CN111162368B - 一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，包括壳体、拔销器、旋转盘、轴、天线单元和涡簧；天线单元为展开后截面呈拱形的鞭天线；旋转盘中心具有与轴配合的通孔，上部具有与拔销器配合的、用于释放旋转盘旋转自由度的销轴配合孔，中部具有侧面为突出弧面的天线缠绕段，弧面与天线单元截面拱形对应；天线单元整体缠绕在天线缠绕段上；旋转盘与轴装配好后，整体安装在壳体内；涡簧套在轴上，能够驱动轴转动，并带动旋转盘转动，将天线单元释放展开。本发明采用涡卷弹簧驱动旋转轴实现鞭状天线的一维有序展开，展开过程平稳可控，展开精度高，并且通过使用新型展开方式以及拱形截面解决天线因尺寸大、重量轻引起的低刚度问题。
Description
技术领域
本发明涉及鞭天线技术领域，具体为一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构。
背景技术
鞭状天线(又称单极子天线)一般用于50MHz以下的低频电场测试，因为其形状为杆状，体积小，应用十分广泛，例如在通信、广播、电视、雷达、导航、遥测、遥感等工程技术中有广泛的应用。当鞭状天线应用在舰船、车载或地面单兵背负等场景时，由于在这些应用场景中，或者空间受限，或者是移动状态工作，往往要求天线小型化、轻量化，容易架设。而且，随着月球探测的逐步开展，由于月球背面得天独厚的环境，在其上开展低频射电观测比在地球上更具优势，同时，月球环境要求天线具有更低的频率，所以天线展开尺寸将更长，因此对天线的收纳比也提出了更高的要求。此外，由于电子元器件日趋小型化，电子系统装备变得小了，与之相配的天线也要求小型化。
传统可展开的鞭天线，天线单元由几段折叠的空心圆杆组成，通过穿过空心圆杆的弹性拉绳实现折叠杆的展开，而收拢过程则要手动完成，这种形式的天线重量较重，展开过程无序，冲击较大。国外有缠绕收藏方式的可展开鞭状天线，通过热敏刀解锁后展开，依靠天线缠绕按螺旋状展开到直线工作状态，但无法实现有序展开，展开过程不可控，展开精度较差。
发明内容
为解决传统鞭状天线无法实现有序展开，以及展开过程不可控的问题，本发明提出一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，采用涡卷弹簧驱动旋转轴实现鞭状天线的一维有序展开，展开过程平稳可控，展开精度高。
本发明的技术方案为：
所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：包括壳体、拔销器、旋转盘、轴、天线单元和涡簧；
所述天线单元为展开后截面呈拱形的鞭天线；
所述旋转盘中心具有与轴配合的通孔；所述旋转盘上具有与拔销器配合的、用于释放旋转盘旋转自由度的销轴配合孔；所述旋转盘轴向中部具有天线缠绕段，所述天线缠绕段侧面为突出的弧面，弧面与天线单元截面拱形对应；天线单元内端与旋转盘天线缠绕段固定连接，整体缠绕在天线缠绕段上，天线单元外端处于壳体上的天线伸出孔中；
所述轴插入旋转盘中心通孔中，并与旋转盘采用可拆卸方式固定连接；
旋转盘与轴装配好后，整体安装在壳体内，且旋转盘与壳体之间通过轴承配合；
所述涡簧安装在壳体内，并套在所述轴上，涡簧内端固定在轴上，涡簧外端固定在壳体上；所述涡簧能够驱动轴转动，并带动旋转盘转动，将天线单元释放展开。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：轴与旋转盘的周向相对位置可以调整，从而改变涡簧的预紧力矩，进而改变天线单元的展开时间。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述旋转盘底部中心通孔边缘具有若干周向均布的力矩调整齿槽；所述轴下部有朝向旋转盘底部的台阶面，台阶面上具有周向均布的力矩调整齿；所述力矩调整齿能够与力矩调整齿槽配合，通过改变力矩调整齿与力矩调整齿槽的配合位置能够改变涡簧的预紧力矩，进而改变天线单元的展开时间。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元由不锈钢钢带制成，展开后长度根据使用频段确定；天线单元截面拱形尺寸能够确保天线单元展开后，在载体旋转产生角加速度时天线单元不发生失稳。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元在旋转盘上处于收拢状态时，天线单元外围与安装在壳体内的滚子轴承的滚动体接触。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元表面涂镀二硫化钼进行防冷焊及润滑处理。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述壳体包括旋转盘容纳腔和涡簧容纳腔，之间通过带有通孔的隔板分开；旋转盘放置在旋转盘容纳腔内；在旋转盘容纳腔内，所述隔板通孔边缘安装有轴承，用于与旋转盘配合；在旋转盘容纳腔的内侧面上固定有轴套，轴套对所述滚子轴承的外圈进行轴向限位，所述滚子轴承的内圈通过封闭旋转盘容纳腔的上盖板进行限位；涡簧放置在涡簧容纳腔内，且涡簧外端与涡簧容纳腔内的固定柱固定连接。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述拔销器安装壳体上，能够受控执行解锁指令，将伸入所述销轴配合孔中的动作销轴缩回，从而释放旋转盘的旋转自由度。
进一步的优选方案，所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述拔销器采用火工拔销器。
有益效果
本发明提出的新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构采用涡簧驱动展开，涡簧内端固定在轴上，外端固定在壳体上，涡簧收拢状态储能，拔销器接到解锁指令后，拔销器上的销轴回退，展开机构的旋转盘约束解除，并在涡簧带动下旋转，从而带动天线单元旋转伸出至工作状态。
为了实现展开过程平稳连续，优选采用滚子轴承大大减小了天线缠绕状态下与壳体之间的摩擦，从而减小展开阻力。
该展开装置结构形式可以适应不同长度的鞭状天线的展开，有很好的频率拓展性，应用范围广。
该发明所设计的鞭状天线及其展开机构总重量小于0.75kg，比传统的折叠杆式的轻20％，收藏尺寸为100×120×120(mm)。以传统折叠杆式的鞭状天线为例，随着天线长度增加，折叠次数增加，折展机构数目随之增加，导致天线展开可靠性下降，本发明中天线单元长度的增加，不会导致收藏尺寸的大幅增加，因为天线是缠绕收藏在旋转盘上，每增加一圈长度，整个机构的外形尺寸只向外扩大一层壁厚尺寸，不会影响整个结构的接口、展开方式以及展开可靠性。
现有缠绕收藏的可展开鞭状天线，通过热敏刀解锁后展开，依靠天线自身的弹性回复力展开至直线工作状态，展开过程杂乱无章，不可控，展开过程涉及的范围大，容易与安装平台上的其它载荷发生干涉。本发明中的展开机构在涡簧力控制下，天线始终朝一个方向伸展，展开方向不变，展开驱动力矩可通过力矩调整机构进行调整，展开过程有序、可控。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明新型高收纳比有序展开鞭天线及其展开机构收藏状态外形图；
图2为本发明新型高收纳比有序展开鞭天线及其展开机构收藏状态组成示意图；
图3为本发明新型高收纳比有序展开鞭天线及其展开机构展开状态外形示意图；
图4为旋转盘4的示意图；
图5为轴3的示意图；
图6为本发明的天线单元截面尺寸图；
图7本发明的鞭天线及其展开机构的收拢包络尺寸图；
其中：1、火工拔销器；2、壳体；3、轴；4、旋转盘；5、上盖板；6、天线单元；7、滚子轴承；8、深沟球轴承；9、轴套；10、涡簧；11、下盖板；12、销轴配合孔；13、力矩调整齿槽；14、力矩调整齿。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本实施例中的高收纳比有序展开鞭天线展开机构，包括壳体、拔销器、旋转盘、轴、天线单元和涡簧。
所述壳体一侧顶面上安装有火工拔销器，内部具有减轻孔；另一侧内侧分为旋转盘容纳腔和涡簧容纳腔。旋转盘容纳腔和涡簧容纳腔上下布置，之间通过带有通孔的隔板分开。
如图6所示，所述天线单元为展开后截面呈拱形的鞭天线。本实施例中的天线单元由不锈钢钢带制成，展开后长度根据使用频段确定。因天线展开长度较长，所以天线单元截面拱形尺寸需要进行设计及校核，确保天线单元展开后，在载体旋转产生角加速度时天线单元不发生失稳。本实施例中，载体为卫星，卫星在调姿过程中最大将产生0.4rad/s2的角加速度，为确保天线在卫星调姿过程中天线不会发生失稳，本实施例中天线截面宽度20mm，厚度0.15mm，拱高2mm，对天线刚度最差方向进行了特征值屈曲分析，一阶特征值为20.5，失稳的临界角加速度为8.2rad/s2。
如图4所示，所述旋转盘中心具有与轴配合的通孔；所述旋转盘上端侧面具有与拔销器配合的、用于释放旋转盘旋转自由度的销轴配合孔；所述旋转盘轴向中部具有天线缠绕段，所述天线缠绕段侧面为突出的弧面，弧面与天线单元截面拱形对应；天线单元内端与旋转盘天线缠绕段固定连接，整体缠绕在天线缠绕段上，天线单元外端处于壳体上的天线伸出孔中。
如图2所示，旋转盘的天线缠绕段处于旋转盘容纳腔内；在旋转盘容纳腔内，所述隔板通孔边缘安装有深沟球轴承，深沟球轴承的内圈与旋转盘固定，外圈与壳体固定，实现壳体与旋转盘的转动配合；天线单元在旋转盘的天线缠绕段上处于收拢状态时，天线单元外围与安装在壳体内的滚子轴承的滚动体接触。在旋转盘容纳腔的内侧面上固定有轴套，轴套对滚子轴承的外圈进行轴向限位，滚子轴承的内圈通过封闭旋转盘容纳腔的上盖板进行限位。
如图2和图4所示，所述旋转盘底部中心通孔边缘具有12个周向均布的力矩调整齿槽；力矩调整齿槽穿过所述隔板上的通孔，处于涡簧容纳腔内。
如图5所示，所述轴分为与顶部固定段、与旋转盘通孔配合段、台阶段、涡簧配合段。所述轴插入旋转盘中心通孔中，顶部固定段伸出旋转盘后通过固定螺母拧紧。所述台阶段中具有朝向旋转盘底部的台阶面，台阶面上具有4个周向均布的力矩调整齿；所述力矩调整齿能够与力矩调整齿槽配合。所述涡簧配合段处于涡簧容纳腔内。
所述涡簧放置在涡簧容纳腔内，并套在所述轴的涡簧配合段上，涡簧内端固定在涡簧配合段内的卡槽内，涡簧外端与涡簧容纳腔内的固定柱固定连接。所述涡簧能够驱动轴转动，并带动旋转盘转动，将天线单元释放展开。
在试验阶段，需对天线的展开驱动力矩进行调整，以满足所需的展开时间要求，所以这里通过改变力矩调整齿与力矩调整齿槽的配合位置能够改变涡簧的预紧力矩，进而改变天线单元的展开时间。本实施例中旋转盘上共12个齿，相邻齿之间的角度为30°，最小调整角度为30°。具体的调整方法为：将轴与旋转盘的固定螺母拧松，此时，轴可在旋转盘内沿轴线移动至轴与旋转盘之间的齿槽脱离，采用工具将轴转动，拧紧或拧松一定角度后再将轴上齿插入旋转盘的齿槽内，最后将拧松的螺母拧紧。
本实施例中，涡簧10采用不锈钢3Cr9Ni9Mo2N，弹性模型E＝183GPa，强度极限σb＝1900MPa，许用应力σp＝1570MPa。根据对天线展开过程中阻力矩预估确定涡簧展开末期剩余力矩为350Nmm，展开角度2100°，涡簧外径60mm，内径10mm。
为了减小摩擦，天线单元与壳体采用滚子轴承减小天线展开过程中的摩擦阻力矩，旋转盘与壳体之间采用深沟球轴承支撑，如图2所示。天线单元及所有活动部件均涂镀二硫化钼进行防冷焊及润滑处理。
初始状态下，天线单元收藏状态卷绕在旋转盘上，火工拔销器执行解锁指令后，拔销器的动作销轴退出旋转盘上的配合孔，旋转盘在涡簧作用下旋转，带动天线始终朝一个方向伸长至预设长度，最后得到如图3所示的展开状态。
随着国内外低成本、微纳卫星用于对地观测、科学技术研究需求量的逐年增加，针对微小卫星体积小、重量轻的特点，对卫星上天线的收拢体积及重量要求越来越高。而本发明提出的该种形式天线及其展开机构可用于星载、月球等零重力、低重力环境下的低频及甚低频单元天线的收拢及展开。收纳比可达10％，重量是传统鞭状天线的1/4。能有效解决低频天线因天线尺寸太大无法在卫星上装载的问题，同时，通过使用新型展开方式可以解决天线因尺寸大、重量轻引起的低刚度问题，可抵抗中低轨卫星上惯性载荷引起的扰动，满足天线展开状态的基频要求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：包括壳体、拔销器、旋转盘、轴、天线单元和涡簧；
所述天线单元为展开后截面呈拱形的鞭天线；
所述旋转盘中心具有与轴配合的通孔；所述旋转盘上具有与拔销器配合的、用于释放旋转盘旋转自由度的销轴配合孔；所述旋转盘轴向中部具有天线缠绕段，所述天线缠绕段侧面为突出的弧面，弧面与天线单元截面拱形对应；天线单元内端与旋转盘天线缠绕段固定连接，整体缠绕在天线缠绕段上，天线单元外端处于壳体上的天线伸出孔中；
所述轴插入旋转盘中心通孔中，并与旋转盘采用可拆卸方式固定连接；
旋转盘与轴装配好后，整体安装在壳体内，且旋转盘与壳体之间通过轴承配合；
所述涡簧安装在壳体内，并套在所述轴上，涡簧内端固定在轴上，涡簧外端固定在壳体上；所述涡簧能够驱动轴转动，并带动旋转盘转动，将天线单元释放展开；
所述拔销器安装壳体上，能够受控执行解锁指令，将伸入所述销轴配合孔中的动作销轴缩回，从而释放旋转盘的旋转自由度。
2.根据权利要求1所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：轴与旋转盘的周向相对位置可以调整，从而改变涡簧的预紧力矩，进而改变天线单元的展开时间。
3.根据权利要求2所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述旋转盘底部中心通孔边缘具有若干周向均布的力矩调整齿槽；所述轴下部有朝向旋转盘底部的台阶面，台阶面上具有周向均布的力矩调整齿；所述力矩调整齿能够与力矩调整齿槽配合，通过改变力矩调整齿与力矩调整齿槽的配合位置能够改变涡簧的预紧力矩，进而改变天线单元的展开时间。
4.根据权利要求1所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元由不锈钢钢带制成，展开后长度根据使用频段确定；天线单元截面拱形尺寸能够确保天线单元展开后，在载体旋转产生角加速度时天线单元不发生失稳。
5.根据权利要求1所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元在旋转盘上处于收拢状态时，天线单元外围与安装在壳体内的滚子轴承的滚动体接触。
6.根据权利要求5所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：天线单元表面涂镀二硫化钼进行防冷焊及润滑处理。
7.根据权利要求5所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述壳体包括旋转盘容纳腔和涡簧容纳腔，之间通过带有通孔的隔板分开；旋转盘放置在旋转盘容纳腔内；在旋转盘容纳腔内，所述隔板通孔边缘安装有轴承，用于与旋转盘配合；在旋转盘容纳腔的内侧面上固定有轴套，轴套对所述滚子轴承的外圈进行轴向限位，所述滚子轴承的内圈通过封闭旋转盘容纳腔的上盖板进行限位；涡簧放置在涡簧容纳腔内，且涡簧外端与涡簧容纳腔内的固定柱固定连接。
8.根据权利要求1所述一种新型高收纳比有序展开鞭天线展开机构，其特征在于：所述拔销器采用火工拔销器。
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