CN110350322A - 一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面 - Google Patents

Abstract

一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，涉及一种抛物面天线。多根支撑肋环绕固定在中心鼓侧壁上，支撑肋外端与反射面外侧表面边缘固接，复合型负刚度单胞包括曲梁结构及三个支撑结构，曲梁结构两侧对称设置有两个刚性块以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，每相对的两个复合型负刚度单胞的曲梁结构中间固定有弹簧，每八个复合型负刚度蜂窝结构组成支撑肋单体，多个支撑肋单体组成支撑肋，支撑肋可通过温度调控实现弯折与展开，支撑肋设定有多个节点与反射面粘接固定。具有形状记忆功能，能够实现多个稳态，通过温度调控实现折叠与展开，可靠性高。

Description

一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面

技术领域

本发明涉及一种抛物面天线，尤其是一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面。

背景技术

目前人类在卫星通讯、对地观测、全球定位、宇宙探索等前沿领域，对高精度天线的需求越来越迫切，与此同时，受限于运载装备的搭载空间，要求天线重量要轻并且收拢体积要小。具有高收纳比，同时又具备高可靠性和高精度的大型可展开天线是世界范围内航天领域的一项瓶颈技术。现有机械结构的卫星用天线其体积大、重量大、展开与折叠效率低,展开与折叠过程中因其驱动机构复杂从而导致可靠性低。

多稳态结构是近年来引起国内外广泛关注的一种新型轻质多功能结构，由于具备如负刚度效应、多稳态效应、可重复特性等特殊的性质或功能，使其在冲击吸能、形态转换超材料、可展开结构等方面具有较为广泛的应用前景。多稳态结构是一种具有较高的初始刚度和可恢复性的机械超结构，它利用梁屈曲模式的跳变来实现负刚度效应。多稳态结构具有多稳态特性，梁在屈曲过程中会发生不可逆变形，卸载后无法恢复到初始状态，这样就出现了一种类似的自锁现象，从而将一部分变形能储存在结构中。

形状记忆聚合物是一种具有在一定热、电、磁、光条件刺激下主动回复变形并保持形状的特点的高分子聚合物，增加碳纤维增强相后，其强度也会增大很多。

综上，如能够利用多稳态结构结合形状记忆聚合物对可展开天线进行优化改进，对解决目前天线存在的发射体积大、重量大、展开与折叠效率低、可靠性低的问题具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，包括中心鼓、反射面及多根支撑肋，所述反射面外形为抛物面状，所述中心鼓同心设置于反射面外侧，所述多根支撑肋沿径向等角度环绕固定在中心鼓侧壁上，多根支撑肋外端分别与反射面外侧表面边缘对应位置固接，支撑肋包括若干复合型负刚度单胞，所述复合型负刚度单胞包括曲梁结构及三个支撑结构，所述曲梁结构采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构采用尼龙，三个支撑结构分别与曲梁结构中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构位于同侧并与位于中间的支撑结构对向设置，曲梁结构两侧对称设置有两个刚性块以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，所述复合型负刚度蜂窝结构的四个复合型负刚度单胞两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞的曲梁结构中间固定有弹簧，每八个复合型负刚度蜂窝结构环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支撑肋单体，多个所述支撑肋单体沿轴向依次固定组成支撑肋，支撑肋可通过对曲梁结构进行温度调控实现弯折与展开，支撑肋沿其长度方向间隔设定有多个节点并通过粘结剂与反射面对应位置粘接固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的通过复合型负刚度单胞构成的支撑肋具有形状记忆功能，能够实现多个稳态，对采用含增强纤维的形状记忆聚合物的曲梁结构进行温度调控，能够实现反射面的智能折叠与展开，温度不变即可进行自锁，不需要辅助设施，在拐弯处不需要铰链连接，可以任意角度控制，对解决目前天线存在的发射体积大、重量大、展开与折叠效率低、可靠性低的问题具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的复合型负刚度单胞由展开状态至压缩状态的示意图；

图2是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在压缩状态的示意图；

图3是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在展开状态的示意图；

图4是本发明的支撑肋单体的轴测图；

图5是本发明的支撑肋进行弯折时的示意图；

图6是本发明的支撑肋弯折后的轴测图；

图7是本发明的支撑肋弯折后其弯曲外侧的轴测图；

图8是本发明的支撑肋弯折后其弯曲内侧的轴测图；

图9是本发明的由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面展开状态的轴测图；

图10是图9的主视图；

图11是图9的俯视图；

图12是本发明的由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面折叠状态的轴测图；

图13是图12的主视图；

图14是图12的俯视图；

图15是本发明的支撑肋弯折状态的示意图；

图16是本发明的支撑肋展开状态的示意图；

图17是本发明的支撑肋由弯折状态到展开状态的示意图；

图18是本发明的曲梁结构的两种变种结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图17所示，本发明公开了一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，包括中心鼓13、反射面12及多根支撑肋11，所述反射面12外形为抛物面状，所述中心鼓13同心设置于反射面12外侧，所述多根支撑肋11沿径向等角度环绕固定在中心鼓13侧壁上，多根支撑肋11外端分别与反射面12外侧表面边缘对应位置固接，支撑肋11包括若干复合型负刚度单胞1，所述复合型负刚度单胞1包括曲梁结构1-1及三个支撑结构1-2，所述曲梁结构1-1采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构1-2采用尼龙，三个支撑结构1-2分别与曲梁结构1-1中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构1-2位于同侧并与位于中间的支撑结构1-2对向设置，曲梁结构1-1两侧对称设置有两个刚性块1-3以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞1组合固定成复合型负刚度蜂窝结构2，所述复合型负刚度蜂窝结构2的四个复合型负刚度单胞1两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞1的曲梁结构1-1中间固定有弹簧2-1，每八个复合型负刚度蜂窝结构2环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支撑肋单体3，多个所述支撑肋单体3沿轴向依次固定组成支撑肋11，支撑肋11可通过对曲梁结构1-1进行温度调控实现弯折与展开，支撑肋11沿其长度方向间隔设定有多个节点并通过粘结剂与反射面12对应位置粘接固定。

具体实施方式二：如图1、5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述若干复合型负刚度单胞1处于展开状态并在高于所述曲梁结构1-1的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述支撑肋11，当对支撑肋11弯曲外侧的曲梁结构1-1升温时长大于弯曲内侧的曲梁结构1-1升温时长，弯曲外侧的曲梁结构1-1展开大于弯曲内侧的曲梁结构1-1使支撑肋11向弯曲内侧产生弯折。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而调控曲梁结构1-1的温度。

具体实施方式四：如图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述复合型负刚度蜂窝结构2之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构2接口处设置为坡面。

具体实施方式五：如图1、18所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一1-11和曲梁变种结构二1-12，所述曲梁变种结构一1-11的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二1-12的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。

参照图1所示，在曲梁结构1-1上增加刚性块1-3以增大曲梁结构1-1该处的横截面尺寸，如果在不同的部位增加更多的刚性块1-3，或改变不同部位曲梁结构1-1的横截面积，参照图18所示，对曲梁结构1-1进行变种，如中间窄两端宽的曲梁变种结构一1-11和中间宽两端窄的曲梁变种结构二1-12，在横截面尺寸相对较小的位置则容易发生屈曲，可以实现多稳态功能，有利于结构稳定在弯曲时的构型，参照图2～3所示，复合型负刚度蜂窝结构2增加弹簧2-1使得其在压缩和展开的时候，在弹簧2-1内部存储有预应力，更易复合型负刚度蜂窝结构2的压缩和展开。

参照图1～5所示，将由尼龙制成的支撑结构1-2和由含增强纤维的形状记忆聚合物制成的曲梁结构1-1固定组合成支撑肋11，其中，曲梁结构1-1可采用环氧树脂形状记忆聚合物并在表面设置纤维进行增强，在初始展开状态下放入温度箱中在90℃条件下进行高温固化2小时，在120℃条件下再进行高温固化1小时，然后，取出支撑肋11对曲梁结构1-1粘贴电加热片，将贴有电加热片的支撑肋11放入100～120℃的温度箱，具体温度根据曲梁结构1-1材料的玻璃化转变温度Tg来确定，一般比Tg高0～20℃，在温度箱中放置10分钟，材料达到Tg变软后从温度箱取出，通过压缩机器或外力对支撑肋11进行压缩，材料恢复常温并保持形状不动，参照图9～14所示，将支撑肋11一端与中心鼓13焊接固定，中心鼓13选用铝合金材料且内部设计为中空结构以减轻重量，当支撑肋11与中心鼓13进行焊接连接时，支撑肋11另一端及沿其长度方向设定的多个节点与反射面12外侧表面通过黏合剂粘接固定，节点间距可选择10cm并与电加热片错位设置，节点之间的间隔可在天线折叠后收纳反射面12，随着支撑肋11收缩和弯曲的过程中，反射面12的径向和环向均采用“Z”字形折叠，反射面12采用弹力反射面网，如金属网，用于收发电信号功能，在面内性能、弯曲刚度等方面具有优势，参照图15～17所示，电加热片均通过电线与温度控制器电性连接，电线布置在支撑肋11的内部，通电后通过温度控制器对电加热片进行温度调控，电加热片对曲梁结构1-1加热，提前计算出每个复合型负刚度单胞1应该达到的稳态(弯曲程度)，通过温度控制，让每个位置的复合型负刚度单胞1达到相应的稳态，曲梁结构1-1将逐渐回复到展开的状态实现对反射面12的展开，如若想让其停止在某一状态，在达到该状态时停止升温并保持温度即可进行自锁，参照图5、12、15所示，而若需要支撑肋11进行弯折，则只需控制相同环向位置的电加热片加热时弯曲外侧升温时长较大，使得越往弯曲内侧的曲梁结构1-1展开越小，越处于压缩状态，弯曲内侧的压缩较大，弯曲外侧的压缩较小，中间部位处于二者的中间稳定状态进行过渡，支撑肋11向反射面12内侧方向进行弯折即可实现对反射面12的折叠。

中心鼓13用于精确定位支撑肋11以及辅助反射面12的折叠和展开，是保证天线面型精度的关键基准部件，中心鼓13位于反射面12的中心，支撑肋11的一端与中心鼓13相连，另一端与反射面12相连，用于精确定位整个反射面12，中心鼓13是天线折叠的中心部件，起到精确定位支撑肋11并维持反射面12构型的作用，支撑肋11是维持反射面12构型的关键支撑部件，整体结构横截面为正八边形，具有面内抗拉性能和面外抗弯性能高、易于弯折和展开及耐空间环境等性能，支撑肋11的外端直接与反射面12相连接，支撑肋11的数量及外端构型精度直接决定着反射面12的最终成型精度，且支撑肋11数量与反射面12的收拢体积直接相关，支撑肋11采用复合型负刚度单胞1组成，设计并计算支撑肋11在不同位置的弯曲程度，在通电情况下通过温度控制，可以让支撑肋11在每一个位置与计算的弯曲度相符。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，包括中心鼓(13)、反射面(12)及多根支撑肋(11)，所述反射面(12)外形为抛物面状，所述中心鼓(13)同心设置于反射面(12)外侧，所述多根支撑肋(11)沿径向等角度环绕固定在中心鼓(13)侧壁上，多根支撑肋(11)外端分别与反射面(12)外侧表面边缘对应位置固接，其特征在于：支撑肋(11)包括若干复合型负刚度单胞(1)，所述复合型负刚度单胞(1)包括曲梁结构(1-1)及三个支撑结构(1-2)，所述曲梁结构(1-1)采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构(1-2)采用尼龙，三个支撑结构(1-2)分别与曲梁结构(1-1)中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构(1-2)位于同侧并与位于中间的支撑结构(1-2)对向设置，曲梁结构(1-1)两侧对称设置有两个刚性块(1-3)以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞(1)组合固定成复合型负刚度蜂窝结构(2)，所述复合型负刚度蜂窝结构(2)的四个复合型负刚度单胞(1)两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞(1)的曲梁结构(1-1)中间固定有弹簧(2-1)，每八个复合型负刚度蜂窝结构(2)环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支撑肋单体(3)，多个所述支撑肋单体(3)沿轴向依次固定组成支撑肋(11)，支撑肋(11)可通过对曲梁结构(1-1)进行温度调控实现弯折与展开，支撑肋(11)沿其长度方向间隔设定有多个节点并通过粘结剂与反射面(12)对应位置粘接固定。

2.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，其特征在于：所述若干复合型负刚度单胞(1)处于展开状态并在高于所述曲梁结构(1-1)的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述支撑肋(11)，当对支撑肋(11)弯曲外侧的曲梁结构(1-1)升温时长大于弯曲内侧的曲梁结构(1-1)升温时长，弯曲外侧的曲梁结构(1-1)展开大于弯曲内侧的曲梁结构(1-1)使支撑肋(11)向弯曲内侧产生弯折。

3.根据权利要求2所述的一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而调控曲梁结构(1-1)的温度。

4.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，其特征在于：所述复合型负刚度蜂窝结构(2)之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构(2)接口处设置为坡面。

5.根据权利要求1所述的一种由多稳态曲梁径向支撑的智能展开式天线反射面，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一(1-11)和曲梁变种结构二(1-12)，所述曲梁变种结构一(1-11)的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二(1-12)的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。