CN108649314B - 一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线零部件或与天线结合的装置技术领域，公开了一种新型双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，由多个双层剪式铰接机构组成；相邻的双层剪式铰接机构通过双头铰链、滑动铰链、三头铰链和四头铰链相互连接构成一个封闭的抛物柱面；每个双层剪式铰接机构由两根竖杆、两根长斜杆、两根短斜杆、四个双头铰链、四个滑动铰链、两根弹簧组成；相邻的两个双层剪式铰接机构共用一根竖杆、一个双头铰链或者三头铰链或者四头铰链、一个滑动铰链、一个弹簧。本发明几何稳定性较高、刚度强、运动机构与控制系统简单，收拢后体积小，收纳率高，模块扩展性强、装配件简单，并且可以分别在轴向或长度方向展开；满足空间大口径天线的使用要求。

Description

一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置

技术领域

本发明属于天线零部件或与天线结合的装置技术领域，尤其涉及一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：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天线装置，在地面发射阶段，可展开天线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，可展开天线装置接受地面控制而展开，最后锁在工作状态，利用空间可展开天线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。大型可展开天线装置是卫星研制工作中的关键技术，电子侦察、对地导航、数据中继等任务对星载天线提出了高增益的要求，现有的星载可展开天线多采用铰接桁架式可展机构，抛物柱面可展开桁架天线机构是其中应用较为广泛的一种，但是随着天线口径的增加，天线刚度下降较为严重。并且，由于现有的可展开天线装置多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，但是由于电机自身的重量以及张紧拉锁较为复杂、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，使桁架天线展开失败，导致空间研究任务无法进行，从而带来巨大的经济损失。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的可展开天线装置驱动机构复杂,机构的重量有所增加，降低了机构的工作稳定性，对运载提出较高要求；容易造成天线无法正常展开，导致空间研究任务无法进行，带来巨大的经济损失。

解决上述技术问题的难度和意义：随着天线口径的增加，天线刚度下降严重，依靠电机驱动实现桁架系统平稳可靠展开所需要的绳索也就越长、驱动机构也就越复杂，可靠展开的难度也会越大。因此，在可展开天线研究过程中，提出一种制造工艺好、刚度高、折叠比大、并且不需要额外驱动装置等优良性能的可展机构具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置。

本发明是这样实现的，一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，所述双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置包括n套轴向方向展开成扇环形状的可展开组件A，n≥2；和m套长度方向展开成长方形的可展开组件B，m≥2；

所述可展开组件A展开后为扇环形状，竖杆的上下端点均位于圆弧上，竖杆指向圆心，通过与之对应的上下剪式机构相互连接；

所述可展开组件B展开后为矩形，竖杆为相互平行的直杆，通过与之对应的上下剪式机构相互连接；轴向方向的可展开组件A与长度方向的可展开组件B通过垂直铰链、三头铰链、四头铰链相互连接构成抛物柱面可展开天线装置机构。

进一步，所述双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置包括多个双层剪式铰接机构单元；其中一个双层剪式铰接机构单元包括第一竖杆和第二竖杆两根竖杆、以及与第一竖杆第二竖杆相互连接的上层剪式机构、下层剪式机构两层剪式机构；第一竖杆与上层剪式机构通过第一双头铰链、第一滑动铰链相互连接，第一竖杆与下层剪式机构通过第二滑动铰链、第二双头铰链相互连接；第二竖杆与上层剪式机构通过第三双头铰链第三滑动铰链相互连接，第二竖杆与下层剪式机构通过通过第四滑动铰链第四双头铰链相互连接；所述第一竖杆的上端连接第一双头铰链下端连接第二双头铰链，第二竖杆的上端连接第三双头铰链，下端连接第四双头铰链，其中第一滑动铰链在第二滑动铰链的上方，第一滑动铰链和第二滑动铰链中间为第一弹簧，第三滑动铰链在第四滑动铰链的上方，第三滑动铰链和第四滑动铰链中间为第二弹簧。

进一步，所述上层剪式机构包括第一短斜杆、第二短斜杆、第一铰接轴，所述第一短斜杆的左端面与第一双头铰链相连，右端面与第三滑动铰链相连，第二短斜杆的左端面与第一滑动铰链相连，右端面与第三双头铰链相连，第一短斜杆和第二短斜杆中间通过第一铰接轴实现相互转动。

进一步，所述下层剪式机构包括第一长斜杆、第二长斜杆、第二铰接轴；所述第一长斜杆左端面与第二滑动铰链相连，右端面与第四双头铰链相连，所述第二长斜杆左端面与第二双头铰链相连，右端面与第四滑动铰链相连，第一长斜杆和第二长斜杆中间通过第二铰接轴实现相互转动。

进一步，所述第一竖杆与第一双头铰链第二双头铰链之间、第二竖杆与第三双头铰链第四双头铰链之间通过固定副连接。

进一步，所述第一竖杆与第一滑动铰链、第二滑动铰，第二竖杆与第三滑动铰链、第四滑动铰链之间通过滑动副连接。

进一步，第一短斜杆与第一双头铰链、第三滑动铰链之间，第二短斜杆与第一滑动铰链、第三双头铰链之间通过转动副连接。

进一步，所述第一长斜杆与第二滑动铰链、第四双头铰链之间，第二长斜杆与第二双头铰链、第四滑动铰链之间通过转动副连接。

进一步，第一铰接轴包括安装件一、安装件二和铰接杆，所述安装件一为第一短斜杆中间镂空所形成，所述安装件二为第二短斜杆中间镂空形成，镂空的位置为双层铰式单元从收拢到完全展开处铰接杆滑动的距离，安装件一安装件二相互交叉并绕铰接杆实现相互转动，所述铰接杆表面与安装件一安装件二相切；所述第二铰接轴与第一铰接轴的转动方式一致。

本发明的另一目的在于提供一种所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线结构的展开方法，所述展开方法由多个双层剪式铰接机构构成的抛物柱面式可展开桁架天线结构在第一弹簧、第二弹簧的弹性驱动下，推动第一滑动铰链、第二滑动铰链、第三滑动铰链以及第四滑动铰链向竖杆两端滑动，进而牵引第一短斜杆和第二短斜杆、第一长斜杆和第二长斜杆绕第一铰接轴第二铰接轴转动，推动机构展开。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明结构简单、没有复杂的控制系统，几何稳定性较高、刚度强、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。

本发明桁架体单元依靠压缩弹簧的弹性势能实现动力驱动，不需要主动驱动装置，相对减轻了机构的整体重量。

本发明可通过剪式机构的展开和收拢实现整体机构的展开和收拢，可从轴向方向或长度方向展开和收拢，装置展开后可以形成有效的抛物柱面，装置收拢后占据空间较小，收纳体积明显减小。

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是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置完全展开立体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置轴向方向展开示意图。

图3是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置长度方向展开示意图。

图4是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置完全收拢立体示意图。

图5是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置轴向方向的双剪式铰单元展开的立体示意图。

图6是本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置长度方向的双剪式铰单元展开的立体示意图。

图7是本发明实施例提供的第一剪式机构示意图。

图8是本发明实施例提供的第三剪式机构示意图。

图9是本发明实施例提供的双剪式铰单元收拢的立体示意图。

图10是本发明实施例提供的双头铰链立体示意图。

图11是本发明实施例提供的滑动铰链立体示意图。

图12是本发明实施例提供的三头铰链立体示意图。

图13是本发明实施例提供的四头铰链立体示意图。

图14是本发明实施例提供的垂直铰链立体示意图。

图15是本发明实施例提供的铰接轴立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明旨在解决现有的可展开天线装置驱动机构复杂,机构的重量有所增加，降低了机构的工作稳定性，对运载提出较高要求；容易造成天线无法正常展开，导致空间研究任务无法进行，带来巨大的经济损失的技术问题，提供一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，发射时处于收拢状态，入轨后可通过弹簧驱动展开，锁定到工作状态、具有刚度高、折展比大等特点。

如图1、图2、图3、图4、图12、图13、图14所示，本发明实施例提供的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置包括：n套轴向方向展开成扇环形状的可展开组件A，n≥2；和m套长度方向展开成长方形的可展开组件B，m≥2；可展开组件A展开后为扇环形状，竖杆的上下端点均位于圆弧上，竖杆指向圆心，通过与之对应的上下剪式机构相互连接。可展开组件B展开后为矩形，竖杆为相互平行的直杆，通过与之对应的上下剪式机构相互连接。这些轴向方向的可展开组件A与长度方向的可展开组件B通过垂直铰链、三头铰链、四头铰链相互连接构成抛物柱面可展开机构。

如图5、图6、图6、图8、图9、图10、图11所示，一个双层剪式铰接机构单元包括第一竖杆1和第二竖杆2两根竖杆、以及与第一竖杆1第二竖杆2相互连接的上层剪式机构3、下层剪式机构4两层剪式机构。第一竖杆1与上层剪式机构3通过第一双头铰链5、第一滑动铰链6相互连接，第一竖杆1与下层剪式机构4通过第二滑动铰链7、第二双头铰链8相互连接。第二竖杆(2)与上层剪式机构3通过第三双头铰链9第三滑动铰链10相互连接，第二竖杆2与下层剪式机构通过通过第四滑动铰链11第四双头铰链12相互连接。所述第一竖杆1的上端连接第一双头铰链5下端连接第二双头铰链8，第二竖杆2的上端连接第三双头铰链9，下端连接第四双头铰链12。其中第一滑动铰链6在第二滑动铰链7的上方，第一滑动铰链6和第二滑动铰链7中间为第一弹簧13，第三滑动铰链10在第四滑动铰链11的上方，第三滑动铰链10和第四滑动铰链11中间为第二弹簧14，该双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置在第一弹簧13第二弹簧14的作用下收拢或展开为抛物柱面天线装置。该双层剪式抛物柱面可展开桁架装置的相邻两个双层剪式铰接机构共用一根竖杆，两个双头铰链或者三头铰链或者四头铰链，两个滑动铰链，一个弹簧。

如图7所示，上层剪式机构3包括第一短斜杆15、第二短斜杆16、第一铰接轴17，第一短斜杆15的左端面与第一双头铰链5相连，右端面与第三滑动铰链10相连，第二短斜杆16的左端面与第一滑动铰链6相连，右端面与第三双头铰链9相连，第一短斜杆15和第二短斜杆16中间通过第一铰接轴17实现相互转动。

如图8所示、下层剪式机构4包括第一长斜杆18、第二长斜杆19、第二铰接轴20，述第一长斜杆18左端面与第二滑动铰链7相连，右端面与第四双头铰链12相连，所述第二长斜杆19左端面与第二双头铰链8相连，右端面与第四滑动铰链11相连，第一长斜杆18和第二长斜杆19中间通过第二铰接轴20实现相互转动。

第一竖杆1与第一双头铰链5、第二双头铰链8之间，第二竖杆2与第三双头铰链9、第四双头铰链12之间均通过固定副连接。

第一竖杆1与第一滑动铰链6、第二滑动铰链7，第二竖杆2与第三滑动铰链10、第四滑动铰链11之间均通过滑动副连接。

第一短斜杆15与第一双头铰链5、第三滑动铰链10之间，第二短斜杆16与第一滑动铰链6、第三双头铰链9之间均通过转动副连接。

第一长斜杆18与第二滑动铰链7、第四双头铰链12之间、第二长斜杆19与第二双头铰链8、第四滑动铰链11之间均通过转动副连接。

如图15，上述第一铰接轴17包括安装件一21、安装件二22和铰接杆23，所述安装件一21为短斜杆15中间镂空形成，所述安装件二22为短斜杆16中间镂空形成，镂空的位置为双层铰式单元从收拢到完全展开处铰接杆23滑动的距离，安装件一21、安装件二22相互交叉放置并绕铰接杆23实现相互转动。所述第二铰接轴20与第一铰接轴17的转动方式一致。

双层剪式铰接机构构成的抛物柱面可展开桁架天线结构在第一弹簧13第二弹簧14的弹性驱动下，推动第一滑动铰链6、第二滑动铰链7、第三滑动铰链10和第四滑动铰链11向竖杆两端滑动，进而牵引第一短斜杆15和第二短斜杆16、第一长斜杆18和第二长斜杆19绕第一铰接轴17第二铰接轴20转动，从而推动机构展开。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置包括n套轴向方向展开成扇环形状的可展开组件A，n≥2；和m套长度方向展开成长方形的可展开组件B，m≥2；

所述可展开组件A展开后为扇环形状，竖杆的上下端点均位于圆弧上，竖杆指向圆心，通过与之对应的上下剪式机构相互连接；

所述可展开组件B展开后为矩形，竖杆为相互平行的直杆，通过与之对应的上下剪式机构相互连接；轴向方向的可展开组件A与长度方向的可展开组件B通过垂直铰链、三头铰链、四头铰链相互连接构成抛物柱面可展开天线装置机构；

所述双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置包括多个双层剪式铰接机构单元；其中一个双层剪式铰接机构单元包括第一竖杆和第二竖杆两根竖杆、以及与第一竖杆第二竖杆相互连接的上层剪式机构、下层剪式机构两层剪式机构；第一竖杆与上层剪式机构通过第一双头铰链、第一滑动铰链相互连接，第一竖杆与下层剪式机构通过第二滑动铰链、第二双头铰链相互连接；第二竖杆与上层剪式机构通过第三双头铰链第三滑动铰链相互连接，第二竖杆与下层剪式机构通过通过第四滑动铰链第四双头铰链相互连接；所述第一竖杆的上端连接第一双头铰链下端连接第二双头铰链，第二竖杆的上端连接第三双头铰链，下端连接第四双头铰链，其中第一滑动铰链在第二滑动铰链的上方，第一滑动铰链和第二滑动铰链中间为第一弹簧，第三滑动铰链在第四滑动铰链的上方，第三滑动铰链和第四滑动铰链中间为第二弹簧。

2.如权利要求1所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述上层剪式机构包括第一短斜杆、第二短斜杆、第一铰接轴，所述第一短斜杆的左端面与第一双头铰链相连，右端面与第三滑动铰链相连，第二短斜杆的左端面与第一滑动铰链相连，右端面与第三双头铰链相连，第一短斜杆和第二短斜杆中间通过第一铰接轴实现相互转动。

3.如权利要求1所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述下层剪式机构包括第一长斜杆、第二长斜杆、第二铰接轴；所述第一长斜杆左端面与第二滑动铰链相连，右端面与第四双头铰链相连，所述第二长斜杆左端面与第二双头铰链相连，右端面与第四滑动铰链相连，第一长斜杆和第二长斜杆中间通过第二铰接轴实现相互转动。

4.如权利要求1所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述第一竖杆与第一双头铰链第二双头铰链之间、第二竖杆与第三双头铰链第四双头铰链之间通过固定副连接。

5.如权利要求1所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述第一竖杆与第一滑动铰链、第二滑动铰，第二竖杆与第三滑动铰链、第四滑动铰链之间通过滑动副连接。

6.如权利要求2所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，第一短斜杆与第一双头铰链、第三滑动铰链之间，第二短斜杆与第一滑动铰链、第三双头铰链之间通过转动副连接。

7.如权利要求3所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，所述第一长斜杆与第二滑动铰链、第四双头铰链之间，第二长斜杆与第二双头铰链、第四滑动铰链之间通过转动副连接。

8.如权利要求2所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置，其特征在于，第一铰接轴包括安装件一、安装件二和铰接杆，所述安装件一为第一短斜杆中间镂空所形成，所述安装件二为第二短斜杆中间镂空形成，镂空的位置为双层铰式单元从收拢到完全展开处铰接杆滑动的距离，安装件一安装件二相互交叉并绕铰接杆实现相互转动，所述铰接杆表面与安装件一安装件二相切；第二铰接轴与第一铰接轴的转动方式一致。

9.一种如权利要求1所述的双层剪式抛物柱面可展开桁架天线装置的展开方法，其特征在于，所述展开方法由多个双层剪式铰接机构构成的抛物柱面式可展开桁架天线结构在第一弹簧、第二弹簧的弹性驱动下，推动第一滑动铰链、第二滑动铰链、第三滑动铰链以及第四滑动铰链向竖杆两端滑动，进而牵引第一短斜杆和第二短斜杆、第一长斜杆和第二长斜杆绕第一铰接轴第二铰接轴转动，推动机构展开。

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