CN114039191A - 一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，包括至少两组天线单元、柔性折铰杆组件、驱动组件、薄膜阵面和基座，所述基座上相对设置至少两组天线单元；相邻的天线单元之间设置薄膜阵面，并通过所述柔性折铰杆组件连接；所述驱动组件设置在所述基座上，依次连接所述天线单元，并与所述柔性折铰杆组件共同实现展开机构的展开和收拢。本发明通过驱动组件及柔性折铰杆组件混合驱动，驱动组件驱动展开的同时，柔性折铰杆的驱动力能驱动展开后的锁定，保证展开机构有序展开，具有超轻、高刚度、高强度、大收纳比等特点。

Description

一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构。

背景技术

随着天基观测需求的不断深入，未来空间观测任务对SAR天线的提出了更大口径，更轻质量的要求。受火箭整流罩尺寸包络约束与载荷重量限制，新型空间可展开结构的发展越发迫切。空间可展薄膜天线结构是近年来广泛研究和的结构，具备轻量化，高收纳比，高精度等优点。其中，空间可展开桁架结构作为一维线性体系，具有刚度高、质量轻、折叠体积小、重复展开精度高等特点，在太空探索任务中可用来支撑大型太阳翼、大型SAR天线等有效载荷，同时也可作为薄膜SAR的主体结构。

传统的一维展开机构有铰链式展开臂和盘绕压杆等形式，如美国ACE-Able公司的四边形截面铰接式支撑臂FAST，安装在国际空间站上用来支撑太阳能展开帆板。铰接式支撑臂ADAM,用以满足更长、更高刚度支撑臂的需求，铰接式支撑臂具有高刚度、高承载能力，较高的可靠性等特点，但其结构形式复杂。盘压杆式展开臂在传统的航天器上也有相应的应用，但结构形式复杂，重量大。未来空间薄膜天线对可展开机构提出了更大尺寸，更高收纳比，更轻质量的要求。传统的一维展开机构，难以满足上述性能要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，具有超轻、高刚度、高强度、大收纳比等特点，并可以克服现有桁架展开机构重量收纳体积大等的不足。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，包括至少两组天线单元、柔性折铰杆组件、驱动组件、薄膜阵面和基座，所述基座上相对设置至少两组天线单元；相邻的天线单元之间设置薄膜阵面，并通过所述柔性折铰杆组件连接；所述驱动组件设置在所述基座上，依次连接所述天线单元，并与所述柔性折铰杆组件共同实现展开机构的展开和收拢。

进一步的，所述驱动组件采用丝杠设置在所述基座上，并依次连接每组天线单元。

进一步的，所示天线单元包括斜边连接杆、顶边杆、底边杆、第一接头和第二接头，其中斜边连接杆和底边杆相对设置，两者的端部之间分别通过顶边杆连接成梯形框架；所述顶边杆分别与所述斜边连接杆、底边杆之间设置第一接头、第二接头，所述第一接头和第二接头分别连接所述驱动组件。

进一步的，所述斜边连接杆和底边杆之间还设置斜边加强杆进行加强固定。

进一步的，所述斜边加强杆采用两根进行连接，两根所述斜边加强杆的一端分别与所述斜边连接杆的两端部连接，并固定在所述第一接头上；另一端通过第三接头固定在底边杆的中部。

进一步的，所示柔性折铰杆组件包括柔性折铰杆、设置在所述柔性折铰杆两端部的铰链，所述铰链连接在天线单元上；所述柔性折铰杆的杆身沿轴向设置有开口，并能够进行收拢折叠。

进一步的，所述柔性折铰杆采用碳纤维复合材料管制成。

进一步的，所述开口为长条形状，两端部为半圆形结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的薄膜天线展开机构通过柔性折铰杆组件和驱动组件实现天线单元的展开和收拢，可保证可靠展开的要求，机构中所含构件少且结构简单，构件之间连接方式单一，以最小的重量代价实现最大的展开体积和刚度，满足超大口径薄膜天线高刚度、轻质量和低收纳包络的要求。

(2)本发明中柔性折铰杆组件的柔性折铰杆通过设置开口，形成带自驱动柔性铰链功能，有效降低机构重量，并提高机构的热稳定性。所述柔性折铰杆组件的重量轻，展开过程有序，锁定后稳定，并能支撑薄膜阵面展开，满足了薄膜天线有序展开和展开精度的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构的结构示意图。

图2为本发明中天线单元的结构示意图。

图3为本发明中柔性折铰杆组件的折叠状态图。

图4为本发明中柔性折铰杆组件的展开状态图。

图5为本发明中空间薄膜天线展开机构的张开示意图。

图6为本发明中空间薄膜天线展开机构的收拢示意图。

附图标记说明如下：1-天线单元、2-柔性折铰杆组件、3-驱动组件、4-薄膜阵面、5-基座、101-斜边连接杆、102-顶边杆、103-底边杆、104-斜边加强杆、105-第一接头、106-第二接头、107-第三接头、201-铰链、202-柔性折铰杆、203-开口。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1所示，本发明提供一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，包括至少两组天线单元1、柔性折铰杆组件2、驱动组件3、薄膜阵面4和基座5，两组天线单元1相对设置在所述基座5上。两组天线单元1之间设置薄膜阵面4，并通过柔性折铰杆组件2连接。所述驱动组件3设置在所述基座5上，并连接所述天线单元1，与所述柔性折铰杆组件2共同实现展开机构的展开和收拢。

本实施例中，所述天线单元1提供薄膜阵面4的安装接口，收拢状态时所述薄膜阵面4以Z字型折叠储存于相邻的天线单元1之间，通过驱动机构3及柔性折铰杆组件2两者混合驱动后，整个展开机构进行展开并完成锁定，同时将平面薄膜阵面4张拉到位，形成高精度稳定的天线结构。

进一步的，所述驱动组件3采用丝杠设置在所述基座5上，并依次连接每组天线单元1，结构简单、工作可靠。

参阅图2所示，所示天线单元1为梯形框架结构，包括斜边连接杆101、顶边杆102、底边杆103、第一接头105和第二接头106，其中斜边连接杆101和底边杆103相对设置，两者的端部之间分别通过顶边杆102连接成梯形框架。所述顶边杆102分别与所述斜边连接杆101、底边杆103之间设置第一接头105、第二接头106，所述第一接头105和第二接头106分别连接所述驱动组件3的丝杠。

进一步的，所述斜边连接杆101和底边杆103之间还设置斜边加强杆104进行加强固定，保证整个梯形框架结构的稳定。具体的，采用两根斜边加强杆104进行连接，两根所述斜边加强杆104的一端分别与所述斜边连接杆101的两端部连接，并固定在所述第一接头105上，另一端通过第三接头107固定在底边杆103的中部。

本实施例中，所述天线单元1也可以根据需要，采用三角形、矩形等其它封闭几何形状，由于梯形结构的单侧边长，而且在面积很大的情况下内部结构的稳定性强，纵向的收缩包络(即高的方向)小于三角形，因此，本实施例的天线单元1采用梯形框架结构，稳定性强，并能够符合一些外界约束下的大收纳比要求。

参阅图3和图4所示，所示柔性折铰杆组件2包括通过施加中间开口可实现大变形折叠的复合材料柔性折铰杆202、设置在所述柔性折铰杆202两端部的铰链201，所述柔性折铰杆202的杆身沿轴向设置有开口203，所述铰链201连接在天线单元1上。通过开口203使柔性折铰杆202进行折叠，柔性折铰杆组件2可以进行0度～180度展开自驱动并锁定。

具体的，所述柔性折铰杆202上开口203的大小根据刚度需求，可适当扩大或者缩小，所述开口203的形状采用长条形状，两端部为半圆形结构。所述柔性折铰杆202收拢折叠时，挤压所述开口203使其产生变形，展开后自动恢复形状，在无其它外力的作用下能够保持稳定。

进一步的，所述柔性折铰杆202采用碳纤维复合材料管制成，结构简单、重量轻，并能可靠地支撑所述薄膜阵面4。

具体的，相对的天线单元1之间设置四组所述柔性折铰杆组件2，即相对的两组第一接头105之间、及两组第二接头106之间都设置有柔性折铰杆组件2，并通过铰链201进行连接，即所述柔性连接杆202的两端通过铰链201连接在相对的第一接头105和第二接头106上。

本实施例中，所述天线单元1为薄膜天线机构的结构框架，所述柔性折铰杆组件2为展开机构的主承力结构，并能提供一定的展开驱动力，通过柔性折铰杆组件2连接梯形框架结构的天线单元1的四个角点，形成完整的天线结构。

本实施例中，所述天线单元1采用的梯形框架，可设置为任意尺寸，所述柔性连接杆202可形成任意长度，即所述天线单元1和柔性连接杆202两者的结构形式和尺寸可以根据实际需要进行调整，以满足不同口径的天线结构的任务需求。

参阅图5和图6所示，本发明提供的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，工作原理如下：

薄膜天线展开机构具备展开和收拢两个状态，通过安装在基座5上驱动组件3即丝杠驱动展开。展开过程通过驱动组件3的丝杠提供驱动，并通过柔性折铰杆202自驱动，使柔性折铰杆202由0度收拢状态完全展开至180度展开状态。

天线展开机构展开时,丝杠转动并驱动最外侧天线单元1即远离基座5的天线单元1先展开。展开过程中，弯折状态的柔性折铰杆202产生向前的驱动力，但该驱动力会阻挡内侧的天线单元1即靠近基座5的天线单元1展开，成为内侧天线单元1往前运动的阻力，直至丝杠驱动当前的天线单元1完全展开到位后，此时柔性折铰杆202展开至180°，该驱动力及阻力消失，内侧的天线单元1才能继续展开，保证展开过程有序，即使整个机构展开过程有序，柔性折铰杆202自身形成稳定的结构，同时展开机构完全展开，并最终形成稳定的四棱柱空间结构。

展开机构收拢时，柔性折铰杆202折叠成0度状态，平行于天线单元1即梯形框架的边并收拢于梯形框架内，即连接第一接头105之间的柔性折铰杆202平行收拢在所述斜边连接杆101的一侧，所述第二接头106之间的柔性折铰杆202平行收拢在所述顶边杆102的一侧。

本发明适用于轻量化、超大口径、大负载、高精度的星载大型SAR天线，具备展开驱动功能，展开可靠稳定，展开后刚度高，具有超轻、高刚度、高强度、大收纳比等特点，可以克服现有桁架展开机构重量收纳体积大等的不足。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：包括至少两组天线单元、柔性折铰杆组件、驱动组件、薄膜阵面和基座，所述基座上设置至少两组天线单元；相邻的天线单元之间设置薄膜阵面，并通过所述柔性折铰杆组件连接；所述驱动组件设置在所述基座上，依次连接所述天线单元，并与所述柔性折铰杆组件共同实现展开机构的展开和收拢。

2.根据权利要求1所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所述驱动组件采用丝杠设置在所述基座上，并依次连接每组天线单元。

3.根据权利要求1所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所示天线单元包括斜边连接杆、顶边杆、底边杆、第一接头和第二接头，其中斜边连接杆和底边杆相对设置，两者的端部之间分别通过顶边杆连接成梯形框架；所述顶边杆分别与所述斜边连接杆、底边杆之间设置第一接头、第二接头，所述第一接头和第二接头分别连接所述驱动组件。

4.根据权利要求3所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所述斜边连接杆和底边杆之间还设置斜边加强杆进行加强固定。

5.根据权利要求4所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所述斜边加强杆采用两根进行连接，两根所述斜边加强杆的一端分别与所述斜边连接杆的两端部连接，并固定在所述第一接头上；另一端通过第三接头固定在底边杆的中部。

6.根据权利要求1所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所示柔性折铰杆组件包括柔性折铰杆、设置在所述柔性折铰杆两端部的铰链，所述铰链连接在所述天线单元上；所述柔性折铰杆的杆身沿轴向设置有开口，并能够进行收拢折叠。

7.根据权利要求6所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所述柔性折铰杆采用碳纤维复合材料管制成。

8.根据权利要求6所述的基于柔性折铰杆的空间薄膜天线展开机构，其特征在于：所述开口为长条形状，两端部为半圆形结构。

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