CN113300120A - 高形面精度空间抛物面固面天线反射面 - Google Patents

高形面精度空间抛物面固面天线反射面 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面，包括瓣片组件以及支撑桁架，所述瓣片组件包括多个反射面瓣片，所述支撑桁架包括杆件组件以及多个桁架接头，所述桁架接头安装在所述杆件组件上并能够与杆件组件滑动配合；其中，所述反射面瓣片安装在相对应的所述桁架接头上且多个所述反射面瓣片共同形成一个不连续的旋转抛物面，每相邻的两个所述反射面瓣片间隔布置，本发明设计相互独立的多个反射面瓣片并结合热稳定支撑支撑桁架，能够明显降低空间环境中固面天线反射面的热变形量级，提升固面天线反射面在空间环境中的形面精度，进而提升天线的工作频率及天线性能，解决了现有技术的不足，结构简单，性能可靠。

Description

高形面精度空间抛物面固面天线反射面
技术领域
本发明涉及空间固面天线反射面结构技术领域，具体地，涉及一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面。
背景技术
随着科学技术的发展，空间探索、观测及空间通讯需要口径更大、形面精度更高的大型高精度空间固面天线。在空间环境中，空间固面天线反射面的温度将随着轨道位置产生剧烈变化，导致固面天线反射面产生热变形，进而降低天线反射面的形面精度。目前，空间固面天线反射面的热变形是制约天线性能提升的关键因素。天线的工作频率越高，其电性能越优异，但对天线反射面的热变形要求也越高。因此，具有高形面精度的固面天线反射面，是实现高工作频率高性能空间天线的基础。
目前各种空间固面天线反射面主要通过材料及结构设计来降低固面天线反射面的热变形。碳纤维增强复合材料由于热膨胀系数较低，已被大量应用于空间天线反射面。在结构设计上，通过在天线反射面内部或背面设置刚度较大的加强筋或刚性支撑结构，如专利文献CN104393421A公开了一种分瓣式高精度全复合材料天线反射器，利用复合材料作为天线反射面结构材料，并采用了加强筋以提升天线反射面刚度；再如专利文献CN203242751U公开了一种轻量化新型高精度天线反射面，在天线反射面的内部设置多个加强筋、加强梁，以增加天线反射面的刚度，提升其保形能力，以抑制天线反射面的热变形，但以上设计虽然通过增加天线反射面的整体结构刚性能够降低天线反射面在空间环境下的热变形，但是加强筋或刚性支撑结构自身也会产生一定的热变形，加强筋或刚性支撑结构的热变形决定了天线反射面的热变形控制的极限。现有的天线反射面结构设计方法，从基本原理上无法进一步降低天线反射面在空间环境下的热变形。怎样仅通过新型结构设计，实现简单可靠且具有高形面精度的空间固面天线反射面，是我国超高性能空间天线研制所面临的一大挑战。
我国现阶段已公开的发明中，应用于不同航天器的高精度固面天线反射面大都采用增加结构刚度的热变形抑制方案。因此，简单可靠且具有高形面精度的固面天线反射面，对于我国超高工作频率、超高性能空间天线的实现至关重要，是我国现阶段必须解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面。
根据本发明提供的一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面，包括瓣片组件以及支撑桁架；
所述瓣片组件包括多个反射面瓣片，所述支撑桁架包括杆件组件以及多个桁架接头，所述桁架接头安装在所述杆件组件上并能够与杆件组件滑动配合；
其中，所述反射面瓣片安装在相对应的所述桁架接头上且多个所述反射面瓣片共同形成一个不连续的旋转抛物面，每相邻的两个所述反射面瓣片间隔布置。
优选地，多个所述反射面瓣片包括边缘瓣片和中心瓣片；
多个所述中心瓣片依次间隔连接形成所述旋转抛物面的底部，多个所述边缘瓣片依次间隔连接形成所述旋转抛物面的顶部。
优选地，设置在所述支撑桁架中部的桁架接头作为对外机械接口用于连接外部航天器。
优选地，所述杆件组件中所具有的桁架杆与桁架接头能够相对滑动进而所述桁架杆的热变形无法传递至所述桁架接头上。
优选地，所述反射面瓣片采用碳纤维复合材料蒙皮铝蜂窝夹层结构。
优选地，每个所述反射面瓣片的几何中心点与所述桁架接头连接。
优选地，所述桁架接头以及杆件组件均采用碳纤维复合材料制作。
优选地，所述边缘瓣片和中心瓣片的数量均为6个；
6个边缘瓣片、6个中心瓣片分别依次环向阵列布置，形成一个不连续的旋转抛物面反射面，6个边缘瓣片、6个中心瓣片分别在各自的几何中心点与相对应的所述桁架接头紧固连接。
优选地，所述支撑桁架包括6个桁架二通接头、6个桁架五通接头、6个第一桁架四通接头，6个桁架三通接头，6个第二桁架四通接头、12个第一桁架杆件、12个第二桁架杆件、12个第三桁架杆件、6个第四桁架杆件、6个第五桁架杆件以及6个第六桁架杆件；
6个桁架二通接头、6个桁架五通接头、6个第一桁架四通接头、6个桁架三通接头、6个第二桁架四通接头分别形成环向阵列布置，每个第一桁架杆件一端插入桁架二通接头、另一端插入桁架五通接头，每个第二桁架杆件一端插入桁架五通接头、另一端插入第一桁架四通接头，每个第三桁架杆件一端插入第一桁架四通接头、另一端插入桁架三通接头，每个第四桁架杆件一端插入桁架三通接头、另一端插入第二桁架四通接头，每个第五桁架杆件一端插入第二桁架四通接头、另一端插入另一个第二桁架四通接头，每个第六桁架杆件一端插入第二桁架四通接头、另一端插入桁架五通接头。
优选地，6个桁架五通接头分别设置在6个中心瓣片几何中心点的正下方，6个桁架五通接头分别与6个中心瓣片的几何中心点紧固连接；
6个第二桁架四通接头分别设置在6个边缘瓣片几何中心点的正下方，6个第二桁架四通接头分别与6个边缘瓣片的几何中心点紧固连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明抛弃传统的空间固面天线的反射面连续旋转抛物面的设计，通过降低天线结构部件的关联，设计相互独立的多个反射面瓣片，并结合热稳定支撑桁架，能够明显降低空间环境中固面天线反射面的热变形量级，提升固面天线反射面在空间环境中的形面精度，进而提升天线的工作频率及天线性能，实现了天线反射面高形面精度的要求，解决了现有技术的不足，结构简单，性能可靠。
2、本发明中天线反射面优选采用12片反射面瓣片，每个反射面瓣片在空间环境下的热变形相互独立，由于每片反射面瓣片的尺寸相对较小，相同热应变情况下其热变形较小，进而使得天线反射面的总体热变形远小于传统连续的反射面。
3、传统的空间固面天线，其反射面通常固定在一个刚度较大的支撑结构上，通过支撑结构高刚度的特性抑制天线反射面的热变形。而支撑结构自身的热变形也将引起天线反射面的热变形。而本发明中天线反射面的支撑结构为热稳定支撑桁架，热稳定支撑桁架通过解除桁架节点与杆件之间的滑动约束，使得单个杆件的伸缩热变形无法传递到整个支撑桁架中，进而使得桁架节点的热致位移接近为零，实现热稳定特性，使得热稳定桁架对天线反射面的热变形无影响。
4、本发明能够根据实际的应用场景，通过减小天线反射面瓣片的面积、增加反射面瓣片的数量的方式，进一步降低天线反射面总体最大热变形，提升天线反射面总体形面精度，以满足实际产品的需求，结构灵活，实用性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的结构俯视示意图；
图3为本发明中天线反射面朝向一侧时的正面结构示意图；
图4为本发明的结构仰视示意图；
图5为本发明中天线反射面朝向下方时的正面结构示意图；
图6为本发明中支撑桁架的结构示意图；
图7为本发明中支撑桁架的局部剖面示意图。
图中示出：
11—边缘瓣片 205—第二桁架四通接头
12—中心瓣片 206—第一桁架杆件
20--热稳定桁架 207—第二桁架杆件
201--桁架二通接头 208--第三桁架杆件
202--桁架五通接头 209—第四桁架杆件
203—第一桁架四通接头 210--第五桁架杆件
204--桁架三通接头 211—第六桁架杆件
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面，为空间固面天线的反射面，能够实现电磁信号的接受与发射，适用于空间超高频率高性能天线，包括瓣片组件以及支撑桁架20，所述瓣片组件包括多个反射面瓣片，所述支撑桁架20包括多个桁架接头以及杆件组件，所述桁架接头安装在所述杆件组件上并在所述杆件组件发生热形变时与杆件组件滑动配合，所述杆件组件同时起到支撑作用，其中，所述反射面瓣片安装在相对应的所述桁架接头上且多个所述反射面瓣片共同形成一个不连续的旋转抛物面，每相邻的两个所述反射面瓣片间隔布置，天线反射面固定在热稳定支撑桁架20上，天线反射面与外部航天器结构无直接关联，在一定的热应变情况下，传统的热变形总体为热应变与天线反射面尺寸的乘积，导致连续天线反射面的热变形随着尺寸增加而不断增大，而本发明中的热稳定支撑桁架20通过解除桁架节点与杆件组件所具有的杆件之间的滑动约束，使得单个杆件的伸缩热变形无法传递到整个支撑桁架20中，进而使得桁架节点的热致位移接近为零，实现热稳定特性，使得热稳定桁架对天线反射面的热变形无影响。
具体地，所述反射面瓣片分为边缘瓣片11和中心瓣片12，多个所述中心瓣片12依次间隔连接形成所述旋转抛物面的底部，多个所述边缘瓣片11依次间隔连接形成所述旋转抛物面的顶部。多个天线反射面瓣片的热变形相互独立，天线反射面总体的最大热变形为单个瓣片的最大热变形。所述边缘瓣片11和中心瓣片12的数量优选为为6片。
具体地，所述支撑桁架20提供对外机械接口，所述支撑桁架20的中部设置有与外部航天器连接的桁架接头。热稳定支撑桁架20中最内侧6个桁架接头为天线反射面的外部机械接口，最内侧的6个桁架接头与外部航天器固连，热稳定支撑桁架20中，每个桁架接头的空间位置取决于外部接口位置及天线反射面瓣片的位置。
本发明中所述杆件组件中所具有的桁架杆与桁架接头能够相对滑动进而所述桁架杆的热变形无法传递至所述桁架接头上，桁架接头的热致位移接近为0，热稳定桁架的热变形对天线反射面瓣片的总体形面精度无影响。
所述反射面瓣片优选采用碳纤维复合材料蒙皮铝蜂窝夹层的三明治结构，所述桁架接头以及杆件组件均采用碳纤维复合材料制作，每个所述反射面瓣片的几何中心点与所述桁架接头连接。
应该说明的是，本发明能够通过减小天线反射面瓣片的面积，增加反射面瓣片的数量的方式，进一步降低天线反射面总体最大热变形，提升天线反射面总体形面精度。
实施例2：
本实施例为实施例1的一个优选例。
本实施例中，高形面精度空间抛物面固面天线反射面包括12片反射面瓣片，12片反射面瓣片形成一个连续旋转抛物面天线反射面，天线反射面支撑桁架20包括30个桁架接头以及杆件组件中的54个杆件共同拼接而成；支撑桁架20中，桁架接头采用空心结构，杆件插入桁架接头中，杆件与桁架接头之间无需固定连接，杆件与桁架接头可实现相对滑动，12片天线反射面瓣片与热稳定支撑桁架20固连。
进一步地，12个天线反射面瓣片的几何中心点与热稳定支撑桁架20的12个桁架接头固连。热稳定支撑桁架20中，每个杆件插入接头中，杆件与桁架接头可以产生相对滑动。热稳定支撑桁架20中，最内侧6个桁架二通接头201为天线反射面的对外机械接口，6个桁架二通接头201固定在航天器结构上。当热稳定支撑桁架20中杆件产生伸缩热变形时，由于杆件与桁架接头可以产生相对滑动，每个杆件的热变形无法传递至对应的桁架接头，使得热稳定支撑桁架20中每个桁架接头的热致位移接近为0，进而热稳定支撑桁架20对天线反射面的形面精度无影响。
本实施例中，12个天线反射面瓣片之间无连接，12个天线反射面瓣片组成一个不连续的旋转抛物面。在空间剧烈温差作用下，每个天线反射面瓣片的热变形相互独立，天线反射面整体的最大热变形为单个天线反射面瓣片的最大热变形，由于单个天线反射面瓣片的尺寸相对较小，其最大热变形较小，进而有效地降低了天线反射面整体的形面误差。
具体地，如图1至图7所示，本实施例提供了一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面，包括6个边缘瓣片11、6个中心瓣片12以及支撑桁架20，所述支撑桁架20包括6个桁架二通接头201、6个桁架五通接头202、6个第一桁架四通接头203，6个桁架三通接头204，6个第二桁架四通接头205、12个第一桁架杆件206、12个第二桁架杆件207、12个第三桁架杆件208、6个第四桁架杆件209、6个第五桁架杆件210以及6个第六桁架杆件211。
所述6个边缘瓣片11以及6个中心瓣片12环向阵列布置，形成一个不连续的旋转抛物面反射面。所述6个边缘瓣片11及6个中心瓣片12分别在其几何中心点与热稳定支撑桁架20固连，热稳定支撑桁架20由6个桁架二通接头201、6个桁架五通接头202、6个第一桁架四通接头203，6个桁架三通接头204，6个第二桁架四通接头205、12个第一桁架杆件206、12个第二桁架杆件207、12个第三桁架杆件208、6个第四桁架杆件209、6个第五桁架杆件210以及6个第六桁架杆件211组装而成，6个桁架二通接头201、6个桁架五通接头202、6个第一桁架四通接头203，6个桁架三通接头204，6个第二桁架四通接头205环向阵列布置，每个第一桁架杆件206一端插入桁架二通接头201、另一端插入桁架五通接头202，每个第二桁架杆件207一端插入桁架五通接头202、另一端插入第一桁架四通接头203，每个第三桁架杆件208一端插入第一桁架四通接头203、另一端插入桁架三通接头204，每个第四桁架杆件209一端插入桁架三通接头204、另一端插入第二桁架四通接头205，每个第五桁架杆件210一端插入第二桁架四通接头205、另一端插入另一个第二桁架四通接头205，每个第六桁架杆件211一端插入第二桁架四通接头205、另一端插入桁架五通接头202。
进一步地，6个桁架五通接头202分别设置在6个中心瓣片12几何中心点的正下方，6个桁架五通接头202与6个中心瓣片12的几何中心点紧固连接。6个第二桁架四通接头205分别设置在6个边缘瓣片11几何中心点的正下方，6个第二桁架四通接头205分别与6个边缘瓣片11的几何中心点紧固连接。
在空间环境中，热稳定桁架20中的每个桁架接头的热致位移为0；6个桁架二通接头201为天线反射面的外接机械接口，与航天器结构连接。在空间环境中6个边缘瓣片11及6个中心瓣片12的热变形相互独立，所形成的天线反射面最大热变形为单个边缘瓣片11或单个中心瓣片12的最大热变形量。
在本实施例中，天线反射面的口径为2m，焦距为0.5m；天线反射面由12片独立瓣片组合而成，外侧6片反射面独立瓣片形状相同，设置在中心内侧6片反射面独立瓣片形状相同；外侧和内侧独立瓣片的几何中心点分别处于直径1500mm及直径500mm的圆环上；天线反射面瓣片的厚度为20mm，天线反射面瓣片的碳纤维蒙皮铺层为±45度对称铺层，碳纤维蒙皮厚度为0.3mm；热稳定桁架杆件外径30mm，桁架接头内径30mm，壁厚分别为1mm，采用碳纤维复合材料制备而成，铺层为±45度对称铺层；热稳定桁架中每个桁架杆件的长度为相邻桁架接头中心点之间距离减去50mm。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，包括瓣片组件以及支撑桁架(20)；
所述瓣片组件包括多个反射面瓣片，所述支撑桁架(20)包括杆件组件以及多个桁架接头，所述桁架接头安装在所述杆件组件上并能够与杆件组件滑动配合；
其中，所述反射面瓣片安装在相对应的所述桁架接头上且多个所述反射面瓣片共同形成一个不连续的旋转抛物面，每相邻的两个所述反射面瓣片间隔布置。
2.根据权利要求1所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，多个所述反射面瓣片包括边缘瓣片(11)和中心瓣片(12)；
多个所述中心瓣片(12)依次间隔连接形成所述旋转抛物面的底部，多个所述边缘瓣片(11)依次间隔连接形成所述旋转抛物面的顶部。
3.根据权利要求1所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，设置在所述支撑桁架(20)中部的桁架接头作为对外机械接口用于连接外部航天器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，所述杆件组件中所具有的桁架杆与桁架接头能够相对滑动进而所述桁架杆的热变形无法传递至所述桁架接头上。
5.根据权利要求1至3任一项所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，所述反射面瓣片采用碳纤维复合材料蒙皮铝蜂窝夹层结构。
6.根据权利要求1至3任一项所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，每个所述反射面瓣片的几何中心点与所述桁架接头连接。
7.根据权利要求1至3任一项所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，所述桁架接头以及杆件组件均采用碳纤维复合材料制作。
8.根据权利要求2所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，所述边缘瓣片(11)和中心瓣片(12)的数量均为6个；
6个边缘瓣片(11)、6个中心瓣片(12)分别依次环向阵列布置，形成一个不连续的旋转抛物面反射面，6个边缘瓣片(11)、6个中心瓣片(12)分别在各自的几何中心点与相对应的所述桁架接头紧固连接。
9.根据权利要求8所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，所述支撑桁架(20)包括6个桁架二通接头(201)、6个桁架五通接头(202)、6个第一桁架四通接头(203)，6个桁架三通接头(204)，6个第二桁架四通接头(205)、12个第一桁架杆件(206)、12个第二桁架杆件(207)、12个第三桁架杆件(208)、6个第四桁架杆件(209)、6个第五桁架杆件(210)以及6个第六桁架杆件(211)；
6个桁架二通接头(201)、6个桁架五通接头(202)、6个第一桁架四通接头(203)、6个桁架三通接头(204)、6个第二桁架四通接头(205)分别形成环向阵列布置，每个第一桁架杆件(206)一端插入桁架二通接头(201)、另一端插入桁架五通接头(202)，每个第二桁架杆件(207)一端插入桁架五通接头(202)、另一端插入第一桁架四通接头(203)，每个第三桁架杆件(208)一端插入第一桁架四通接头(203)、另一端插入桁架三通接头(204)，每个第四桁架杆件(209)一端插入桁架三通接头(204)、另一端插入第二桁架四通接头(205)，每个第五桁架杆件(210)一端插入第二桁架四通接头(205)、另一端插入另一个第二桁架四通接头(205)，每个第六桁架杆件(211)一端插入第二桁架四通接头(205)、另一端插入桁架五通接头(202)。
10.根据权利要求9所述的高形面精度空间抛物面固面天线反射面，其特征在于，6个桁架五通接头(202)分别设置在6个中心瓣片(12)几何中心点的正下方，6个桁架五通接头(202)分别与6个中心瓣片(12)的几何中心点紧固连接；
6个第二桁架四通接头(205)分别设置在6个边缘瓣片(11)几何中心点的正下方，6个第二桁架四通接头(205)分别与6个边缘瓣片(11)的几何中心点紧固连接。
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