CN107134656A - 一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面及其设计方法，所述基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面包括至少两层薄膜层和一层中间网格结构层，所述中间网格结构层介于两层薄膜层之间，其网格节点与薄膜层固定连接。所述膜壳天线反射面包含两种状态：2D“膜”状态和3D“壳”状态，2D“膜”天线反射面可进行折叠并展开，使用时，2D天线反射面经诱导转换为3D立体状态并固化定型为“壳”天线反射面。本发明的天线反射面通过构型由2D“膜”状态向3D“壳”状态转变，实现刚柔转换进而变刚度功能，刚度的提升大大提高了天线反射面的形面精度，有利于解决薄膜空间展开天线反射面刚度低和形面精度低等不足。

Description

一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面及其设 计方法

技术领域

本发明涉及一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面及其设计方法。

背景技术

随着航天科技的发展，发展大口径、高精度、轻重量的可展开天线是空间展开天线的发展趋势，它在发射过程中处于折叠收纳(收拢)状态，待发射入轨后，由地面指挥中心控制结构按设计要求逐渐展开，成为一个大型空间结构，然后锁定并保持为运营工作状态。薄膜充气展开天线反射面由于其高收纳比、高折叠效率、重量低以及展开可靠性性高等优点成为大口径、高精度与轻重量大型空间展开天线结构的典型应用，但其存在的面外结构刚度低和形状不稳定而导致形面精度低等不足，又制约着其在空间结构中的应用。在空天环境中，高低温、辐射等空间复杂环境都会影响薄膜展开天线反射面结构的形状稳定性，影响结构的形面精度，进而影响天线结构的工作状态。

发明内容

为了解决薄膜空间展开天线反射面的面外结构刚度低和形状不稳定进而导致面形精度低的不足，本发明提供了一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面及其设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，至少包括两层薄膜层和一层中间网格结构层，所述中间网格结构层介于两层薄膜层之间，其网格节点与薄膜层固定连接。

本发明中，膜壳天线反射面包含两种状态：二维（2D）“膜”状态和三维（3D）“壳”状态，2D“膜”天线反射面可进行折叠并展开，使用时，2D天线反射面经诱导转换为3D立体状态并固化定型为“壳”天线反射面，其中：2D“膜”状态向3D“壳”状态转换是通过构型刚柔转换实现的。

一种上述基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面的设计方法，包括如下两种技术方案：

技术方案一：

步骤1： 根据实际应用对象和环境，确定天线反射面制备需使用的材料和网格类型；

步骤2：基于确定的材料和网格类型，制备2D网格结构，并与上下薄膜层复合成型为2D“膜”天线反射面；

步骤3：2D“膜”天线反射面地面折叠打包；

步骤4：折叠打包的2D“膜”天线反射面发射入轨后，经诱导转变为3D立体状态，并在外界刺激下固化定型为“壳”天线反射面。

技术方案二：

步骤1： 根据实际应用对象和环境，确定天线反射面制备需使用的材料和网格类型；

步骤2：基于确定的材料和网格类型，制备3D立体状态天线反射面；

步骤3：将3D立体状态天线反射面转变为2D“膜”天线反射面，并对其进行折叠打包；

步骤4：折叠打包的2D“膜”天线反射面发射入轨后，经诱导转变为3D立体状态，并在外界刺激下固化定型为“壳”天线反射面。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于二维转三维立体构型思想，提出了一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，天线反射面通过构型由2D“膜”状态向3D“壳”状态转变，实现柔刚转换进而变刚度功能，刚度的提升大大提高了薄膜天线反射面的形面精度。

2、本发明设计的膜壳天线反射面实现刚柔转换变刚度的诱导方式简单快捷，且稳定性高。

3、本发明设计的膜壳天线反射面中，网格层的网格类型可进行组网设计和优化，实现不同刚度的调节需求，以满足不同应用对象的要求，适用性广泛。

4、本发明设计的膜壳天线反射面既可以依赖充气压力与3D“壳”高刚度结构共同作用维型，又可以在发射入轨后不依赖充气压力维型，仅仅依赖3D“壳”高刚度结构维型。

5、本发明设计的膜壳天线可实现地面折叠，发射入轨后展开并以“壳”的高刚度工作状态运行，形状稳定性高，面形精度高，服役寿命长。

附图说明

图1为基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面的组成部分示意图；

图2为基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面的2D状态下的结构示意图；

图3为基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面由2D转变为3D的状态示意图；

图4为基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面构型经诱导转变为3D立体状态下的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1-4所示，本实施方式提供的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面由两层薄膜层和一层中间网格结构层2构成，所述中间网格结构层2介于两层薄膜层1之间，其网格节点3与薄膜层1固定连接。中间网格结构层2的初始状态是二维（2D）状态的网格结构，而所述刚柔转换功能是基于结构构型转换而获得的；2D反射面经过充气方式诱导转换为三维（3D）立体状态，3D立体状态固化定型后，天线反射面以高刚度形式在空间工作运行。所述天线反射面的2D状态属于“膜”状态，可进行折叠并展开，3D立体状态属于“壳”状态。

以中间网格结构层2为直角型的平面天线发射面为例，具体设计步骤如下：

步骤1：如图2所示，制备成型2D中间网格结构层，并将网格节点按规则与上下薄膜层固定连接，最终复合成型为2D“膜”天线反射面；

步骤2：2D“膜”天线反射面进行地面折叠打包；

步骤3：如图3-4所示，折叠打包的2D“膜”天线反射面发射入轨后，经充气方式诱导构型转变为3D立体状态，并在外界刺激下固化定型为“壳”天线反射面；

步骤4：固化定型的3D立体状态膜壳天线反射面以高刚度形式在空间工作运行。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述中间网格结构层的材料为形状记忆合金、形状记忆聚合物和形状记忆复合材料中的一种或多种。

以中间网格结构层2为直角型的平面天线发射面为例，具体设计步骤如下：

步骤1：选定网格层形状记忆材料和薄膜层材料，并制备成型出3D立体状态天线反射面；

步骤2：将3D立体状态天线反射面加热到形状记忆温度以上，反射面结构变软，转变为2D状态“膜”，并对其进行折叠打包；

步骤3：天线反射面发射入轨后，对结构加热到形状记忆材料的恢复温度，结构恢复到3D立体状态，定型为“壳”天线反射面后以高刚度的状态在空间工作运行。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，所述展开天线反射面的结构形式为平面、抛物面或柱面等。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一~三不同的是，所述中间网格结构层的网格类型为三角型、菱型、六边型、米字型以及不同网格类型的组合形式。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一~四不同的是，所述网格节点与薄膜层固定连接的方式为胶粘剂粘合、缝合的一种或组合形式。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二~五不同的是，所述形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆复合材料的形状记忆效应可以由热、电、磁、电磁、光、化学感应中的一种或多种因素激发。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一~六不同的是，所述薄膜层的材料为聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚氨酯薄膜等薄膜的一种。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二~六不同的是，所述薄膜层的材料为形状记忆聚合物、形状记忆复合材料中的一种。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施二~八不同的是，所述形状记忆复合材料的增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维或以上纤维织物中的一种或多种。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一~九不同的是，所述展开驱动可以由充气方式或材料形状记忆效应作用力单独提供，也可以由这两种作用力共同提供。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一~十不同的是，所述固化引发方式可以由热、辐射、光照中的一种或多种因素激发。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一~十一不同的是，所述膜壳反射面可以为层合结构，例如三层薄膜层和两层中间网格结构层构成的双层膜壳结构（薄膜层-中间网格结构层-薄膜层-中间网格结构层-薄膜层），以此类推。

Claims (10)

1.一种基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面至少包括两层薄膜层和一层中间网格结构层，所述中间网格结构层的网格节点与上薄膜层和下薄膜层固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述基于构型刚柔转换的可折叠展开天线反射面包含两种状态：2D“膜”状态和3D“壳”状态，2D“膜”天线反射面可进行折叠并展开，使用时，2D天线反射面经诱导转换为三3D立体状态并固化定型为“壳”天线反射面。

3.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述基于构型刚柔转换的可折叠展开天线反射面的结构形式为平面、抛物面或柱面。

4.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述中间网格结构层的网格类型为直角形、三角型、菱型、六边型、米字型中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述网格节点与薄膜层固定连接的方式为胶粘剂粘合、缝合的一种或组合形式。

6.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述中间网格结构层的材料为形状记忆合金、形状记忆聚合物和形状记忆复合材料中的一种或多种，形状记忆效应由热、电、磁、电磁、光、化学感应中的一种或多种因素激发。

7.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述薄膜层的材料为聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚氨酯薄膜中的一种。

8.根据权利要求1所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面，其特征在于所述薄膜层的材料为形状记忆聚合物、形状记忆复合材料中的一种。

9.一种权利要求1-8任一权利要求所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面的设计方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤1： 根据实际应用对象和环境，确定天线反射面制备需使用的材料和网格类型；

步骤2：基于确定的材料和网格类型，制备2D网格结构，并与上下薄膜层复合成型为2D“膜”天线反射面；

步骤3：2D“膜”天线反射面地面折叠打包；

步骤4：折叠打包的2D天线反射面发射入轨后，经诱导转变为3D立体状态，并在外界刺激下固化定型为“壳”天线反射面。

10.一种权利要求1-8任一权利要求所述的基于构型刚柔转换的可折叠展开膜壳天线反射面的设计方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤1： 根据实际应用对象和环境，确定天线反射面制备需使用的材料和网格类型；

步骤2：基于确定的材料和网格类型，制备3D立体状态天线反射面；

步骤3：将3D立体状态天线反射面转变为2D“膜”天线反射面，并对其进行折叠打包；

步骤4：折叠打包的2D“膜”天线反射面发射入轨后，经诱导转变为3D立体状态，并在外界刺激下固化定型为“壳”天线反射面。