CN111509358B - 单自由度平板天线折展单元及平板天线折展机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单自由度平板天线折展单元，其包括天线平板、支撑杆、连接块以及伸缩杆；天线平板包括第一天线平板和第二天线平板，第一天线平板的第一侧部与第二天线平板的第一侧部的连接处的两个端部借助于同步转动铰链连接，同步转动铰链的转动副轴线平行于两个天线平板的相邻边；本发明还提供一种平板天线折展机构，平板天线折展机构包括多个相同结构的自由度平板天线折展单元。本发明的一种单自由度平板天线折展单元，各构件之间连接方式只包括转动副和移动副，结构简单。本发明的平板天线折展机构由多个上述单自由度平板天线折展单元连接而成，整体机构也仅有一个自由度，控制非常容易。

Description

单自由度平板天线折展单元及平板天线折展机构

技术领域

本发明属于空间可展机构，特别涉及一种单自由度平板天线折展单元及由其组成的平板天线折展机构。

背景技术

随着航天技术的快速发展，航天技术在我国科技发展战略规划中占有重要地位，航天工程对于大型可展机构的需求更加迫切。然而在航天工程中受储放容量的限制，对于具有高折展率、高刚度、高稳定性可展天线的需求愈发迫切。可展机构在储存和运输过程中都是处于收拢状态，当放置在工作轨道中，准备就绪后，驱动装置可以使其展开成预定的工作状态。目在前各类航天器上，对于可展机构的应用愈发广泛。

可展天线机构的研究已成为当今世界上的一个研究热点，然而在可展天线机构中平面可展天线机构作为必不可少的领域。美国、日本、德国、俄罗斯等国的研究机构先后提出了多种星载平面天线机构形式。星载平面天线的先驱是美国1978年发射用于论证测量海洋动力学的可行性的Seasat SAR，它由8块可展开的相控阵平面天线组成，每两块天线面板由一个六棱锥单元可展开机构支撑，模块间采用剪式可展机构保持同步，用一个V形驱动臂同时实现与卫星连接和支撑机构动力输入的功能；欧空局于1991年成功发射实验性质的遥感卫星ERS-1，ESR-1共有5块可折叠的平面天线面板，其支撑机构是四棱锥单元；1996年加拿大航空局发射的Radarsat-1相控阵天线，它首次采用了天线与卫星侧部连接的方式，平面天线发射时收拢于卫星两侧，展开后形成两翼，单侧的支撑桁架机构为两个四棱锥可展单元；2007年又发射了Radarsat-2卫星，平面天线由4块天线面面板组成，支撑机构在Radarsat-1基础上去掉一组中支撑杆，并在斜支撑杆上留有用来补偿板厚的小段斜杆，使得结构更紧凑；日本于2006年在种子岛宇宙中心发射了先进对地观测卫星ALOS，该展开支撑机构是由大小两组支撑杆组成的，主支撑杆连接内侧的两块面板，并作为天线展开的驱动源，副支撑杆成M形连接四块面板，起到四块面板的联动的作用；美国宇航公司和科罗拉多大学联合研制的X波段的相控阵平面天线，支撑机构为12个9棱锥可展单元组合而成的，整个由支撑机构的中间两个上节点与连接卫星的V形驱动臂相连接；以及美国空军和JPL实验室联合研制的L波段的大型空间雷达LLSBR，每两个单元组合成一个模块，单模块天线有四棱柱可展开机构支撑。而中国在这方面起步较晚，浙江大学、同济大学、天津大学和哈尔滨工业大学等在这方面进行了研究，重点在空间站天线、伸展臂以及折展网架结构的设计，其中哈尔滨工业大学研制了一种侧面为四棱锥的可展开平面天线支撑机构。上海宇航系统工程研究所研制除了一种面向航天器多板折展天线的折展机构。

目前平面天线折展机构类型还相对比较少，为了适应太空平板折展天线不断增长的需求，设计更多类型的结构简单、控制容易的平板天线折展天线机构具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、驱动数目少、控制容易，并且结构刚度大稳定性高的单自由度平板天线折展单元及其组成的平板天线折展机构。

具体地，本发明提供一种单自由度平板天线折展单元，其包括天线平板、支撑杆、连接块以及伸缩杆；所述天线平板包括第一天线平板和第二天线平板，所述第一天线平板的第一侧部与所述第二天线平板的第一侧部的连接处的两个端部借助于同步转动铰链连接，同步转动铰链的转动副轴线平行于两个天线平板的相邻边；所述第一天线平板的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第一支撑杆和第二支撑杆，所述第二天线平板的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第三支撑杆和第四支撑杆，所述第一支撑杆和第三支撑杆之间以及第二支撑杆和第四支撑杆之间分别借助于一个上连接块连接，两个上连接块之间借助于两根伸缩杆进行连接，两根伸缩杆之间通过移动副进行连接，移动副的轴线平行于伸缩杆的轴线；

第一天线平板和第二天线平板构成单自由度平板天线折展单元的底面，四个支撑杆以及两个天线平板分别构成单自由度平板天线折展单元的四个侧面；

上连接块和下连接块所在的平面平行，支撑杆的两端与上连接块以及下连接块连接的两个转动副的轴线平行；天线平板与下连接块连接的转动副轴线与同步转动铰链的轴线平行，并与支撑杆和下连接块之间的转动副轴线形成一定角度；

当两块天线平板为完全展开状态即处于同一平面时，天线平板平行于连接块平面，自由度平板天线折展单元的前后截面是三角形，伸缩杆处于收缩位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全展开状态；当两块天线为完全收拢状态即相互平行时，天线平板垂直于连接块平面，截面同一面的支撑杆收拢靠近，伸缩杆处于伸展位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全收拢状态。

优选地，同步转动铰链包括框架、同步接头以及同步齿轮，所述框架的两侧分别与一个所述同步齿轮通过转轴铰接，两根转轴分别与两个同步接头铰接形成两个转动副，同步接头的另一端与天线平板固定连接，两个同步齿轮相互啮合且对称设置。

优选地，两个同步转动铰链中的一个设置有驱动装置，每根转轴还分别通过传动组件与驱动装置连接，驱动装置用于驱动所述转轴转动。

优选地，本发明还提供一种平板天线折展机构，所述平板天线折展机构包括多个相同结构的自由度平板天线折展单元，相邻两个单自由度平板天线折展单元的相邻天线平板的两端通过共用两个下连接块进行连接，单自由度平板天线折展单元的两个上连接块分别通过两根连接杆与相邻单自由度平板天线折展单元的两个上连接块进行连接，连接杆两端分别通过转动副与上连接块连接。

优选地，所述连接杆包括两根等长的同步杆，两根同步杆通过中间同步转动铰链连接，中间同步转动铰链的轴线垂直于与之相连的两根同步杆的轴线，连接杆两端的转动副的轴线垂直于连接杆的轴线，并且平行于对应的中间同步转动铰链轴线方向。

优选地，当两块天线平板为完全展开状态即处于同一平面时，相邻单元之间的连接杆处于展开状态；当两块天线为完全收拢状态即相互平行时，相邻单元之间的连接杆处于折叠状态。

优选地，中间同步转动铰链的结构与所述同步转动铰链的结构相同。

本发明的效果如下：

本发明公开一种单自由度平板天线折展单元，各构件之间连接方式只包括转动副和移动副，结构简单，且自由度只有一个，仅需添加一个驱动即可实现展开与收拢即可。

本发明的结构简单合理，四根支撑杆同时支撑两块平板，而且四根支撑杆轴线呈空间倾斜布置，伸缩杆对两截面的支撑杆进行连接，提高了支撑刚度，也进一步增强了单元展开结构的稳定性。

本发明的该机构由多个上述单自由度平板天线折展单元连接而成，整体机构也仅有一个自由度，控制非常容易。

本发明的各个单自由度平板天线折展单元完全相同，且结构具有对称性，各基本单元之间直接相连，不仅便于加工制造与装配，而且拓展性强，可以根据需求组成任意长度的具有大收拢率的大型平板天线折展机构，实用性强。

附图说明

图1是本发明单自由度平板天线折展单元的立体结构示意图；

图2a是本发明的平板天线折展机构在完全展开状态下的结构示意图；

图2b为图2a中a部分的局部连接示意图；

图2c为图2a中b部分的局部连接示意图；

图3是本发明的平板天线折展机构在完全收拢状态下的结构示意图；

图4是本发明的连接杆的结构示意简图；

图5是本发明的伸缩杆的结构示意简图；

图6是本发明天线平板的结构示意简图；

图7是本发明的支撑杆的结构示意简图；

图8是本发明中同步转动铰链的完全展开的俯视图；

图9是本发明中同步转动铰链完全收拢的正视图；

图10是本发明中同步接头的正视图；

图11是本发明中同步接头的俯视图；以及

图12是本发明中框架的立体结构示意图。

其中部分附图标记如下：1-单自由度平板天线折展单元，2-单自由度平板天线折展单元，3-单自由度平板天线折展单元，4-单自由度平板天线折展单元，5-连接杆，6-连接杆，11-上连接块，12-伸缩杆，13-上连接块，14-第一支撑杆，15-下连接块，16-第二支撑杆，17-下连接块，18-第一天线平板，19-同步转动铰链，110-第二天线平板，111-下连接块，112-第四支撑杆，113-下连接块，114-第三支撑杆，115-同步转动铰链，31-同步杆，32-同步转动铰链，33-同步杆，121-伸缩连杆，122-伸缩连杆，321-同步接头，322-同步齿轮，323-框架。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明的目的是提供一种结构设计合理、便于加工制造的单自由度平板天线折展单元及其组成的平板天线折展机构。

本发明提供一种单自由度平板天线折展单元，其包括天线平板、支撑杆、连接块以及伸缩杆。天线平板包括第一天线平板18和第二天线平板110，第一天线平板18的第一侧部与第二天线平板110的第一侧部的连接处的两个端部借助于同步转动铰链连接，同步转动铰链的转动副的轴线平行于两个天线平板的相邻边。

第一天线平板18的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第一支撑杆14和第二支撑杆16，第二天线平板110的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第三支撑杆114和第四支撑杆112，第一支撑杆14和第三支撑杆114之间以及第二支撑杆16和第四支撑杆112之间分别借助于一个上连接块连接，两个上连接块之间借助于两根伸缩杆12进行连接，两根伸缩杆12之间通过移动副进行连接，该移动副的轴线平行于伸缩杆的轴线。

第一天线平板18和第二天线平板110构成单自由度平板天线折展单元的底面，四个支撑杆以及两个天线平板分别构成单自由度平板天线折展单元的四个侧面。

两个上连接块和两个下连接块所在的平面平行，支撑杆的两端与上连接块以及下连接块连接的两个转动副的轴线平行；天线平板与下连接块连接的转动副轴线与同步转动铰链的轴线平行，并与支撑杆和下连接块之间的转动副轴线形成一定角度。

当两块天线平板为完全展开状态即处于同一平面时，天线平板平行于连接块平面，自由度平板天线折展单元的前后截面是三角形，伸缩杆处于收缩位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全展开状态；当两块天线为完全收拢状态即相互平行时，天线平板垂直于连接块平面，截面同一面的支撑杆收拢靠近，伸缩杆处于伸展位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全收拢状态。

本发明还提供一种平板天线折展机构，平板天线折展机构包括多个相同结构的单自由度平板天线折展单元1，相邻两个单自由度平板天线折展单元1的相邻天线平板的两端通过共用两个下连接块进行连接，单自由度平板天线折展单元1的两个上连接块分别通过两根连接杆与相邻单自由度平板天线折展单元的两个上连接块进行连接，连接杆两端分别通过转动副与上连接块连接。

具体实施方式一：

结合图1说明本实施方式，本实施例提供一种单自由度平板天线折展单元1，其包括第一天线平板18和第二天线平板110，下连接块15、17、111、113，第一支撑杆14、第二支撑杆16、第四支撑杆112、第三支撑杆114，同步转动铰链19、115，上连接块11、13以及伸缩杆12。

两块天线平板位于单自由度平板天线折展单元的一个底面并通过两个同步转动铰链19、115进行连接，同步转动铰链的转动副轴线A平行于天线平板的相邻边；第二支撑杆16、第四支撑杆112与两块天线平板的侧面形成单自由度平板天线折展单元的前面，第一支撑杆14、第三支撑杆114与两块天线平板的另一侧面形成单自由度平板天线折展单元的后面，第一支撑杆14与第一天线平板18通过下连接块15进行连接，第一支撑杆14与下连接块15通过转动副I连接，该转动副的轴线表示为C，第二支撑杆16与天线平板18通过下连接块17进行连接，第二支撑杆16与下连接块17通过转动副II连接，第四支撑杆112与天线平板110通过下连接块111进行连接，第四支撑杆112与下连接块111通过转动副III连接，第三支撑杆114与天线平板110通过下连接块113进行连接，第三支撑杆114与下连接块113通过转动副IV连接，该转动副的轴线表示为F。

在完全展开状态，轴线C、轴线B和轴线F的布置如图2c所示。天线平板与下连接块通过转动副连接，该转动副的轴线与同步转动铰链的轴线A平行，该转动副的轴线用B表示，并与支撑杆和下连接块之间的转动副轴线C形成一定角度，如图2c所示。

如图所示2b和图2c所示，支撑杆14和114分别通过转动副V和VI与上连接块11连接，其轴线G和轴线H分别和轴线C和轴线F平行，第二支撑杆16和第四支撑杆112分别通过转动副VII和转动副VIII与上连接块13连接，转动副VII的轴线和转动副VIII的轴线分别与轴线D和轴线E平行。如图5所示，两根伸缩连杆121、122之间通过移动副进行连接组成伸缩杆12。移动副轴线平行于伸缩杆轴线，伸缩连杆121的另一端与上连接块11固定连接，伸缩连杆122的另一端与上连接块13固定连接。

具体实施方式二：

结合图2a、图2b、图2c以及图3说明本实施方式，当两块天线平板18、110为完全展开状态即处于同一平面时，天线平板平行于连接块，第二支撑杆16、第四支撑杆112与第一天线平板18、第二天线平板110组成的前截面形成三角形，第一支撑杆14、第三支撑杆114与第一天线平板18、第二天线平板110组成的后截面形成三角形，伸缩杆12处于收缩位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全展开状态，同时相邻单元之间的连接杆5、6处于展开状态。

当两块天线平板为完全收拢状态即相互平行时，天线平板垂直于连接块，第二支撑杆16、第四支撑杆112靠近收拢，第一支撑杆14、第三支撑杆114靠近收拢，伸缩杆12处于伸展位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全收拢状态，同时相邻单元之间的连接杆5、6处于折叠状态。

具体实施方式三：

结合图8-12说明本实施方式，天线平板之间以及同步杆之间分别通过同步转动铰链铰接，同步转动铰链32包括框架323、同步接头321和同步齿轮322，框架323的两侧分别与一同步齿轮322通过转轴铰接，两个同步齿轮322相互啮合且对称设置。框架323整体为U型框架，其上开设有安装孔，同步接头321和同步齿轮322安装在框架323上，同步接头321包括半圆状的安装部，安装部上开设有安装孔。

每根转轴还分别通过传动组件与一驱动装置连接，驱动装置用于驱动转轴转动；其中，图10和图11为同步接头321的示意图，图12为框架323的结构示意图。本机构单元有一个自由度，因此只需在两块天线平板之间的任意一个同步转动铰链添加驱动即可。

具体实施方式四：

本实施例提供的一种平板折展由多个具有相同结构的单自由度平板天线折展单元组成，如图2所示，其包括单自由度平板天线折展单元1、2、3、4，相邻两个单自由度平板天线折展单元之间通过连接杆以及共用下连接块进行连接。单自由度平板天线折展单元1与单自由度平板天线折展单元2共用下连接块15、17，单自由度平板天线折展单元1的上连接块11通过连接杆5与单自由度平板天线折展单元2的上连接块21进行连接，单自由度平板天线折展单元1的上连接块13通过连接杆6与单自由度平板天线折展单元2的上连接块23进行连接，连接杆两端分别通过转动副与上连接块连接，转动副轴线用K表示，如图4所示，连接杆由2根等长同步杆51、53通过同步转动铰链52进行连接组成，同步转动铰链的轴线垂直于与之相连的2根同步杆的轴线，连接杆两端的转动副的轴线垂直于连接杆的轴线，并且平行于对应中间同步转动铰链轴线方向。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种单自由度平板天线折展单元，其特征在于：其包括天线平板、支撑杆、连接块以及伸缩杆；所述天线平板包括第一天线平板和第二天线平板，所述第一天线平板的第一侧部与所述第二天线平板的第一侧部的连接处的两个端部借助于同步转动铰链连接，同步转动铰链的转动副轴线平行于两个天线平板的相邻边；所述第一天线平板的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第一支撑杆和第二支撑杆，所述第二天线平板的第二侧部的两个端部分别借助于一个下连接块连接第三支撑杆和第四支撑杆，所述第一支撑杆和第三支撑杆之间以及第二支撑杆和第四支撑杆之间分别借助于一个上连接块连接，两个上连接块之间借助于两根伸缩杆进行连接，两根伸缩杆之间通过移动副进行连接，移动副的轴线平行于伸缩杆的轴线；

第一天线平板和第二天线平板构成单自由度平板天线折展单元的底面，四个支撑杆以及两个天线平板分别构成单自由度平板天线折展单元的四个侧面；

支撑杆的两端与上连接块以及下连接块连接的两个转动副的轴线平行；天线平板与下连接块连接的转动副轴线与同步转动铰链的轴线平行，并与支撑杆和下连接块之间的转动副轴线形成一定角度；

当两块天线平板为完全展开状态即处于同一平面时，天线平板平行于下连接块所在平面，自由度平板天线折展单元的前后截面是三角形，伸缩杆处于收缩位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全展开状态；当两块天线平板为完全收拢状态即相互平行时，天线平板垂直于下连接块所在平面，截面同一面的支撑杆收拢靠近，伸缩杆处于伸展位置，此时单自由度平板天线折展单元处于完全收拢状态。

2.根据权利要求1所述的单自由度平板天线折展单元，其特征在于：同步转动铰链包括框架、同步接头以及同步齿轮，所述框架的两侧分别与一个所述同步齿轮通过转轴铰接，两根转轴分别与两个同步接头铰接形成两个转动副，同步接头的另一端与天线平板固定连接，两个同步齿轮相互啮合且对称设置。

3.根据权利要求2所述的单自由度平板天线折展单元，其特征在于：两个同步转动铰链中的一个设置有驱动装置，每根转轴还分别通过传动组件与驱动装置连接，驱动装置用于驱动所述转轴转动。

4.一种平板天线折展机构，其特征在于：所述平板天线折展机构包括多个如权利要求1至3任一所述的单自由度平板天线折展单元。

5.根据权利要求4所述的平板天线折展机构，其特征在于：相邻两个单自由度平板天线折展单元的相邻天线平板的两端通过共用两个下连接块进行连接，单自由度平板天线折展单元的两个上连接块分别通过两根连接杆与相邻单自由度平板天线折展单元的两个上连接块进行连接，连接杆两端分别通过转动副与上连接块连接。

6.根据权利要求5所述的平板天线折展机构，其特征在于：所述连接杆包括两根等长的同步杆，两根同步杆通过中间同步转动铰链连接，中间同步转动铰链的轴线垂直于与之相连的两根同步杆的轴线，连接杆两端的转动副的轴线垂直于连接杆的轴线，并且平行于对应的中间同步转动铰链轴线方向。

7.根据权利要求4所述的平板天线折展机构，其特征在于：当两块天线平板为完全展开状态即处于同一平面时，相邻单元之间的连接杆处于展开状态；当两块天线为完全收拢状态即相互平行时，相邻单元之间的连接杆处于折叠状态。

8.根据权利要求5所述的平板天线折展机构，其特征在于：中间同步转动铰链的结构与所述同步转动铰链的结构相同。

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