CN109713420B - 一种空间可展开的充气天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间可展开的充气天线，充气天线至少包括柔性天线折叠面和展开组件，展开组件由能够以充气压力作为驱动力先后驱动且分别连接至柔性天线折叠面上不同高度处的至少两级展开组件构成，第一级展开组件能够在受到对其施加的以充气压力作为驱动力的驱动作用下向外扩张以带动至少部分柔性天线折叠面的展开，待第一级展开组件扩张至第一级完全展开位置时，第二级展开组件因受到对其施加的驱动力而以释放位于柔性天线折叠面上的形状记忆材料板的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术、天线技术领域，尤其涉及一种空间可展开的充气天线。
背景技术
随着卫星尺寸变小，天线的可部署性问题尤其重要。虽然小型化卫星的传感器和操作电子设备可以缩放到极小的体积，但是这种小型化卫星用于通信的信号的波长不会相应地缩放。鉴于信号的波长决定了用于传送该信号的天线的尺寸，用于小型化卫星的天线仍具有与较大卫星相似的尺寸。静止轨道卫星以及深空探测活动需要长距离的通信测控，因此保证接收端具有较大的信号功率是非常重要的，而要保证接收端具有较大的信号功率唯有增大天线面积。因此大型、超大型天线系统是高轨电子侦察卫星、高轨移动通信卫星和深空探测卫星等工作的必备条件和重要保障，天线尺寸往往需要达到百米以上甚至更大。采用目前传统的空间结构构件技术建造这种大型天线系统存在很大的困难，及时建造出来，也由于受其发射质量和发射体积过于庞大等限制而难于应用。星载大型可展开天线已被广泛应用于地球静止轨道通信卫星、跟踪与数据，中继卫星、电子侦察卫星等多种卫星上，甚至还可以在空间攻防中作为微波武器使用。正是由于其具有广阔的应用前景，各发达国家竞相发展该项技术，在这方面投入了大量的时间和精力，经过几十年的研究，特别是近20年，发达国家在空间可展开天线技术方面己经取得了长足的进步。国内对于该领域的研究也相当活跃，设计出多种可控展开结构用于航天及其他领域。
目前，世界上主要的航天国家在充气式可展开天线方面做了大量的工作。充气式可展开天线具有成本低廉、存储体积小、重量轻、可靠性高等优点，能够实现传统结构很难达到的性能，是一种具有广阔应用前景的天线形式。固体反射面天线展开口径D在1.5～8m之间，收拢直径d与展开口径D之比在0.36～0.44之间，收拢后的高度h与D之比在0.37～0.54之间；充气式展开口径为14m，收纳率分别为0.06和0.14；金属网面天线展开口径为5～15m，收纳率分别为0.07～0.22和0.05～0.93。可见充气式天线两项指标均好于其它两种天线，金属网面天线次之，固体反射面天线最差。发射前天线收纳成很小的体积，进入轨道后，通过气体使结构膨胀至展开状态，当外部温度逐渐达到一个较高值时，经过化学树脂处理的柔性材料发生硬化作用，在太阳紫外光的照射下也可以使材料硬化。充气天线技术一旦技术成熟并成功应用，由于它收拢体积小、质量轻、展开可靠性高的突出优点，将有可能替代现有多种超大口径机械展开式空间天线的结构形式。虽然充气式可展开天线突出的特点是收纳率大、质量小、展开可靠性高且口径适应范围广，在未来空间探索中具有非常重要的应用前景，但是在其设计与制备上需要克服和解决大量的技术难题。空间碎片和在深空环境较强的高能粒子辐射给充气式可展开天线在材料的选择和设计上带来了严峻的挑战，很难得到较高的形面精度，工作频率低，技术尚不成熟。
结构包装展开技术研究是充气展开式结构研制的关键环节之一。火箭有限的载荷仓和高昂的发射成本，需要天线具有收纳率大、占用空间小、质量轻、展开可靠性高和能耗低等特点，空间任务的复杂性又决定了可展开天线形式的多样性。结构包装展开技术一方面是为了减小充气展开式结构在发射过程中所占用的体积，另一方面是为了充气展开式结构在空间稳定可靠的展开。该技术包括结构包装的方式、充气方式的选择和充气展开方式的选择等。常用的充气方式可以使用氮气、氦气或升华气体。充气展开式结构的收纳和展开方式有喷出式、卷轴折叠式等多种形式。在喷出展开式中，天线收拢时包装于盒体中，展开时首先打开包装盒盖，反射器气囊随即在弹簧作用下弹出盒体，接着充气系统开始工作，反射器气囊和支撑杆同时开始充气直至完全展开，最终完成展开过程。
空间硬化技术是充气展开式结构研制的关键环节之一。对于长期的空间应用，作为天线支撑结构的充气管一旦在空间充气膨胀，就必须对其进行硬化处理，有效避免因充气管撞击流星或空间碎片而引起充气气体泄漏和张紧力损耗，从而导致天线表面精度下降的问题。如果充气管在展开完成后就进行硬化处理，也就无需携带大量补给气体。空间硬化技术有多种，一种是水凝胶硬化，这种方法是用水溶性树脂即水凝胶浸渍纤维织物，当水分子在空间真空环境中蒸发时，脱水后的胶凝织物硬化。一种是应用热固性热塑塑料，将可加热的金属丝或电阻丝嵌入一种软塑料，当加热到一定温度时将该塑料硬化，但该过程需要大量电能，电能大小取决于充气结构的尺寸。虽然充气式展开是近年来开始研究的新型展开技术，但面临着展开过程不可控、过程不可逆、过程不稳定、气体容易泄漏，以及展开过程会对航天器造成较大的冲击等技术难题。
目前空间可展开结构在入轨后展开锁定为稳定构型，不再进行空间折叠。在轨维修、操作、服务等技术发展促使空间可展开折叠结构发展。常规的树脂基复合材料主要考虑材料的强度、刚度等静态或准静态的力学承载性能，主要用于结构材料。而形状记忆树脂是一种新型智能材料，当加热至其玻璃化转变温度以上时，形状记忆树脂变得比较柔韧，因此可以对其施加外部载荷使其折叠或收拢。保持外部载荷不变，使其冷却至玻璃化转变温度以下，形状记忆树脂即可保持折叠或收拢状态不变。当需要结构件展开时，只需将其再次加热至玻璃化转变温度以上，即可回到初始制备形状。形状记忆复合材料主要考虑材料的驱动、大变形(有限变形)等动态的力学驱动性能，具有比常规树脂基复合材料高得多的可回复应变(最高可达100％数量级)。相对于常规的树脂基复合材料，形状记忆复合材料是革命性的创新。形状记忆复合材料弹性模量大、强度较高，变形回复力较大，运动稳定性和可靠性较高，形状保持能力较好。智能材料和结构技术的发展，尤其是形状记忆聚合物及其复合材料等主动变形材料的出现和快速发展，为航天用可展开技术提供了崭新的应用手段，将极大的推动航天用飞行器展开结构的发展。目前空间硬化技术的研究主要集中在硬化材料的选择与分析，由于空间任务的复杂性与多样性，所以硬化材料的展开方法也不尽相同。具体来说，常用的硬化材料主要有热固性复合材料、紫外光固化复合材料、充气反应复合材料、二阶转变和记忆聚合物复合材料、增塑剂或溶剂挥发固化复合材料、发泡硬化材料、铝箔和塑料薄膜叠层结构等。但是正如许多文献中报道，虽然形状记忆树脂具备较高的形状回复率，一般可达99.9％，但主要缺点是热力学性能较差，如弹性模量和强度较低、变形回复输出力较小，运动稳定性和可靠性较差，蠕变和应力松弛现象较严重等，这些缺点影响其在高精度空间有效载荷中的应用。因此，为克服形状记忆聚合物上述缺陷，可将高模量、负热膨胀系数的高性能碳纤维作为形状记忆树脂的增强相制备形状记忆复合材料。这种形状记忆及形状回复的力学性能在空间可展开结构领域广泛应用。在进行充气展开式结构设计时，要对充气结构的刚度、应力分布、应力大小、重力引起的变形等通过计算作出预测。另外，还要解决“什么样的充气式薄膜初始形状才能在经历结构变形之后达到所需要的设计形状”。在制造技术方面，要解决“是否能够精确地从薄膜上切下材料并且将多块薄膜无缝连接”，以及如何获得最终的精确支撑结构等。
中国专利(公开号为CN101369686B)公开了一种空间可展开反射面系统。包括：折叠式环杆、折叠式肋杆、连接关节、中心圆筒、充气圆环和牵引绳。其中：折叠式环杆、折叠式肋杆分别与环杆连接关节和肋杆连接关节连接，构成环、肋结构，该环、肋结构通过环肋连接关节和肋筒连接关节与中心圆筒连接构成刚性骨架；充气圆环和牵引绳纵横交错地设置在刚性骨架上，构成反射面成型结构。通过充气圆环结构可在成型后固化，以提高反射面的构型精度；通过所述的牵引绳，可提高反射面的构型精度；通过绑定于牵引绳上的金属丝网或镀铝薄膜结构，最终构成期望的大型可展开反射面。发明用于构建构建面密度低、构型精度高和收纳率大的可展开天线、反射器或汇聚器大型可展开装置。
然而该专利提供的空间可展开反射面系统，牵引绳过于多，太容易造成缠结，不利于控制；该空间可展开反射面系统的展开和支撑结构主要由充气圆环和折叠式肋杆组合构成，在展开过程中，充气压力驱动充气圆环展开并带动折叠式肋杆及整个结构展开成型。充气圆环和折叠式肋杆采用柔性复合材料制造，无法对其展开过程进行有效控制，在展开过程中，尤其是在充气展开初期，充气圆环压力较低，且折叠式肋杆未完全展开，此时充气圆环和折叠式肋杆乃至整个反射面系统的刚度都很低，很难保证整个反射面能够按照理想的展开顺序、路径和速度进行展开，并容易导致折叠式肋杆与充气圆环产生缠绕、碰撞，甚至会对航天器产生较大的冲击和扰动，降低航天器在轨运行的安全性和可靠性。
中国专利(公开号为CN107978837A)公开了一种充气式柔性天线及其展开方法，其中天线组件在展开前折叠在容器内部，在发射后，天线系统接收到展开指令后，容器打开释放所述天线组件，天线组件在填充材料的作用下展开，并形成一个球形天线结构体。该专利提供的充气式柔性天线的设计结构可以减小整个天线系统的发射体积和质量。
该专利提供的充气式柔性天线及其展开方法中，由于其展开过程依赖于机械结构的展开而其驱动机构复杂导致展开可靠性低，同时由于气体的填充受到太阳光照射角度的影响使其填充量和填充速率均不可控，因此展开过程中存在较多不可控因素，同时其不可控的展开过程以及在卫星发射时发射冲击力的影响都导致整体结构会存在明显的冲击与振动，抗扰能力差，虽然提高了收纳比却使得展开过程的稳定可控差。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种空间可展开的充气天线，所述充气天线至少包括柔性天线折叠面和展开组件，所述展开组件由能够以充气压力作为驱动力先后驱动且分别连接至所述柔性天线折叠面上不同高度处的至少两级展开组件构成，其中，所述第一级展开组件能够在受到对其施加的以充气压力作为驱动力的驱动作用下向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件扩张至第一级完全展开位置时，所述第二级展开组件因受到对其施加的驱动力而以释放位于所述柔性天线折叠面上的形状记忆材料板的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开。
本发明提供的空间可展开的充气天线，通过采用机械结构与形状记忆聚合物复合材料的形状记忆效应结合来辅以所述充气天线的充气展开过程，使得能够以充气方式的变化来控制整个充气展开的分级展开可控过程，且同时无需通过继续充气作用即可维持天线的结构形状，由此在减少了展开控制环节的影响因素的同时提高了系统展开的可靠性，避免了传统的充气天线工作的展开系统控制环节多且可靠性差的问题。
同时由于本发明将充气天线的一次性全部展开过程改变为分级有序展开可控过程，通过结合由气驱控制的展开组件能够有效利用折叠天线的翻折展开过程，只需对单点进行升温控制，即能按照前一级在展开的同时提供了后一级的展开条件的方式，达到对充气天线有效面积的分级有序增加。同时通过与形状记忆材料板自身的材料阻尼较大相互配合，不仅减少了开始瞬间大面积展开和结束瞬间强制约束时带来剧烈的展开冲击过载，进一步地使得展开过程运动系统的驱动平稳，由此避免了对其它部件以及航天器本体产生较大的冲击和扰动，有利于提高航天器在轨运行的安全性和可靠性。
根据一种优选实施方式，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至少两部分天线折叠面，其中，第一天线折叠面能够通过所述第一级展开组件的张缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠，所述第一级展开组件被配置为通过可控地调节经由至少一个第一开口进入所述第一级展开组件内部的气流沿该内部的高度方向和纵向延伸方向在该内部来回流动的方式，来解除所述第一级展开组件在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外扩张/向内收缩，以此带动第一天线折叠面沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位后借助于所述第一级展开组件自动锁定而保持在当前展开位置。
根据一种优选实施方式，第二天线折叠面能够通过所述第二级展开组件的伸缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠，其中，所述第二级展开组件被配置为通过可控地调节经由至少一个第二开口进入所述第二级展开组件内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的方式，来分级地驱动所述第二级展开组件伸长直至与所述第二天线折叠面抵接，以使得所述第二级展开组件能够以通电升温的方式分级地释放位于所述第二天线折叠面上的至少一个形状记忆材料板的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开且展开到位后借助于所述形状记忆材料板自动锁定而保持在当前展开位置。优选的，所述预定路经即为第一限位锁定机构的伸缩方向上的延伸路经，第二天线折叠面的路经是预先确定，继而可以有效把握第二天线折叠面的展开进度。
根据一种优选实施方式，所述第一级展开组件至少包括至少一个第一充气支撑环、至少一个第二充气支撑环和至少一个充气环，其中，至少一个所述第一充气支撑环与至少一个所述第二充气支撑环以沿所述第一天线折叠面的开放端面边缘延伸方向彼此间隔连续布置的方式分别连接至所述第一天线折叠面的边缘处，所述充气环被配置为以折叠压缩的状态嵌套在所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环内，并在以充气压力作为驱动力的驱动下解除所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环之间的锁定并驱使所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环相对彼此向外扩张/向内收缩。
根据一种优选实施方式，所述第一级展开组件还包括至少一个第一限位锁定机构，所述第一限位锁定机构被配置为能够通过同时与所述第一充气支撑环和所述第二充气支撑环活动连接的方式锁定所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环之间的相对位移，并且能够通过所述充气环呈逐渐膨胀状态而对所述第一限位锁定机构施加外力作用的方式与所述第一充气支撑环或所述第二充气支撑环脱离活动连接，以此解除所述第一级展开组件在扩张/收缩方向上的锁定。
根据一种优选实施方式，所述第二天线折叠面至少包括设于所述第二天线折叠面上与所述第二级展开组件相对应的至少一个可折叠式肋板，其中，所述可折叠式肋板被配置为能够通过所述第二级展开组件被分级地驱动伸长的方式使得所述第二级展开组件与所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板活动连接，从而所述形状记忆材料板能够借助于所述第二级展开组件上设置的可复位加热组件的升温来驱使所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应，并能够通过所述第二级展开组件被分级地驱动进一步伸长的方式使得所述第二级展开组件与所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板脱离连接，从而所述形状记忆材料板能够借助于所述第二级展开组件上设置的可复位加热组件的升温来驱使所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应，并且所述第二天线折叠面能够以所述形状记忆材料板降温而固化的方式保持在当前展开位置。
根据一种优选实施方式，所述第二级展开组件至少包括可复位加热组件，所述可复位加热组件被配置为通过所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应而带动至少部分第二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开的方式呈第一工作姿态，所述第一工作姿态能够在所述第二天线折叠面沿着预定路经进行下一级展开后弹性地转换为第二工作姿态，所述第一工作姿态与所述第二工作姿态能够分别与位于不同展开级别的所述第二天线折叠面上的形状记忆材料板活动连接以驱动所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应。优选的，所述形状记忆材料板即为具有形状记忆效应的聚合物材料。其中，所述可复位加热组件的第一工作姿态为与第一限位锁定机构的伸缩方向相平行时的姿态，所述可复位加热组件的第二工作姿态为与第二限位锁定机构的伸缩方向相垂直时的姿态，在两种姿态下均能够为形状记忆材料板释放其形状记忆效应提供热源。
一种空间可展开的充气天线的展开方法，所述展开方法至少包括以下步骤：以充气压力作为驱动力驱动所述第一级展开组件向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件扩张至第一级完全展开位置时，其中第一级完全展开位置即为由充气方式控制的第一级扩张程度不同而对应的扩张位置。可以为第一天线折叠面完全展开时所处的位置处。所述第二级展开组件因受到对其施加的驱动力而以释放位于所述柔性天线折叠面上的形状记忆材料板的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开。
根据一种优选实施方式，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至少两部分天线折叠面，所述展开方法还包括以下步骤：通过所述第一级展开组件的张缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠所述第一天线折叠面，通过可控地调节经由至少一个第一开口进入所述第一级展开组件内部的气流沿该内部的高度方向和纵向延伸方向在该内部来回流动的方式，来解除所述第一级展开组件在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外扩张/向内收缩，以此带动第一天线折叠面沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位后借助于所述第一级展开组件自动锁定而保持在当前展开位置。
根据一种优选实施方式，所述展开方法还包括以下步骤：通过所述第二级展开组件的伸缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠第二天线折叠面，通过可控地调节经由至少一个第二开口进入所述第二级展开组件内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的方式，来分级地驱动所述第二级展开组件伸长直至与所述第二天线折叠面抵接，以使得所述第二级展开组件能够以通电升温的方式分级地释放位于第二天线折叠面上的至少一个形状记忆材料板的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开且展开到位后借助于所述形状记忆材料板自动锁定而保持在当前展开位置。
本发明提供的充气天线至少具有如下有益技术效果：
(1)本发明提供的空间可展开的充气天线，通过采用机械结构与形状记忆聚合物复合材料的形状记忆效应结合来辅以所述充气天线的充气展开过程，使得能够以充气方式的变化来控制整个充气展开的分级展开可控过程，且同时无需通过继续充气作用即可维持天线的结构形状，由此减少了展开控制环节的影响因素的同时提高了系统展开的可靠性，避免了现有技术中充气天线展开系统牵涉的控制环节多且可靠性差的问题。
(2)同时由于本发明将充气天线的一次性全部展开过程改变为分级有序展开可控过程，通过结合由气驱控制的展开组件能够有效利用折叠天线的翻折展开过程，只需对单点进行升温控制，即能按照前一级在展开的同时提供了后一级的展开条件的方式，达到对充气天线有效面积的分级有序增加。同时通过与形状记忆材料板自身的材料阻尼较大相互配合，不仅减少了开始瞬间大面积展开和结束瞬间强制约束时带来剧烈的展开冲击过载，进一步地使得展开过程运动系统的驱动平稳，由此避免了对其它部件以及航天器本体产生较大的冲击和扰动，有利于提高航天器在轨运行的安全性和可靠性。
(3)本发明提供的空间可展开的充气天线可折叠后固定在底板上，有效地降低了天线结构收拢位于卫星发射状态时的包络尺寸，保证了收拢后的充气天线的相对固定能够在卫星发射时经受住发射段的发射冲击力作用而避免震动碰撞，保证充气天线后续能够安全可靠地发射并展开。
(4)本发明提供的空间可展开的充气天线在充气天线展开到一定位置后，通过设置能够为其提供可靠的锁定保持力矩的限位锁定结构与所述充气过程相互作用，能够将展开后的该充气天线相对稳定地保持在所需的工作形态位置。
附图说明
图1是本发明提供的充气天线的一种优选实施方式的简化连接结构示意图；
图2是本发明提供的铰链组件的一种优选实施方式的简化正视示意图；
图3是本发明提供的第二级展开组件的一种优选实施方式的简化侧视示意图；
图4是本发明提供的第二级展开组件的另一种优选实施方式的简化侧视示意图；和
图5是本发明提供的铰链组件的一种优选实施方式的简化剖面示意图。
附图标记列表
1：第一充气支撑环 2：第二充气支撑环 3：充气环
4：第一限位锁定机构 5：第一天线折叠面 6：第二天线折叠面
7：形状记忆材料板 8：可复位加热组件 9：底板
10：第二限位锁定机构 11：第一级展开组件 12：第二级展开组件
13：第一折叠式肋板段 14：第二折叠式肋板段 15：铰链组件
16：支撑副杆 17：第三折叠式肋板段 18：第四折叠式肋板段
19：可复位弹簧 20：加热板
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
所述第一级展开组件11至少包括形状均由弧形限定且具有中空内腔的第一充气支撑环1和第二充气支撑环2。第一充气支撑环1和第二充气支撑环2可以为彼此嵌套连接，使得第一天线折叠面5能够在高度和径向上被压缩折叠，以减少该第一天线折叠面5的占用体积。
优选的，第一充气支撑环1和第二充气支撑环2是按照以两者圆心位于同一点的方式沿周向方向彼此相邻间隔布置。优选的，具有两个第一充气支撑环1和两个第二充气支撑环2，第一充气支撑环1两侧均为第二充气支撑环2且分别与两个第二充气支撑环2相互嵌套连接。第一充气支撑环1嵌套至第二充气支撑环2内，或者第一充气支撑环1嵌套至第二充气支撑环2外部，或是第一充气支撑环1一端嵌套至其中一个第二充气支撑环2外部而另一端嵌套至其中一个第二充气支撑环2内，都不影响第一天线折叠面5的展开过程。
充气天线至少包括形状由圆形限定且柔性可折叠的充气环3，充气环3按照折叠压缩的状态嵌套在第一充气支撑环1和第二充气支撑环2内。折叠压缩的状态可以为充气环3沿其周向方向具有若干个折叠痕，折叠痕的纵向延伸方向与充气环3的中心轴线方向平行，外壁形状与常见的可延展的水管结构类似，或是其他能够折叠后置于第一充气支撑环1和/或第二充气支撑环2内腔中的结构而不作进一步限定。
优选的，第一充气支撑环1上和与之相邻的第二充气支撑环2之间通过第一限位锁定机构4相对彼此固定。第一限位锁定机构4被设置为在第一限位锁定机构4脱离第一充气支撑环1和第二充气支撑环2时与充气环3外壁相对固定，并由此限制位于第一限位锁定机构4处的充气环3的向外延展运动。即为在第一限位锁定机构4被充气环3顶出第一充气支撑环1和第二充气支撑环2后，仍然保持在第一充气支撑环1或第二充气支撑环2上，避免充气环3沿着第一限位锁定机构4所在位置向第一充气支撑环1或第二充气支撑环2的外部延展，充气环3的向外延展运动即为朝向与充气环3外壁垂直的方向延伸延展。
优选的，第一限位锁定机构4被配置为能够通过第一充气支撑环1与第二充气支撑环2沿各自对应的环体延伸方向彼此嵌套连接的方式进行锁定并由此限制第一充气支撑环1与第二充气支撑环2之间的相对滑动，并且能够通过充气环3由折叠压缩状态转换为膨胀状态的方式进行解锁而由此解除第一充气支撑环1与第二充气支撑环2之间的相对滑动。优选的，第一限位锁定机构4可以为杆体延伸方向与第一充气支撑环1外壁相垂直的限位锁定杆。优选的，在第一充气支撑环1嵌套至第二充气支撑环2外部时，限位锁定杆能够按照依次贯穿位于第一充气支撑环1的第一通孔和第二充气支撑环2上的第二通孔的方式进行限位，并且限位锁定杆通过其杆体上设置的可复位弹性组件的一端固接至第一通孔内壁的方式保持在限位状态。
优选的，在充气环3由折叠压缩状态转换为膨胀状态的过程中，由于呈膨胀状态的充气环3抵靠至限位锁定杆端部并推动限位锁定杆退出第一通孔和第二通孔，使得在充气环3进行充气的同时能够推动第一充气支撑环1与第二充气支撑环2朝向脱离嵌套连接的方向移动，由此在充气环3逐渐膨胀扩张的情况下可以将呈压缩折叠状态的第一天线折叠面5进行初步地展开。
充气环3内至少包括能够可控地调节且经由至少一个第一开口进入充气环3内部的气流，设于充气环3外壁上的至少一个第一开口，能够使得气体以沿充气环3的纵向和横向分别对充气环3进行延展的方式在充气环3内部来回流动，并使得第一充气支撑环1与第二充气支撑环2在充气环3延展时，解除彼此之间的锁定而能够相对地朝向远离彼此的方向移动，由此第一天线折叠面5按照增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开。
第一级展开组件还包括设于支撑副杆16上的第二级展开组件12，第二级展开组件12至少包括用于展开和/或保持第一天线折叠面5的第二限位锁定机构10，第二限位锁定机构10以能够相对支撑副杆16朝向远离支撑副杆16的方向延伸的方式设于支撑副杆16上，其中该能够相对支撑副杆16朝向远离支撑副杆16的方向延伸的方式可以为伸缩的方式或折叠展开的方式，不局限于一种延伸方式。优选的，第二限位锁定机构10可以为气动杆类似的结构，在气体的持续充入下能够分级地伸长并能够相对固定在当前长度位置。通过对第二限位锁定机构10的密闭内腔进行充气即可实现爬升，流体驱动仿生机器人既具有一定的承载能力以及主动变形能力，而且通过软体材料构成可以极大地减小刚性材料大而笨重的缺点，并且在控制灵活度上远优于传统刚性材料。优选的，可复位加热组件8始终保持在第二限位锁定机构10的顶端以此与铰链组件15连接。
优选的，第二天线折叠面6是通过逐层折叠的方式进行折叠收拢的。第二天线折叠面6类似于具有一定宽度的圆环形，第二天线折叠面6沿其宽度方向逐层折叠，使其外缘处的折叠面收拢于内层折叠面上方。第二天线折叠面6上与第二级展开组件12相对应的位置处设置有折叠式肋板，折叠式肋板由若干个彼此连接的折叠式肋板段组成，折叠式肋板被设置为能够沿第二天线折叠面6的宽度方向与第二天线折叠面6一起折叠。每两个折叠式肋板段之间经铰链组件15转动连接并使得该两个折叠式肋板段之间不完全紧密贴合，而是保持有用于连接可复位加热组件8的空隙，该空隙允许可复位加热组件8置于该两个折叠式肋板段之间并与铰链组件15抵接或贴合，并使得在可复位加热组件8通电升温的情况下，该两个折叠式肋板段之间的铰链组件15能够按照既定的方向伸展，从而使得该两个折叠式肋板段展开至彼此并列。
如图2所示，铰链组件15上固定有至少一个形状记忆材料板，每一个形状记忆材料板能够对铰链结构起到驱动和固定的作用。在形状记忆材料板因受到可复位加热组件8提供的加热过程时，形状记忆材料板的温度升高直至其玻璃化转变温度及之上后，能够将其弯折成具有一定夹角的弯曲状态，一定夹角介于0°～180°；在保持约束条件下降温至玻璃化转变温度以下，待形状记忆材料板硬化后约束被撤除，形状记忆材料板保持弯折状态而不回复；再进行加热时形状记忆材料板的温度再次升高，直至升高到其玻璃化转变温度之上后，形状记忆材料板自动变形回复至未弯折之前的展开状态，即实现该铰链组件15的展开。
如图5所示，第二限位锁定机构10在气体的推动下沿既定方向延伸，第二限位锁定机构10顶端上具有可复位加热组件8。其中，可复位加热组件8包括可复位弹簧以及外部设有加热层的加热板，可复位弹簧被配置为呈拉伸状态而使得加热板具有相对第二限位锁定机构10朝向靠近第二限位锁定机构10的方向转动的运动趋势，并能够在加热板相对第二限位锁定机构10朝向远离第二限位锁定机构10的方向转动时被进一步拉伸。其中，外部设有加热层的加热板可以是电阻加热等其他通电升温的装置，不局限于仅仅一种结构。第二限位锁定机构10可以为气驱杆等能够在充入气体的情况下进行逐级地伸长并相对固定住而保持当前长度的结构。优选的，可以通过设置分别连接了第二限位锁定机构10和折叠式肋板的绳索来控制该第二天线折叠面6的收拢过程。
如图3所示，折叠式肋板至少包括彼此之间分别经铰链组件15相互铰接的第一折叠式肋板段13、第二折叠式肋板段14、第三折叠式肋板段17和第四折叠式肋板段18。当第二限位锁定机构10与支撑副杆16的延伸方向位于同一方向时，在呈拉伸状态的可复位弹簧的保持下，加热板位于第一折叠式肋板段13与第二折叠式肋板段14之间的铰链组件15外壁上，且与铰链组件15外壁紧密贴合或其他活动连接的方式，使得在加热板通电进行加热升温时，铰链组件15内与加热板活动连接的形状记忆材料板软化并自动变形回复至未弯折之前的展开状态，同时形状记忆材料板带动第二折叠式肋板段14向外翻转，即此实现第二天线折叠面6的一级展开。
如图4所示，并且由于位于第一折叠式肋板段13与第二折叠式肋板段14之间的铰链组件15的温度下降，直至玻璃化转变温度以下后，铰链组件15硬化而保持展开状态且不回复，第一折叠式肋板段13与第二折叠式肋板段14之间呈180°或其他预定角度的平展状态。同时由于第二折叠式肋板段14向外翻转而对位于其下方的加热板施加向下的作用力，使得加热板由与第二限位锁定机构10相垂直转换为与第二限位锁定机构10本体保持平行，并且此时第二限位锁定机构10位于第一折叠式肋板段13与第二折叠式肋板段14之间，通过继续充入气体而使得第二限位锁定机构10被进一级伸长，第二限位锁定机构10带动位于其顶端的可复位加热组件8移动，直至将可复位加热组件8置于第二折叠式肋板段14与第三折叠式肋板段17之间的铰链组件15处，并且由于可复位加热组件8的热效应驱使该处铰链组件15中的形状记忆材料板软化并自动变形回复至未弯折之前的展开状态，形状记忆材料板带动第三折叠式肋板段17向外翻转，由此实现第二天线折叠面6的二级展开，并且由于通过继续充入气体而使得第二限位锁定机构10被再进一级伸长，可复位加热组件8离开该处铰链组件15，位于第二叠式肋板段14与第三叠式肋板段之间的铰链组件15的温度下降至玻璃化转变温度以下后硬化，而使得第二叠式肋板段14与第三叠式肋板段之间保持展开状态且不回复。
由于第二折叠式肋板段14与第三折叠式肋板段17之间呈180°或其他预定角度的平展状态，此时加热板位于第二折叠式肋板段14与第三折叠式肋板段17之间的铰链组件15下方，并与第二限位锁定机构10本体保持平行，通过继续充入气体而使得第二限位锁定机构10被再进一级伸长，带动可复位加热组件8朝向靠近第三折叠式肋板段17与第四折叠式肋板段18之间的铰链组件15处已从，由于此时的第四折叠式肋板段18未展开而折叠在第三折叠式肋板段17上方，由此加热板被撤除对其施加的向下的作用力，而在可复位弹簧释放弹性势能的作用下朝向靠近第二限位锁定机构10本体的方向移动，直至位于第三折叠式肋板段17与第四折叠式肋板段18之间的铰链组件15的外壁上，且与该处的铰链组件15外壁紧密贴合或其他活动连接方式，以使得该处的铰链组件15内设置的形状记忆材料板软化并自动变形，形状记忆材料板恢复至之前的展开状态。
优选的，在充气环3打开至需要的位置中，该需要的位置通常指的是充气环3完全打开而使得支撑副杆16与底板9之间的转动角度不小于90°时充气环3所处的位置处，气体持续地充入使得充气环3与第二限位锁定机构10连通处的通气阀打开而为第二限位锁定机构10提供辅助牵引驱动力，第二限位锁定机构10在充入气体的情况下逐级地伸长，通过控制充气的方式/维持当前气压的方式/停止继续充气的方式能够对第二限位锁定机构10逐级地伸长和/或锁定在当前长度。
第二级展开组件12至少包括用于支撑第一充气支撑环1和第二充气支撑环2的支撑副杆16，支撑副杆16两端分别与底板9上至少一个顶点以及第一充气支撑环1或第二充气支撑环2外壁活动连接。其中由于第一充气支撑环1和第二充气支撑环2分别按照能够相对所述支撑副杆转动的方式固定至所述支撑副杆16的杆体上，第一充气支撑环1和第二充气支撑环2按照各自对应的支撑副杆16朝向远离所述底板9的方向转动的方式相对彼此朝向脱离连接的方向移动，由于呈压缩折叠状态的第一天线折叠面5一端与支撑副杆16端部连接，从而使得支撑副杆16在转动的同时带动第一天线折叠面5向内折叠或向外展开。优选的，支撑副杆16被配置为能够在第一天线折叠面5进行不完全空间展开时绕底板9的顶点进行单向转动以给展开到位后的第一充气支撑环1或第二充气支撑环2提供机械锁定功能，并直到通过第二限位锁定机构10因受到对其施加的外力作用而释放对支撑副杆16单向转动的保持时以折叠至少部分柔性天线的方式自动反向复位。其中单向转动即为在进行充气而使得第一天线折叠面5向外展开时，支撑副杆16能够保持住相对底板9的转动角度，从而将第一天线折叠面5保持在相应展开位置，而不会在停止继续充气的情况下反向转动而折叠第一天线折叠面5。
其中，第二限位锁定机构10被配置为与支撑副杆16活动连接且能够因受到对其施加的外力作用而在锁定位置与未锁定位置之间移动，其中锁定位置用于第二限位锁定机构10与支撑副杆16转动连接而限制支撑副杆16在至少一个转动方向上的运动，而未锁定位置用于第二限位锁定机构10与支撑副杆16脱离彼此连接而解除对支撑副杆16施加的该运动限制。优选的，第二限位锁定机构10可以为棘爪，支撑副杆16上靠近底板9的端部上具有与棘爪相适配的棘轮，当棘爪位于锁定位置时，棘轮只能单向转动而其反向运动趋势卡止于与其啮合连接的棘爪；当棘爪位于未锁定位置时，棘轮的反向运动趋势被解除，由此在至少包含重力或其他外力的作用下能够自动反向复位，同时带动不完全或完全空间展开的部分柔性天线折叠面进行折叠收纳。优选的，底板9上具有可控制转杆和设于支撑副杆16上的弹性组件，可控制转杆被配置为与第二限位锁定机构10活动连接，而可控制转杆在通电的情况下能够被控制地相对第二限位锁定机构10前后移动。优选的，可控制转杆的工作原理类似于二位五通阀内阀芯的工作原理，当断电时阀芯借助于弹簧力的作用回复原状，当通电时阀芯被吸引至通电的一侧，由此控制阀芯的前后移动。当所述可控制转杆向前移动而位于第二限位锁定机构10的一侧时，第二限位锁定机构10被限制了相应侧的进一步相对转动，由此限制支撑副杆16相对底板的转动，但是第二限位锁定机构10能够被推动着朝向另一侧移动，由此提供了支撑副杆16以拉伸弹性组件的方式单向运动但其反向运动趋势被锁定；当所述可控制转杆向后移动而脱离于第二限位锁定机构10之间的活动连接时，第二限位锁定机构10不再被限制两侧的相对转动，由此支撑副杆16的反向运动趋势被解除，以此使得支撑副杆16能够以弹性组件释放弹性势能的方式自动反向转动复位。
充气天线至少包括柔性天线折叠面，柔性天线折叠面按照展开方式、折叠收拢方式的不同分为第一天线折叠面5和第二天线折叠面6两个部分。第一天线折叠面5和第二天线折叠面6以一体成型的方式构成柔性天线折叠面。其中，上述中至少部分柔性天线折叠面可以即为第一天线折叠面5。第一天线折叠面5的展开形状由呈开放状的类似半球形的形状所限定，第一天线折叠面5上呈环形的端部分别与第一充气支撑环1外壁和第二充气支撑环2的外壁部分固接，第一天线折叠面5的顶点位于用于承接充气天线的底板9上，使得第一天线折叠面5能够按照第一充气支撑环1与第二充气支撑环2之间的相对滑动的方式进行折叠或展开。第一天线折叠面5被配置为在充气环3被充气时沿着相对于由第一充气支撑环1、第二充气支撑环2和充气环3共同形成的端面倾斜地定向的曲面延展。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种空间可展开的充气天线，所述充气天线至少包括柔性天线折叠面和展开组件，其特征在于，所述展开组件由能够以充气压力作为驱动力先后驱动且分别连接至所述柔性天线折叠面上不同高度处的至少两级展开组件构成，其中，
第一级展开组件(11)能够在受到对其施加的以充气压力作为驱动力的驱动作用下向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件(11)扩张至第一级完全展开位置时，第二级展开组件(12)因受到对其施加的驱动力而以释放位于所述柔性天线折叠面上的形状记忆材料板(7)的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开；
其中，通过结合由气驱控制的展开组件能够有效利用折叠天线的翻折展开过程，只需对单点进行升温控制，即能按照前一级在展开的同时提供了后一级的展开条件的方式，达到对充气天线有效面积的分级有序增加；
空间可展开的充气天线在充气天线展开到一定位置后，通过设置能够为其提供可靠的锁定保持力矩的限位锁定结构与所述充气过程相互作用，能够将展开后的该充气天线相对稳定地保持在所需的工作形态位置；
其中，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至少两部分天线折叠面，第一天线折叠面(5)能够通过所述第一级展开组件(11)的张缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠，第二天线折叠面(6)能够通过所述第二级展开组件(12)的伸缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠，
所述第一级展开组件(11)至少包括至少一个第一充气支撑环(1)、至少一个第二充气支撑环(2)和至少一个充气环(3)，所述第一级展开组件(11)还包括至少一个第一限位锁定机构(4)，所述第一限位锁定机构(4)被配置为能够通过同时与所述第一充气支撑环(1)和所述第二充气支撑环(2)活动连接的方式锁定所述第一充气支撑环(1)与所述第二充气支撑环(2)之间的相对位移，并且能够通过所述充气环(3)呈逐渐膨胀状态而对所述第一限位锁定机构(4)施加外力作用的方式与所述第一充气支撑环(1)或所述第二充气支撑环(2)脱离活动连接，以此解除所述第一级展开组件(11)在扩张/收缩方向上的锁定，
所述第二天线折叠面(6)至少包括设于所述第二天线折叠面(6)上与所述第二级展开组件(12)相对应的至少一个可折叠式肋板，
所述第二级展开组件(12)至少包括可复位加热组件(8)，所述可复位加热组件(8)被配置为通过所述形状记忆材料板(7)释放其形状记忆效应而带动至少部分第二天线折叠面(6)沿着预定路经逐渐展开的方式呈第一工作姿态，所述第一工作姿态能够在所述第二天线折叠面(6)沿着预定路经进行下一级展开后弹性地转换为第二工作姿态，所述第一工作姿态与所述第二工作姿态能够分别与位于不同展开级别的所述第二天线折叠面(6)上的形状记忆材料板(7)活动连接以驱动所述形状记忆材料板(7)释放其形状记忆效应。
2.如权利要求1所述的充气天线，其特征在于，所述第一级展开组件(11)被配置为通过可控地调节经由至少一个第一开口进入所述第一级展开组件(11)内部的气流沿该内部的纵向延伸方向在该内部来回流动的方式，来解除所述第一级展开组件(11)在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外扩张/向内收缩，以此带动第一天线折叠面(5)沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位后借助于所述第一级展开组件(11)自动锁定而保持在当前展开位置。
3.如权利要求2所述的充气天线，其特征在于，
所述第二级展开组件(12)被配置为通过可控地调节经由至少一个第二开口进入所述第二级展开组件(12)内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的方式，来分级地驱动所述第二级展开组件(12)伸长直至与所述第二天线折叠面(6)抵接，以使得所述第二级展开组件(12)能够以通电升温的方式分级地释放位于所述第二天线折叠面(6)上的至少一个形状记忆材料板(7)的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面(6)沿着预定路经逐渐展开且展开到位后借助于所述形状记忆材料板(7)自动锁定而保持在当前展开位置。
4.如权利要求3所述的充气天线，其特征在于，
至少一个所述第一充气支撑环(1)与至少一个所述第二充气支撑环(2)以沿所述第一天线折叠面(5)的开放端面边缘延伸方向彼此间隔连续布置的方式分别连接至所述第一天线折叠面(5)的边缘处，所述充气环(3)被配置为以折叠压缩的状态嵌套在所述第一充气支撑环(1)与所述第二充气支撑环(2)内，并在以充气压力作为驱动力的驱动作用下解除所述第一充气支撑环(1)与所述第二充气支撑环(2)之间的锁定并驱使所述第一充气支撑环(1)与所述第二充气支撑环(2)相对彼此向外扩张/向内收缩。
5.如权利要求4所述的充气天线，其特征在于，
所述可折叠式肋板被配置为能够通过所述第二级展开组件(12)被分级地驱动伸长的方式使得所述第二级展开组件(12)与所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板(7)活动连接，从而所述形状记忆材料板(7)能够借助于所述第二级展开组件(12)上设置的可复位加热组件(8)的升温来驱使所述形状记忆材料板(7)释放其形状记忆效应，并能够通过所述第二级展开组件(12)被分级地驱动进一步伸长的方式使得所述第二级展开组件(12)与所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板(7)脱离连接，从而所述形状记忆材料板(7)能够借助于所述第二级展开组件(12)上设置的可复位加热组件(8)的升温来驱使所述形状记忆材料板(7)释放其形状记忆效应，并且所述第二天线折叠面(6)能够以所述形状记忆材料板(7)降温而固化的方式保持在当前展开位置。
6.一种空间可展开的充气天线的展开方法，包括前述权利要求1至5之一所述的空间可展开的充气天线，其特征在于，所述展开方法至少包括以下步骤：
以充气压力作为驱动力驱动所述第一级展开组件(11)向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件(11)扩张至第一级完全展开位置时，所述第二级展开组件(12)因受到对其施加的驱动力而以释放位于所述柔性天线折叠面上的形状记忆材料板(7)的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间展开。
7.如权利要求6所述的展开方法，其特征在于，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至少两部分天线折叠面，所述展开方法还包括以下步骤：
通过所述第一级展开组件(11)的张缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠第一天线折叠面(5)，通过可控地调节经由至少一个第一开口进入所述第一级展开组件(11)内部的气流沿该内部的纵向延伸方向在该内部来回流动的方式，来解除所述第一级展开组件(11)在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外扩张/向内收缩，以此带动第一天线折叠面(5)沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位后借助于所述第一级展开组件(11)自动锁定而保持在当前展开位置。
8.如权利要求7所述的展开方法，其特征在于，所述展开方法还包括以下步骤：
通过所述第二级展开组件(12)的伸缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠第二天线折叠面(6)，通过可控地调节经由至少一个第二开口进入所述第二级展开组件(12)内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的方式，来分级地驱动所述第二级展开组件(12)伸长直至与所述第二天线折叠面(6)抵接，以使得所述第二级展开组件(12)能够以通电升温的方式分级地释放位于第二天线折叠面(6)上的至少一个形状记忆材料板(7)的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面(6)沿着预定路经逐渐展开且展开到位后借助于所述形状记忆材料板(7)自动锁定而保持在当前展开位置。
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