CN111092288A

CN111092288A - 一种单自由度抛物柱面可展固面天线

Info

Publication number: CN111092288A
Application number: CN202010020509.8A
Authority: CN
Inventors: 李君兰; 李英杰; 王成; 张朝; 马小康; 许笑堃; 付朋飞; 万书麟
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN111092288B

Abstract

本发明公开一种单自由度抛物柱面可展固面天线，为单自由度折展阵列，由二十个预处理过的板体通过十六个弹簧驱动铰链连接在一起，形成五个折展单元：通过折展单元间共同转动折痕以及板体，实现五个折展单元的交替排布构建形成。本发明该单自由度抛物柱面可展固面天线具有结构简单，折展比大，展开稳定，型面精度高等优点。

Description

一种单自由度抛物柱面可展固面天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种单自由度抛物柱面可展固面天线。

背景技术

空间可展结构是20世纪60年代后期，随着航天领域的飞速发展诞生的一种具有可展开特性的大型航天结构，在发射过程中处于折叠收拢状态，固定安装在运载火箭内部，保持体积最小发射到太空中。进入轨道后，由地面指挥中心控制结构依据设计要求逐渐展开，形成一个大型空间结构，锁定后保持工作运行状态。抛物型面可展固面天线是空间可展结构在航天工程中的一个应用，是卫星结构的重要组成部分，是直接执行卫星功能的重要物理平台，在移动通信、射电天文、对地观测和军事侦察等领域都得到了广泛应用。

目前，抛物型面可展固面天线虽然有很多种，然而传统类型的可展结构还需要进一步优化，特别是需要提出更大折展比与较高型面精度的可展固面天线，以在未工作时间将折展阵列折叠收拢起来，以进一步减少运输过程中的存放空间，工作时再展开该可展阵列达到预期的工作型面，实现相应的空间天线工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有可展固面天线折展比小、无法自主展开以及展开型面精度较低的问题，而提供一种单自由度抛物柱面可展固面天线，采用弹簧驱动铰链进行展开驱动，结构简单容易实现，使得展开过程可靠性得到显著提升。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种单自由度抛物柱面可展固面天线，为单自由度折展阵列，包括二十个板体，所述板体通过十六个弹簧驱动铰链连接在一起并形成五个折展单元：单元I，单元II、单元III、单元IV、单元V，每个单元包括四个弹簧驱动铰链；单元I和单元II之间共用一条转动折痕、单元I内一板(2-3)和单元I内二板(2-4)，单元II的运动输入由单元I的运动输出定义；单元V和单元I共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元I中心二板(2-5)，同时和单元II共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元II内二板(2-10)，由单元I和II共同定义运动输入；单元III和单元V共用一条转动折痕、单元III中心一板(2-12)和单元III内一板(2-13)，其运动输入由单元V的运动输出定义；单元IV和单元V共用一条转动折痕、单元III内一板(2-13)和单元IV内一板(2-17)，其运动输入由单元V的运动输出定义。

其中，所述弹簧驱动铰链包括有合页铰链(1-1)、驱动弹簧(1-2)、连接销轴(1-3)和固定螺栓(1-4)，所述合页铰链(1-1)安装在折痕处充当运动转动副，连接板体以实现折展运动，所述驱动弹簧(1-2)安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴(1-3)安装在合页铰链(1-1)上，由弹簧自身展开弹性提供展开过程所需驱动力，所述合页铰链(1-1)在安装了驱动弹簧(1-2)和连接销轴(1-3)之后通过固定螺栓(1-4)安装在折展阵列的厚板单元折痕连接处，充当转动运动副。

其中，所述板体进行材料去除表面处理，使折展阵列在所述弹簧驱动铰链的驱动弹簧(1-2)弹力作用下展开到工作型面位置时，能够满足目标工作型面抛物线型面方程F(x)；所述板体折痕位置进行材料增添处理，使得折展阵列展开到预期的工作位置后板体结构在折痕位置产生干涉碰撞而自锁，在弹簧弹力和板体板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置。

本发明利用厚板剪纸折叠方式设计由十二块板构成的可展阵列，具有单个自由度、较大的折展比和较高的型面精度，同时使用弹簧驱动铰链作为展开驱动，利用板面之间的干涉实现展开后的自我锁定，结构简单使用方便。

另外，本发明使用合页铰链加装驱动弹簧的方式，通过弹簧自身驱动力即可实现阵列自主展开，结构简单，易于实现。

本发明所述的单自由度抛物柱面可展固面天线具有结构简单，折展比大，自主展开，工作型面精度高的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的折展阵列结构示意图。

图3是本发明折展阵列及弹簧驱动铰链示意图。

图4是本发明厚板剪纸基本折展单元角度参数示意图。

图5是本发明的折展阵列折叠过程水平方向示意图。

图6是本发明的折展阵列折叠过程竖直方向示意图。

图7是本发明的折展阵列与目标型面示意图。

附图标记：

1-弹簧驱动铰链 2-单自由度折展阵列

1-1合页铰链 1-2驱动弹簧 1-3连接销轴 1-4固定螺栓

2-1单元I外一板 2-2单元I中心一板 2-3单元I内一板 2-4单元I内二板 2-5单元I中心二板 2-6单元I外二板 2-7单元II内一板 2-8单元II外一板 2-9单元II外二板 2-10单元II内二板 2-11单元III外一板 2-12单元III中心一板 2-13单元III内一板 2-14单元III内二板 2-15单元III中心二板 2-16单元III外二板 2-7单元IV内一板 2-8单元IV外一板 2-9单元IV外二板 2-10单元IV内二板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明单自由度抛物柱面可展固面天线，包括弹簧驱动铰链和单自由度折展阵列，弹簧驱动铰链(1)安装在单自由度折展阵列(2)的连接折痕位置，利用弹簧驱动力驱动折展阵列实现展开运动。

如图2所示，所述折展阵列基于厚板剪纸折叠方式构建的折展阵列由5个基本折展单元I，II，III，IV，V交替排布构建而成，其中相邻的单元之间会共用部分折痕和板面。

如图3所示，详细描述了折展阵列的构成，基本折展单元I由单元I外一板(2-1)、单元I中心一板(2-2)、单元I内一板(2-3)、单元I内二板(2-4)、单元I中心二板(2-5)和单元I外二板(2-6)构成。

基本折展单元II由单元I内一板(2-3)、单元I内二板(2-4)、单元II内一板(2-7)、单元II外一板(2-8)、单元II外二板(2-9)和单元II内二板(2-10)构成。

基本折展单元III由单元III外一板(2-11)、单元III中心一板(2-12)、单元III内一板(2-13)、单元III内二板(2-14)、单元III中心二板(2-15)和单元III外二板(2-16)构成。

基本折展单元IV由单元III内一板(2-13)、单元III内二板(2-14)、单元IV内一板(2-17)、单元IV外一板(2-18)、单元IV外二板(2-19)和单元IV内二板(2-20)构成。

基本折展单元V由单元I外二板(2-6)、单元I内二板(2-4)、单元II内二板(2-10)、单元IV内一板(2-17)、单元III内一板(2-13)和单元III中心一板(2-12)构成。

如图4所示，该折展阵列中的每个折展单元需要满足厚板剪纸的相关约束条件，才能实现厚板条件下的折叠，该折展单元为两个单顶点四折痕共用一条折痕所构成，相应角度关系满足：α₁+α₃＝π，α₂+α₄＝π，α₅+α₇＝π，α₆+α₈＝π；为了构建能够形成抛物柱面型面的折展阵列，需要该折展单元能够实现交替排布布置，因此角度关系还满足：α₁＝α₄＝α₆＝α₇，α₂＝α₃＝α₅＝α₈，α₁+α₂＝π。

为了减小折叠过程中驱动力，实现较大折叠率，并保证折叠过程更加可靠，本发明优选各个α角度小于180度，并且各个α角接近45度，该方案可通过设计各个厚板单元的厚度实现折展阵列的折叠运动。

所述折展单元具有单个自由度，所述折展阵列由5个折展单元构成，所述折展单元I和折展单元II之间共用一条转动折痕、单元I内一板(2-3)和单元I内二板(2-4)，因此折展单元II的运动输入由折展单元I的运动输出所定义。

所述折展单元V和折展单元I共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元I中心二板(2-5)，同时和折展单元II共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元II内二板(2-10)，由折展单元I和II共同定义运动输入。

所述折展单元III和折展单元V共用一条转动折痕、单元III中心一板(2-12)和单元III内一板(2-13)，其运动输入可以由折展单元V的运动输出所定义。

所述折展单元IV和折展单元V共用一条转动折痕、单元III内一板(2-13)和单元IV内一板(2-17)，其运动输入可以由折展单元V的运动输出所定义，可以依据此构建具有单自由度的折展阵列，对阵列上表面进行材料去除处理，对折痕位置板面进行材料增添处理，以实现预期的高精度型面工作表面，阵列结构简单可扩展，具有大折展比的优点。

本实施例中，所述弹簧驱动铰链(1)由合页铰链(1-1)、驱动弹簧(1-2)、连接销轴(1-3)和固定螺栓(1-4)组成，如图3所示；所述合页铰链(1-1)安装在折痕处充当运动转动副，连接厚板单元以实现折展运动，所述驱动弹簧(1-2)安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴(1-3)安装在合页铰链(1-1)上，由弹簧自身展开弹性提供展开过程所需驱动力，所述合页铰链(1-1)在安装了驱动弹簧(1-2)和连接销轴(1-3)之后通过固定螺栓(1-4)安装在折展阵列的厚板单元折痕连接处，充当转动运动副；所述折展阵列(2)具有单个自由度，仅需要一个驱动力即可实现阵列的折叠运动，所述弹簧驱动铰链(1)能够为折展阵列关键驱动位置提供驱动力，其余位置提供辅助展开力，帮助折展阵列实现折叠运动。

本发明的具体工作过程如下：

将该可展固面天线工作面向上放置在水平面上，对收拢状态下的可展固面天线人为去除约束，使得合页铰链(1-1)在驱动弹簧(1-2)自身的弹力作用下驱动可展固面天线实现展开运动，如图5和图6所示，展开到预期的工作位置后厚板结构在折痕位置产生干涉碰撞而自锁，在弹簧弹力和厚板板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置如图7中F(x)为目标工作型面抛物线型面方程，所述目标型面方程可以由阵列偏转角度k和厚度b共同定义，实现预期工作型面位置。

本实施例中，对阵列厚板单元进行上表面材料去除处理，使其形成预期抛物型面工作表面，采用3D打印进行制作，加工材料为PLA，选用这种加工方法及材料，使得阵列复杂板面加工较为简单，结构稳固，重量较轻，成本较低。该可展固面天线的弹簧驱动铰链为金属制作，安装在可展阵列折痕位置，具有强度高，质量轻的优点。

本发明基于刚性厚板剪纸理论设计折展阵列，使该折展阵列具有更大的折展比，在非工作阶段可以折叠成较小的体积以便于运输，在工作阶段再展开到预期的工作位置，并且该折展阵列具有单个自由度。

本发明利用弹簧驱动铰链安装在单自由度折展阵列的连接关节处，通过弹簧弹性驱动折展阵列展开运动，通过弹簧弹力可实现折展阵列自动展开，通过板面关节之间的干涉可以实现展开后的自我锁定，使得折叠可靠性得到提升。

本发明通过材料切除与增添的方式对该折展阵列进行表面形貌处理，使得该阵列具有较高型面精度并能实现展开后的自我锁定；给合借用弹簧驱动力驱动阵列展开，去除了部分多余的驱动关节，提高展开过程的稳定性。

本发明该单自由度抛物柱面可展固面天线具有结构简单，折展比大，展开稳定，型面精度高等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种单自由度抛物柱面可展固面天线，其特征在于，为单自由度折展阵列，包括二十个板体，所述板体通过十六个弹簧驱动铰链连接在一起并形成五个折展单元：单元I，单元II、单元III、单元IV、单元V，每个单元包括四个弹簧驱动铰链；单元I和单元II之间共用一条转动折痕、单元I内一板(2-3)和单元I内二板(2-4)，单元II的运动输入由单元I的运动输出定义；单元V和单元I共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元I中心二板(2-5)，同时和单元II共用一条转动折痕、单元I内二板(2-4)和单元II内二板(2-10)，由单元I和II共同定义运动输入；单元III和单元V共用一条转动折痕、单元III中心一板(2-12)和单元III内一板(2-13)，其运动输入由单元V的运动输出定义；单元IV和单元V共用一条转动折痕、单元III内一板(2-13)和单元IV内一板(2-17)，其运动输入由单元V的运动输出定义。

2.根据权利要求1所述单自由度抛物柱面可展固面天线，其特征在于，所述弹簧驱动铰链包括有合页铰链(1-1)、驱动弹簧(1-2)、连接销轴(1-3)和固定螺栓(1-4)，所述合页铰链(1-1)安装在折痕处充当运动转动副，连接板体以实现折展运动，所述驱动弹簧(1-2)安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴(1-3)安装在合页铰链(1-1)上，由弹簧自身展开弹性提供展开过程所需驱动力，所述合页铰链(1-1)在安装了驱动弹簧(1-2)和连接销轴(1-3)之后通过固定螺栓(1-4)安装在折展阵列的厚板单元折痕连接处，充当转动运动副。

3.根据权利要求1所述单自由度抛物柱面可展固面天线，其特征在于，所述板体进行材料去除表面处理，使折展阵列在所述弹簧驱动铰链的驱动弹簧(1-2)弹力作用下展开到工作型面位置时，能够满足目标工作型面抛物线型面方程F(x)；所述板体折痕位置进行材料增添处理，使得折展阵列展开到预期的工作位置后板体结构在折痕位置产生干涉碰撞而自锁，在弹簧弹力和板体板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置。