CN114784481A - 一种剪叉式星载可展开薄膜天线 - Google Patents

一种剪叉式星载可展开薄膜天线 Download PDF

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孙正楠
余张武
陈茜
邹凯撒
刘笑语
张�杰
王添翼
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Abstract

本发明专利公开了一种剪叉式星载可展开薄膜天线,具体涉及航天器结构与机构技术领域。包括可展开天线骨架和天线反射薄膜,可展开天线骨架包括杆件、支撑导杆、上连接块、下连接块和驱动电机,相同位置的前后两个杆件的中部转动连接,多个杆件构成剪叉式连接组件;支撑导杆与下连接块固定连接,支撑导杆与上连接块滑动连接,每个上连接块和下连接块设有挂耳,两个杆件与两个挂耳转动连接,每个下连接块还设有挂环,天线反射薄膜与所有的挂钩连接在一起;驱动电机安装在下连接块上,驱动电机上设有与对应上连接块螺纹连接的导轨。采用本发明技术方案解决了现有的星载大口径天线的需求与小卫星搭载能力相矛盾的问题,可用于提高星载天线的增益。

Description

一种剪叉式星载可展开薄膜天线
技术领域
本发明涉及航天器结构与机构技术领域,特别涉及一种剪叉式星载可展开薄膜天线。
背景技术
随着通信技术的快速发展,对星载天线的增益提出了更高的要求,增大天线口径成为提高其通信能力最直接有效的方法之一。然而小卫星由于质量较轻、体积较小,自身姿态控制能力有限,目前小卫星上多采用小型螺旋天线来收发信号,使小卫星的功能受限。同时,由于火箭运载空间和运载能力的限制,对小卫星载荷的尺寸和质量提出了要求。有必要设计一种在运载过程中收拢、在轨使用时展开的天线机构,以满足小卫星星载天线轻质量、高收纳比和大口径的需求,拓展小卫星的功能。
发明内容
本发明意在提供一种剪叉式星载可展开薄膜天线,解决了现有的星载大口径天线的需求与小卫星搭载能力相矛盾的问题。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:一种剪叉式星载可展开薄膜天线,包括可展开天线骨架和固定于可展开天线骨架上的天线反射薄膜,所述可展开天线骨架包括杆件、支撑导杆、上连接块、下连接块和驱动电机,相同位置的前后两个所述杆件的中部转动连接,任一所述杆件的上端与相邻杆件的上端转动连接,任一所述杆件的下端与另一相邻杆件的下端转动连接,多个所述杆件构成剪叉式连接组件;所述支撑导杆的底部与下连接块固定连接,所述支撑导杆与上连接块滑动连接,每个所述上连接块和下连接块的相邻两侧均设有两块间隔设置的挂耳,所述剪叉式连接组件中端部的两个杆件的自由端均通过销轴与上连接块、下连接块上同侧的两个挂耳转动连接,每个所述下连接块还设有挂环,所述天线反射薄膜与所有的挂钩连接在一起;所述驱动电机安装在任一下连接块上,所述驱动电机上设有丝杆导轨,所述丝杆导轨与对应的上连接块固定连接。
进一步的,多个所述剪叉式连接组件、多个支撑导杆、多个上连接块和多个下连接块共同围合形成正多边形结构。
进一步的,每个所述剪叉式连接组件中杆件的数量为六个。
进一步的,每个所述下连接块上均设有圆形凸台,所述圆形凸台的中部周向开有多个卡孔,每个所述上连接块的底部开有凹槽,所述凹槽的中部周向分布有与卡孔相配合的钢球。
通过上述设置,借助钢球和卡孔可实现上连接块和下连接块的相对位置的锁紧限位,有利于增加本方案的稳定性。
进一步的,每个所述上连接块和下连接块上均开设有减重孔。
进一步的,所述可展开天线骨架与卫星本体之间连接有伸展臂,所述伸展臂由两个第一旋转关节机构、一个第二旋转关节机构、两根第一连杆和一根第二连杆,两个所述第一旋转关节机构和一个第二旋转关节机构均包括一块具有内凹结构的第一外壳和与内凹结构相互配合的外凸结构的第二外壳构成,所述第一外壳和第二外壳之间设有两个间隔分布的轴承,所述第二外壳内设有电机和与电机电连接的增量式编码器,所述电机上设有行星减速器,所述行星减速器上穿设有一对相互啮合的传动齿轮,远离所述行星减速器的传动齿轮上穿设有穿过第一壳体和第二壳体的旋变轴,所述旋变轴外包覆有轴套,所述旋变轴上安装有位于传动齿轮一侧的谐波减速器,所述旋变轴上还安装有位于第一壳体内的绝对位置编码器和位于绝对位置编码器一侧的抱闸,所述第一外壳内还设有力矩传感器,任一所述第一旋转关节机构的第二壳体固定设置在卫星本体上,两根所述第一连杆均与旋变轴的轴线相互垂直,两根所述第一连杆分别连接在第一旋转关节机构之间、以及第一旋转关节机构和第二旋转关节机构,一根所述第二连杆与旋变轴的轴线相互平行,所述第二连杆连接在第二旋转关节机构和可展开天线骨架之间。
通过上述设置,可以减轻本方案的整体重量。
与现有技术相比,本方案的有益效果:
本方案采用剪叉式连接组件实现天线的二维收拢与展开,有效提高了天线的收纳比并扩大了天线口径。同时本方案结构简单、易于装配,展开过程平稳可靠,并可以有效减轻方案的整体重量。
附图说明
图1是本发明一种剪叉式星载可展开薄膜天线的收拢状态下的结构示意图;
图2是本发明一种剪叉式星载可展开薄膜天线的展开状态下的结构示意图;
图3是本实施例中剪叉式连接组件的结构示意图;
图4是本实施例中支撑导杆处的连接示意图;
图5是本实施例中上连接块的结构示意图;
图6是本实施例中上连接块工作时的空间结构图;
图7是本实施例中剪叉式连接组件展开、收拢状态的角度示意图;
图8是本实施例中第一旋转关节机构/第二旋转关节机构的剖视图;
图9是本实施例中第一旋转关节机构的结构示意图;
图10是本实施例中第二旋转关节机构的结构示意图;
图11是本实施例中伸展臂工作时的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
说明书附图中的附图标记包括:杆件1、支撑导杆2、上连接块3、下连接块4、驱动电机5、挂耳6、圆形凸台7、凹槽8、钢球9、丝杆导轨10、天线反射薄膜11、第一壳体12、第二壳体13、增量式编码器14、电机15、行星减速器16、传动齿轮17、谐波减速器18、轴承19、旋变轴20、轴套21、力矩传感器22、绝对位置编码器23、抱闸24、第一连杆25、第二连杆26、卫星本体27。
实施例
如附图1至图5所示:一种剪叉式星载可展开薄膜天线,包括可展开天线骨架和固定于可展开天线骨架上的天线反射薄膜11,可展开天线骨架包括杆件1、支撑导杆2、上连接块 3、下连接块4和驱动电机5。相同位置处的前后两个杆件1的中部采用铰接,通过设置在连接处的销轴、螺母和小径滚珠轴承配合连接,确保两个杆件1可绕杆件1的中部顺畅转动。每个杆件1上均对称开设有多个通孔,借助通孔可以减轻杆件1的整体重量。任一杆件1的上端与一相邻杆件1的上端通过销轴和螺母转动连接,该杆件1的下端与另一相邻杆件1的下端通过销轴和螺母转动连接,多个杆件1通过交叉设置来构成剪叉式连接组件。
根据实际应用中的需求,可以调整剪叉式连接组件中杆件1的数量,以改变天线的口径和收纳比。
为了达到本方案收拢时外包络不大于500mm×500mm×500mm,同时完全展开时包络直径不小于2000mm的设计要求,根据其构型,将对结构系统进行不同的配置。以下将针对剪叉式连接组件中交叉设置的杆件1的对数n进行设计分析。由于天线在展开过程中支撑导杆2 的状态始终不变,且其长度就是可展天线结构的高度,因此设计支撑导杆2的长度为500mm,符合设计要求,只需考虑收拢状态时天线结构的长和宽即可。经过测量,下连接块4所占用的长度为53.1371mm,如图6,另外,计算时还应加上杆件的厚度(30mm)。
如图7,收拢状态时,两个交叉设置的杆件之间的角度为10°,两连接点之间的距离为 37.7184mm,所以将收拢状态时杆系单元的长度记为l1;展开状态时,两个交叉设置的杆件之间的角度为166°,两个杆件1同侧连接点之间的距离为417.0151mm,将展开状态时杆系单元的长度记为l2
Figure RE-RE-GDA0003664212210000041
由于本发明为八棱柱,因此收拢状态时,其外包络底边为正方形,边长记为a,展开状态的底边内接圆直径记为d,因此:
Figure RE-GDA0003664212210000042
可展机构的可折叠性是其最大的特点,所以折叠比在可展天线设计过程中是一个重要的设计目标,其定义为展开状态时的包络体积与收拢状态时的包络体积之比,本申请可展机构的体积折叠比ΘV如下:
Figure RE-GDA0003664212210000043
由上式便可求出剪叉式连接组件中杆件1的对数n取不同值时,在相同的高度下,收拢外包络边长a、展开底边内接圆直径d和折叠比ΘV的值,其结果如下表1:
表:1杆系单元剪叉式连接组件中杆件的个数与收展状态的相关参数取值
Figure BDA0003543178870000045
由上表1中数据可以看出,当剪叉式连接组件中杆件1的对数n为3时,最为符合设计要求。
本实施例中杆件1采用工字梁,且为了减轻结构的重量,在工字梁的腰上均匀地开上8mm 的通孔。
支撑导杆2的底部与下连接块4固定连接,支撑导杆2与上连接块3滑动连接,每个上连接块3和下连接块4的相邻两侧均设有两块间隔设置的挂耳6,剪叉式连接组件中同一侧端部的两个杆件1的自由端均通过销轴、螺母与上连接块3、下连接块4上同侧的两个挂耳6转动连接,两个杆件1卡合连接在对应的两个挂耳6之间。多个剪叉式连接组件、多个支撑导杆2、多个上连接块3和多个下连接块4共同围合形成正多边形结构,本实施例中剪叉式连接组件、支撑导杆2、上连接块3和下连接块4的数量均采用八个,其围合形成正八边形结构。每个上连接块3和下连接块4均采用类似三角形的结构,且上连接块3和下连接块 4中均开设有三角形的减重孔,借助减重孔可以减轻整体结构的重量。每个下连接块4上均焊接有圆形凸台7,圆形凸台7的中部周向开有多个球形的卡孔,本实施例中采用四个,每个上连接块3的底部开有凹槽8,凹槽8的中部周向分布有四个与卡孔相配合的钢球9。每个下连接块4还焊接有挂环,天线反射薄膜11与所有的挂钩连接在一起。驱动电机5安装在任一下连接块4上,驱动电机5上同轴连接有丝杆导轨10,丝杆导轨10上的滑块与对应的上连接块3之间固定连接有四个对称设置的连接柱。
如附图8-图11所示,本实施例的可展开天线骨架与卫星本体27通过伸展臂相连接。本实施例的伸展臂由两个第一旋转关节机构、一个第二旋转关节机构、两根第一连杆25和一根第二连杆26,两个第一旋转关节机构和一个第二旋转关节机构均包括一块具有内凹结构的第一外壳和与内凹结构相互配合的外凸结构的第二外壳构成,第一外壳和第二外壳之间设有两个间隔分布的轴承19,且第一外壳和第二外壳的中部开有位于同一轴线上的通孔。第二外壳内设有电机15和与电机15电连接的增量式编码器14,电机15采用直流电机15,电机15 的输出轴上设有行星减速器16,行星减速器16的输出端穿设有一对相互啮合的传动齿轮17,远离行星减速器16的传动齿轮17上穿设有穿过第一壳体12和第二壳体13上通孔的旋变轴 20,旋变轴20外包覆有内部中空的轴套21,轴套21螺栓连接在第一壳体12和谐波减速器 18之间。旋变轴20上还安装有位于传动齿轮17一侧的谐波减速器18。旋变轴20上安装有位于第一壳体12内的绝对位置编码器23和位于绝对位置编码器23一侧的抱闸24,第一外壳内还设有力矩传感器22。任一第一旋转关节机构的第二壳体13固定设置在卫星本体27上,两根第一连杆25均与旋变轴20的轴线相互垂直,两根第一连杆25分别连接在第一旋转关节机构之间、以及第一旋转关节机构和第二旋转关节机构,一根第二连杆26与旋变轴 20的轴线相互平行,第二连杆26连接在第二旋转关节机构和可展开天线骨架之间。
伸展臂的驱动部分以直流电机15作为旋转关节机构关节驱动的动力源,增量编码器为直流电机15做伺服,行星减速器16和谐波减速器18对直流电机15的输出进行减速以增加关节扭矩;绝对位置编码器23收集绝对位置信息反馈给控制器来进行速度和位置控制,力矩传感器22测量关节末端的输出扭矩,抱闸24用来进行安全制动和锁定。传动齿轮17中直径较大的齿轮带动旋变轴20旋转作为谐波减速器18的输入,旋变轴连接谐波减速器18的输出端驱动第一外壳旋转。因为行星减速器16的输出轴线与谐波减速器18的输入轴线不重合,因此需要传动齿轮17来传递旋转。
本方案的工作过程:
卫星发射时本可展开薄膜天线在火箭整流罩中处于收拢状态,由包带结构锁紧,伸展臂收拢于卫星侧面。当卫星进入预定轨道后,包带打开,伸展臂开始工作,借助伸展臂将可展开薄膜天线移动到预定位置。
然后启动驱动电机5,驱动电机5带动丝杆导轨10转动,此时丝杆导轨10借助螺纹和支撑导杆2带动上连接块3沿支撑导杆2向下移动,通过该上连接块3带动相邻剪叉式连接组件中端部连接的杆件1转动,该杆件1发生转动后通过带动剪叉式连接组件中其他的杆件1产生转动,实现了剪叉式连接组件的展开。当上连接块3移动至对应的圆形凸台7处后,借助钢球9与卡孔实现上连接块3与对应的下连接块4之间锁紧固定,此时关闭驱动电机5,八个下连接块4展开从而将天线反射薄膜11展开。
本可展开薄膜天线的收拢操作即启动驱动电机5反转即可。
以上的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:包括可展开天线骨架和固定于可展开天线骨架上的天线反射薄膜,所述可展开天线骨架包括杆件、支撑导杆、上连接块、下连接块和驱动电机,相同位置的前后两个所述杆件的中部转动连接,任一所述杆件的上端与相邻杆件的上端转动连接,任一所述杆件的下端与另一相邻杆件的下端转动连接,多个所述杆件构成剪叉式连接组件;所述支撑导杆的底部与下连接块固定连接,所述支撑导杆与上连接块滑动连接,每个所述上连接块和下连接块的相邻两侧均设有两块间隔设置的挂耳,所述剪叉式连接组件中端部的两个杆件的自由端均通过销轴与上连接块、下连接块上同侧的两个挂耳转动连接,每个所述下连接块还设有挂环,所述天线反射薄膜与所有的挂钩连接在一起;所述驱动电机安装在任一下连接块上,所述驱动电机上设有丝杆导轨,所述丝杆导轨与对应的上连接块固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:多个所述剪叉式连接组件、多个支撑导杆、多个上连接块和多个下连接块共同围合形成正多边形结构。
3.根据权利要求2所述的一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:每个所述剪叉式连接组件中杆件的数量为六个。
4.根据权利要求1所述的一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:每个所述下连接块上均设有圆形凸台,所述圆形凸台的中部周向开有多个卡孔,每个所述上连接块的底部开有凹槽,所述凹槽的中部周向分布有与卡孔相配合的钢球。
5.根据权利要求1所述的一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:每个所述上连接块和下连接块上均开设有减重孔。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种剪叉式星载可展开薄膜天线,其特征在于:所述可展开天线骨架与卫星本体之间连接有伸展臂,所述伸展臂由两个第一旋转关节机构、一个第二旋转关节机构、两根第一连杆和一根第二连杆,两个所述第一旋转关节机构和一个第二旋转关节机构均包括一块具有内凹结构的第一外壳和与内凹结构相互配合的外凸结构的第二外壳构成,所述第一外壳和第二外壳之间设有两个间隔分布的轴承,所述第二外壳内设有电机和与电机电连接的增量式编码器,所述电机上设有行星减速器,所述行星减速器上穿设有一对相互啮合的传动齿轮,远离所述行星减速器的传动齿轮上穿设有穿过第一壳体和第二壳体的旋变轴,所述旋变轴外包覆有轴套,所述旋变轴上安装有位于传动齿轮一侧的谐波减速器,所述旋变轴上还安装有位于第一壳体内的绝对位置编码器和位于绝对位置编码器一侧的抱闸,所述第一外壳内还设有力矩传感器,任一所述第一旋转关节机构的第二壳体固定设置在卫星本体上,两根所述第一连杆均与旋变轴的轴线相互垂直,两根所述第一连杆分别连接在第一旋转关节机构之间、以及第一旋转关节机构和第二旋转关节机构,一根所述第二连杆与旋变轴的轴线相互平行,所述第二连杆连接在第二旋转关节机构和可展开天线骨架之间。
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