CN111864393B - 一种高收纳比环形可展开网状天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高收纳比环形可展开网状天线，包括环形桁架、主网面和副网面；环形桁架由沿环向分布的多个结构相同的基本四边形单元连接而成，主、副网面对称附着于环形桁架的上、下层；各基本四边形单元均分别包括两根竖杆、两根横杆、两根连接杆、一根可伸缩的斜套杆、两个滑动铰链、两个三接铰链、两个五接铰链和两个转动铰链；环形桁架内的某一基本单元所包含的各杆件中，两根连接杆位于内层铅垂面内，两根竖杆和两根横杆均位于中层铅垂面内，斜套杆位于外层铅垂面内。本发明中的环形桁架为单自由度机构以保证展开的同步性，在收拢态和展开态下的高度均近似为环形桁架的竖杆高度，具有高收纳比，并实现了展开工作态下主、副网面的对称。

Description

一种高收纳比环形可展开网状天线

技术领域

本发明属于卫星天线技术领域，涉及一种高收纳比环形可展开网状天线。

背景技术

近年来随着深空探测及电磁通信等航天技术的迅速发展，所需要卫星天线口径越来越大，但受制于运载火箭储存空间的体积限制，卫星天线必须做成具有大收纳比的空间可展开机构形式，即发射运输过程中处于折叠态可收拢于火箭整流罩内，待卫星入轨后再完全展开至工作态支撑天线网面。

环形桁架式天线Astromesh（美国专利NO.5680145）是近年来广泛使用的可展卫星天线的代表结构形式，其用于支撑的环形桁架由多个相邻的四边形单元组成，展开过程中竖杆保持相对位置不动，横杆绕与竖杆连接处的铰链旋转，使每个基本单元由平行四边形向矩形转化，直至完全展开，其理论收拢高度为横杆与竖杆的杆长之和。Astromesh的二代构型则在竖杆上增加了滑动铰链，其理论收拢高度为完全展开态下基本单元的对角线长度，相同焦径比下相较于一代可有效降低40%。但上述两种天线环形桁架的运动自由度都不是1，均需附加特殊设计的同步机构以保证各单元展开的同步性，增大了环形桁架整体的复杂程度。此外，由于天线的工作高度仍显著小于收拢态下的高度，使得相同的存贮空间下工作展开态的有效高度较低，天线的主网和副网难以做成对称结构，而张力不对称会使得环形桁架变形，不便于网面精度调节，这也限制了其在更大口径天线中的应用。因此，设计一种同步性好、收纳比高、收拢高度更低的环形桁架式网状天线十分有必要。

发明内容

本发明是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种高收纳比环形可展开网状天线，可实现无同步机构下各单元的同步展开、收拢态与展开工作态下相同的高度及主网与副网对称的整体结构，解决了现有网状可展天线结构展开不同步、收纳比低、网面精度调节困难等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提出的一种高收纳比环形可展开网状天线，其特征在于，包括环形桁架、主网面和副网面；所述环形桁架由沿环向分布的多个结构相同的四边形单元连接而成，组成的整体为圆形内接周期性桁架或椭圆形内接周期性桁架；所述主网面和副网面均为三角剖分的抛物面，且分别附着于所述环形桁架的上层和下层，主网面和副网面的对应节点间连接有张力弹簧，在展开工作态下主网面和副网面的几何形状完全相同，并关于所述环形桁架上下对称；

所述环形桁架的每个四边形单元均分别包括两根竖杆、两根横杆、两根连接杆、一根可伸缩的斜套杆、两个滑动铰链、两个三接铰链、两个五接铰链和两个转动铰链；相邻两四边形单元共用同一根竖杆及其上附属的铰链；所述环形桁架内的某一基本单元所包含的各杆件分布于三个铅垂面内，两根连接杆位于内层铅垂面内，两根竖杆和两根横杆均位于中层铅垂面内，可伸缩的斜套杆位于外层铅垂面内；所述环形桁架的四边形单元内各部件的连接关系为：

各竖杆两端，其中一端固定有一个三接铰链，另一端固定有一个五接铰链，且两根竖杆上的两个三接铰链呈对角布置、两个五接铰链呈对角布置；各滑动铰链分别位于相应的一根竖杆上，且允许沿竖杆轴线上下滑动；两根横杆呈上下布置，各横杆的一端分别与一根竖杆一端的五接铰链连接，各横杆的另一端分别与另一根竖杆上的滑动铰链连接，各横杆的两端均可绕相连的铰链连接轴转动；两个转动铰链分别固定于两根横杆的中点位置；两根连接杆呈上下布置，其中上连接杆的两端分别与一根竖杆上的三接铰链和上横杆上的转动铰链连接，下连接杆的两端分别与另一根竖杆上的三接铰链和下横杆上的转动铰链连接，各连接杆的两端均可绕相连的铰链连接轴转动；所述斜套杆的两端分别与两根竖杆上呈对角设置的五接铰链连接，并可绕相连的铰链连接轴转动。

进一步地，所述环形桁架为单自由度机构，在展开工作态、收拢态和展开过程中的高度始终近似等于竖杆的高度。

进一步地，各连接杆的有效长度小于相应横杆长度的一半，所述三接铰链的转动轴偏移距离大于五接铰链的转动轴偏移距离，以实现环形桁架在完全展开到位后的单向自锁。

本发明的特点和有益效果是：

本发明提出的一种高收纳比环形可展开网状天线，其在收拢态和展开工作态下的高度均近似为环形桁架的竖杆高度，极大提升了可展天线机构的收纳比；相较于同等焦径比的Astromesh天线提升了天线的工作高度，可实现上下网面的对称构型，降低了网面精度调节难度；连接杆的加入保证了环形桁架展开过程中单元内和相邻单元间的同步性，无需任何同步机构即实现天线整体展开的良好同步性。本发明具有同步性好、收纳比高、网面精度便于调节等特点。

附图说明

图1的（a）、（b）分别是本发明完全展开后的工作态构型的三维视图和侧视图。

图2的（a）、（b）分别是本发明中环形桁架的完全展开态与展开过程中的过渡态的构型示意图。

图3是本发明中环形桁架的一个基本单元在过渡态下的结构示意图。

图4为本发明中环形桁架的一个基本单元在过渡态下的俯视图。

图5是本发明中环形桁架的五接铰链的结构示意图。

图6是本发明中环形桁架的三接铰链的结构示意图。

图7是本发明中环形桁架的滑动铰链的结构示意图。

图8是本发明中环形桁架的转动铰链的结构示意图。

图9（a）、（b）分别是本发明中环形桁架的一个基本单元在展开态和收拢态下的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种高收纳比环形可展开网状天线的应用实例。

本发明提出的一种高收纳比环形可展开网状天线，包含环形桁架01与上下对称的网面02和03，其展开后的工作态基本构型如图1的（a）、（b）所示。环形桁架01为由沿环向分布的多个相同的四边形单元连接而成的圆形内接周期性桁架或椭圆形内接周期性桁架，网面02为主网面，其抛物面方程根据网状天线的实际需要确定，网面03为副网面，网面02与网面03的几何形状完全相同，在工作态呈上下对称关系，且主网面和副网面均为三角剖分的抛物面。网面02与网面03的对应节点间连接有张力弹簧（该张力弹簧在图中未示意出），保证网面02和网面03在工作态下完全张紧。图2的（a）、（b）给出了本发明中的环形桁架01在展开态与过渡态（处于收拢态与展开态之间）下的构型，在展开过程中桁架的整体高度近似维持竖杆的高度不变，各单元同步变形，所有竖杆的一侧端点均处于同一水平面。

图3为环形桁架的一个四边形单元在展开过程中的结构示意图。每个四边形单元包括两根竖杆1和2、两根横杆3和4、一根可伸缩的斜套杆5、两根连接杆6和7、两个滑动铰链8和9、两个三接铰链10和11、两个五接铰链12和13以及两个转动铰链14和15。环形桁架内的某一四边形单元所包含的各杆件分布于三个铅垂面内，参见图4，给出了图3所示结构对应的俯视图，其中两根连接杆6和7均位于内层铅垂面Ⅰ内，两根竖杆1和2以及两根横杆3和4均位于中层铅垂面Ⅱ内，可伸缩的斜套杆5位于外层铅垂面Ⅲ内，内层铅垂面Ⅰ更靠近本环形可展开网状天线的圆心。各组成部件的连接关系为：

竖杆1的上端固结于三接铰链10的中间孔、竖杆1的下端固结于五接铰链12的中间中间孔，且三接铰链10、五接铰链12与竖杆1之间不可发生相对转动和移动；滑动铰链8套设于竖杆1上，且滑动铰链8可沿着竖杆1轴线上下滑动。基本单元内的另一竖杆2安装有同样的三接铰链11、五接铰链13和滑动铰链9，但安装方向与竖杆1上的铰链上下相反，呈对角布置。具体为：竖杆2的上端固结于五接铰链13的中间孔、竖杆2的下端固结于三接铰链11的中间孔，且五接铰链13、三接铰链11与竖杆2之间不可发生相对转动和移动；滑动铰链9套设于竖杆2上，且滑动铰链9可沿着竖杆2轴线上下滑动。

上横杆3的一端连接于竖杆1上的滑动铰链8，上横杆3的另一端连接于五接铰链13，上横杆3两端可绕滑动铰链8和五接铰链13的铰链转动轴在中层铅垂面Ⅱ内发生转动。相同地，下横杆4的一端连接于竖杆2上的滑动铰链9，下横杆4的另一端连接于五接铰链12，下横杆4两端可绕滑动铰链9和五接铰链12的铰链转动轴在中层铅垂面Ⅱ内发生转动。

斜套杆5的一端连接于五接铰链12，斜套杆5的另一端连接于基本单元内的另一个五接铰链13，斜套杆5允许沿该斜套杆轴向发生伸缩。

上连接杆6的一端连接于竖杆1上端的三接铰链10，上连接杆6的另一端连接于固结在上横杆3中点处的转动铰链14，上连接杆6可绕三接铰链10和转动铰链14的铰链转动轴在内层铅垂面Ⅰ内发生转动。相同地，下连接杆7的一端连接于竖杆2下端的三接铰链11，下连接杆7的另一端连接于固结在下横杆4中点处的转动铰链15。

各五接铰链的结构均相同，现以五接铰链12为例进行说明，参见图5，五接铰链12包括一个铰链主体121，在该铰链主体121的两侧各开有两个凹槽122，使得五接铰链整体呈“王”字型，铰链主体121一侧的两个凹槽122分别与下横杆4的另一端和斜套杆5的一端铰接，在铰链主体121的中部开有圆孔123和减重孔124，竖杆1的下端插入圆孔123内，即圆孔123、竖杆1和下横杆4均位于中层铅垂面Ⅱ内，减重孔与其两侧的凹槽均位于外层铅垂面Ⅲ内。

各三接铰链的结构均相同，现以三接铰链10为例进行说明，参见图6，三接铰链10包括呈T字型的铰链主体101，在该铰链主体101水平段的两侧各开有一个凹槽102，分别与两侧的上连接杆6一端铰接，在该铰链主体101水平段的中部开有减重孔103，两个凹槽102和减重孔103均位于内层铅垂面Ⅰ内。铰链主体101的竖直段一体成型有凸出部104，在该凸出部中心设有位于中层铅垂面Ⅱ内的圆孔105，竖杆1的上端插入圆孔105内。此外，凸出部104还用于约束滑动铰链8滑动至竖杆1上端时不脱离竖杆1。

各滑动铰链的结构均相同，现以滑动铰链8为例进行说明，参见图7，滑动铰链8包括呈一字型的铰链主体81，该铰链主体81两侧分别开槽82，用于与上横杆3的一端铰接，铰链主体81的中部开有圆孔83，用于穿过竖杆1，圆孔83内设有直线轴承（图中未示意出）以完成滑动铰链8沿竖杆1轴向的滑动。

各转动铰链的结构均相同，现以转动铰链14为例进行说明，参见图8，转动铰链14包括呈I字型的铰链主体141，该铰链主体141一端开设有凹槽142，用于与连接杆6另一端铰接，铰链主体141另一端与一半圆封盖143通过螺栓围合形成圆孔144供上横杆3穿过，且固定于上横杆3的中点位置。

环形桁架内相邻两四边形单元共用同一根竖杆及其上附属的铰链，相邻两四边形单元内的杆件与铰链关于该竖杆对称布置。所有同种铰链的结构相同。

圆形桁架所有单元的同种杆件长度相同。椭圆形桁架内，各竖杆长度均相同，其余杆件的长度根据实际需要可以不同。

四边形单元在完全展开状态下的构型如图9的（a）所示，此时横杆（3、4）和连接杆（6、7）转动至水平方向，与竖杆（1、2）垂直，斜套杆5伸长至最大长度，此时环形桁架的整体高度为竖杆高度。需要注意的是，本发明中连接杆（6、7）的有效长度小于相对应横杆长度（3、4）的一半，因此三接铰链的转动轴偏移距离应大于五接铰链的转动轴偏移距离（偏移距离指连接接头与铰链相连形成的转动轴与铰链中心处的距离）。此设计使四边形单元在完全展开到位后具有单向自锁性，可约束完全展开的四边形单元无法绕三接铰链或五接铰链的转动轴发生整体旋转，否则展开到位后的四边形单元等价于四连杆机构，将产生额外的运动自由度。滑动铰链和转动铰链的转动轴偏移距离与五接铰链相同。

四边形单元在完全收拢状态下的构型如图9的（b）所示，此时横杆（3、4）转动至竖直方向，与竖杆（1、2）平行。连接杆（6、7）位置由铰链旋转轴位置确定，由于三接铰链与五接铰链旋转轴偏移距离不同，此时连接杆会偏离竖直方向。斜套杆5缩短至最小长度，同时旋转至竖直方向，环形桁架的整体高度约为竖杆的高度。相较于已有Astromesh天线一代和二代构型，本发明实例的收拢高度有了显著降低。

四边形单元在展开过程中，各铰链约束相应杆件仅能在自己所处的铅垂面内运动。假设所有杆件均为刚性部件不发生变形，相较于Astromesh的二代构型，连接杆（6、7）的引入使得展开过程中滑动铰链8、三接铰链10和转动铰链14所对应的连接轴在基本单元左上角所形成的平面三角形与滑动铰链9、三接铰链11和转动铰链15所对应的连接轴在基本单元右下角所形成的平面三角形相似。由于上下横杆的长度相同，滑动铰链固定于横杆中点，故四边形单元内部的这两个三角形全等，从而保证了滑动铰链8和9所滑移的距离时刻保持相等，即基本单元内横杆和竖杆构成的一直是平行四边形。这表明上下连接杆的引入可实现本发明的环形桁架在展开过程中基本单元内的同步性，即基本单元的自由度为1。

在另一实施例中，本发明的桁架为椭圆形桁架，椭圆形桁架与网面的连接点为椭圆内接等角多边形，故相邻两四边形单元内的竖杆高度相同但横杆长度不同。根据四边形单元内部的同步性要求，相邻两四边形单元的公共竖杆上的滑动铰链的滑移距离应与其左右两侧的滑动铰链的滑移距离相同，而在每个四边形单元内部根据三角形全等的要求其构型必定唯一，故相邻两四边形单元的同步性得到了保证。综上，本发明提出的天线机构实际展开时，可通过扭簧或驱动绳驱动基本单元内的滑动铰链8向上滑移，带动上横杆3顺时针转动，通过转动铰链15带动下连接杆7逆时针转动，同时根据基本单元内同步性的要求带动本单元内右侧的滑动铰链9沿竖杆2向下滑移，驱动相连接的下横杆4和下连接杆7转动，带动竖杆2在中层铅垂面Ⅱ内向远离竖杆1的方向水平移动，而在竖直方向基本不产生位移，保证了展开过程中的高度不变。同时相邻基本单元间的同步性保证了不同基本单元的同步展开（滑动铰链滑移距离相等），桁架整体为单自由度机构。

网状天线展开到位后，三接铰链限制滑移铰链不会滑离竖杆，此时横杆与连接杆平行，与相连的竖杆夹角均为90°。桁架整体呈圆柱或椭圆柱状结构，主网和副网全部张紧至工作时的网面构型。

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。

Claims (3)

1.一种高收纳比环形可展开网状天线，其特征在于，包括环形桁架、主网面和副网面；所述环形桁架由沿环向分布的多个结构相同的四边形单元连接而成，组成的整体为圆形内接周期性桁架或椭圆形内接周期性桁架；所述主网面和副网面均为三角剖分的抛物面，且分别附着于所述环形桁架的上层和下层，主网面和副网面的对应节点间连接有张力弹簧，在展开工作态下主网面和副网面的几何形状完全相同，并关于所述环形桁架上下对称；

所述环形桁架的每个四边形单元均分别包括两根竖杆、两根横杆、两根连接杆、一根可伸缩的斜套杆、两个滑动铰链、两个三接铰链、两个五接铰链和两个转动铰链；相邻两四边形单元共用同一根竖杆及其上附属的铰链；所述环形桁架内的某一四边形单元所包含的各杆件分布于三个铅垂面内，两根连接杆位于内层铅垂面内，两根竖杆和两根横杆均位于中层铅垂面内，可伸缩的斜套杆位于外层铅垂面内；所述环形桁架的四边形单元内各部件的连接关系为：

各竖杆两端，其中一端固定有一个三接铰链，另一端固定有一个五接铰链，且两根竖杆上的两个三接铰链呈对角布置、两个五接铰链呈对角布置；各滑动铰链分别位于相应的一根竖杆上，且允许沿竖杆轴线上下滑动；两根横杆呈上下布置，各横杆的一端分别与一根竖杆一端的五接铰链连接，各横杆的另一端分别与另一根竖杆上的滑动铰链连接，各横杆的两端均可绕相连的铰链连接轴转动；两个转动铰链分别固定于两根横杆的中点位置；两根连接杆呈上下布置，其中上连接杆的两端分别与一根竖杆上的三接铰链和上横杆上的转动铰链连接，下连接杆的两端分别与另一根竖杆上的三接铰链和下横杆上的转动铰链连接，各连接杆的两端均可绕相连的铰链连接轴转动；所述斜套杆的两端分别与两根竖杆上呈对角设置的五接铰链连接，并可绕相连的铰链连接轴转动。

2.根据权利要求1所述的环形可展开网状天线，其特征在于，所述环形桁架为单自由度机构，在展开工作态、收拢态和展开过程中的高度始终近似等于竖杆的高度。

3.根据权利要求1所述的环形可展开网状天线，其特征在于，各连接杆的有效长度小于相应横杆长度的一半，所述三接铰链的转动轴偏移距离大于五接铰链的转动轴偏移距离，以实现环形桁架在完全展开到位后的单向自锁。

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