CN109659658B - 基于v型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，包含N个V型剪式单元体，V型剪式单元体由四个内部花盘、四个外部花盘、两个中间花盘、一个内部剪式连杆、两个折叠杆、两个中间剪式连杆和两个外部剪式连杆转动连接组成，N个V型剪式单元体阵列布置，相邻两个V型剪式单元体之间通过共用两个内部花盘、两个外部花盘和一个中间剪式连杆彼此连接，N个V型剪式单元体构成封闭的可展开天线机构；整体机构具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中V型剪式单元体的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

Description

基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构

技术领域

本发明属于天线机构技术领域，具体的，涉及一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构。

背景技术

随着空间科学技术的不断进步，各类航天任务逐渐向多样化、复杂化发展，卫星作为空间探测与对地通讯的重要工具，其功能要求不断提高，星载天线作为卫星对地通讯和数据传输的一个重要载荷，其性能的好坏直接关系到卫星任务的整体完成情况，相关研究人员针对星载天线进行了大量研究，已逐渐成为航空航天领域的研究热点之一。

受制于运载火箭有效空间容舱的限制，星载天线多采用发射和运载收拢，在轨展开的方式实现其功能，其展开与收拢依托于空间可展开支撑机构，因此空间可展开机构的设计是星载天线研发中的一项重要任务。目前已经研制成功的大口径空间可展开天线包括构架式、周边桁架式、径向肋式以及折叠肋式等等，这些天线机构各具特点，在空间通讯和数据传输方面起到了重要的作用。

周边桁架式可展开天线由金属索网与周边桁架展开支撑机构组成，与其他天线结构形式相比，周边桁架式可展开天线结构具有折叠比大以及质量较小的特点，且结构形式简单，在一定范围内口径的增大不会改变天线的结构形式，质量也不会成比例的增加，是目前大型可展开天线理想的结构形式。美国NGST公司制造的周边桁架式可展开天线又称为AstroMesh天线，由多个平面对角伸缩单元相互连接而成，其最早是为北美移动通信卫星MAST所研制，该类天线从最初的2.5米到现在运用较多的12.5米口径天线经历了七代产品升级，进行了350次以上的连续无故障地面展开试验，先后在Inmarsat-4系列、Thuraya系列和MBSAT等通信广播卫星上成功运用。

周边桁架可展开天线在空间大口径以及超大口径可展开天线领域具有良好的性能优势，各国相关科研人员在周边桁架可展开天线的展开机构、索网成形以及展开控制等方面做了大量的研究，但是整体而言，目前在轨运行的周边桁架可展开天线机构类型仍然较少，并且随着天线口径的增大，整体结构刚度下降较为严重。因此，亟需提出结构简单、刚度较高、折叠比较大以及制造工艺性较好等性能优良的周边桁架式可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其自由度少、结构简单，刚度较高，折叠比较大且制作工艺性较好，能满足不同的航天任务的需求。

本发明是这样实现的：

一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其包括N个V型剪式单元体，其中，N为大于等于3的整数，所述V型剪式单元体包括四个内部花盘、四个外部花盘、两个中间花盘、一个内部剪式连杆、两个折叠杆、两个中间剪式连杆和两个外部剪式连杆，所述内部花盘设有三个支叉，所述外部花盘设有三个支叉，所述中间花盘设有两个支叉，所述外部剪式连杆的相邻的两个端部分别与两个所述中间花盆的其中一个支叉转动连接，所述中间花盘的两个支叉分别与两个所述外部剪式连杆转动连接，所述外部剪式连杆的另外两个端部分别与两个所述外部花盘的最外侧的支叉转动连接，所述中间剪式连杆的相邻两个端部分别与两个所述外部花盘的中间支叉转动连接，所述中间剪式连杆的另外两个端部分别与两个所述内部花盘的中间支叉转动连接，所述内部花盘的侧部支叉与所述连杆的端部转动连接；所述内部剪式连杆的四个端部分别与四个所述内部花盘的侧部支叉转动连接；相邻两个所述V型剪式单元体之间通过共用两个内部花盘、两个外部花盘和一个中间剪式连杆彼此连接，N个所述V型剪式单元体构成封闭的可展开天线机构。

优选地，所述内部花盘的中间支叉上开有一个槽口，整体结构以中间支叉的槽口对称面为对称，两侧支叉上各开有两个槽口，中间支叉用于插入所述中间剪式连杆的端部并通过转动副连接，两侧支叉中靠近中间对称平面的槽口用于插入所述内部剪式连杆的端部并通过转动副连接，两侧支叉中远离中间对称平面的槽口用于插入所述折叠杆的端部并通过转动副连接。

优选地，所述外部花盘的三个支叉上均开有一个槽口，整体结构以中间支叉槽口对称面为对称，中间支叉用于插入中间剪式连杆的端部并通过转动副连接，两个侧部的支叉用于插入外部剪式连杆的端部并通过转动副连接。

优选地，所述中间花盘整体为面对称结构，两个支叉上各开有一个槽口，用于插入所述外部剪式连杆的端部并通过转动副连接。

优选地，所述内部花盘中的侧部支叉与中间支叉之间的夹角为(90+180/N)°，内部花盘各个支叉上转动副轴线与内部花盘中心轴线之间的距离均相同；所述外部花盘中的侧部支叉和中间支叉的夹角设为夹角为α，其中，0°＜α＜180°，外部花盘各个支叉上转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离均相同；所述中间花盘上的两个支叉之间的夹角为(2α+360/N)°，中间花盘各个支叉上转动副轴线与中间花盘中心轴线之间的距离均相同；所述内部花盘各支叉转动副轴线与内部花盘中心轴线之间的距离和外部花盘各支叉转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；所述外部花盘各支叉转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离和中间花盘各支叉转动副轴线与中间花盘中心轴线之间的距离之比为(cos(90-180/N-α)/(1-cos(90-180/N-α)))。

优选地，所述中间剪式连杆与内部花盘相连的一段的长度和所述中间剪式连杆与外部花盘相连的一段的长度之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；所述外部剪式连杆与外部花盘相连的一段的长度和所述外部剪式连杆与中间花盘相连的一段的长度之比为(cos(90-180/N-α)/(1-cos(90-180/N-α)))；所述中间剪式连杆中和内部花盘相连的一段的长度等于所述内部剪式杆长度的一半；所述外部剪式连杆中和外部花盘相连的一段的长度与所述中间剪式杆和外部花盘相连的一段的长度相同；所述折叠杆的长度小于所述内部剪式杆的长度。

优选地，所述内部剪式连杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述中间剪式连杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述外部剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述折叠杆上所连接的各个转动副轴线均平行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在整个基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构中，通过改变整体机构中V型剪式单元体的数量以及其中杆件的长度，可以改变整体基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小；当折叠杆完全展开时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体机构具有较好的结构刚度和力学性能。

2、本发明结构简单，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开。

3、本发明所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好且可靠性较高。

4、本发明运动灵活且整体折叠比较大。

5、本发明具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中V型剪式单元体的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

附图说明

图1是本发明的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构完全展开的立体示意图；

图2是本发明的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构半展开的立体示意图；

图3是本发明的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构完全收拢的立体示意图；

图4是本发明的V型剪式单元体完全展开的立体示意图；

图5是本发明的V型剪式单元体半展开的立体示意图；

图6是本发明的一组中间剪式杆及所连接的内部花盘和外部花盘的立体示意图；

图7是本发明的一组外部剪式杆及所连接的外部花盘和中间花盘的立体示意图；

图8是本发明的内部花盘的立体示意图；

图9是本发明的外部花盘的立体示意图；以及

图10是本发明的中间花盘的立体示意图。

图中：100：V型剪式单元体、1：外部花盘、2：中间剪式连杆、3：外部剪式连杆、4：内部花盘、5：中间花盘、6：折叠杆、7：内部剪式连杆。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明是这样实现的：

如图1～5所示，一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其包括N个V型剪式单元体100，其中，N为大于等于3的整数，V型剪式单元体100包括四个内部花盘4、四个外部花盘1、两个中间花盘5、一个内部剪式连杆7、两个折叠杆6、两个中间剪式连杆2和两个外部剪式连杆3，内部花盘4设有三个支叉，外部花盘1设有三个支叉，中间花盘5设有两个支叉，如图7所示，外部剪式连杆3的相邻的两个端部分别与两个中间花盆5的其中一个支叉转动连接，中间花盘5的两个支叉分别与两个外部剪式连杆3转动连接，外部剪式连杆3的另外两个端部分别与两个外部花盘1的最外侧的支叉转动连接，如图6所示，中间剪式连杆2的相邻两个端部分别与两个外部花盘1的中间支叉转动连接，中间剪式连杆2的另外两个端部分别与两个内部花盘4的中间支叉转动连接，内部花盘4的侧部支叉与连杆的端部转动连接；内部剪式连杆7的四个端部分别与四个内部花盘4的侧部支叉转动连接；相邻两个V型剪式单元体100之间通过共用两个内部花盘4、两个外部花盘1和一个中间剪式连杆2彼此连接，N个V型剪式单元体100构成封闭的可展开天线机构，当完全展开时，折叠杆6完全展开，N个折叠杆6相连成一个多边形。

优选地，如图8所示，内部花盘4的中间支叉上开有一个槽口，整体结构以中间支叉的槽口对称面为对称，两侧支叉上各开有两个槽口，中间支叉用于插入中间剪式连杆2的端部并通过转动副连接，两侧支叉中靠近中间对称平面的槽口用于插入内部剪式连杆7的端部并通过转动副连接，两侧支叉中远离中间对称平面的槽口用于插入折叠杆6的端部并通过转动副连接。

如图9所示，外部花盘1的三个支叉上均开有一个槽口，整体结构以中间支叉槽口对称面为对称，中间支叉用于插入中间剪式连杆2的端部并通过转动副连接，两个侧部的支叉用于插入外部剪式连杆3的端部并通过转动副连接。

如图10所示，中间花盘5整体为面对称结构，两个支叉上各开有一个槽口，用于插入外部剪式连杆3的端部并通过转动副连接。

本发明均采用转动连接的方式，所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好且可靠性较高，而且运动灵活且整体折叠比较大。

优选地，内部花盘4中的侧部支叉与中间支叉之间的夹角为(90+180/N)°，内部花盘4各个支叉上转动副轴线与内部花盘4中心轴线之间的距离均相同；外部花盘1中的侧部支叉和中间支叉的夹角设为夹角为α，其中，0°＜α＜180°，外部花盘1各个支叉上转动副轴线与外部花盘1中心轴线之间的距离均相同；中间花盘5上的两个支叉之间的夹角为(2α+360/N)°，中间花盘5各个支叉上转动副轴线与中间花盘5中心轴线之间的距离均相同；内部花盘4各支叉转动副轴线与内部花盘4中心轴线之间的距离和外部花盘1各支叉转动副轴线与外部花盘1中心轴线之间的距离之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；外部花盘1各支叉转动副轴线与外部花盘1中心轴线之间的距离和中间花盘5各支叉转动副轴线与中间花盘5中心轴线之间的距离之比为(cos(90-180/N-α)/(1-cos(90-180/N-α)))。

中间剪式连杆2与内部花盘4相连的一段的长度和中间剪式连杆2与外部花盘1相连的一段的长度之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；外部剪式连杆3与外部花盘1相连的一段的长度和外部剪式连杆3与中间花盘5相连的一段的长度之比为(cos(90-180/N-α)/(1-cos(90-180/N-α)))；中间剪式连杆2中和内部花盘4相连的一段的长度等于内部剪式杆长度的一半；外部剪式连杆3中和外部花盘1相连的一段的长度与中间剪式杆和外部花盘1相连的一段的长度相同；折叠杆6的长度小于内部剪式杆的长度。这样的设计使得整个天线机构的结构更加规则，更加便于天线机构的展开与收拢之间的灵活转换。

以上支叉之间的夹角和杆件长度的设计，使整个天线机构具有较高的结构对称性，通过改变杆件的长度可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构。

优选地，内部剪式连杆7上所连接的各个转动副轴线均平行；中间剪式连杆2上所连接的各个转动副轴线均平行；外部剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行；折叠杆6上所连接的各个转动副轴线均平行。

外部剪式连杆、中间剪式连杆和内部剪式连杆均包括两个连杆，两个连杆通过转动副连接，内部剪式连杆为对称结构，连接两个连杆的转动副位于连杆的中部，外部剪式杆和中间剪式杆均为非对称结构，连杆的端部插入外部花盘、中部花盘或者内部花盘的支叉槽口，并通过转动副连接，连接两个连杆的转动副与连接槽口与连杆端部的转动副的轴线均平行。如图3所示，当可展开天线机构完全收拢时，外部剪式连杆、中间剪式连杆和内部剪式连杆均为收拢状态；如图2或3所示，当可展开天线机构半展开或者完全展开时，构成外部剪式连杆3、中间剪式连杆2或内部剪式连杆7的两个连杆之间形成一定的角度。

折叠杆6包括两个连接杆，两个连接杆的第一端通过转动副相互连接，连接杆的第二端与内部花盘4侧部支叉转动连接，如图3所示，当可展开天线机构进行完全收拢时，折叠杆6相应的收回；如图1所示，当可展开天线机构完全展开时，折叠杆6成完全展开状态，构成折叠杆6的两个连接杆共线，构成可展开天线机构的多个折叠杆围成一个多边形。

通过改变整体可展开天线机构中V型剪式单元体100的数量以及构成其结构的杆件的长度，便可以改变基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小，当折叠杆完全展开时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体具有较好的结构刚度和力学性能。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：其包括N个V型剪式单元体，其中，N为大于等于3的整数，

所述V型剪式单元体包括四个内部花盘、四个外部花盘、两个中间花盘、一个内部剪式连杆、两个折叠杆、两个中间剪式连杆和两个外部剪式连杆，所述内部花盘设有三个支叉，所述外部花盘设有三个支叉，所述中间花盘设有两个支叉，所述外部剪式连杆的相邻的两个端部分别与两个所述中间花盘的其中一个支叉转动连接，所述中间花盘的两个支叉分别与两个所述外部剪式连杆转动连接，所述外部剪式连杆的另外两个端部分别与两个所述外部花盘的最外侧的支叉转动连接，所述中间剪式连杆的相邻两个端部分别与两个所述外部花盘的中间支叉转动连接，所述中间剪式连杆的另外两个端部分别与两个所述内部花盘的中间支叉转动连接，所述内部花盘的侧部支叉与所述连杆的端部转动连接；所述内部剪式连杆的四个端部分别与四个所述内部花盘的侧部支叉转动连接；

相邻两个所述V型剪式单元体之间通过共用两个内部花盘、两个外部花盘和一个中间剪式连杆彼此连接，N个所述V型剪式单元体构成封闭的可展开天线机构。

2.根据权利要求1所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内部花盘的中间支叉上开有一个槽口，整体结构以中间支叉的槽口对称面为对称，两侧支叉上各开有两个槽口，中间支叉用于插入所述中间剪式连杆的端部并通过转动副连接，两侧支叉中靠近中间对称平面的槽口用于插入所述内部剪式连杆的端部并通过转动副连接，两侧支叉中远离中间对称平面的槽口用于插入所述折叠杆的端部并通过转动副连接。

3.根据权利要求1所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述外部花盘的三个支叉上均开有一个槽口，整体结构以中间支叉槽口对称面为对称，中间支叉用于插入中间剪式连杆的端部并通过转动副连接，两个侧部的支叉用于插入外部剪式连杆的端部并通过转动副连接。

4.根据权利要求1所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述中间花盘整体为面对称结构，两个支叉上各开有一个槽口，用于插入所述外部剪式连杆的端部并通过转动副连接。

5.根据权利要求1~4任一所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内部花盘中的侧部支叉与中间支叉之间的夹角为(90+180/N)°，内部花盘各个支叉上转动副轴线与内部花盘中心轴线之间的距离均相同；所述外部花盘中的侧部支叉和中间支叉的夹角设为夹角为α，其中，0°＜α＜180°，外部花盘各个支叉上转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离均相同；所述中间花盘上的两个支叉之间的夹角为(2α+360/N)°，中间花盘各个支叉上转动副轴线与中间花盘中心轴线之间的距离均相同；所述内部花盘各支叉转动副轴线与内部花盘中心轴线之间的距离和外部花盘各支叉转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；所述外部花盘各支叉转动副轴线与外部花盘中心轴线之间的距离和中间花盘各支叉转动副轴线与中间花盘中心轴线之间的距离之比为(cos(90-180/N-α)/ (1-cos(90-180/N-α)))。

6.根据权利要求1~4任一所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述中间剪式连杆与内部花盘相连的一段的长度和所述中间剪式连杆与外部花盘相连的一段的长度之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))；所述外部剪式连杆与外部花盘相连的一段的长度和所述外部剪式连杆与中间花盘相连的一段的长度之比为(cos(90-180/N-α)/ (1-cos(90-180/N-α)))；所述中间剪式连杆中和内部花盘相连的一段的长度等于所述内部剪式连杆长度的一半；所述外部剪式连杆中和外部花盘相连的一段的长度与所述中间剪式连杆和外部花盘相连的一段的长度相同；所述折叠杆的长度小于所述内部剪式连杆的长度。

7.根据权利要求2~4任一所述的基于V型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内部剪式连杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述中间剪式连杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述外部剪式连杆上所连接的各个转动副轴线均平行；所述折叠杆上所连接的各个转动副轴线均平行。