CN111129691B - 一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线领域，涉及星载展开天线，确切讲是一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，可应用于空中目标搜索和资源探测，其特征在于：至少包括：剪式桁架、张拉膜、索网以及金属丝网，所述剪式桁架用于天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面的基本形状，为张拉膜、索网和金属丝网提供支撑，同时，通过其收拢或者展开实现天线整体的收拢或展开；所述张拉膜上侧为抛物线形状，与索网相连接，其下侧和左右两侧均为直线，与剪式桁架相连接，为索网提供竖向张拉力。它克服目前的抛物柱面天线由于收纳比或质量等因素无法进行大口径设计的问题，以实现较高的形面精度和结构刚度以及较高的收纳比，为空间大型可展开抛物柱面天线提供解决方案。

Description

一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线
技术领域
本发明属于天线领域，涉及星载展开天线，确切讲是一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，可应用于空中目标搜索和资源探测。
背景技术
随着航天事业的发展，抛物柱面天线凭借高增益、强方向性、易于光束自动扫描等独特优势成为星载天线主要发展方向之一，在地球观测、雷达技术、远程通信等领域均得到广泛应用。在诸多空间任务中，通常要求这类天线沿基线方向具有极长的尺寸，如几十米甚至上百米，沿抛物线方向尺寸约5~10m。然而，受到火箭的运载能力的限制，如此尺寸的大型天线要在太空中得以应用，传统的固面反射面天线已无法满足要求，必须依靠可展开天线。
空间可展开天线作为目前空间通讯卫星广泛采用的一种星载天线结构形式，具有质量轻、易折叠的优点，可以实现大口径且收纳率高，能够满足大型乃至超大型空间天线的需求。
目前国内外可展开天线的研究主要集中在抛物面天线，关于大型可展开抛物柱面天线的研究并不多。而所出现的一些可展开抛物柱面天线多采用充气展开式或构架网面式。其中，充气式天线通过充气展开成抛物柱面天线，虽然实现了轻量化和高收纳比，但形面精度往往不如网状天线形面精度高，且稳定性也存在一定的问题。而构架网面式天线虽然具有较高的精度，但由于其模块较多，导致天线设计复杂，面密度较大，收纳比较小。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，以克服目前的抛物柱面天线由于收纳比或质量等因素无法进行大口径设计的问题，以实现较高的形面精度和结构刚度以及较高的收纳比，为空间大型可展开抛物柱面天线提供解决方案。
本发明的技术方案是：一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：
至少包括：剪式桁架、张拉膜、索网以及金属丝网，
所述剪式桁架用于天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面的基本形状，为张拉膜、索网和金属丝网提供支撑，同时，通过其收拢或者展开实现天线整体的收拢或展开；
所述张拉膜上侧为抛物线形状，与索网相连接，其下侧和左右两侧均为直线，与剪式桁架相连接，为索网提供竖向张拉力；
所述的索网交错地设置在剪式桁架之上，在张拉膜的张拉作用下与金属丝网形成所需的抛物柱面形状；
所述金属丝网铺设在索网上，形成天线反射面，用于接收和发射电磁波。
上述剪式桁架包括横向展开机构和纵向展开机构，横向展开机构和纵向展开机构通过位于横向展开机构中间和两侧的伸缩杆以及四向铰接接头实现连接，形成天线的支撑和展开，横向展开机构和纵向展开机构通过连接处的伸缩杆相对滑动实现天线横、纵向同时展开。
上述横向展开机构包括：2m个剪式展开单元、3根中心伸缩杆、6个四向铰接接头、4m+2个两向铰接接头以及2根张拉膜支撑杆和2根同步杆，m≥2；所述剪式展开单元阵列分布于抛物线方向形成横向展开机构，中心伸缩杆和四向铰接接头安装在横向展开机构的中心和两侧，张拉膜支撑杆和同步杆对称安装在横向展开机构的两侧。
上述纵向展开机构由n个剪式展开单元、2n+2个两向铰接接头、2根辅助索网支撑杆和2根同步杆组成，n≥2，所述剪式展开单元阵列分布于基线方向形成纵向展开机构，辅助索网支撑杆和同步杆对称安装在纵向展开机构的两侧。
上述剪式展开单元包括：2根交叉分布的斜杆、1个套筒铰接接头，两根斜杆通过套筒铰接接头连接在一起，可以相对转动。
上述四向铰接接头由1个五向接头、4个杆件接头、4个旋转轴、4个锁紧螺母和2个套筒组成，五向接头的上侧接点与中心伸缩杆采用轴孔连接；五向接头的左侧节点、右侧节点与横向展开机构中的剪式展开单元通过旋转轴连接；五向接头的前侧节点、后侧节点与纵向展开机构中的剪式展开单元通过旋转轴连接。
上述两向铰接接头包括：2个杆件接头、1个旋转轴、1个锁紧螺母和1个套筒组成，杆件接头通过旋转轴实现分层连接，中间利用套筒实现定位。
上述的张拉膜的上侧根据天线设计参数裁剪成抛物线形状，并与索网连接，左右两侧根据张拉膜支撑杆的倾角和长度裁剪成直线，并与张拉膜支撑杆连接，下侧根据剪式单元的展开高度裁剪成直线，通过绳索和各个铰接接头连接。
上述的索网包括p根横索、l根纵索、2l根斜向辅助拉索，用于形成抛物柱面形状，支撑金属丝网。每个横向展开单元的两侧杆件末端处开有小孔，以便柔索穿过，杆件与横索、纵索相连，采用固定连接。
本发明的有益效果：本发明与现有技术相比具有如下优点：
1. 本发明采用剪式单元，可实现抛物线方向和基线方向两个方向的同步收拢和展开，相比于现有的可展开抛物柱面天线，结构简单、展开控制方便、质量较轻，同时具有较高的收纳比和结构刚度，为大型乃至超大型可展开抛物柱面天线设计提供了一种有效的解决方案。
2. 本发明采用张拉膜为索网提供竖向拉力，由于张拉膜上侧可以根据天线设计参数裁剪成抛物线形状，通过和索网、金属反射网连接可以形成理想的抛物柱面，相比传统的竖向索结构，反射面形面精度得到很大提高。同时，张拉膜可以有效降低天线展开过程中索网钩挂风险，提高天线整体展开可靠性。
3. 本发明采用模块化设计思想，模块数量可以根据天线尺寸进行拓展，因此结构具有较强的拓展性，方便加工制造。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述：
图1是本发明的整体展开结构示意图；
图2是本发明中的剪式桁架的结构示意图；
图3是本发明中的横向展开单元的结构示意图；
图4是本发明中的纵向展开机构的结构示意图；
图5是本发明中的剪式展开单元的结构示意图；
图6是本发明中的四向铰接接头连接关系示意图；
图7是本发明中的两向铰接接头连接关系结构示意图；
图8是本发明中的张拉膜的结构示意图；
图9是本发明中的索网结构示意图：
图10是本发明中的抛物柱面天线收拢结构示意图。
图中，1、剪式桁架；2、张拉膜；3、索网； 4、金属丝网。
具体实施方式
如图1所示，一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，包括：剪式桁架1、张拉膜2、索网3以及金属丝网4，其中，剪式桁架1作为天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面的基本形状，为张拉膜2、索网3和金属丝网4提供支撑，同时，通过其收拢或者展开可以实现天线整体的收拢或展开；张拉膜2上侧为抛物线形状，与索网3相连接，其下侧和左右两侧均为直线，与剪式桁架1相连接，为索网3提供竖向张拉力；索网3交错地设置在剪式桁架1之上，在张拉膜2的张拉作用下与金属丝网4形成所需的抛物柱面形状；金属丝网4铺设在索网3上，形成天线反射面，用于接收和发射电磁波。
如图2所示，剪式桁架1由横向展开机构11和纵向展开机构12组成，两者通过位于横向展开机构11中间和两侧的伸缩杆以及四向铰接接头实现连接。其作为天线的支撑和展开机构，通过横向展开机构11和纵向展开机构12连接处伸缩杆的相对滑动实现天线横、纵向同时展开。
如图3所示，横向展开机构11包括2m个剪式展开单元111、3根中心伸缩杆112、6个四向铰接接头113、4m+2个两向铰接接头114以及2根张拉膜支撑杆115和2根同步杆116，本实施例取m=3。所述剪式展开单元111阵列分布于抛物线方向形成横向展开机构，中心伸缩杆112和四向铰接接头113安装在横向展开机构的中心和两侧，张拉膜支撑杆115和同步杆116对称安装在横向展开机构的两侧。
如图4所示，纵向展开机构2由n个剪式展开单元121、2n+2个两向铰接接头122、2根辅助索网支撑杆123和2根同步杆124组成，本实施例取n=28。所述剪式展开单元121阵列分布于基线方向形成纵向展开机构，辅助索网支撑杆123和同步杆124对称安装在纵向展开机构的两侧。
如图5所示，每个剪式展开单元111包括2根交叉分布的斜杆1111、1个套筒铰接接头1112，两根斜杆1111通过套筒铰接接头1112连接在一起，可以相对转动。
如图6所示，四向铰接接头113由1个五向接头1131、4个杆件接头1132、4个旋转轴1133、4个锁紧螺母1134和2个套筒1135组成。五向接头1131的上侧节点11311与中心伸缩杆112采用轴孔连接；五向接头1131的左侧节点11312、右侧节点11313与横向展开机构11中的剪式展开单元111通过旋转轴连接；五向接头1131的前侧节点11314、后侧节点11315与纵向展开机构12中的剪式展开单元121通过旋转轴连接。
如图7所示，两向铰接接头114由2个杆件接头1141、1个旋转轴1142、1个锁紧螺母1143和1个套筒1144组成。杆件接头1141通过旋转轴1142实现分层连接，中间利用套筒1144实现定位。
如图8所示，张拉膜2上侧根据设计参数裁剪成抛物线形状，并与索网3连接，左右两侧根据张拉膜支撑杆115的倾角和长度裁剪成直线，并与张拉膜支撑杆115连接，下侧根据剪式单元的展开高度裁剪成直线，通过索网3和四向铰接接头113和两向铰接接头114连接。
如图9所示，索网3包括p根横索31、l根纵索32、2l根斜向辅助拉索33和p根薄膜边界张拉索34，用于形成抛物柱面形状，支撑金属丝网4；每个横向展开单元11的两侧杆件末端处开有小孔，以便柔索穿过，杆件与横索31、纵索32相连，采用固定连接。
如图10所示，中心伸缩杆112通过相背滑动伸长，带动横向展开机构11与纵向展开机构12同步向中心收拢，从而实现抛物柱面天线收拢；反之，中心伸缩杆112通过相对滑动缩短，带动横向展开机构11与纵向展开机构12同步向两侧展开，从而实现抛物柱面天线展开。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：包括剪式桁架(1)、张拉膜(2)、索网(3)以及金属丝网(4)，
所述剪式桁架(1)作为天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面的基本形状，为张拉膜(2)、索网(3)和金属丝网(4)提供支撑，同时，通过剪式桁架(1)收拢或者展开可以实现天线整体的收拢或展开；
所述张拉膜(2)上侧为抛物线形状，与索网(3)相连接，张拉膜(2)下侧和左右两侧均为直线，与剪式桁架(1)相连接，为索网(3)提供竖向张拉力；
所述的索网(3)交错地设置在剪式桁架(1)之上，在张拉膜(2)的张拉作用下与金属丝网(4)形成所需的抛物柱面形状；
所述金属丝网(4)铺设在索网(3)上，形成天线反射面，用于接收和发射电磁波；
所述的剪式桁架(1)由横向展开机构(11)和纵向展开机构(12)组成，两者通过位于横向展开机构(11)中间和两侧的中心伸缩杆（112）以及四向铰接接头（113）实现连接；剪式桁架(1)作为天线的支撑和展开机构，通过横向展开机构(11)和纵向展开机构(12)连接处的中心伸缩杆（112）的相对滑动实现天线横、纵向同时展开；
所述横向展开机构(11)的上侧连接张拉膜(2)使得索网(3)形成抛物柱面形状，横向展开机构(11)包括2m个剪式展开单元(111)、3根中心伸缩杆(112)、6个四向铰接接头(113)、2m+2个两向铰接接头(114)以及2根张拉膜支撑杆(115)和2根同步杆(116)；所述剪式展开单元（111）阵列分布于抛物线方向形成横向展开机构，中心伸缩杆（112）和四向铰接接头(113)安装在横向展开机构(11)的中心和两侧，张拉膜支撑杆(115)和同步杆(116)对称安装在横向展开机构的两侧，m≥2；
所述张拉膜 (2)的上侧根据天线设计参数裁剪成抛物线形状，并与索网(3)连接，左右两侧根据张拉膜支撑杆(115)的倾角和长度裁剪成直线，并与张拉膜支撑杆(115)连接，下侧根据剪式展开单元(111)的展开高度裁剪成直线，通过索网(3)和四向铰接接头(113)以及两向铰接接头(114)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：
所述剪式展开单元(111)包括2根交叉分布的斜杆 (1111)、1个套筒铰接接头(1112)，两根斜杆(1111)通过套筒铰接接头(1112)连接在一起可以相对转动。
3.根据权利要求1所述的一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：
所述四向铰接接头(113)包括：1个五向接头(1131)、4个杆件接头(1132)、4个旋转轴(1133)、4个锁紧螺母(1134)和2个套筒(1135)；五向接头(1131)的上侧节点(11311)与中心伸缩杆(112)采用轴孔连接，五向接头(1131)左侧节点(11312)和右侧节点(11313)与横向展开机构(11)中的剪式展开单元(111)通过旋转轴连接，五向接头(1131)前侧节点(11314)、后侧节点(11315)与纵向展开机构(12)中的剪式展开单元(111)通过旋转轴连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：
所述两向铰接接头(114)由2个杆件接头(1141)、1个旋转轴(1142)、1个锁紧螺母(1143)和1个套筒(1144)组成，杆件接头(1141)通过旋转轴(1142)实现分层连接，中间利用套筒(1144)实现定位。
5.根据权利要求1所述的一种基于张拉膜的可展开网状抛物柱面天线，其特征在于：
所述的索网(3)包括：p根横索(31)、l根纵索(32)、2l根斜向辅助拉索(33)和p根薄膜边界张拉索(34)，用于形成抛物柱面形状，支撑金属丝网(4);每个横向展开单元(11)的两侧杆件末端处开有小孔，以便柔索穿过，杆件与横索(31)、纵索(32) 采用固定连接，p为整个天线结构中横向展开机构(11)的数目， p≥2，l为纵索数目，取8~16。
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