CN110828965A - 一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，包括N个等腰梯形折展单元，N≥3，各等腰梯形折展单元结构完全相同，相邻折展单元通过共用的斜杆和上下转角铰链连接，组成正N边形环形桁架；梯形折展单元包括弦杆、四组曲柄杆件、两组扭簧驱动组件、两个斜杆、四组转角滑块组件、四个转角铰链和两组轮式转动机构。本发明设计带有锥度的环形桁架结构，其结构刚度高于同口径、同质量情况下的柱状环形桁架结构，可满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求。

Description

一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构

技术领域

本发明涉及一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，属于航天器材与设备技术领域。

背景技术

随着载人航天、对地观测、深空探测以及空间通信等事业的迅速发展，各类航天工程中需要的空间机构的尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求，但是受到航天运载工具有效空间容仓的限制，需要设计具有大折叠比的空间可展机构，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机构，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：为克服现有技术的不足，提出一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，解决现有的单层环形桁架机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、展开不同步、收纳比较低的问题。

本发明解决技术的方案是：

一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，包括N个等腰梯形折展单元，N≥3，各等腰梯形折展单元结构完全相同，相邻折展单元通过共用的斜杆和上下转角铰链连接，组成正N边形环形桁架；

梯形折展单元包括弦杆、四组曲柄杆件、两组扭簧驱动组件、两个斜杆、四组转角滑块组件、四个转角铰链和两组轮式转动机构；

弦杆包括两个上弦杆和两个下弦杆；

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；每组同步转动轮包括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°；在扭簧驱动组件处，每组同步转动轮中的转动轮中心与第一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；

弦杆的一端通过第一转动铰接头与转角铰链转动连接，弦杆的另一端通过第一转动铰接头与扭簧驱动组件转动连接，同时第一转动铰接头与轮式转动机构固定连接，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，斜杆的两端均与转角铰链转动连接，两个上弦杆及两个下弦杆均通过扭簧驱动组件转动连接；曲柄杆件的一端与弦杆转动连接，曲柄杆件的另一端与转角滑块组件转动连接；

梯形折展单元之间通过四个转角铰链转动连接，梯形折展单元展开后呈等腰梯形状，整个天线结构展开呈锥台形，收拢状态为圆柱形。

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，同一梯形折展单元中所有铰接处转动副轴线均平行。

进一步的，上弦杆长度大于下弦杆长度，一根上弦杆与一根下弦杆长度之和大于斜杆长度，梯形折展单元展开后，上弦杆与斜杆之间的夹角大于30°小于90°。

进一步的，转角铰链包括第二转动铰接头和第三转动铰接头，第二转动铰接头和第三转动铰接头相互转动连接，第二转动铰接头和第三转动铰接头分别与弦杆一端的第一转动铰接头转动连接，第二转动铰接头和第三转动铰接头相互转动轴处与斜杆的一端转动连接。

进一步的，第二转动铰接头和第三转动铰接头的转动夹角变化范围为60°-180°。

进一步的，转角滑块组件包括第一转角滑块和第二转角滑块，第一转角滑块和第二转角滑块相互转动连接，第一转角滑块和第二转角滑块分别与曲柄杆件的一端转动连接，斜杆穿过第一转角滑块和第二转角滑块的相互转动轴，转角滑块组件相对斜杆可转动及移动。

进一步的，第一转角滑块和第二转角滑块的转动夹角变化范围为60°-180°。

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)本发明设计带有锥度的环形桁架结构，其结构刚度高于同口径、同质量情况下的柱状环形桁架结构，可满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求；

(2)本发明收拢后体积小，重量轻，收拢后各展开单元杆件间可完全贴合，收纳比不低于5％；

(3)本发明中加入了转角滑块组件，保证各单元同步展开，不需要增加额外的驱动机构，减轻了整个机构的重量；

(4)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；

(5)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；

(6)本发明的同步转动轮结构尺寸小，重量轻，可满足折展机构轻质、高收纳比的要求，由同步转动轮与传动带组成，通过与相应转动铰固接实现两侧机构的同步展开运动，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是本发明的折展单元完全展开立体结构示意简图；

图5是本发明的折展单元半展开立体结构示意简图；

图6是本发明的折展单元完全收拢立体结构示意简图；

图7是本发明的折展单元中扭簧驱动组件及轮式转动杆机构立体结构示意简图；

图8是本发明的扭簧组件B中扭簧立体结构示意简图；

图9是本发明的转角铰链组件C立体结构示意简图；

图10是本发明的转角滑块组件D立体结构示意简图；

图11是本发明同步转动机构轴向同步转动示意简图；

图12是本发明一组同步转动轮立体结构示意简图；

图13是本发明两组轮式同步转动机构X状布置立体结构示意简图；

图14是本发明同步转动轮与转动带固定组件立体结构示意简图；

图15是本发明转动带立体结构示意简图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图4-6所示，一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，包括N个等腰梯形折展单元，N≥3，各等腰梯形折展单元结构完全相同，相邻折展单元通过共用的斜杆和上下转角铰链连接，组成正N边形环形桁架；

梯形折展单元A包括弦杆、四组曲柄杆件3、两组扭簧驱动组件B、两个斜杆2、四组转角滑块组件D、四个转角铰链C和两组轮式转动机构E；

弦杆包括两个上弦杆1和两个下弦杆4；

两组轮式转动机构E包括两组同步转动轮13、两条同步转动带14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15、一个带固定压紧片16。每组同步转动轮包括2个结构完全一样的转动轮13，每个转动轮13的转动角范围为0°-180°；在扭簧驱动组件B处，每组同步转动轮中的转动轮中心与第一转动铰接头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15将转动带14固定于两转动轮13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；

如图7所示，弦杆的一端通过第一转动铰接头5与转角铰链C转动连接，弦杆的另一端通过第一转动铰接头5与扭簧驱动组件B转动连接，同时第一转动铰接头5与轮式转动机构E固定连接，通过扭簧驱动组件B及转动带14共同作用，实现两侧转动铰接头5的同步转动，斜杆2的两端均与转角铰链C转动连接，两个上弦杆1及两个下弦杆4均通过扭簧驱动组件B转动连接；曲柄杆件3的一端与弦杆转动连接，曲柄杆件3的另一端与转角滑块组件D转动连接；

梯形折展单元A之间通过四个转角铰链C转动连接，梯形折展单元A展开后呈等腰梯形状，整个天线结构展开呈锥台形，收拢状态为圆柱形。

上弦杆1、下弦杆4、曲柄杆件3和斜杆2均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。

转角铰链C包括第二转动铰接头9和第三转动铰接头10，第二转动铰接头9和第三转动铰接头10相互转动连接，第二转动铰接头9和第三转动铰接头10分别与弦杆一端的第一转动铰接头5转动连接，第二转动铰接头9和第三转动铰接头10相互转动轴处与斜杆2的一端转动连接。

如图9、10所示，第二转动铰接头9和第三转动铰接头10的转动夹角变化范围为60°-180°；转角滑块组件D包括第一转角滑块11和第二转角滑块12，第一转角滑块11和第二转角滑块12相互转动连接，第一转角滑块11和第二转角滑块12分别与曲柄杆件3的一端转动连接，斜杆2穿过第一转角滑块11和第二转角滑块12的相互转动轴，转角滑块组件D相对斜杆2可转动及移动。第一转角滑块11和第二转角滑块12的转动夹角变化范围为60°-180°。

以正10边形锥式单层环形桁架可展开天线机构为具体实施实例(N＝10)。在图1、图2和图3所示的基于轮式同步转动机构的锥式环形桁架可展开天线结构的立体结构示意图中，包括10个等腰梯形折展单元A，各等腰梯形折展单元结构完全相同，相邻折展单元通过共用的上下两个转角铰链连接，组成正10边形环形桁架。整个基于轮式同步转动机构的锥式环形桁架可展开天线结构展开状态为正10边形锥形桁架结构，收拢状态为圆柱状。

展开后整体效果如图1所示。

如图7与图13，所述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；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°；在扭簧驱动组件处，每组同步转动轮中的转动轮中心与第一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。

如图4-图6，所述梯形折展单元，包括两个上弦杆、两个下弦杆、两组扭簧驱动组件、两个斜杆、四组转角滑块组件和四个转角铰链。所述扭簧驱动组件，包括一个扭簧组件支座、一个连体扭簧和两个销轴，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，每根销轴上各套有一根扭簧，扭簧的一端支撑在扭簧组件支座底板上，扭簧另一端支撑在弦杆一端的转动铰上。所述梯形折展单元，上弦杆长度大于下弦杆长度，一根上弦杆与一根下弦杆长度之和大于斜杆长度。单元展开后，上弦杆与斜杆之间的夹角小于90°大于30°。

所述梯形折展单元的四个转角铰链，其结构完全相同，转角铰链两侧各设转动铰孔与弦杆上的第一转动铰接头转动连接，转角铰链两侧转动铰接处中心面的夹角大于60°小于180°。同一折展单元中，所述四组转角滑块组件完全相同，每组转角滑块组件包括一个第一转角滑块、一个第二转角滑块，转角滑块安装于斜杆上，曲柄一端与转角滑块转动连接，另一端与弦杆转动连接。本实施例结构在收拢状态下包络体积约为0.06m³，展开状态下包络体积约为6m³，收纳比约为1％。

如图11-15所示，整套基于轮式同步转动机构的锥式环形桁架可展开天线结构展开前为完全收拢的圆柱状，展开过程中，扭簧驱动组件中的连体扭簧通过温控或电控方式发生形变，驱动两侧第一转动铰接头绕销轴转动，第一转动铰接头同时带动弦杆及轮式同步转动机构绕销轴转动，弦杆另一端转动连接于转角铰链，弦杆与曲柄杆件一端转动连接，曲柄杆件另一端与转角滑块转动连接，转角滑块在斜杆上移动，带动相邻折展单元的曲柄杆件转动，从而带动相邻折展单元展开或收拢，保证另一侧折展单元同步运动。与扭簧驱动组件转动连接的第一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。所有梯形展开单元展开到位后，整套扭簧驱动的锥式单层环形桁架可展开天线结构呈现锥台型桁架结构形式。

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)

1.一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，包括N个等腰梯形折展单元，N≥3，各等腰梯形折展单元结构完全相同，相邻折展单元通过共用的斜杆和上下转角铰链连接，组成正N边形环形桁架；

梯形折展单元(A)包括弦杆、曲柄杆件(3)、扭簧驱动组件(B)、斜杆(2)、转角滑块组件(D)、转角铰链(C)和轮式转动机构(E)；

弦杆包括上弦杆(1)和两个下弦杆(4)；

两组轮式转动机构(E)包括两组同步转动轮(13)、两条同步转动带(14)及四组转动带固定组件；每组同步转动轮包括两个结构完全一样的转动轮(13)；在扭簧驱动组件(B)处，每组同步转动轮中的转动轮中心与第一转动铰接头(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(15)将转动带(14)固定于两转动轮(13)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；

弦杆的一端通过第一转动铰接头(5)与转角铰链(C)转动连接，弦杆的另一端通过第一转动铰接头(5)与扭簧驱动组件(B)转动连接，同时第一转动铰接头(5)与轮式转动机构(E)固定连接，通过扭簧驱动组件(B)及转动带(14)共同作用，实现两侧转动铰接头(5)的同步转动，斜杆(2)的两端均与转角铰链(C)转动连接，上弦杆(1)及下弦杆(4)均通过扭簧驱动组件(B)转动连接；曲柄杆件(3)的一端与弦杆转动连接，曲柄杆件(3)的另一端与转角滑块组件(D)转动连接；

梯形折展单元(A)之间通过转角铰链(C)转动连接，梯形折展单元(A)展开后呈等腰梯形状，整个天线结构展开呈锥台形，收拢状态为圆柱形。

2.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，扭簧驱动组件(B)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所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，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所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，同一梯形折展单元(A)中所有铰接处转动副轴线均平行。

5.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，上弦杆(1)长度大于下弦杆(4)长度，一根上弦杆(1)与一根下弦杆(4)长度之和大于斜杆(2)长度，梯形折展单元(A)展开后，上弦杆(1)与斜杆(2)之间的夹角大于30°小于90°。

6.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，转角铰链(C)包括第二转动铰接头(9)和第三转动铰接头(10)，第二转动铰接头(9)和第三转动铰接头(10)相互转动连接，第二转动铰接头(9)和第三转动铰接头(10)分别与弦杆一端的第一转动铰接头(5)转动连接，第二转动铰接头(9)和第三转动铰接头(10)相互转动轴处与斜杆(2)的一端转动连接。

7.如权利要求6所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，第二转动铰接头(9)和第三转动铰接头(10)的转动夹角变化范围为60°-180°。

8.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，转角滑块组件(D)包括第一转角滑块(11)和第二转角滑块(12)，第一转角滑块(11)和第二转角滑块(12)相互转动连接，第一转角滑块(11)和第二转角滑块(12)分别与曲柄杆件(3)的一端转动连接，斜杆(2)穿过第一转角滑块(11)和第二转角滑块(12)的相互转动轴，转角滑块组件(D)相对斜杆(2)可转动及移动。

9.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，其特征在于，第一转角滑块(11)和第二转角滑块(12)的转动夹角变化范围为60°-180°。

10.如权利要求1所述的一种基于轮式同步转动机构锥式环形桁架可展开天线结构，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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