过铰链内的锁定装置进行锁定，或者采用较高保持力矩保持相对位置。

为此，本发明根据天线展开后的形态，设计不同的自驱动展开铰链，使其具备展开90°、180°等不同要求。铰链同时具备展开后锁定功能或者较大的保持力矩，使得展开后的天线阵可以满足工作需要。同时设计可靠的收拢/解锁装置，使得天线在发射时可以满足严苛的力学环境，保证可靠收拢。在到达预定轨道后，通过火工品解锁使得包带快速展开，天线阵在自驱动铰链的作用下展开。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1～图3所示，本发明主要是利用贮存在铰链里的弹性势能提供展开功能，将偶极子天线阵6展开至所要求形态。其中偶极子天线阵6由根部固定杆39、底部左振子31、底部右振子38、底部馈电杆32、底部非馈电杆37、顶部馈电杆33、顶部非馈电杆36、顶部左振子34、顶部右振子35组成。

铰链根据要求和部位不同，分为根部展开铰链8，将根部固定杆39与卫星本体9底部棱角相连，其可以提供90°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能，如图5所示，其作用是将偶极子天线阵6整体从卫星本体9展开。中间折叠铰链3，连接底部非馈电杆37与顶部非馈电杆36，其可以提供180°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能，如图8所示，其作用是将底部非馈电杆37与顶部非馈电杆36从中间折叠与展开。底部馈电杆铰链2，连接底部左振子31与底部馈电杆32，其可以提供90°的运动自由度，且具备足够大的保持力矩，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态，如图7所示。底部非馈电杆铰链7，连接底部右振子38与底部非馈电杆37，其可以提供90°的运动自由度，铰链具备足够大的保持力矩，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态，如图6所示。顶部馈电杆铰链4，连接顶部左振子34与顶部馈电杆33，其可以提供90°的运动自由度，铰链具备足够大的保持力矩，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态。顶部非馈电杆铰链5，连接顶部右振子35与顶部非馈电杆36，其可以提供90°的运动自由度，铰链具备足够大的保持力矩，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态。

收拢解锁装置1保证天线阵在发射时可以可靠收拢至卫星本体9上。收拢时，偶极子天线阵6通过铰链折叠至卫星本体9棱边处，由收拢解锁装置1中的链式包带紧固。展开时，火工品解锁，链式包带弹开，由各铰链内的金属弹簧提供展开动力，铰链的展开力矩不小于0.18Nm，展开至工作形态。

如图4所示，收拢解锁装置1类似于表链式包带，由火工品11、紧固螺栓12、锁紧固定座17、三个金属片13，14，15、三个弹簧18，19，20、四个连接轴21，22，23，24以及底座16组成。四个连接轴21，22，23，24上带有弹簧18，19，20，具备将由三个金属片13，14，15构成的包带展开的动力，减少展开时对偶极子天线阵6的影响，同时保证较小的回弹，避免与展开天线阵中各杆件的干涉。其中图10为收拢解锁装置1的半展开状态。

如图9、图10所示，星载偶极子天线阵6的展开过程如下：

(A)卫星到达预定轨道，火工品11起爆，与火工品11相连的紧固螺栓12从锁紧固定座17中脱出，收拢释放装置1解除对偶极子天线阵6的约束。收拢释放装置1通过四个连接轴21，22，23，24上带有的弹簧18，19，20，迅速将由三个金属片13，14，15构成的包带展开，并由弹力压紧至展开状态，并由底座16确保包带不脱落。

(B)底部馈电杆铰链2、中间折叠铰链3、顶部馈电杆铰链4、顶部非馈电杆铰链5、底部非馈电杆铰链7、根部展开铰链8同时作用负责展开。其中根部展开铰链8将根部固定杆39与卫星底部展开90°；中间折叠铰链3将底部非馈电杆37与顶部非馈电杆36展开180°；底部馈电杆铰链2将连接底部左振子31与底部馈电杆32展开90°；顶部馈电杆铰链4将顶部左振子34与顶部馈电杆33展开90°；顶部非馈电杆铰链5将顶部右振子35与顶部非馈电杆36展开90°；底部非馈电杆铰链7将底部右振子38与底部非馈电杆37展开90°。

(C)展开到位后，根部展开铰链8及中间折叠铰链3存在到位锁定功能，天线阵主体被锁定。由于底部馈电杆铰链2、顶部馈电杆铰链4、底部非馈电杆铰链7及顶部非馈电杆铰链5具有较大的保持力矩，使得最终展开结构保持较为稳定状态，满足电性能分析要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置，其特征在于包括：收拢解锁装置(1)、底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)、根部展开铰链(8)，所述的收拢解锁装置(1)在解锁前将偶极子天线阵(6)收拢在卫星本体(9)上，并通过火工品(11)解除对偶极子天线阵(6)的约束；所述的偶极子天线阵(6)包括根部固定杆(39)、底部左振子(31)、底部右振子(38)、底部馈电杆(32)、底部非馈电杆(37)、顶部馈电杆(33)、顶部非馈电杆(36)、顶部左振子(34)、顶部右振子(35)；根部展开铰链(8)将根部固定杆(39)与卫星本体(9)底部棱角相连，提供90°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能；中间折叠铰链(3)连接底部非馈电杆(37)与顶部非馈电杆(36)，提供180°的运动自由度，展开到位后具有机械锁定功能；底部馈电杆铰链(2)连接底部左振子(31)与底部馈电杆(32)，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；底部非馈电杆铰链(7)连接底部右振子(38)与底部非馈电杆(37)，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；顶部馈电杆铰链(4)连接顶部左振子(34)与顶部馈电杆(33)，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态；顶部非馈电杆铰链(5)连接顶部右振子(35)与顶部非馈电杆(36)，提供90°的运动自由度，展开到位后通过保持力矩保持90°展开状态。

2.根据权利要求1所述的一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置，其特征在于：所述的收拢解锁装置(1)包括火工品(11)、紧固螺栓(12)、锁紧固定座(17)、三个金属片(13，14，15)、三个弹簧(18，19，20)、四个连接轴(21，22，23，24)以及底座(16)；所述的底座(16)和锁紧固定座(17)分别固定在卫星本体(9)上，四个连接轴(21，22，23，24)将底座(16)、三个金属片(13，14，15)以及紧固螺栓(12)的一端顺序连接成链式结构，其中底座(16)与三个金属片(13，14，15)之间相连的连接轴(22，23，24)上还分别安装有弹簧(18，19，20)，紧固螺栓(12)的另一端通过火工品(11)与锁紧固定座(17)固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置，其特征在于：所述的底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)或者根部展开铰链(8)的展开力矩不小于0.18Nm。

4.一种如权利要求1所述的星载偶极子天线阵的收拢展开装置的收拢展开方法，其特征在于包括：

(A)通过将根部展开铰链(8)将根部固定杆(39)与卫星本体(9)底部棱角相连；通过中间折叠铰链(3)连接底部非馈电杆(37)与顶部非馈电杆(36)；通过底部馈电杆铰链(2)连接底部左振子(31)与底部馈电杆(32)；通过底部非馈电杆铰链(7)连接底部右振子(38)与底部非馈电杆(37)；通过顶部馈电杆铰链(4)连接顶部左振子(34)与顶部馈电杆(33)；通过顶部非馈电杆铰链(5)连接顶部右振子(35)与顶部非馈电杆(36)；

(B)控制底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)和根部展开铰链(8)全部处于非展开状态，由此使得由包括根部固定杆(39)、底部左振子(31)、底部右振子(38)、底部馈电杆(32)、底部非馈电杆(37)、顶部馈电杆(33)、顶部非馈电杆(36)、顶部左振子(34)、顶部右振子(35)的偶极子天线阵(6)收拢在卫星本体(9)侧面，并通过卫星本体(9)上的收拢解锁装置(1)进行固定；

(C)将处于收拢状态的偶极子天线阵(6)与卫星本体(9)一起发射入轨，入轨后，收拢解锁装置(1)的火工品(11)起爆，收拢释放装置(1)解除对偶极子天线阵(6)的约束；

(D)底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)、根部展开铰链(8)同时作用展开；其中根部展开铰链(8)将根部固定杆(39)与卫星底部展开90°；中间折叠铰链(3)将底部非馈电杆(37)与顶部非馈电杆(36)展开180°；底部馈电杆铰链(2)将连接底部左振子(31)与底部馈电杆(32)展开90°；顶部馈电杆铰链(4)将顶部左振子(34)与顶部馈电杆(33)展开90°；顶部非馈电杆铰链(5)将顶部右振子(35)与顶部非馈电杆(36)展开90°；底部非馈电杆铰链(7)将底部右振子(38)与底部非馈电杆(37)展开90°；

(E)展开到位后，通过根部展开铰链(8)及中间折叠铰链(3)的到位锁定功能，锁定偶极子天线阵(6)的主体，同时通过底部馈电杆铰链(2)、顶部馈电杆铰链(4)、底部非馈电杆铰链(7)及顶部非馈电杆铰链(5)的保持力矩，使得偶极子天线阵(6)在最终的展开位置保持稳定状态。

5.根据权利要求4所述的一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置的收拢展开方法，其特征在于：所述的收拢解锁装置(1)在解锁前将偶极子天线阵(6)收拢在卫星本体(9)上，并通过火工品(11)解除对偶极子天线阵(6)的约束；所述的收拢解锁装置(1)包括火工品(11)、紧固螺栓(12)、锁紧固定座(17)、三个金属片(13，14，15)、三个弹簧(18，19，20)、四个连接轴(21，22，23，24)以及底座(16)；所述的底座(16)和锁紧固定座(17)分别固定在卫星本体(9)上，四个连接轴(21，22，23，24)将底座(16)、三个金属片(13，14，15)以及紧固螺栓(12)的一端顺序连接成链式结构，其中底座(16)与三个金属片(13，14，15)之间相连的连接轴(22，23，24)上还分别安装有弹簧(18，19，20)，紧固螺栓(12)的另一端通过火工品(11)与锁紧固定座(17)固定连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种星载偶极子天线阵的收拢展开装置的收拢展开方法，其特征在于：所述的底部馈电杆铰链(2)、中间折叠铰链(3)、顶部馈电杆铰链(4)、顶部非馈电杆铰链(5)、底部非馈电杆铰链(7)或者根部展开铰链(8)的展开力矩不小于0.18Nm。