CN109167178B - 一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构 - Google Patents

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Abstract

一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构，包括若干组M型天线反射器展开机构(1)；各组M型天线反射器展开机构(1)安装在支撑桁架上；M型天线反射器展开机构(1)为对称结构，包括动力源(3)、中间固定芯轴(10)、连杆机构；动力源(3)与中间固定芯轴(10)之间建立滑动副，连杆机构与中心固定芯轴(10)和动力源(3)之间通过转动副连接，连杆机构关于中心固定芯轴(10)对称，在动力源(3)的驱动作用下，动力源(3)沿中心固定芯轴(10)滑动，带动连杆机构在平面内展开。本发明解决了当前航天任务中难以实现50m甚至更长尺寸的抛物柱面应用问题，为空间大型抛物柱面可展开天线提供了解决方案。

Description

一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构
技术领域
本发明涉及一种天线反射器展开机构，属于星载展开天线领域。
背景技术
空间多种任务需要一种抛物柱面天线，天线反射器沿柱面轴线方向具有极长尺寸，如50m甚至更大尺寸，沿开口方向尺寸约5～10m。如此尺寸的大型天线需要在空间应用，受运载包络的限制，必须进行可展开设计。即，在天线发射上行时，天线系统收拢于较小包络尺寸内，在轨解除约束后，利用机构进行展开，达到所需要的天线形态。同时，天线反射器展开机构需要具备高可靠性及可控性。
针对所需的星载可展开抛物柱面天线，当前各项工作较少涉及其展开机构的设计。在所出现的一些抛物柱面反射器展开机构设计中，往往具有较大的收拢尺寸，其展开过程复杂，不易于工程实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了实现多种航天任务所需抛极长型物柱面天线，本发明公开了一种抛物柱面天线发射器展开机构，具有极高的收纳比；每套M型天线反射器网面展开机构仅采用一个展开动力源，减少了展开动力源的总量，保证了整副天线的展开可靠性；解决了当前航天任务中难以实现50m甚至更长尺寸的抛物柱面应用问题，为空间大型抛物柱面可展开天线提供了解决方案，并可拓展至其他展开结构领域。
本发明所采用的技术方案是：一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构，包括若干组M型天线反射器展开机构；各组M型天线反射器展开机构安装在支撑桁架上；M型天线反射器展开机构为对称结构，包括动力源、中间固定芯轴、连杆机构；动力源与中间固定芯轴之间建立滑动副，连杆机构与中间固定芯轴和动力源之间通过转动副连接，连杆机构关于中间固定芯轴对称，在动力源的驱动作用下，动力源沿中间固定芯轴滑动，带动连杆机构在平面内展开；各组M型天线反射器展开机构能够沿支撑桁架作直线运动，使得天线网面在M型天线反射器展开机构的支持下展开。
所述连杆机构包括两组，每组连杆机构包括驱动连杆、主动连杆、固定角度连杆、转接杆、从动杆、辅助连杆；驱动连杆两端分别通过转动副与动力源、主动连杆中间部分连接，主动连杆两端分别与固定角度连杆一端、中间固定芯轴中间部分转动连接，辅助连杆两端分别与中间固定芯轴端部、从动杆端部转动连接，辅助连杆中部弯折点与固定角度连杆中部弯折点通过转动副连接，固定角度连杆另一端与转接杆一端通过转动副连接，转接杆另一端与从动杆中部弯折点转动连接；天线网面与从动杆、辅助连杆连接，在连杆机构展开带动下展开。
所述连杆机构展开后，主动连杆、辅助连杆、固定角度连杆、中间固定芯轴之间的连接点形成平行四边形。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明为星载抛物柱面可展开天线(柱面轴向长度/抛物线开口方向长度＞10:1)的实现提供了一种有效解决方案，天线具有较高收纳比，充分利用运载空间，实现了极大型50m及以上尺寸抛物柱面天线在轨应用。
(2)本发明将抛物柱面可展开天线的展开过程解耦为两步，即二维面内展开和一维伸展，避免了三维同步展开时的结构干涉，降低了展开过程钩挂、卡死风险。
(3)本发明提出的抛物柱面可展开方式，可以通过多个M型天线反射器展开机构组成任意长度的抛物柱面天线，具有极高的可拓展性。
(4)本发明提出的M型天线反射器展开机构，采用了单一动力实现整个M型天线反射器展开机构的同步展开，具有结构简单、展开可靠性高等优点。为大型构架式可展天线提供了一种新型支撑机构，并且可以拓展至其他可展开结构领域。
附图说明
图1为本发明抛物柱面天线反射器展开机构的支撑结构。
图2为本发明的M型天线反射器展开机构。
图3为本发明的M型天线反射器展开机构同步展开过程示意图。
图4(a)为本发明反射器展开机构的展开过程第一步，面内二维M型展开。
图4(b)为本发明的反射器展开机构的展开过程第二步，一维伸展展开。
图5为高收纳比可展开抛物柱面网状天线示意图。
图6(a)为展开机构运动模型在第0s采样点处的位置。
图6(b)为展开机构运动模型在第1.9s采样点处的位置。
图6(c)为展开机构运动模型在第5.7s采样点处的位置。
图6(d)为展开机构运动模型在第7.6s采样点处的位置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。
一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构，包括若干组M型天线反射器展开机构1；各组M型天线反射器展开机构1安装在支撑桁架上；M型天线反射器展开机构1为对称结构，包括动力源3、中间固定芯轴10、连杆机构；动力源3与中间固定芯轴10之间建立滑动副，连杆机构与中间固定芯轴10和动力源3之间通过转动副连接，连杆机构关于中间固定芯轴10对称，在动力源3的驱动作用下，动力源3沿中间固定芯轴10滑动，带动连杆机构在平面内展开；各组M型天线反射器展开机构1能够沿支撑桁架作直线运动，使得天线网面2在M型天线反射器展开机构1的支持下展开。
连杆机构包括两组，每组连杆机构包括驱动连杆4、主动连杆5、固定角度连杆6、转接杆7、从动杆8、辅助连杆9；驱动连杆两端分别通过转动副与动力源3、主动连杆5中间部分连接，主动连杆5两端分别与固定角度连杆6一端、中间固定芯轴10中间部分转动连接，辅助连杆9两端分别与中间固定芯轴10端部、从动杆8端部转动连接，辅助连杆9中部弯折点与固定角度连杆6中部弯折点通过转动副连接，固定角度连杆6另一端与转接杆7一端通过转动副连接，转接杆7另一端与从动杆8中部弯折点转动连接；天线网面2与从动杆8、辅助连杆9连接，在连杆机构展开带动下展开。
连杆机构展开后，主动连杆5、辅助连杆9、固定角度连杆6、中间固定芯轴10之间的连接点形成平行四边形。
星载抛物柱面可展开网状天线由反射器网面及反射器支撑结构组成，反射器支撑结构如图1所示。考虑到上行运载空间问题，支撑结构需要具备收拢展开功能。设计具有较高收纳比的抛物柱面反射器网面展开机构1，如图2所示，使其具备展开/收拢功能，同时在展开后作为天线网面2的支撑主结构。抛物柱面反射器网面展开机构为M型收拢展开，通过单动力实现运动。由于M型天线反射器展开机构为对称形式，因此，仅需要设计单边同步展开杆系，并通过镜像设计得到整个M型天线反射器展开机构。
如图2所示，单动力源3绕中间固定芯轴10运动，通过转动副A与驱动连杆4相连；驱动连杆4通过转动副F与主动连杆5相连；主动连杆5与固定角度连杆6通过转动副G相连；固定角度连杆6又通过转动副H与转接杆7相连，通过转动副D与辅助连杆9相连；转接杆7通过转动副I与从动杆8相连；从动杆8通过转动副E与辅助连杆9相连；辅助连杆9通过转动副D、转动副C分别与固定角度连杆6和中间固定芯轴10相连。
因此，整个机构包含三个回路。其中第一回路由A点、B点和F点构成，动力源带动A点沿固定芯轴10直线运动，从而带动F点运动；第二回路由B点、C点、D点和G点构成平行四边形，F点运动从而带动此回路进行运动；第三回路由D点、E点、I点和H点构成，带有角度的固定角度连杆6和辅助连杆9的平行四边形运动带动本回路进行运动。具体运动过程如下：
①通过动力源使BG杆绕B点旋转(动力源可以为如图2所示滑动连杆AF，也可为其它转矩)；
②BG与CD等长，为平行四边形机构，BG运动使得平行四边形发生变形；
③BG运动使机构DEIH运动，产生M弯矩，最终实现同步展开。
展开机构的主要设计变量为13个，即各部件长度9个和角度4个。
部件长度包括LAF、LBF、LBG、LDG、LDE、LDH、LIH、LIE、LIJ 9个变量；
角度包括4个变量，即由CB与中心芯轴10构成的θ1；辅助连杆9折角(由CD与ED构成的角度)θ2；固定角度连杆6折角(由GD与HD构成的角度)θ3；从动杆8折角(由JI与EI构成的角度)θ4。
为使设计的抛物柱面反射器网面展开机构满足既定的任务要求，需要对展开机构的各项基本参数进行约束，其中包括杆长约束、角度约束、装配约束及其它约束。通过优化方法可以进一步计算得到展开机构的13个变量。
如图3所示，根据三个回路所设计的结构进行运动分析，其可以顺利从收拢状态展开至工作状态。
展开后的反射器支撑结构如图1所示。通过本发明，可以将抛物柱面可展开天线的展开过程解耦为两步，即二维面内展开和一维伸展。二维面内展开过程如图4(a)所示，通过所有M型天线反射器展开机构展开张拉出抛物线的形状；一维伸展过程如图4(b)所示，通过图5中的三角形伸展桁架11进行整副天线的伸长，形成柱面结构。采用此解耦方法避免了三维同步展开时的结构干涉，降低了展开过程钩挂、卡死风险。抛物柱面天线支撑结构展开过程原理如图4所示。
通过在抛物柱面天线支撑结构(图1)上张拉网面，形成所需的抛物柱面可展开网状反射器，加入三角形伸展桁架11，即形成所需的可展开抛物柱面反射器结构，如图5所示。
实施例
对于所设计的展开机构，设置一组尺寸和角度参数，对其进行仿真分析。
长度尺寸如下表所示：
Figure GDA0002500625190000061
Figure GDA0002500625190000071
角度参数如下表所示：
固定角度参数 单位(°)
θ<sub>1</sub> 11.8
θ<sub>2</sub> 135
θ<sub>3</sub> 90
θ<sub>4</sub> 135
经过运动分析，可以得到展开机构关键角度的参数，具体如下表所示。
Figure GDA0002500625190000072
展开机构运动模型在展开过程中第0/1.9/5.7/7.6s采样点处的位置如图6(a)～图6(d)所示。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种高收纳比抛物柱面天线反射器展开机构，其特征在于，包括若干组M型天线反射器展开机构(1)；各组M型天线反射器展开机构(1)安装在支撑桁架上；M型天线反射器展开机构(1)为对称结构，包括动力源(3)、中间固定芯轴(10)、连杆机构；动力源(3)与中间固定芯轴(10)之间建立滑动副，连杆机构与中间固定芯轴(10)和动力源(3)之间通过转动副连接，连杆机构关于中间固定芯轴(10)对称，在动力源(3)的驱动作用下，动力源(3)沿中间固定芯轴(10)滑动，带动连杆机构在平面内展开；各组M型天线反射器展开机构(1)能够沿支撑桁架作直线运动，使得天线网面(2)在M型天线反射器展开机构(1)的支持下展开；
所述连杆机构包括两组，每组连杆机构包括驱动连杆(4)、主动连杆(5)、固定角度连杆(6)、转接杆(7)、从动杆(8)、辅助连杆(9)；驱动连杆两端分别通过转动副与动力源(3)、主动连杆(5)中间部分连接，主动连杆(5)两端分别与固定角度连杆(6)一端、中间固定芯轴(10)中间部分转动连接，辅助连杆(9)两端分别与中间固定芯轴(10)端部、从动杆(8)端部转动连接，辅助连杆(9)中部弯折点与固定角度连杆(6)中部弯折点通过转动副连接，固定角度连杆(6)另一端与转接杆(7)一端通过转动副连接，转接杆(7)另一端与从动杆(8)中部弯折点转动连接；天线网面(2)与从动杆(8)、辅助连杆(9)连接，在连杆机构展开带动下展开；
所述连杆机构展开后，主动连杆(5)、辅助连杆(9)、固定角度连杆(6)、中间固定芯轴(10)之间的连接点形成平行四边形。
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