CN115832665A - 一种星载大型控速展开构架天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载大型控速展开构架天线，属于天线技术领域。由一副新型大型可展开构架天线和一套豆荚杆组件组成。其中，构架天线结构形式为抛物柱面，其展开口径可扩展；豆荚杆组件为一种“Ω”形可收展柔性结构。豆荚杆组件同时与控速系统及构架天线边界连接，在天线展开过程中可实现将控速系统的运动传递至构架天线，进而对天线展开过程速度进行控制。该天线具有收纳比高、展开可靠、重复精度高等构架天线的固有优势；同时，借助控速系统对展开过程及展开速度进行控制，有效规避了构架天线的展开冲击大、展开过程不可控等劣势；具有广泛应用前景。

Description

一种星载大型控速展开构架天线

技术领域

一种星载大型控速展开构架天线，属于空间大型可展开天线、结构技术领域。

背景技术

为了满足天基动目标监测等卫星应用背景对星载新体制SAR天线的需求，要求具备超大口径抛物柱面构架天线的星载大型可展开天线。但受运载火箭运载仓包络限制，空间大型可展开天线均要求具备发射阶段收拢、在轨可展开的结构形式。对目前应用较广的环形天线、伞状天线、构架天线从收纳比、展开刚度、重量、工程可实现度等多方面因素综合考量，构架天线可满足超大口径抛物柱面构架天线的星载大型可展开天线应用需求。但构架天线自身特点决定其展开形式为：收拢状态下通过涡簧、扭簧变形储能，解锁后通过释放自身储能自主展开到位。该种展开过程对星体会造成一定的冲击，在天线尺寸较小的情况下，通过较小的弹簧储能即可保证天线展开到位，即对星体的冲击力较小，可通过加强星体的刚度、增加缓冲结构等形式来降低冲击危害。随着天线口径尺寸的增加至一定数量级别后，为了确保天线可靠展开到位必须增加弹簧自身储能能量，此外，伴随口径的增加储能弹簧元件数量必然成倍增加，此二者叠加后产生的冲击将会对星体抑或其他机构结构带来灾难性破坏，再者，受运载火箭运载能力限制，无法通过不断增加星体刚度或增加缓冲结构来应对超大口径天线展开冲击对星体的影响，故必须从可展开天线自身出发对展开冲击进行抑制。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种星载控速大型可展开构架天线，通过控制展开速度的形式来达到抑制冲击影响的目的，同时通过超大细长比豆荚杆组件的应用来为刚度较低的柔性构架天线搭建刚性边界，以提高其刚度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种星载大型控速可展开构架天线，包括：抛物柱面构架天线和豆荚杆组件；抛物柱面构架天线包括：金属网、腹杆、可折展同步杆、内部花盘、边界花盘；

内部花盘、可折展同步杆及腹杆通过螺钉及铆钉装配形成内部四面体单元，边界花盘、可折展同步杆及腹杆通过螺钉及铆钉装配形成边界四面体单元，多个内部四面体单元拼接而成抛物柱面架构天线内部结构，边界四面体单元作为抛物柱面构架天线的边界，内部结构和边界最终形成抛物柱面构架天线的主体结构，该主体结构用于天线发射面，即抛物柱面拟合曲面的拟合成型；金属网与所述主体结构在内部花盘和边界花盘处固连；

豆荚杆组件与边界花盘连接为抛物柱面构架天线提供刚性边界，同时作为转接件与驱动电机连接，确保抛物柱面构架天线和豆荚杆组件展开过程、展开速度可控，进而实现抛物柱面构架天线展开过程的控速。

进一步的，本发明提出的可展开构架天线还包括：张拉绳和压网片；

在内部花盘、边界花盘与金属网连接处加装压网片以增加金属网与四面体单元的接触面积；在相邻内部花盘和边界花盘之间加装张拉绳，提高金属网对理想抛物柱面的拟合曲面的贴合度。

进一步的，金属网是由金属丝编织而成，具有反射电磁波功能；张拉绳材料为碳纤维内芯+聚酰亚胺外套；压网片材料为聚酰亚胺。

进一步的，所述可折展同步杆为两个碳纤维杆通过齿轮啮合的形式形成的可折展机构，两个碳纤维杆收展过程中二者轴线绕可折展同步杆转轴的转动速率始终一致，且展开到位后通过形状互补的形式锁定。

进一步的，腹杆是由空心金属杆件或空心碳纤维杆件两端粘接金属接头形成，其中两端所粘接金属接头用于提供对外接口，在易受磨损或者冲击部位，腹杆采用空心金属杆件的形式。

进一步的，内部花盘与边界花盘分别内部四面体单元和边界四面体单元的组成部分，对腹杆、可折展同步杆的运动过程进行约束，防止腹杆、可折展同步杆收拢、展开运动行程超出设计范围。

进一步的，构架天线展开状态下，平行母线方向共四条边界线，从构架天线型面保持要求、有效载荷总体构型及工程可实现性方面考虑，在构架天线平行母线方向的四条边界线中的1≤N≤4条边界上布置豆荚杆组件；豆荚杆组件在外力作用下收拢，去除外力后通过释放自身储能展开至刚性杆件。

进一步的，所述豆荚杆组件包含：豆荚杆、滑车、底座以及滑环；底座为豆荚杆组件中不可动部分，提供对外接口用于和驱动电机连接，且相对位置保持固定；豆荚杆为豆荚杆组件主结构，用于豆荚杆组件成型，不与天线及驱动电机直接连接；滑车为豆荚杆组件中可动部件，在豆荚杆展开过程中沿豆荚杆展开方向滑动，滑环作为滑车的一个零部件，为一圆环结构，其作为转接件用于天线的边界花盘与豆荚杆连接，同时具有位置自调整、适应功能。

进一步的，豆荚杆材料为碳纤维薄壁管，截面形状为双拱“Ω”形。

进一步的，当收拢包带解锁后，驱动电机开机并输出扭矩驱动豆荚杆组件沿豆荚杆轴线方向做一维伸展运动，此时，与边界花盘固连的滑环相对豆荚杆滑动，以实现限制构架天线的边界；在此过程中，边界花盘的运动受豆荚杆组件运动的约束，而豆荚杆组件的运动受驱动电机的约束；

内部花盘、腹杆、可折展同步杆以边界花盘为边界做自适应运动；

驱动电机持续输入驱动，直至豆荚杆组件展开到位，边界花盘同步展开到位，内部花盘、腹杆、可折展同步杆也展开到位；金属网、张拉绳、压网片做从动运动也同时展开至设计位置。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明一种控速可展天线，主要创新点在于控速，可规避传统构架天线展开过程冲击大的弊端；

(2)本发明一种控速可展天线，初始设计即按超大口径天线设计，可突破传统柔性天线的口径限制；

(3)本发明一种控速可展天线，采用主动展开和被动展开相结合的形式，同时兼顾了主动展开的可靠性及被动展开的重复精度高的优点；

(4)本发明一种控速可展天线，对现有构架天线进行了优化改进，即在跨度较大的边界布置柔性可展开豆荚杆机构，可有效提升构架天线边界刚度。

(5)本发明一种控速可展天线，在具有构架天线的固有优势的同时，对其劣势进行了有效规避。可广泛应用于星载大型乃至巨型可展天线以及其它对展开过程有控速要求或对冲击敏感的可展结构，具有广泛应用前景。

附图说明

图1：本发明的控速可展天线展开态示意图；

图2：本发明的豆荚杆及三角形桁架与反射器连接情况；

图3：本发明的控速可展天线豆荚杆和构架天线连接示意图；

图4：本发明的控速可展天线展豆荚杆组件示意图；

图5：本发明的控速可展天线中金属网示意图；

图6：本发明的控速可展天线豆荚杆组件中“Ω”形半豆荚杆示意图；

图7：本发明的控速可展天线整体布局示意图(收拢状态)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明主要是一种大口径可控速可展开抛物柱面构架天线，与传统可展开构架天线相比，本发明的主要特点在于：

1.天线结构形式采用抛物柱面；

2.天线口径从数米至数百米均可采用该方案；

3.可对天线展开过程进行控速，规避大型构架天线展开冲击大的弊端；

4.对抛物柱面构架天线边界施加约束，可对外提供接口，同时提升刚度。本发明由一副新型大型可展开构架天线和一套豆荚杆组件组成。其中，构架天线结构形式为抛物柱面，其展开口径可扩展；豆荚杆组件为一种“Ω”形可收展柔性结构。豆荚杆组件同时与控速系统及构架天线边界连接，在天线展开过程中可实现将控速系统的运动传递至构架天线，进而对天线展开过程速度进行控制。

构架天线边界受控速系统约束，其边界运动为控速系统的从动运动，即，可根据工程冲击性能要求对控速系统的速度进行控制，进而实现对天线展开过程速度的间接控制；与此同时，构架天线在自身折叠杆驱动、几何构型约束和边界约束的共同作用下进行自适应展开运动。边界和内部同时展开到位。

构架天线可展开柔性天线。该天线展开状态型面为抛物柱面，与抛物柱面母线平行的4条边界跨度较大且由多段折叠杆拼接形成，故其刚度比较小，从型面保持需求和工程可实现性角度出发，其边界连接有豆荚杆组件，形成刚度较大的边界。

豆荚杆组件为一豆荚结构，可在外力作用下实现涡卷收拢至较小体积以满足运载仓尺寸限制，在外力作用或者去除外力后可释放自身储能展开为一刚性杆件，本发明中豆荚杆组件展开过程为控速系统提供动力，做从动运动，以实现展开过程、展开速度可控。在本发明中豆荚杆组件主要有以下两方面作用：提升构架天线边界刚度；作为转接件提供对外接口便于构架天线和控速系统连接，用以将控速系统的运动传递至天线，实现展开过程控速。

具体的，如图1所示，本发明提出的一种星载大型控速可展开构架天线，包括：抛物柱面构架天线和豆荚杆组件8；抛物柱面构架天线包括：金属网1、腹杆3、可折展同步杆4、内部花盘6、边界花盘7；

内部花盘6、可折展同步杆4及腹杆3通过螺钉及铆钉装配形成内部四面体单元，边界花盘7、可折展同步杆4及腹杆3通过螺钉及铆钉装配形成边界四面体单元，多个内部四面体单元拼接而成抛物柱面架构天线内部结构，边界四面体单元作为抛物柱面构架天线的边界，内部结构和边界最终形成抛物柱面构架天线的主体结构，该主体结构用于天线发射面，即抛物柱面拟合曲面的拟合成型；金属网1与所述主体结构在内部花盘6和边界花盘7处固连；

豆荚杆组件8与边界花盘7连接为抛物柱面构架天线提供刚性边界，同时作为转接件与驱动电机连接，确保抛物柱面构架天线和豆荚杆组件8展开过程、展开速度可控，进而实现抛物柱面构架天线展开过程的控速。

进一步的，本发明提出的星载大型控速可展开构架天线，还包括：张拉绳2和压网片5；

在内部花盘6、边界花盘7与金属网1连接处加装压网片5以增加金属网1与四面体单元的接触面积；在相邻内部花盘6和边界花盘7之间加装张拉绳2，提高金属网1对理想抛物柱面的拟合曲面的贴合度。

优选的，如图5所示，金属网1是由金属丝编织而成，具有反射电磁波功能；张拉绳2材料为碳纤维内芯+聚酰亚胺外套；压网片5材料为聚酰亚胺。

所述可折展同步杆4为两个碳纤维杆通过齿轮啮合的形式形成的可折展机构，两个碳纤维杆收展过程中二者轴线绕可折展同步杆4转轴的转动速率始终一致，且展开到位后通过形状互补的形式锁定。

腹杆3是由空心金属杆件或空心碳纤维杆件两端粘接金属接头形成，其中两端所粘接金属接头用于提供对外接口，在易受磨损或者冲击部位，腹杆3采用空心金属杆件的形式。

内部花盘6与边界花盘7分别内部四面体单元和边界四面体单元的组成部分，对腹杆3、可折展同步杆4的运动过程进行约束，防止腹杆3、可折展同步杆4收拢、展开运动行程超出设计范围。

构架天线展开状态下，平行母线方向共四条边界线，从构架天线型面保持要求、有效载荷总体构型及工程可实现性方面考虑，在构架天线平行母线方向的四条边界线中的1≤N≤4条边界上布置豆荚杆组件8；豆荚杆组件8在外力作用下收拢，去除外力后通过释放自身储能展开至刚性杆件。

如图2、图3、图4所示，所述豆荚杆组件8包含：豆荚杆9、滑车10、底座11以及滑环12；底座11为豆荚杆组件8中不可动部分，提供对外接口用于和驱动电机连接，且相对位置保持固定；豆荚杆9为豆荚杆组件8主结构，用于豆荚杆组件8成型，不与天线及驱动电机直接连接；滑车10为豆荚杆组件8中可动部件，在豆荚杆9展开过程中沿豆荚杆9展开方向滑动，滑环12作为滑车10的一个零部件，为一圆环结构，其作为转接件用于天线的边界花盘7与豆荚杆9连接，同时具有位置自调整、适应功能。

如图6所示，豆荚杆9材料为碳纤维薄壁管，截面形状为双拱“Ω”形。

如图7所示，当收拢包带解锁后，驱动电机开机并输出扭矩驱动豆荚杆组件8沿豆荚杆9轴线方向做一维伸展运动，此时，与边界花盘7固连的滑环12相对豆荚杆9滑动，以实现限制构架天线的边界；在此过程中，边界花盘7的运动受豆荚杆组件8运动的约束，而豆荚杆组件8的运动受驱动电机的约束；

内部花盘6、腹杆3、可折展同步杆4以边界花盘7为边界做自适应运动；

驱动电机持续输入驱动，直至豆荚杆组件8展开到位，边界花盘7同步展开到位，内部花盘6、腹杆3、可折展同步杆4也展开到位；金属网1、张拉绳2、压网片5做从动运动也同时展开至设计位置。

该控速可展开天线中速度主要靠控制驱动电机的驱动速度来控制天线展开速度，理论上，只要驱动电机运动速度转速足够小，即可星体冲击足够低的要求。

实施例：

如图1所示，该控速可展开天线中构架天线和豆荚杆组件同时展开到位后处于稳定状态。

现以展开口径为XX米(抛物柱面母线方向)XX米(抛物线方向)的构架天线为例进行说明其具体实施过程，其中所匹配的豆荚杆组件8展开长度XX米。(注，根据理论分析及前期工程样机经验，xx米口径为可扩展口径，可适应微型、小型、大型乃至超大型口径)。

该天线是由不同部组件装配而成，部组件装配过程相互独立。待部组件装配完成后，按设计布局状态完成部组件间装配。此状态下收拢包带对构架天线进行压紧收拢，驱动电机尚未开机，整体天线处于稳定状态。收到解锁指令后，收拢包带断开，为展开运动做准备。在驱动电机开机前，天线无展开运动。

紧接着，驱动电机开机，输入较小转速，开机并输出扭矩驱动豆荚杆组件8沿豆荚杆9轴线方向做一维伸展运动，此时，与天线边界花盘7固连的滑环12相对豆荚杆滑动，以实现限制构架天线的边界。在此过程中，边界花盘7的运动受豆荚杆组件7运动的约束，而豆荚杆组件8的运动受驱动电机的约束，故驱动电机间接的对构架天线展开过程、速度进行约束，即可实现本专利所提及的对天线展开过程控速的目标。内部花盘6、腹杆3、可折展同步杆4以边界花盘7为边界做自适应运动。电机持续输入驱动，直至豆荚杆组件8展开到位，于此同时，边界花盘7同步展开到位，内部花盘6、腹杆3、可折展同步杆4亦展开到位，其他，金属网1、张拉绳2、、压网片5做从动运动也同时展开至设计位置。至此，天线展开运动结束。

天线收拢过程为与展开运动过程相反。

天线收纳比大于15。

本发明天线具有收纳比高、展开可靠、重复精度高等构架天线的固有优势；同时，借助控速系统对展开过程及展开速度进行控制，有效规避了构架天线的展开冲击大、展开过程不可控等劣势；采用抛物柱面结构形式，使得天线口径可根据需要进行扩展；与传统构架天线比较，增设了一套豆荚杆组件，即使扩展至较大口径亦可实现较好的刚度。该天线可广泛应用于星载大型乃至巨型可展构架天线，同时，其他柔性可展开天线亦可对参考其设计以适应冲击敏感的航天任务。具有广泛应用前景。

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。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种星载大型控速可展开构架天线，其特征在于包括：抛物柱面构架天线和豆荚杆组件(8)；抛物柱面构架天线包括：金属网(1)、腹杆(3)、可折展同步杆(4)、内部花盘(6)、边界花盘(7)；

内部花盘(6)、可折展同步杆(4)及腹杆(3)通过螺钉及铆钉装配形成内部四面体单元，边界花盘(7)、可折展同步杆(4)及腹杆(3)通过螺钉及铆钉装配形成边界四面体单元，多个内部四面体单元拼接而成抛物柱面架构天线内部结构，边界四面体单元作为抛物柱面构架天线的边界，内部结构和边界最终形成抛物柱面构架天线的主体结构，该主体结构用于天线发射面，即抛物柱面拟合曲面的拟合成型；金属网(1)与所述主体结构在内部花盘(6)和边界花盘(7)处固连；

豆荚杆组件(8)与边界花盘(7)连接为抛物柱面构架天线提供刚性边界，同时作为转接件与驱动电机连接，确保抛物柱面构架天线和豆荚杆组件(8)展开过程、展开速度可控，进而实现抛物柱面构架天线展开过程的控速。

2.根据权利要求1所述的一种星载大型控速可展开构架天线，其特征在于：还包括：张拉绳(2)和压网片(5)；

在内部花盘(6)、边界花盘(7)与金属网(1)连接处加装压网片(5)以增加金属网(1)与四面体单元的接触面积；在相邻内部花盘(6)和边界花盘(7)之间加装张拉绳(2)，提高金属网(1)对理想抛物柱面的拟合曲面的贴合度。

3.根据权利要求2所述的一种星载大型控速可展开构架天线，其特征在于：

金属网(1)是由金属丝编织而成，具有反射电磁波功能；张拉绳(2)材料为碳纤维内芯+聚酰亚胺外套；压网片(5)材料为聚酰亚胺。

4.根据权利要求1或2所述的一种星载大型控速可展开构架天线，其特征在于：所述可折展同步杆(4)为两个碳纤维杆通过齿轮啮合的形式形成的可折展机构，两个碳纤维杆收展过程中二者轴线绕可折展同步杆(4)转轴的转动速率始终一致，且展开到位后通过形状互补的形式锁定。

5.根据权利要求1或2所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：腹杆(3)是由空心金属杆件或空心碳纤维杆件两端粘接金属接头形成，其中两端所粘接金属接头用于提供对外接口，在易受磨损或者冲击部位，腹杆(3)采用空心金属杆件的形式。

6.根据权利要求1或2所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：内部花盘(6)与边界花盘(7)分别内部四面体单元和边界四面体单元的组成部分，对腹杆(3)、可折展同步杆(4)的运动过程进行约束，防止腹杆(3)、可折展同步杆(4)收拢、展开运动行程超出设计范围。

7.根据权利要求1或2所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：构架天线展开状态下，平行母线方向共四条边界线，从构架天线型面保持要求、有效载荷总体构型及工程可实现性方面考虑，在构架天线平行母线方向的四条边界线中的1≤N≤4条边界上布置豆荚杆组件(8)；豆荚杆组件(8)在外力作用下收拢，去除外力后通过释放自身储能展开至刚性杆件。

8.根据权利要求7所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：所述豆荚杆组件(8)包含：豆荚杆(9)、滑车(10)、底座(11)以及滑环(12)；底座(11)为豆荚杆组件(8)中不可动部分，提供对外接口用于和驱动电机连接，且相对位置保持固定；豆荚杆(9)为豆荚杆组件(8)主结构，用于豆荚杆组件(8)成型，不与天线及驱动电机直接连接；滑车(10)为豆荚杆组件(8)中可动部件，在豆荚杆(9)展开过程中沿豆荚杆(9)展开方向滑动，滑环(12)作为滑车(10)的一个零部件，为一圆环结构，其作为转接件用于天线的边界花盘(7)与豆荚杆(9)连接，同时具有位置自调整、适应功能。

9.根据权利要求7所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：豆荚杆(9)材料为碳纤维薄壁管，截面形状为双拱“Ω”形。

10.根据权利要求7所述的一种星载大型控速展开构架天线，其特征在于：当收拢包带解锁后，驱动电机开机并输出扭矩驱动豆荚杆组件(8)沿豆荚杆(9)轴线方向做一维伸展运动，此时，与边界花盘(7)固连的滑环(12)相对豆荚杆(9)滑动，以实现限制构架天线的边界；在此过程中，边界花盘(7)的运动受豆荚杆组件(8)运动的约束，而豆荚杆组件(8)的运动受驱动电机的约束；

内部花盘(6)、腹杆(3)、可折展同步杆(4)以边界花盘(7)为边界做自适应运动；

驱动电机持续输入驱动，直至豆荚杆组件(8)展开到位，边界花盘(7)同步展开到位，内部花盘(6)、腹杆(3)、可折展同步杆(4)也展开到位；金属网(1)、张拉绳(2)、压网片(5)做从动运动也同时展开至设计位置。

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