CN114476148B - 星载平板式天线重力卸载装置及方法 - Google Patents

星载平板式天线重力卸载装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航天卫星领域的一种星载平板式天线重力卸载装置及方法，包括龙门框架和钢丝绕卷装置，龙门框架顶部旋转连接调节悬吊拉力的钢丝绕卷装置，钢丝绕卷装置起吊待展开试验的平板式天线使其保持重力平衡。本发明在不改变平板式天线及其展开机构的自身结构形式，不改变星上展开控制器系统特性的条件下，通过悬臂架重力卸载的方法消除地球重力对平板式天线的影响，能够模拟平板式天线在空间失重条件下的工作环境。

Description

星载平板式天线重力卸载装置及方法
技术领域
本发明涉及航天卫星领域，具体地，涉及一种星载平板式天线重力卸载装置及方法。尤其是一种可移动龙门架式星载平板式天线重力卸载装置与方法。
背景技术
为保证星载平板式天线在卫星发射入轨后能正常展开锁定，需要在地面模拟在轨失重环境下平板式天线展开功能，进而验证平板式天线的工作性能。星载的平板式天线一般具有尺寸大、重量重、展开机构精度高等特点，星载的平板式天线为了适应运载火箭整流罩的包络限制，一般通过展开机构折叠收拢压紧在卫星星体的侧面，发射入轨后再通过展开机构展开为一块平板式天线。传统的平板式天线展开试验一般具有前期工装准备周期长、精度调试耗时耗力、状态转换工序复杂的工艺特点。
随着我国航天事业的蓬勃发展，特别是近年来商业航天的快速发展，多星“并行研制、并行测试”的理念贯穿至卫星研制的全周期。由于传统的平板式天线地面展开试验周期较长，为了适应平板式装星后的多星并行研制的迫切需求，特别是400kg～800kg量级的搭载平板式天线的卫星需求快速增加，大幅缩减搭载平板式天线的卫星的地面试验的周期，进而缩短卫星的研制进度，开发可适应状态快速转换、操作简单易用、展开稳妥可靠的地面卸载工装成为迫切需要解决的问题。
目前，在公开的文献和资料中，关于平板式天线地面展开试验的重力卸载工装的设计方法尚无记载。经查，现有技术公开了一种《航天器舱门零重力环境模拟卸载系统设计分析》的论文(赵本华，等，宇航总体技术，2019,3(4)21-27)，介绍某航天器舱门以传统的高刚度桁架结构为基础，桁架下方安装二维平面滑轨吊架组件，在对连接舱门的舱段在刚性基座上固定后，通过吊架组件采用弹性悬挂连接舱门，模拟舱门的零重力在轨展开。该方法是对航天器舱门设计了重力卸载工装，采用了传统的大刚度桁架，固定舱门的基座和大刚度桁架均不可移动。因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术领域。现有技术公开了一种《一种微低重力空间展开卸载系统的设计及应用》的论文(郭晨亮，等，航天制造技术，2017,2(1)38-43),介绍了采用柔性悬吊法+气浮支撑法来设计月球微低重力卸载系统，实现模拟月球重力环境下悬梯机构纵向展开功能。该气浮装置的悬吊力最大约50N，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术方向以及不同的技术应用范围。现有技术公开了《一种空间微波雷达伺服机构地面实验重力卸载装置》的发明专利(朱骏，等，专利号:ZL201210170651.6)，介绍了采用配平组件对悬吊支架另一端的微波雷达伺服机构的俯仰通道支架上的天馈组件进行重力配平，模拟太空失重条件下的工作环境。该装置仅用于悬吊处于静止状态的组件，而本发明介绍了用于平板天线展开试验的重力卸载装置与方法，是一种可用于天线动态展开的地面试验系统，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术领域。
经现有技术专利文献检索发现，中国实用新型专利公开号为CN 211995710 U，公开了一种基于卫星平台的可展开式平板天线支撑装置，属于卫星平台技术领域，用于对平板天线起到支撑作用。其包括箱体、安装板、支撑结构和底座，所述箱体的内部固定安装有蓄电池组，所述蓄电池组的顶部固定安装有两个电机，所述两个电机的顶部通过螺纹杆固定安装有限位轴承，所述螺纹杆两侧的贯穿箱体安装有折叠杆，且折叠杆的外侧通过滑轨固定安装有安装板，所述折叠杆上端的箱体两侧固定安装有导杆，且导杆贯穿安装板，所述两个折叠杆下端的箱体内部旋转安装有螺纹环。该装置仅用于支撑可展开的平板天线，而本发明介绍的是一种医用地面试验的重力卸载装置与方法，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术领域。
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星载平板式天线重力卸载装置与方法。
根据本发明提供的一种星载平板式天线重力卸载装置，包括龙门框架和钢丝绕卷装置，龙门框架顶部旋转连接钢丝绕卷装置，钢丝绕卷装置起吊待展开试验的平板式天线使其保持重力平衡；
钢丝绕卷装置包括悬臂架、钢丝绳旋转筒、钢丝绳以及滑轮，两根悬臂架对称旋转连接于所述龙门框架顶部两侧，钢丝绳旋转筒连接于悬臂架顶部，钢丝绳一端缠绕于钢丝绳旋转筒上，钢丝绳另一端穿过滑轮延伸至悬臂架外部与平板式天线上的滑动组件相连接，滑轮固定在悬臂架远离龙门框架的一端。
一些实施方式中，悬臂架包括支撑座、固定轴以及中心孔，支撑座连接于固定轴的一端，中心孔位于所述固定轴顶端，钢丝绳穿过中心孔。
一些实施方式中，支撑座通过推力球轴承旋转连接在龙门框架上。
一些实施方式中，滑动组件包括滑块和导轨，滑块滑动连接于导轨上，导轨两端分别固定于平板式天线Z向质心两侧的平板式天线框架侧面，滑块与钢丝绳连接；其中，Z向为展开前状态下平板式天线的切向方向。
一些实施方式中，滑块与导轨之间采用二硫化钼涂层润滑。
一些实施方式中，还包括拉力计，拉力计的顶部连接钢丝绳，拉力计底部通过钢丝绳连接滑块。
一些实施方式中，还包括万向轮，龙门框架底部对称安装有多个万向轮。
一些实施方式中，还包括制动盘，制动盘对称分布在龙门框架底部，制动盘对龙门框架进行摩擦制动。
一些实施方式中，还包括控制器，控制器固定在所述龙门框架上且信号连接钢丝绳旋转筒和拉力计。
本发明还提供的一种星载平板式天线重力卸载方法，采用星载平板式天线重力卸载装置，包括如下如步骤：
S1、将平板天线通过铰链连接于卫星平台两侧且沿±X方向进行分块折叠收拢压紧，将待试验用的卫星平台整体竖直放置在二轴平台上，通过二轴平台将卫星平台整体进行后绕X轴翻身90°，使平板式天线正面与地面垂直；其中，X方向为展开前状态下平板式天线的法向方向；
S2、将龙门框架沿±Z方向放置在卫星平台整体上使其包围卫星平台整体和二轴平台，并调整X向的间距使龙门框架与卫星平台对中后，通过集电机和蜗轮蜗杆减速器为一体的钢丝绳旋转筒调整钢丝绳的长度，将钢丝绳与拉力计顶部连接，同时拉力计底部通过钢丝绳与滑块连接；
S3、启动钢丝绳旋转筒，调节钢丝绳的张力，并观察拉力计的数值，当拉力计的数值达到预设值后，通过蜗轮蜗杆减速器使钢丝绳旋转筒停止转动，钢丝绳起吊展开前的平板式天线，驱使卫星平台处于重力平衡状态并开启展开实验；
S4、平板式天线在星上驱动装置和撑杆机构的驱动下使其沿X方向进行展开，在此过程中，驱使滑块在滑轨上相对滑动，驱使悬臂架在龙门框架上进行旋转，当平板式天线展开90°后铰链和撑杆机构锁定，星上驱动装置断电，展开试验结束；
S5、当测试结束后，将平板式天线收拢至原位置后，将龙门框架从卫星平台上撤离。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在不改变平板式天线及其展开机构的自身结构形式，不改变星上展开控制器系统特性的条件下，通过悬臂架重力卸载的方法消除地球重力对平板式天线的影响，能够模拟平板式天线在空间失重条件下的工作环境。
2、本发明所提供的星载平板式天线重力卸载装置，结构简单、安装调整方便、使用安全可靠；所使用的各组件均为普通机械加工便可实现，加工工艺好，本发明涉及的控制器和拉力计均为一般工业产品，成本低廉，维护保养极为便利。
3、本发明所提供的龙门框架通过万向轮和制动盘，可实现卸载装置的快速就位与撤离，所需求的操作空间小，机动性和灵活性好，可适应卫星的工序快速转换需求。
4、本发明采用的推力球轴承连接悬臂架和龙门框架形成无摩擦的转动关节，组成可随平板式天线展开的随动系统，同时，钢丝绳与平板式天线之间采用滑动组件连接，可保证钢丝绳随着滑块在导轨上水平方向近似无摩擦滑动，有效避免钢丝绳在平板式天线展开过程中产生水平方向的分力，保证钢丝绳垂直悬吊，实现平板式天线的重力卸载。
5、本发明的结构刚度稳定性好，可适应单边长度3m、重量120kg以下的平板式天线的展开需求。
6、本发明不仅满足平板式天线重力卸载装置的需求，而且设计逻辑清晰，方法简单可行，便于操作实施，特别是可以推广到多星并行的情形，可有效减少卫星研制的周期。
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为本发明平板式天线在重力卸载状态下展开前的状态示意图；
图2为本发明平板式天线在重力卸载状态下展开后的状态示意图；
图3为本发明钢丝绕卷装置的结构示意图。
图中示出：
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
本发明提供了一种星载平板式天线重力卸载装置，包括龙门框架3和钢丝绕卷装置，龙门框架3顶部旋转连接调节悬吊拉力的钢丝绕卷装置，钢丝绕卷装置起吊待展开试验的平板式天线11使其保持重力平衡。
钢丝绕卷装置包括悬臂架4、钢丝绳旋转筒5、钢丝绳6以及滑轮7，两根悬臂架4对称旋转连接于所述龙门框架3顶部两侧，便于对两块平板式天线11进行同时起吊，缩短时间，提高效率。优选的，在龙门框架3顶部靠近两侧分别安装一根悬臂架4，悬臂架4选用不锈钢0Cr18Ni9，其长度为800mm，高度为150mm。悬臂架一端通过推力球轴承与龙门框架顶部连接，实现悬臂架的无摩擦旋转。钢丝绳旋转筒5固定在悬臂架4距离龙门框架3近的一端的顶部，加强结构的稳定性。钢丝绳6一端环绕固定在钢丝绳旋转筒5上，优选的，钢丝绳6采用直径为Φ8mm的钢丝绳。钢丝绳6另一端穿过滑轮7延伸至悬臂架4外部与平板式天线11上的滑动组件相连接，滑轮7固定在悬臂架4远离龙门框架3的一端，实现了对平板式天线11的旋转起吊。
优选的，钢丝绳旋转筒5为集电机和蜗轮蜗杆减速机为一体的旋转筒，通过旋绕筒的转动调节悬吊拉力。钢丝绳旋绕筒5可以0.05m/s的最大线速度正向或反向旋转调节钢丝绳6悬吊装置的拉力，拉力调整到位后，通过蜗轮蜗杆减速器的自锁特性实现悬挂拉力不变。根据电机的负载F＝(Mb+Ms+Ml+Md)·g，其中，Mb为单块天线板的质量，Ms为钢丝绳6的质量，Ml为拉力计8的质量，Md为滑动组件的质量，g为重力加速度，可以计算出电机减速器的最大功率P＝k·F·v/η，其中，k为功分系数，v为钢丝绳的速度，η为电机的效率。电机转速N＝v/I，其中，I为旋绕筒的半径，通过控制器调节旋绕筒上钢丝绳的长度以调整悬吊拉力。钢丝绳旋绕筒5外部环绕一根直径为Φ6mm的钢丝绳6(选用巨力公司的圆股钢芯钢丝绳，最小破断拉力为24.2KN，具有6倍安全系数)。
优选的，悬臂架4包括支撑座41、固定轴42以及中心孔43，支撑座41通过推力球轴承(优选型号为LYC6205E)旋转连接在龙门框架3上，驱使悬臂架4能在龙门框架3上形成无摩擦的转动关节，组成可随平板式天线展开的随动系统。支撑座41连接于固定轴42的一端，中心孔43位于所述固定轴42顶端，钢丝绳6穿过中心孔43，确保延伸出悬臂架4的钢丝绳6能垂直悬吊滑动组件。
优选的，为了保证悬吊力与重力平衡，采用一副滑动组件，滑动组件包括滑块9和导轨10，滑块9滑动连接于导轨10上，滑块9与导轨10之间采用二硫化钼(MoS2)涂层润滑。导轨10两端分别固定于平板式天线11Z向质心两侧的平板式天线11框架侧面；其中，Z向为展开前状态下平板式天线(11)的切向方向。滑块9与钢丝绳6连接，可保证滑块9随着平板天线11展开过程自由滑动，有效避免钢丝绳6在平板式天线11展开过程中产生水平方向的分力，保证悬挂力的方向与重力方向相反，实现平板天线11的无重力卸载。
优选的，龙门框架3选用截面尺寸为100mm×100mm的45#钢型材焊接制成，龙门框架3包络尺寸为3500mm(长)×1870mm(宽)×3050mm(高)。龙门框架3内部3100mm(长)×2500mm(高)的空间内部可用于放置卫星，宽度方向的空间位置可不受约束。优选刚性结构，占地面积小。
工作原理：调整钢丝绳6的长度，将滑块9与钢丝绳6进行连接，通过钢丝绳旋转筒5进行缩回钢丝绳6使其将平板式天线11进行起吊，同时滑块9在滑轨10上进行滑动，使延伸出悬臂架4的钢丝绳6与滑块9之间保持垂直状态，达到平板式天线11的重力平衡。
本发明在不改变平板式天线及其展开机构的自身结构形式，不改变星上展开控制器系统特性的条件下，通过悬臂架重力卸载的方法消除地球重力对平板式天线的影响，能够模拟平板式天线在空间失重条件下的工作环境。所提供的星载平板式天线重力卸载装置，结构简单、安装调整方便、使用安全可靠；所使用的各组件均为普通机械加工便可实现，加工工艺好。
更为具体的，钢丝绳6拉力经过Z向质心附近，滑块9与导轨10之间采用0.3～1μm的二硫化钼涂层润滑，保证平板式天线展开时，滑块9可随着平板式天线11展开过程无摩擦相对滑动，使卸载力与平板式天线11重力平衡，实现平板式天线11的无重力卸载。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过对钢丝绳旋转筒的结构优化和龙门框架的整体自动化控制，基本实现对钢丝绳拉力的具体数值化，实现对平板式天线起吊后的重力平衡精确化，加强结构整体的精确度，提高工作效率。具体的：
龙门框架3上连接控制15，控制器15信号连接钢丝绳旋转筒5和拉力计8，优选的，拉力计8为高精度数显可读式拉力计，拉力计量程为1200N。拉力计8的顶部连接钢丝绳6，拉力计8下端通过钢丝绳6连接滑块9顶端，优选的，钢丝绳6选用Φ8mm钢丝绳，承重能力强。
工作原理：通过控制器15启动钢丝绳旋绕筒5，调节钢丝绳6的张力并观察拉力计8的数值，待拉力计8的数值到位后，钢丝绳旋绕筒5转动停止，建立平板式天线展开前的重力平衡状态。
实施例3
本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成，通过万向轮对龙门框架的进一步滑动限定，基本实现了龙门框架的任意移动，同时制动盘的实用能有效对移动完成后的龙门框架进行制动，使其保持位置不变。具体的：
多个万向轮1对称安装在龙门框架3底部。优选的，万向轮1采用直径为Φ200mm的聚氨酯万向轮，能使龙门框架3进行360°无死角的移动。
多个制动盘2对称安装在龙门框架3底部。优选的，制动盘2安装在万向轮1侧边，且数量相等。优选的，采用直径Φ100mm厚度20mm的橡胶垫贴于制动盘2底部在龙门框架3移动到位后进行与地面接触摩擦制动，保证龙门框架3位置固定。
实施例4
本发明还提供的一种星载平板式天线重力卸载方法，采用如实施例1-3任一所述星载平板式天线重力卸载装置，包括如下如步骤：
S1、将平板天线11通过铰链14连接于卫星平台12两侧且沿±X方向进行分块折叠收拢压紧，将待试验用的卫星平台12整体竖直放置在二轴平台13上，通过二轴平台13将卫星平台12整体进行后绕X轴翻身90°，使平板式天线11正面与地面垂直；其中，X方向为展开前状态下平板式天线11的法向方向；
S2、将龙门框架3沿±Z方向放置在卫星平台12整体上使其包围卫星平台12整体和二轴13平台，并调整X向的间距使钢丝绕卷装置与卫星平台12对中后，通过集电机和蜗轮蜗杆减速器为一体的钢丝绳旋转筒5调整钢丝绳6的长度，将钢丝绳6与拉力计8顶部连接，同时拉力计8底部通过钢丝绳6与滑块9连接,；保证导轨10两端可与平板式天线11框架侧边进行连接。
S3、启动钢丝绳旋转筒5，调节钢丝绳6的张力，并观察拉力计8的数值，当拉力计8的数值到位后，通过蜗轮蜗杆减速器使钢丝绳旋转筒5停止转动，钢丝绳6起吊展开前的平板式天线11，驱使卫星平台12处于重力平衡状态并开启展开实验；
S4、平板式天线11在星上驱动装置和撑杆机构的驱动下使其沿X方向进行展开，钢丝绕卷装置跟随平板式天线11展开，在此过程中，驱使滑块9在滑轨10上相对滑动，驱使悬臂架4在龙门框架3上进行旋转，当平板式天线11展开90°后铰链14和撑杆机构锁定，星上驱动装置断电，展开试验结束；
S5、当测试结束后，将平板式天线11收拢至原位置后，将龙门框架3从卫星平台12上撤离。
优选的，在步骤S2中，通过自带的万向轮1移动龙门框架3并沿±Z向横跨至卫星平台12两侧，调整X向的间距使钢丝绕卷装置与卫星对中。
优选的，在步骤S3中，通过控制器15启动钢丝绳旋转筒5进行转动。
经仿真和试验证明，通过该技术可以快速解决搭载平板式载荷的卫星在地面进行展开试验和电测试的需求，为后续卫星的地面测试和工装设计创造了一种新的设计方法，该发明在本领域内应用将十分广泛。
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 (1)

1.一种星载平板式天线重力卸载方法，其特征在于，采用星载平板式天线重力卸载装置，包括：
龙门框架(3)和钢丝绕卷装置，所述龙门框架(3)顶部旋转连接所述钢丝绕卷装置，所述钢丝绕卷装置起吊待展开试验的平板式天线(11)使其保持重力平衡；
所述钢丝绕卷装置包括悬臂架(4)、钢丝绳旋转筒(5)、钢丝绳(6)以及滑轮(7)，两根所述悬臂架(4)对称旋转连接于所述龙门框架(3)顶部两侧，所述钢丝绳旋转筒(5)连接于所述悬臂架(4)的顶部，所述钢丝绳(6)一端缠绕于所述钢丝绳旋转筒(5)上，所述钢丝绳(6)另一端穿过所述滑轮(7)延伸至所述悬臂架(4)外部与所述平板式天线(11)上的滑动组件相连接，所述滑轮(7)固定在所述悬臂架(4)远离所述龙门框架(3)的一端；
所述悬臂架(4)包括支撑座(41)、固定轴(42)以及中心孔(43)，所述支撑座(41)连接于所述固定轴(42)的一端，所述中心孔(43)位于所述固定轴(42)顶端，所述钢丝绳(6)穿过所述中心孔(43)；
所述支撑座(41)通过推力球轴承旋转连接在所述龙门框架(3)上；
所述滑动组件包括滑块(9)和导轨(10)，所述滑块(9)滑动连接于所述导轨(10)上，所述导轨(10)两端分别固定于所述平板式天线(11)Z向质心两侧的所述平板式天线(11)框架侧面，所述滑块(9)与所述钢丝绳(6)连接；其中，Z向为展开前状态下平板式天线(11)的切向方向；
所述滑块(9)与所述导轨(10)之间采用二硫化钼涂层润滑；
还包括拉力计(8)，所述拉力计(8)的顶部连接所述钢丝绳(6)，所述拉力计(8)底部通过所述钢丝绳(6)连接所述滑块(9)；
还包括万向轮(1)，所述龙门框架(3)底部对称安装有多个所述万向轮(1)；
还包括制动盘(2)，所述制动盘(2)对称分布在所述龙门框架(3)底部，所述制动盘(2)对所述龙门框架(3)进行摩擦制动；
还包括控制器(15)，所述控制器(15)固定在所述龙门框架(3)上且信号连接所述钢丝绳旋转筒(5)和所述拉力计(8)；
包括如下如步骤：
S1、将所述平板式天线(11)通过铰链(14)连接于卫星平台(12)两侧且沿±X方向进行分块折叠收拢压紧，将待试验用的所述卫星平台(12)整体竖直放置在二轴平台(13)上，通过所述二轴平台(13)将所述卫星平台(12)整体进行后绕X轴翻身90°，使所述平板式天线(11)正面与地面垂直；其中，X方向为展开前状态下平板式天线(11)的法向方向；
S2、将所述龙门框架(3)沿±Z方向放置在所述卫星平台(12)整体上，并且使其包围所述卫星平台(12)整体和所述二轴平台(13)，并调整X向的间距使所述龙门框架(3)与所述卫星平台(12)对中后，通过集电机和蜗轮蜗杆减速器为一体的所述钢丝绳旋转筒(5)调整所述钢丝绳(6)的长度，将所述钢丝绳(6)与所述拉力计(8)顶部连接，同时所述拉力计(8)底部通过所述钢丝绳(6)与所述滑块(9)连接；
S3、启动所述钢丝绳旋转筒(5)，调节所述钢丝绳(6)的张力，并观察所述拉力计(8)的数值，当所述拉力计(8)的数值达到预设值后，通过蜗轮蜗杆减速器使所述钢丝绳旋转筒(5)停止转动，所述钢丝绳(6)起吊展开前的所述平板式天线(11)，驱使所述卫星平台(12)处于重力平衡状态并开启展开实验；
S4、所述平板式天线(11)在星上驱动装置和撑杆机构的驱动下使其沿X方向进行展开，在此过程中，驱使所述滑块(9)在所述导轨(10)上相对滑动，驱使所述悬臂架(4)在所述龙门框架(3)上进行旋转，当所述平板式天线(11)展开90°后铰链和撑杆机构锁定，星上驱动装置断电，展开试验结束；
S5、当测试结束后，将所述平板式天线(11)收拢至原位置后，将所述龙门框架(3)从卫星平台上撤离。
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