CN107394407B - 一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置，包括n套三角形可展开组件和连接在相邻n套三角形可展开组件下方的n套三角形展开协同组件，两者结构相同且由弹簧驱动的直角三角形可展开单元A构成，n≥2；所述n套三角形可展开组件通过四头铰链首尾相接，n套三角形展开协同组件与n套三角形可展开组件共用同一套通过四头铰链连接的横杆，所述n套三角形可展开组件与n套三角形展开协同组件首尾相接，在弹簧弹性的作用下，收拢或展开构成可展开环形天线装置。该装置几何稳定性较高、运动机构与控制系统简单，收拢后体积小，收纳率高。不需要主动驱动装置，模块扩展性强、装配件简单。能满足通讯卫星、空间探测等空间大口径天线的使用要求。

Description

一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置

技术领域

本发明涉及一种可展开天线装置，具体涉及一种基于弹簧驱动的可展开环形天线装置，属于航天器材与设备技术领域。

背景技术

随着空间科学技术、宇航工程以及各项宇宙探索活动的飞速发展和不断深入，对空间结构的高几何稳定性、大尺度、轻质量的需求变得越来越来紧迫。但是由于航天运载工具的运载空间有限，无法将成型的大尺度空间结构直接送入轨道，因此需要设计具有大折展比的空间可展开装置，在地面发射阶段，可展开装置处于收拢状态固定在运载工具的有效载荷舱内；发射入轨后，可展开装置接受地面控制而展开，最后锁在工作状态，利用空间可展开装置取代成型的大尺度空间结构进行空间研究任务已成为解决上述问题的有效途径。空间可展开装置的设计和相关研究工作是宇航空间事业发展的关键性问题之一。当前，空间可展开装置已朝着模块化、多自由度化、复杂化方向发展。

现在大多的空间可展开天线均采用电机作为动力源，驱动绳索牵引实现机构的整体展开，电机驱动虽然对展开过程的速度控制、冲击振动表现出显著的优良效果，但复杂的驱动机构不但使机构的重量有所增加，也降低了机构的工作稳定性，不但对运载提出较高要求，还容易造成天线无法正常展开，导致空间研究任务无法进行，从而带来巨大的经济损失。为此，本发明提出了一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置，该装置非工作时处于收拢状态，工作时通过弹簧驱动展开，锁定到工作状态。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置，包括n套三角形可展开组件和连接在相邻n套三角形可展开组件下方的n套三角形展开协同组件，两者结构相同且由弹簧驱动的直角三角形可展开单元A构成，n≥2；所述n套三角形可展开组件通过四头铰链首尾相接，n套三角形展开协同组件与n套三角形可展开组件共用同一套通过四头铰链连接的横杆，所述n套三角形可展开组件与n套三角形展开协同组件首尾相接，在弹簧弹性的作用下，收拢或展开构成可展开环形天线装置。

进一步，所述三角形可展开组件，包括通过四头铰链连接的一对对称结构的横杆，在一对横杆之间通过四头铰链垂直连接一组合支撑竖杆，组合支撑竖杆上通过滑块连接一对Y形拉杆，滑块上方的组合支撑竖杆上套有弹簧；在一对横杆的两端分别通过四头铰链分别倾斜连接一根铰接的斜杆，两根斜杆共同连接到上方组合支撑竖杆顶部的双头铰链上。

进一步，所述三角形展开协同组件与相邻两套三角形可展开组件的组合横杆共用，呈左右对称装配；相邻两套三角形可展开组件共用一套四头铰链实现连接，在两相邻三角形可展开组件间装配一套三角形展开协同组件。

进一步，所述组合支撑竖杆由两端竖杆a和竖杆b固定连接自锁装置构成，组合支撑竖杆整体长度与横杆长度相同；所述自锁装置的整体外径尺寸与竖杆a和竖杆b的外径尺寸相同。

进一步，所述自锁装置包括外径尺寸相同相互连接的自锁底座和自锁顶盖，所述自锁底座为半圆柱形实心件，自锁底座一端加工有与竖杆a或竖杆b固定连接的接头和自锁限位环形凸台；所述自锁顶盖为半圆柱形空心件，自锁顶盖一端加工有分别与竖杆a或竖杆b固定连接的接头、自锁限位环形凸台；在自锁顶盖中内嵌有铰接支架，铰接支架上装有自锁弹片，自锁弹片从自锁顶盖侧壁的弹片方孔伸出。

进一步，所述自锁弹片通过铰接轴连接在铰接支架上，在铰接轴上装有自锁扭簧，自锁扭簧为一90°扭簧。

进一步，所述双头铰链和四头铰链均由铰链载体和铰链接头构成，其铰链载体具有角度，铰链载体的两端设有连接铰链接头的U型口，铰链载体的中部设有固定连接孔。

进一步，所述滑块具有角度，滑块的两端设有连接Y形拉杆的U型口，滑块的中部设有连接孔，连接孔内壁上设有卡槽。

进一步，所述斜杆通过铰接连接的斜杆a和斜杆b构成，在斜杆b上设有连接Y形拉杆的连接孔。

进一步，由直角三角形可展开单元A构成的n套三角形可展开组件和n套三角形展开协同组件在弹簧弹性的作用下，滑块驱动Y形拉杆从而驱动斜杆a和斜杆b相对折展，进而牵引组合支撑竖杆与横杆相对折展；在斜杆a和斜杆b相对折叠合并在一起时，组合支撑竖杆和横杆相对折叠收拢成平行状态，此状态即为直角三角形可展开单元A的收拢状态；在斜杆a和斜杆b相对展开成直线状态时，组合支撑竖杆和横杆相对展开成90°角，此状态即为直角三角形可展开单元A展开后的工作状态。

本发明的有益效果是：

1)本发明的几何稳定性较高、运动机构与控制系统简单，能满足空间大口径天线的使用要求，适用于通讯卫星、空间探测等。

1)本发明收拢后体积小，收纳率高。

2)本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线机构采用拉伸弹簧作为动力源，不需要主动驱动装置，相对减轻了机构的整体重量。

3)本发明采用模块化设计思想，模块数量可以根据天线的口径尺寸进行扩展，模块扩展性强、装配件简单。

附图说明

图1是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置展开状态的结构示意图；

图2是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置收拢状态的结构示意图；

图3是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置的三角形可展开组件的结构示意图；

图4是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置的三角形展开协同组件的结构示意图；

图5是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置的直角三角形可展开单元A展开状态的结构示意图；

图6是本发明的弹簧驱动空间可展开环形天线装置的直角三角形可展开单元A收拢状态的结构示意图；

图7是组合支撑竖杆的整体结构示意图；

图8是自锁装置的整体结构示意图；

图9是自锁弹片的结构示意图；

图10是驱动滑块的结构示意图；

图11是双头铰链的结构示意图；

图12是四头铰链的结构示意图；

图13是Y形拉杆的结构示意图；

图14是斜杆的结构示意图。

图中：1、三角形可展开组件；2、三角形展开协同组件；3、弹簧；4、双头铰链；5、滑块；6、斜杆a；7、斜杆b；8、四头铰链；8-1、固定连接孔；9、组合支撑竖杆；9-1、竖杆a；9-2、竖杆b；10、横杆；11、Y形拉杆；12、自锁装置；13、自锁底座；13-1、底座接头；13-2、自锁限位环形凸台；13-3、铰接支架；14、自锁顶盖；14-1、顶盖接头；14-2、自锁限位环形凸台；14-3、弹片方孔；15、自锁弹片；15-1、铰接轴孔；15-2、L形槽；16、自锁扭簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参阅图1、图2所示，弹簧驱动空间可展开环形天线装置，整体包括n套三角形可展开组件1和连接在相邻n套三角形可展开组件1下方的n套三角形展开协同组件2，两者结构相同且由弹簧驱动的直角三角形可展开单元A构成，n≥2；由n套三角形可展开组件1和n套三角形展开协同组件2收拢或展开构成可展开环形天线装置。其中，n套三角形可展开组件1通过四头铰链8首尾相接，n套三角形展开协同组件2与n套三角形可展开组件1共用同一套通过四头铰链8连接的横杆，n套三角形可展开组件1与n套三角形展开协同组件2首尾相接，在弹簧弹性的作用下，收拢或展开。

如图3所示，为三角形可展开组件1结构示意图，该三角形可展开组件1包括通过四头铰链8连接的一对对称结构的横杆10，在一对横杆10之间通过四头铰链8垂直连接一组合支撑竖杆9，组合支撑竖杆9上通过滑块5连接一对Y形拉杆11，滑块5上方的组合支撑竖杆9上套有弹簧3；在一对横杆10的两端分别通过四头铰链8倾斜分别连接一根铰接的斜杆(斜杆a6和斜杆b7)，两根斜杆共同连接到上方组合支撑竖杆9顶部的双头铰链4上。

如图4结合图1所示，与三角形可展开组件1结构相同，三角形展开协同组件2同样为由弹簧驱动的直角三角形可展开单元A组成，三角形展开协同组件2共用相邻两套三角形可展开组件1的组合横杆10，呈左右对称装配。相邻两套三角形可展开组件1共用一套四头铰链8实现连接，在两相邻三角形可展开组件1间装配一套三角形展开协同组件2。

如图5所示，为三角形可展开组件1以组合支撑竖杆9为中心分为两个直角三角形结构。

在弹簧驱动空间可展开环形天线装置的展开过程中，三角形可展开组件1的两直角三角形可展开单元A在弹簧3的驱动下同步展开，同时三角形展开协同组件2的两直角三角形可展开单元A在弹簧3的驱动下同步展开，保证相邻两三角形可展开组件1展开过程的稳定性，从而保证弹簧驱动空间可展开环形天线装置整体的同步展开。在弹簧驱动空间可展开环形天线装置展开到工作状态后，其状态被锁定。在该状态下，各三角形可展开组件1的四头铰链8和横杆10在同一水平面内构成以四头铰链8为顶角、横杆10为边、边数为2n的正多边形，三角形可展开组件1和三角形展开协同组件2位于竖直面内，交替分布于通过四头铰链8连接的横杆10水平面上下两侧。

参阅图7所示，组合支撑竖杆9由竖杆a9-1、竖杆b9-2、自锁装置12构成，其整体长度与横杆10长度相同。自锁装置12的整体外径尺寸与竖杆a9-1和竖杆b9-2的外径尺寸相同，自锁装置12两端分别与竖杆a9-1和竖杆b9-2固定连接构成组合竖杆9。

参阅图8所示，自锁装置12包括相互连接的自锁底座13和自锁顶盖14、设在自锁顶盖14中的自锁弹片15和自锁扭簧16。自锁底座13为半圆柱形实心件，自锁底座13一端加工有与竖杆a9-1或竖杆b9-2固定连接的底座接头13-1和自锁限位环形凸台13-2。自锁顶盖14为半圆柱形空心件，在自锁顶盖14中内嵌有铰接支架13-3，铰接支架13-3上装有自锁弹片15；自锁弹片15通过自锁扭簧16连接在铰接支架13-3上，自锁扭簧16为一90°扭簧；自锁弹片15从自锁顶盖14侧壁的弹片方孔14-3伸出。自锁顶盖14一端加工有分别与竖杆a9-1、竖杆b9-2固定连接的顶盖接头14-1、自锁限位环形凸台14-2及弹片方孔14-3。自锁底座13与自锁顶盖14的外径尺寸相同，通过螺钉固定在一起。参阅图9，自锁弹片15为类似于三角形件，一角加工有铰接轴孔15-1，一角加工成弧形，长边加工有L形槽15-2。

自锁弹片15的铰接轴孔15-1与自锁底座13上的铰接支架13-3的铰接轴孔同轴铰接，在铰接轴上装有自锁扭簧16。自锁装置12处于非工作状态下，自锁弹片15被弹起，弧形角从自锁顶盖14的弹片方孔14-3露出，L形槽15-2与弹片方孔14-3的一边贴合。当滑块5在组合竖杆9上划过自锁装置12时，自锁装置12处于工作状态，此时自锁弹片15会被压入自锁顶盖14内部，自锁扭簧16被压缩，在滑块5经过自锁弹片15后，接触到自锁环形限位凸台13-2、14-2，运动被限制，此时自锁弹片15在扭簧16的弹性势能作用下弹起，其弧形角卡在滑块15的自锁槽15-1内。

参阅图10和图11，双头铰链4和四头铰链8均由铰链载体和铰链接头17构成，其铰链载体呈现一定的角度，该角度可根据天线口径需求进行加工；铰链载体的两端设有连接铰链接头17的U型口，铰链载体的中部设有固定连接孔(双头固定连接孔4-1、四头固定连接孔8-1)。双头铰链4和四头铰链8所不同的是在铰链载体的两端分别连接各一个铰链接头17和各两个铰链接头17。

参阅图12所示，为滑块5结构示意图，滑块呈现一定的角度，滑块5的两端设有连接Y形拉杆11的U型口，滑块5的中部设有连接孔5-2，连接孔5-2内壁上设有卡槽5-1。

参阅图13，Y形拉杆11整体呈“Y”字形，该结构可避免在展开过程中拉杆与斜杆发生机械干涉。

参阅图14所示，为斜杆的结构示意图，由斜杆a6和斜杆b7通过铰接连接构成，在斜杆b7上设有连接Y形拉杆11的连接孔。

本装置安装关系为，竖杆a9-1的一端与双头铰链4的固定连接孔4-1固定连接；竖杆b9-2的一端与四头铰链8的固定连接孔8-1固定连接；四头铰链8的窄边铰链接头17与横杆10固定连接，横杆10的另一端与另一个四头铰链8的窄边铰链接头17固定连接，四头铰链8的宽边铰链接头17与斜杆b7的一端固定连接，双头铰链4的一端铰链接头17与斜杆a6的一端固定连接，斜杆a6的另一端与斜杆b7的另一端相互铰接，斜杆6和斜杆b7长度相同。在组合支撑竖杆9上套装弹簧3和滑块5，弹簧3的一端与双头铰链4固定连接，另一端与滑块5固定连接。在滑块5与斜杆b7间装有Y形拉杆11，Y形拉杆11的U形端与斜杆b7铰接，另一端与滑块5铰接。

直角三角形可展开单元A在弹簧3弹性势能的作用下，滑块5可驱动Y形拉杆11从而驱动斜杆a6和斜杆b7相对折展，进而牵引组合支撑竖杆9与横杆10相对折展；在斜杆a6和斜杆b7相对折叠合并在一起时，支撑竖杆9和横杆10相对折叠收拢成平行状态，此状态即为直角三角形可展开单元A的收拢状态，见图2和图6所示；在斜杆a6和斜杆b7相对展开成直线状态时，组合支撑竖杆9和横杆10相对展开成90°角，此状态即为直角三角形可展开单元A展开后的工作状态。

工作过程：

在弹簧驱动空间可展开环形天线装置的展开过程中，三角形可展开组件在弹簧驱动下同步展开，同时三角形展开协同组件在弹簧驱动下同步展开，保证相邻两套三角形可展开组件展开过程的稳定性，从而保证弹簧驱动空间可展开环形天线装置整体的同步展开。在弹簧驱动空间可展开环形天线装置展开到工作状态后，其状态被锁定。在该状态下，各三角形可展开组件的四头铰链和横杆在同一水平面内构成以四头铰链为顶角、横杆为边、边数为2n的正多边形，三角形可展开组件和三角形展开协同组件位于竖直面内，交替分布于通过四头铰链连接的横杆水平面上下两侧。

参阅图1-图14，弹簧驱动空间可展开环形天线装置初始状态如图2所示的收拢状态。在n套三角形可展开组件1中，弹簧3释放弹性势能驱动滑块5在组合支撑竖杆9上滑动，滑块5通过Y形拉杆11驱动斜杆a6和斜杆b7进行分离展开，从而驱动组合支撑竖杆9和横杆10进行分离展开，进而实现三角形折展组件1自身的整体展开。n套三角形折展协同组件2以同样的方式实现自身展开，与三角形可展开组件1协同，保证展开过程中的整体稳定性，进而实现弹簧驱动空间可展开环形天线装置的整体展开。在滑块5滑过自锁装置12时，自锁弹片15被压入自锁装置12内部，自锁扭簧16被压紧；当滑块5接触自锁限位环形凸台13-2、14-2时，其滑动被限制，此时自锁弹片15在自锁扭簧16释放弹性势能的作用下弹起，卡在滑块5的卡槽5-1内，此时整个机构已展开到工作状态并被锁定。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，包括n套三角形可展开组件(1)和连接在相邻n套三角形可展开组件(1)下方的n套三角形展开协同组件(2)，两者结构相同且由弹簧驱动的直角三角形可展开单元A构成，n≥2；所述n套三角形可展开组件(1)通过四头铰链(8)首尾相接，n套三角形展开协同组件(2)与n套三角形可展开组件(1)共用同一套通过四头铰链(8)连接的横杆，所述n套三角形可展开组件(1)与n套三角形展开协同组件(2)首尾相接，在弹簧弹性的作用下，收拢或展开构成可展开环形天线装置。

2.根据权利要求1所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述三角形可展开组件(1)，包括通过四头铰链(8)连接的一对对称结构的横杆(10)，在一对横杆(10)之间通过四头铰链(8)垂直连接一组合支撑竖杆(9)，组合支撑竖杆(9)上通过滑块(5)连接一对Y形拉杆(11)，滑块(5)上方的组合支撑竖杆(9)上套有弹簧(3)；在一对横杆(10)的两端分别通过四头铰链(8)分别倾斜连接一根铰接的斜杆，两根斜杆共同连接到上方组合支撑竖杆(9)顶部的双头铰链(4)上。

3.根据权利要求2所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述三角形展开协同组件(2)与相邻两套三角形可展开组件(1)的组合横杆(10)共用，呈左右对称装配；相邻两套三角形可展开组件(1)共用一套四头铰链(8)实现连接，在两相邻三角形可展开组件(1)间装配一套三角形展开协同组件(2)。

4.根据权利要求2所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述组合支撑竖杆(9)由两端竖杆a(9-1)和竖杆b(9-2)固定连接自锁装置(12)构成，组合支撑竖杆(9)整体长度与横杆(10)长度相同；所述自锁装置(12)的整体外径尺寸与竖杆a(9-1)和竖杆b(9-2)的外径尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述自锁装置(12)包括外径尺寸相同相互连接的自锁底座(13)和自锁顶盖(14)，所述自锁底座(13)为半圆柱形实心件，自锁底座(13)一端加工有与竖杆a(9-1)或竖杆b(9-2)固定连接的接头(13-1)和自锁限位环形凸台(13-2)；所述自锁顶盖(14)为半圆柱形空心件，自锁顶盖(14)一端加工有分别与竖杆a(9-1)或竖杆b(9-2)固定连接的接头(14-1)、自锁限位环形凸台(14-2)；在自锁顶盖(14)中内嵌有铰接支架(13-3)，铰接支架(13-3)上装有自锁弹片(15)，自锁弹片(15)从自锁顶盖(14)侧壁的弹片方孔(14-3)伸出。

6.根据权利要求5所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述自锁弹片(15)通过铰接轴连接在铰接支架(13-3)上，在铰接轴上装有自锁扭簧(16)，自锁扭簧(16)为一90°扭簧。

7.根据权利要求2所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述双头铰链(4)和四头铰链(8)均由铰链载体和铰链接头(17)构成，其铰链载体具有角度，铰链载体的两端设有连接铰链接头(17)的U型口，铰链载体的中部设有固定连接孔。

8.根据权利要求2所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述滑块(5)具有角度，滑块(5)的两端设有连接Y形拉杆(11)的U型口，滑块(5)的中部设有连接孔(5-2)，连接孔(5-2)内壁上设有卡槽(5-1)。

9.根据权利要求2所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，所述斜杆通过铰接连接的斜杆a(6)和斜杆b(7)构成，在斜杆b(7)上设有连接Y形拉杆(11)的连接孔。

10.根据权利要求1-9任一项所述的弹簧驱动空间可展开环形天线装置，其特征在于，由直角三角形可展开单元A构成的n套三角形可展开组件(1)和n套三角形展开协同组件(2)在弹簧(3)弹性的作用下，滑块(5)驱动Y形拉杆(11)从而驱动斜杆a(6)和斜杆b(7)相对折展，进而牵引组合支撑竖杆(9)与横杆(10)相对折展；在斜杆a(6)和斜杆b(7)相对折叠合并在一起时，组合支撑竖杆(9)和横杆(10)相对折叠收拢成平行状态，此状态即为直角三角形可展开单元A的收拢状态；在斜杆a(6)和斜杆b(7)相对展开成直线状态时，组合支撑竖杆(9)和横杆(10)相对展开成90°角，此状态即为直角三角形可展开单元A展开后的工作状态。