CN110828964B - 一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构 - Google Patents

一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，包括12个直角三角形单元，N个矩形可折展单元，N≥6且N为6的倍数，相邻直角三角形单元通过共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接，相邻矩形折展单元通过共用的竖杆和上下两个180度双侧铰链连接，两个三角形单元与N/6个矩形单元组成桁架天线结构等腰梯形状的一条边，六条边通过相邻三角形单元共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接组成正六边形锥式可展开桁架天线结构；本发明收拢后体积小，重量轻，收拢后矩形折展单元中杆件可完全贴合，收纳比不低于5％，可满足空间大口径可展开天线结构高收纳比要求。

Description

一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构
技术领域
本发明涉及一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，属于航天器材与设备技术领域。
背景技术
随着深空探测以及空间太阳能电站的构建等技术的迅速发展，为满足不同航天任务的需求，各类航天领域中需要的空间机构的尺寸越来越大。但是受到航天运载火箭有效空间存储仓的限制，需要设计具有大折叠比的空间可展开机构，使其在发射和运输阶段处于折叠状态并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后再展开至工作状态。
可展开天线的出现与兴起使得人类对太空有了更深的认识。空间环形桁架可展开天线作为一种新型结构形式，具有大口径、轻质量、高收纳率，几何稳定性高等优点，在对可展开天线的研究中得到了广泛的关注，在移动通讯、电子侦察等领域均有涉及。现有的星载可展天线多采用铰接桁架式可展机构，可展开环形桁架结构是应用较为广泛的一种，但是现有的环形桁架结构类型单一，多为柱状，并且存在刚度较低、驱动复杂、展开过程缓慢和驱动电机质量较重的问题。因此，亟需提出制造工艺性好、收纳比高、展开过程迅速、驱动件质量较低等性能优良的环形桁架可展开天线结构，以满足不同航天任务的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为解决现有的单层环形桁架天线结构随天线口径的增大而刚度下降，无法达到使用刚度要求，及现有的环形桁架天线存在着驱动机构复杂、机构重量大、展开可靠性较低、收纳比较低的问题，提出一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构。
本发明解决技术的方案是：
一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，包括12个直角三角形单元，N个矩形可折展单元，N≥6且N为6的倍数，各三角形单元结构完全相同，各矩形折展单元结构完全相同，相邻直角三角形单元通过共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接，相邻矩形折展单元通过共用的竖杆和上下两个180度双侧铰链连接，两个三角形单元与N/6个矩形单元组成桁架天线结构等腰梯形状的一条边，六条边通过相邻三角形单元共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接组成正六边形锥式可展开桁架天线结构；
直角三角形单元包括弦杆、斜杆、竖杆、180度双侧铰链、120度上双侧铰链、120度下双侧铰链；
矩形折展单元包括竖杆、弦杆、180度双侧铰链和扭簧驱动组件，
矩形折展单元中，弦杆的一端通过转动铰接头与180度双侧铰链转动连接，弦杆的另一端通过转动铰接头与扭簧驱动组件转动连接，竖杆的两端均与180度双侧铰链固定连接，弦杆间通过扭簧驱动组件转动连接；
直角三角形单元中，弦杆的一端通过转动铰接头与180度双侧铰链固定连接，弦杆的另一端通过转动铰接头与120度上双侧铰链固定连接，斜杆的一端与120度上双侧铰链固定连接，斜杆的另一端与120度下双侧铰链固定连接，竖杆的一端与180度双侧铰链固定连接，竖杆的另一端与120度下双侧铰链固定连接；
直角三角形单元与矩形折展单元通过共用的竖杆、180度双侧铰链及120度下双侧铰链固定连接；整个天线结构展开及收拢均呈锥台形。
进一步的，扭簧驱动组件包括扭簧组件支座、连体扭簧和销轴，扭簧组件支座上设有两对同轴线的通孔，每对通孔内各设一对销轴，每根销轴上各套有连体扭簧的一半，连体扭簧的两端支撑在第一转动铰接头上。
进一步的，连体扭簧材料为形状记忆合金，通过温控或电控方式，控制连体扭簧形变，带动第一转动铰接头在90°范围内转动。
进一步的，直角三角形单元中，弦杆所在直角边的长度小于斜杆所在斜边长度的1/2。
进一步的，所述矩形折展单元中，弦杆长度小于竖杆长度的1/2，同一折展单元中所有铰接处转动副轴线均平行。
进一步的，矩形折展单元展开状态为矩形，折叠状态为弦杆间相互贴合的矩形状态。
进一步的，天线结构的收纳比不低于5％。
进一步的，若N≥12，则两个矩形折展单元之间通过轮式转动机构实现同步展开。
进一步的，轮式转动机构包括两组同步转动轮、两条同步转动带及四组转动带固定组件；每组转动带固定组件包括带固定螺钉、带固定压紧片；每组同步转动轮包括两个结构完全一样的转动轮，每个转动轮的转动角范围为0°-180°；在相邻矩形折展单元共用的180度双侧铰链处，每组同步转动轮中的转动轮中心与转动铰接头的转动中心固定连接，根据转动角需求，通过转动带固定组件将转动带固定于两转动轮上，两组同步转动轮中的转动带从同步轮轴向看呈X状布置；通过扭簧驱动组件及转动带共同作用，实现两侧转动铰接头的同步转动。
进一步的，弦杆所在平面搭载与其平面形状相适应的单向透光薄膜或索网式天线网面，用于组网成大型空间曲面可展开天线结构。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明收拢后体积小，重量轻，收拢后矩形折展单元中杆件可完全贴合，收纳比不低于5％，可满足空间大口径可展开天线结构高收纳比要求；
(2)本发明整体结构刚度不低于同口径、同质量柱状环形桁架，刚度较高，可满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求，同时，相比于同口径柱状环形桁架结构有较轻的质量，可满足空间大口径可展开天线结构轻质要求；
(3)本发明采用了模块化设计思想，模块数量可以根据天线口径的需求而扩展，模块扩展性强，可实现模块化生产，降低制造成本和难度；
(4)本发明通过温控或电控方式控制扭簧驱动组件中形状记忆合金制备的连体扭簧驱动机构展开，展开过程迅速，实施方式简单、工作稳定可靠。
附图说明
图1是本发明完全展开立体结构示意简图；
图2是本发明半展开立体结构示意简图；
图3是本发明完全收拢立体结构示意简图；
图4是本发明的矩形折展单元完全展开立体结构示意简图；
图5是本发明的矩形折展单元半展开立体结构示意简图；
图6是本发明的矩形折展单元完全收拢立体结构示意简图；
图7是本发明的矩形折展单元弦杆立体结构示意简图；
图8是本发明的矩形折展单元中扭簧驱动组件立体结构示意简图；
图9是本发明的扭簧组件C中连体扭簧立体结构示意简图；
图10是本发明的直角三角形单元立体结构示意图；
图11是本发明的180度双侧铰链立体结构示意简图；
图12是本发明的120度上双侧铰链立体结构示意简图；
图13是本发明的120度下双侧铰链立体结构示意简图；
图14是本发明的两组轮式转动机构立体结构示意简图；
图15是本发明的一组轮式转动机构立体结构示意简图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，包括12个直角三角形单元，N个矩形可折展单元，N≥6且N为6的倍数，各三角形单元结构完全相同，各矩形折展单元结构完全相同，相邻直角三角形单元通过共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接，相邻矩形折展单元通过共用的竖杆和上下两个180度双侧铰链连接，两个三角形单元与N/6个矩形单元组成桁架天线结构等腰梯形状的一条边，六条边通过相邻三角形单元共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接组成正六边形锥式可展开桁架天线结构；
直角三角形单元B包括弦杆3、斜杆11、竖杆2、180度双侧铰链1、120度上双侧铰链9、120度下双侧铰链10；
矩形折展单元A包括两个长度相等的竖杆2、四个长度相等的弦杆3、四个结构相同的180度双侧铰链1和两组扭簧驱动组件C，
如图7，矩形折展单元A中，弦杆3的一端通过转动铰接头5与180度双侧铰链1转动连接，弦杆3的另一端通过转动铰接头5与扭簧驱动组件C转动连接，竖杆2的两端均与180度双侧铰链1固定连接，弦杆3间通过扭簧驱动组件C转动连接；
如图10-13所示，直角三角形单元B中，弦杆3的一端通过转动铰接头5与180度双侧铰链1固定连接，弦杆3的另一端通过转动铰接头5与120度上双侧铰链9固定连接，斜杆11的一端与120度上双侧铰链9固定连接，斜杆11的另一端与120度下双侧铰链10固定连接，竖杆2的一端与180度双侧铰链1固定连接，竖杆2的另一端与120度下双侧铰链10固定连接；
直角三角形单元B与矩形折展单元A通过共用的竖杆2、180度双侧铰链1及120度下双侧铰链10固定连接；整个天线结构展开及收拢均呈锥台形。
实施例
以12个直角三角形单元与18个矩形折展单元(N＝18)装配的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构为具体实施实例。在图1、图2和图3所示的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构的立体结构示意图中，包括12个直角三角形单元，18个矩形折展单元，各三角形单元结构完全相同，各矩形折展单元结构完全相同。相邻直角三角形单元通过共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接，相邻矩形折展单元通过共用的竖杆和上下两个180度双侧铰链连接，两个三角形单元与3个矩形单元组成六边形锥式可展开桁架机构等腰梯形状的一条边，六条边通过相邻三角形单元共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接组成正六边形锥式可展开桁架结构。
图10中，所述直角三角形单元，包括一个弦杆、一个斜杆、一个竖杆、一个180度双侧铰链、一个120度上双侧铰链、一个120度下双侧铰链，弦杆所在直角边的长度小于斜杆所在斜边长度的二分之一。在图4、图5、图6中，所述矩形折展单元，包括两个竖杆、四个弦杆、四个180度双侧铰链、两组扭簧驱动组件，其中每个弦杆长度相等，小于竖杆长度的二分之一，同一折展单元中所有铰接处转动副轴线均平行。
在图8-9中，所述扭簧驱动组件，包括一个连体扭簧、一个扭簧驱动组件支座、两个销轴，扭簧组件支座相对的两块板上设有两对同轴线的通孔，每对通孔内各设一对销轴，每根销轴上各套有连体扭簧的一半，连体扭簧的两端支撑在扭簧组件支座底板上。相邻矩形折展单元间通过轮式转动机构及扭簧组件共同作用实现折展单元同步展开与收拢。在图14中，两组轮式转动机构包括两组同步转动轮、两条同步转动带及四组转动带固定组件；
在图15中，轮式转动机构(D)包括两组同步转动轮、两条同步转动带(13)及四组转动带固定组件；每组转动带固定组件包括一个带固定螺钉、一个带固定压紧片；每组同步转动轮包括2个结构完全一样的转动轮，每个转动轮的转动角范围为0°-180°；在相邻矩形折展单元共用的180度双侧铰链处，每组同步转动轮中的转动轮中心与转动铰接头的转动中心固定连接，根据转动角需求，通过转动带固定组件将转动带固定于两转动轮上，两组同步转动轮中的转动带从同步轮轴向看呈X状布置；通过扭簧驱动组件及转动带共同作用，实现两侧转动铰接头的同步转动。本实施例收纳比为3％。
整套扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构展开前的收拢状态为锥台状，展开过程中，通过通过温控或电控方式控制矩形折展单元中扭簧驱动组件的连体扭簧快速形变，带动转动铰接头在90°范围内转动，从而带动弦杆绕销轴转动，弦杆另一端转动铰接于180度双侧铰链。与扭簧驱动组件转动连接的转动铰接头转动到位后，扭簧组件通过连体扭簧限制其位置，实现自锁。所有矩形折展单元展开到位后，整套扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构呈现状态为上下呈正六边形的锥台式可展开桁架结构。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，包括12个直角三角形单元，N个矩形可折展单元，N≥6且N为6的倍数，各三角形单元结构完全相同，各矩形折展单元结构完全相同，相邻直角三角形单元通过共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接，相邻矩形折展单元通过共用的竖杆和上下两个180度双侧铰链连接，两个三角形单元与N/6个矩形单元组成桁架天线结构正六边形的一条边，六条边通过相邻三角形单元共用的斜杆和上下两个120度双侧铰链连接组成正六边形锥式可展开桁架天线结构；
直角三角形单元(B)包括弦杆(3)、斜杆(11)、竖杆(2)、180度双侧铰链(1)、120度上双侧铰链(9)、120度下双侧铰链(10)；
矩形折展单元(A)包括竖杆(2)、弦杆(3)、180度双侧铰链(1)和扭簧驱动组件(C)，
矩形折展单元(A)中，弦杆(3)的一端通过转动铰接头(5)与180度双侧铰链(1)转动连接，弦杆(3)的另一端通过转动铰接头(5)与扭簧驱动组件(C)转动连接，竖杆(2)的两端均与180度双侧铰链(1)固定连接，弦杆(3)间通过扭簧驱动组件(C)转动连接；
直角三角形单元(B)中，弦杆(3)的一端通过转动铰接头(5)与180度双侧铰链(1)固定连接，弦杆(3)的另一端通过转动铰接头(5)与120度上双侧铰链(9)固定连接，斜杆(11)的一端与120度上双侧铰链(9)固定连接，斜杆(11)的另一端与120度下双侧铰链(10)固定连接，竖杆(2)的一端与180度双侧铰链(1)固定连接，竖杆(2)的另一端与120度下双侧铰链(10)固定连接；
直角三角形单元(B)与矩形折展单元(A)通过共用的竖杆(2)、180度双侧铰链(1)及120度下双侧铰链(10)固定连接；整个天线结构展开及收拢均呈锥台形。
2.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，扭簧驱动组件(C)包括扭簧组件支座(8)、连体扭簧(6)和销轴(7)，扭簧组件支座(8)上设有两对同轴线的通孔，每对通孔内各设一对销轴，每根销轴上各套有连体扭簧(6)的一半，连体扭簧(6)的两端支撑在第一转动铰接头(5)上。
3.如权利要求2所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，连体扭簧(6)材料为形状记忆合金，通过温控或电控方式，控制连体扭簧(6)形变，带动第一转动铰接头(5)在90°范围内转动。
4.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，直角三角形单元中，弦杆所在直角边的长度小于斜杆所在斜边长度的1/2。
5.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，所述矩形折展单元中，弦杆长度小于竖杆长度的1/2，同一折展单元中所有铰接处转动副轴线均平行。
6.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，矩形折展单元展开状态为矩形，折叠状态为弦杆间相互贴合的矩形状态。
7.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，天线结构的收纳比不低于5％。
8.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，若N≥12，则两个矩形折展单元(A)之间通过轮式转动机构(D)实现同步展开。
9.如权利要求8所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，轮式转动机构(D)包括两组同步转动轮、两条同步转动带(13)及四组转动带固定组件；每组转动带固定组件包括带固定螺钉(14)、带固定压紧片(15)；每组同步转动轮包括两个结构完全一样的转动轮(12)，每个转动轮(12)的转动角范围为0°-180°；在相邻矩形折展单元共用的180度双侧铰链(1)处，每组同步转动轮中的转动轮中心与转动铰接头(5)的转动中心固定连接，根据转动角需求，通过转动带固定组件将转动带(13)固定于两转动轮(12)上，两组同步转动轮中的转动带从同步轮轴向看呈X状布置；通过扭簧驱动组件(C)及转动带(13)共同作用，实现两侧转动铰接头(5)的同步转动。
10.如权利要求1所述的一种扭簧驱动的单层正六边形锥式可展开桁架天线结构，其特征在于，弦杆所在平面搭载与其平面形状相适应的单向透光薄膜或索网式天线网面，用于组网成大型空间曲面可展开天线结构。
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