CN108417991A - 一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，属于卫星天线技术领域，由环向分布的多个相同的基本四边形单元连接而成，各基本四边形单元均包括两纵杆、两横杆、一斜杆和两个相同的同步展开机构；每个同步展开机构包括配套设置的一滑动铰链、一同步绳和三个滑轮；滑动铰链位于一纵杆上，该滑动铰链和位于另一纵杆上的T型铰链分别与一根横杆的两端通过转动副相连；第一滑轮和第二滑轮固定在滑动铰链上且两者均与同步绳相切，第三滑轮固定在另一纵杆的T型铰链上；同步绳一端固定在一根纵杆的纵杆固定接头上，另一端依次绕过三个滑轮后与另一纵杆上的滑动铰链固连。本发明具有结构简单、同步性好、同步绳长和张力值均保持恒定的特点。

Description

一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁

技术领域

本发明属于卫星天线技术领域，涉及一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁。

背景技术

近年来随着通讯及深空探测等需求日益提高，卫星天线的口径逐渐增大。然而受到火箭发射空间的限制，需要研制可以展开的卫星天线。环形桁架式可展开(理解为既可展开也可收拢)反射器Astromesh(美国专利NO.5680145)是可展开卫星天线的典型成功代表之一，其具有质量轻、刚度大、收缩比大且易于展开的优点。该反射器Astromesh由可展开的环梁和由该环梁支撑的网面两部分组成，其中环梁可以实现环形反射器从收拢态到展开态的转变(目前而言，环形反射器完全展开后，将一直维持该状态)。具体来说，环梁为沿环向分布的周期性结构，由各个相同的四边形单元连接而成，四边形单元可以实现收拢和展开，参见图1，其中图(a)为环梁展开的中间过程构型示意图，图(b)为环梁完全展开的构型示意图。根据收拢方式的差异，环形反射器可分为一代构型(简称AM1)和二代构型(简称AM2)。AM2的显著特点在于其采用了滑动铰链沿纵杆滑动的方式实现收拢高度的降低，在相同焦径比下AM2收拢高度比AM1降低40％。考虑到火箭运输空间有限，AM2收拢时高度更小，因此AM2适宜实现更大口径的环形反射器。

对于二代构型的环形反射器的可展环梁，参见图1中的(c)、(d),环梁中每个四边形单元均分别包括2根平行等长的纵杆(3和9)、2根等长的横杆(6和11)和1根斜杆12，各纵杆两端分别固定有一个纵杆固定接头(1和7)和一个T型铰链(4和10)，且两纵杆(3和9)上的纵杆固定接头和T型铰链均呈对角布置，斜杆12的两端分别与1个T型铰链通过转动副相连。完全展开状态时环梁的每个基本四边形单元均为矩形。环梁展开的关键在于每一个四边形单元均要同步展开，即保证各个基本四边形单元运动是一致的。为此，现有环梁中每个基本四边形单元内还设有两个同步展开机构，每个同步展开机构通过一组绕过滑轮的同步绳来保证相邻的滑动铰链在纵杆上滑动相同的距离。对于其中的一个同步展开机构(位于左下方)而言，具体包括配套设置的一个滑动铰链2、一根同步绳13和两个滑轮(5和14)，另外一个同步展开机构(位于右上方)与之相似；各滑动铰链分别位于1根纵杆上，可沿相应纵杆上下滑动；各滑动铰链和位于另一纵杆上的T型铰链分别与相应横杆的两端通过转动副相连；两个滑轮分别固定在与不同纵杆固连的T型铰链和滑动铰链上；下同步绳13在两个拐点处分别绕过两个滑轮5和14，下同步绳13一端固定在左滑动铰链2上、另一端固定在右纵杆固定接头7上。上同步绳16的布置与绕法与下同步绳13相似。在基本四边形单元由收拢到展开的运动过程中，每个滑轮的包角(同步绳与滑轮的接触弧长对应的圆心角)会由约180度减小至约90度，考虑到滑轮的尺寸不可忽略，整根同步绳的长度在展开过程中会发生改变。如果同步绳在收拢态时张紧，展开过程中会逐步松弛，从而大大削弱同步效果，因此不能保证各个四边形单元的运动一致性，严重时甚至导致环梁不能完全展开。

发明内容

本发明是为了克服已有技术的不足之处，提供一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，可实现环梁各基本四边形单元的同步展开，具有形式简单、易于实现的特点。

为实现本发明目的，采用如下技术方案：

一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，由沿环向分布的多个相同的基本四边形单元连接而成，各基本四边形单元均分别包括两根纵杆、两根横杆、一根斜杆和两个相同的同步展开机构，各纵杆两端分别固定有一个纵杆固定接头和一个T型铰链，且两纵杆上的纵杆固定接头和T型铰链均呈对角布置，斜杆的两端分别与一个T型铰链通过转动副相连；相邻两基本四边形单元共用一根纵杆，且两基本四边形单元关于该纵杆对称布置；

每个同步展开机构均包括配套设置的一个滑动铰链、一根固定绳长的同步绳和三个滑轮；其中，所述滑动铰链位于一根纵杆上，且沿该纵杆上下滑动，该滑动铰链和位于另一纵杆上的T型铰链分别与一根横杆的两端通过转动副相连；第一滑轮和第二滑轮固定在所述滑动铰链上且两者均与同步绳相切，第三滑轮固定在另一纵杆的T型铰链上，所述同步绳一端固定在一根纵杆的纵杆固定接头上，另一端依次绕过三个滑轮后与另一纵杆上的滑动铰链固连；

三个滑轮的设置还需满足以下要求：所述第二滑轮和第三滑轮半径相等；所述第二滑轮和第三滑轮的圆心分别与一根横杆两端的转动中心重合；所述第二滑轮的圆心与相应横杆的水平距离比第一滑轮近，与此同时第二滑轮的圆心与相应纵杆上纵杆固定接头的竖直距离比第一滑轮近，且第一滑轮至相应纵杆上纵杆固定接头间同步绳的方向与第一滑轮至第二滑轮间同步绳的方向均与该纵杆平行，第三滑轮至另一纵杆上滑动铰链间同步绳的方向与该另一纵杆平行；

两个同步展开机构关于该基本四边形单元的几何形心成中心对称布置。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，通过改进同步展开机构，保证环形反射器展开过程中同步绳的长度不随基本四边形单元构型的变化而变化,因此环梁中各个滑动铰链均产生相同的位移，从而确保各基本四边形单元运动的同步性。本发明具有结构简单、同步性好、同步绳绳长和张力值均保持恒定的特点。

附图说明

图1是现有Astromesh二代构型(AM2)环梁展开示意图，图(a)为环梁展开的中间过程构型示意图，图(b)为环梁完全展开的构型示意图，图(c)是图(a)中基本四边形单元的结构示意图，图(d)是图(b)中基本四边形单元的结构示意图。

图2是本发明的环梁在收拢状态下基本四边形单元的结构示意图。

图3是本发明的环梁在完全展开状态下基本四边形单元的结构示意图。

图4是本实施例的左右两个滑动铰链的滑动距离。

图5是本实施例的上下两根同步绳长度变化。

图6是本实施例的滑移距离与输入距离之差的曲线图。

具体实施方式

本发明提出的环形桁架式反射器的可同步展开环梁结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明提出的一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，由沿环向分布的多个结构相同的基本四边形单元连接而成，各基本四边形单元均分别包括两根平行等长的纵杆、两根等长的横杆和一根斜杆，各纵杆两端分别固接有一个纵杆固定接头和一个T型铰链，且两纵杆上的纵杆固定接头和T型铰链均呈对角布置，斜杆的两端分别与一个T型铰链通过转动副相连；相邻两基本四边形单元共用一根纵杆，且两基本四边形单元关于该纵杆对称布置；各基本四边形单元还分别均包括两个相同的同步展开机构，每个同步展开机构均包括配套设置的一个滑动铰链、一根固定绳长的同步绳和三个滑轮；滑动铰链位于一根纵杆上，且可沿该纵杆上下滑动；该滑动铰链和位于另一纵杆上的T型铰链分别与一根横杆的两端通过转动副相连，第一滑轮和第二滑轮固定在一根纵杆的滑动铰链上且两者均与同步绳相切，第三滑轮固定在另一纵杆的T型铰链上，同步绳一端固定在一根纵杆的纵杆固定接头上，另一端依次绕过三个滑轮后与另一纵杆上的滑动铰链固连；三个滑轮的设置还需满足以下要求：(1)第二滑轮和第三滑轮半径相等；(2)第二滑轮和第三滑轮的圆心分别与一根横杆两端的转动中心重合；(3)第二滑轮的圆心与相应横杆的水平距离比第一滑轮近，与此同时第二滑轮的圆心与相应纵杆上纵杆固定接头的竖直距离比第一滑轮近，且第一滑轮至一根纵杆上纵杆固定接头间与第一滑轮至第二滑轮间同步绳的方向均与该纵杆平行，第三滑轮至另一纵杆上滑动铰链间同步绳的方向与该另一纵杆平行；两个同步展开机构关于该基本四边形单元的几何形心成中心对称布置。

本发明环形桁架式反射器的可同步展开环梁,在基本四边形单元展开运动过程中，改进的同步展开机构可以保证同步绳各段与相应的横杆和纵杆分别平行；同步绳绕过滑动铰链上靠近纵杆的滑轮的包角始终保持不变，恒为180度；同步绳绕过T型铰链上滑轮的包角随基本四边形单元展开程度的增加而逐渐减小，但绕过滑动铰链上远离纵杆的滑轮的包角随基本四边形单元展开程度的增加而逐渐增大，几何上可以证明上述两个包角之和恒为180度，因此，同步绳总长度在展开过程中可以保持恒定不变。环形桁架式反射器展开时，一侧的滑动铰链由纵杆的中部位置移动至纵杆顶端，因此在同步绳的作用下，另一侧的滑动铰链也会移动相同的距离。考虑到各个基本四边形单元串接组成了整圈环梁，该同步展开机构能够保证每根纵杆上的滑动铰链均会移动相同的距离，从而使各个单元的展开过程保持同步，且同步绳的张力值保持不变。在基本四边形单元处于展开态时，同步绳在滑动铰链靠近横杆的滑轮上的包角(接触部分弧长所对应的圆心角)等于90度。

实施例：

本实施例的具体结构如图2、图3所示。图2为图1所示环形桁架式反射器Astromesh第二代构型的可展环梁中一个基本四边形单元的过渡态(处于收拢态和展开态之间)，图3为一个基本四边形单元的展开态。一个基本四边形单元的组件包括平行等长的左纵杆3和右纵杆9、等长的下横杆6和上横杆11、以及1根斜杆12，左纵杆3两端分别固定有上纵杆固定接头1和下T型铰链4，右纵杆9两端分别固定有下纵杆固定接头7和上T型铰链10，且两纵杆(3和9)上的纵杆固定接头和T型铰链均呈对角布置，斜杆12的两端分别与1个T型铰链通过转动副相连。各基本四边形单元还分别均包括两个相同的同步展开机构，每个同步展开机构包括配套设置的一个滑动铰链、一根固定绳长的同步绳和三个滑轮，现以其中一个同步展开机构为例进行详细说明。滑动铰链8位于右纵杆上，且可沿该纵杆上下滑动，该滑动铰链和位于左纵杆3上的T型铰链4分别与下横杆6的两端通过转动副相连，滑轮15和滑轮14均固定在右纵杆9的滑动铰链8上且两者均与同步绳13相切，滑轮5固定在右纵杆3的T型铰链4上，同步绳13一端固定在右纵杆9的纵杆固定接头7上，另一端依次绕过三个滑轮后与左纵杆3上的滑动铰链2固连(具体地，同步绳13另一端先平行于右纵杆9向上，然后绕过滑动铰链8上的滑轮15后转为平行于右纵杆9向下，再绕过滑轮14转为平行于下横杆6向左，接着绕过T型铰链4上的滑轮5后转为平行于左纵杆3向上，最后与滑动铰链2固定)，为保证同步绳在展开过程中的长度不变，三个滑轮的设置还满足以下要求：(1)滑轮14和滑轮5半径相等，滑轮15的半径并不要求与滑轮5和14保持相等；(2)滑轮14和滑轮5的圆心分别与下横杆6两端的转动中心重合；(3)滑轮14的圆心与下横杆6的水平距离比15滑轮近，与此同时滑轮14的圆心与右纵杆9上的纵杆固定接头7的竖直距离比滑轮15近。并且滑轮15至右纵杆9上的纵杆固定接头7间和滑轮15至滑轮14间同步绳的方向均与右纵杆9平行，滑轮5至左纵杆3上滑动铰链2间同步绳的方向与左纵杆3平行。具体地，滑轮15的圆心位置位于滑轮14的右上方，滑轮15相对于滑轮14的水平方向位置需使两个滑轮之间的同步绳13与右纵杆9保持平行，滑轮15的竖直方向的位置只需位于滑轮14上方即可，具体尺寸并不要求；两个同步展开机构关于该基本四边形单元的几何形心成中心对称布置，另一同步绳16的设置方式与同步绳13类似，此处不再赘述。实际工作时，滑动铰链的沿纵杆的滑动是通过电机控制的驱动绳实现的，但这并不能保证各个滑动铰链沿纵杆滑动相同的距离，因此需要上述同步展开机构，保证各个滑动铰链均滑动相同的距离，进而保证环梁各基本四边形单元展开的同步性。由于同步绳驱动机构与上述同步展开机构是独立无关联的，因此这里不再详细赘述驱动机构的实现方案。

本实施例中各部件的尺寸如下：环梁由6个基本四边形单元沿环向连接组成，环梁完全展开时口径为2米，各横杆长530.2mm，各纵杆长1384.7mm，各滑轮半径均为7mm；T型铰链上两个滑轮的安装距离为97mm；滑动铰链上共需安装4个滑轮(供相邻的两个四边形单元使用)，根据关于滑动铰链中心线对称可分为两组，相互靠近的一组两个滑轮的安装距离为69mm，另外一组两个滑轮的安装距离为97mm；两根同步绳的长度均为1970.9mm。各个组成部件均为常规的零部件。

实施例有效性验证：

首先通过仿真来验证本发明提出的展开过程中绳长保持不变的同步绳绕滑轮方案的有效性。建立一个基本的四边形单元，初始时刻处于完全展开状态，对滑动铰链2施加位移驱动，使其沿着左纵杆3从顶端逐渐向下滑动。在同步绳的作用下，右侧的滑动铰链8会向上滑动，从而使基本四边形单元逐渐收拢。滑动铰链2和滑动铰链8的滑动距离随时间的变化见图4，可看出两者位移保持一致。之后，继续对滑动铰链2施加位移驱动，使其沿着左纵杆3从底端逐渐向上滑动，在同步绳的作用下，右侧的滑动铰链8会向下滑动，从而使该基本四边形单元逐渐直至完全展开。定量统计了展开过程中两个滑动铰链2和8在纵杆上滑动的距离，如图4所示，可以看出，两个滑动铰链2和8在整个展开过程中均能保证相同的位移，即能够保证运动的同步性。另外，还统计了展开过程中上侧同步绳16和下侧同步绳13的长度的变化情况，如图5所示。可看出同步绳的长度在展开过程中能够保持不变。

之后，对滑动铰链编号依次为0至6，0号滑动铰链为主动位移驱动端，其余各点均在同步绳的作用下被动运动，测量各个滑动铰链的位移量Δ_i,i＝1,2,…,5。滑动铰链运动量小于150mm时用游标卡尺测量，测量误差量约为±1mm；大于150mm时用卷尺测量，测量误差量约为±2mm。主动驱动端使得0号滑移铰链上的位移量Δ₀首先从0增加至686mm(环梁收拢阶段)，再从686mm减小至0mm(环梁展开阶段)。为根据测量结果求出了1-5号滑动铰链的位移量与0号输入端滑动铰链的位移量之差，结果如图6所示。可以看出，最大差别发生在展开态，约有10mm，运动中间态最大差别约为6mm。考虑到机械加工及装配的误差，可以看出本发明在实验中具有良好的同步性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均包含的本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于环形桁架式反射器的可同步展开环梁，由沿环向分布的多个相同的基本四边形单元连接而成，各基本四边形单元均分别包括两根纵杆、两根横杆、一根斜杆和两个相同的同步展开机构，各纵杆两端分别固定有一个纵杆固定接头和一个T型铰链，且两纵杆上的纵杆固定接头和T型铰链均呈对角布置，斜杆的两端分别与一个T型铰链通过转动副相连；相邻两基本四边形单元共用一根纵杆，且两基本四边形单元关于该纵杆对称布置；其特征在于：

各同步展开机构分别均包括配套设置的一个滑动铰链、一根固定绳长的同步绳和三个滑轮；其中，所述滑动铰链位于一根纵杆上，且沿该纵杆上下滑动，该滑动铰链和位于另一纵杆上的T型铰链分别与一根横杆的两端通过转动副相连；第一滑轮和第二滑轮固定在所述滑动铰链上且两者均与同步绳相切，第三滑轮固定在另一纵杆的T型铰链上，所述同步绳一端固定在一根纵杆的纵杆固定接头上，另一端依次绕过三个滑轮后与另一纵杆上的滑动铰链固连；

三个滑轮的设置还需满足以下要求：所述第二滑轮和第三滑轮半径相等；所述第二滑轮和第三滑轮的圆心分别与一根横杆两端的转动中心重合；所述第二滑轮的圆心与相应横杆的水平距离比第一滑轮近，与此同时第二滑轮的圆心与相应纵杆上纵杆固定接头的竖直距离比第一滑轮近，且第一滑轮至相应纵杆上纵杆固定接头间同步绳的方向与第一滑轮至第二滑轮间同步绳的方向均与该纵杆平行，第三滑轮至另一纵杆上滑动铰链间同步绳的方向与该另一纵杆平行；

两个同步展开机构关于该基本四边形单元的几何形心成中心对称布置。