CN102173312B - 大型空间组装式天线反射器模块单元及其组装方法 - Google Patents

Abstract

大型空间组装式天线反射器模块单元及其组装方法，模块单元包括六边形可展开桁架、反射绳网以及联绳装置；所述的六边形可展开桁架包括顶铰链、同步动力铰链、环向杆、中间斜杆；长度相同的两个环向杆通过同步动力铰链组成同步折叠杆，一根同步折叠杆与两根中间斜杆通过三个顶铰链连接组成一个平面三角形结构单元，12个平面三角形结构单元通过共用中间斜杆及顶铰链相互连接，组成一个环状即形成天线反射器模块单元桁架，连接时相邻两个三角形结构单元的同步折叠杆在空间上相互错开，在空间上形成两层大小不同、顶点位置交错的六边形；反射绳网包括反射电磁波用的金属网与调整金属网形面的调整绳，金属网缝合在调整绳上，调整绳与上述模块单元桁架通过顶铰链固定，联绳装置主要用于将反射绳网和六边形可展开桁架连接、固定。

Description

大型空间组装式天线反射器模块单元及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种大型空间组装式天线反射器的模块单元及其组装方法，属于卫星天线反射器技术领域。

背景技术

运载火箭的几何包络空间与卫星的安装尺寸在一定程度上约束并限制了超大口径天线在卫星上的应用，采用空间组装式天线技术可以解决这一问题。

空间组装式天线基本构成包括：空间组装式反射器、大型伸展臂以及大型馈源阵组成，其中，空间组装式反射器是空间组装式天线的核心部分。

空间组装式反射器采用具有独立展开功能的模块单元，将模块单元按照一定的顺序实行在轨展开、在轨组装，集成装配形成一种具有一定刚度的空间桁架结构，天线口径、型面精度由模块单元的数目及各模块之间的组装形式决定。

美国宇航局(NASA)报道了一种在轨组装式天线反射器的模块单元(NASAContractor Report 3316)，该模块单元主要由六边形反射面、电动展开机构、十字杆、三角形支撑杆、花盘、铰链、接头等零部件组成。六边形反射面作为模块单元的主体，通过十字杆连接在三角形支撑杆上。各单元的六边形反射面在组装后构成了组装式天线的整个反射面。

展开与收拢原理：在模块单元的展开过程中，开始时模块单元处于收拢状态，去除收拢的约束力后，上、下花盘中间的弹簧展开装置产生初始的展开动力，电动展开机构带动下花盘沿着上花盘的中心杆向下滑动，同时，上径向杆与上花盘之间的扭簧、下径向杆与下花盘之间的扭簧也都产生一定的展开力，在下花盘向下运动过程中，上、下径向杆分别绕上、下花盘向下、向外伸展开，各径向杆之间有同步旋转铰链连接，因而六边形反射面在展开过程是同步向下、向外伸展开的。随着六边形反射面径向杆的展开，十字杆带动十字铰链随着径向杆逐渐展开，三角形环向杆也在底铰链扭簧展开力、底铰链空间位置约束、同步旋转铰链展开力的作用下同时展开，当所有杆件展开到位后，锁紧上、下花盘、同步旋转铰链、十字铰链，便能得到具有一定结构刚度的模块单元。

在六边形反射面展开的同时，十字铰链随着六边形径向杆的展开，其铰链销轴与水平面的夹角从0°逐渐变化到90°，该过程相当于将十字铰链由水平翻转到竖直位置。铰链相对上花盘的位置也在不断变化，十字杆在其与十字铰链间的扭簧作用下沿十字铰链展开。

该模块单元收拢后呈圆柱状，收拢圆柱直径的大小与所选杆粗细有关，收拢后的长度相当于5/8倍模块单元的外接圆直径。

NASA六边形组装模块单元展开与收拢过程复杂，展开过程中需要电动展开机构，展开控制器等。因此，相对卫星或空间站平台，该组装式天线具有功耗大、展开可靠性低等缺点。

美国专利US2002063660，专利名称“LIGHT WEIGHT，COMPACTLYDEPLOYABLE SUPPORT STRUCTURE WITH TELESCOPINGMEMBERS”，中介绍了一种环架结构反射器，反射器主要由四杆铰链、拉索杆、索网组成，每两根拉索杆通过四杆铰链连接形成多边形环，再在每个四杆铰链的空间上下各连接一根拉索杆，最后用绳索将这些拉索杆牵拉成一种空间索网桁架结构，通过改变拉索杆与四杆铰链的数量可以实现多种边数的多边形环，该专利技术成功用于2010年发射的Skyterro-1卫星上；该桁架主要用于制作口径5-30米的单付天线，与本申请研究的模块组装式天线不同。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种零功耗、高可靠性的空间组装式天线反射器模块单元及其组装方法，此外，该单元还具有重量轻、收纳比高等优点。

本发明的技术解决方案是：大型空间组装式天线反射器模块单元，包括六边形可展开桁架、反射绳网；所述的六边形可展开桁架包括顶铰链、同步动力铰链、环向杆、中间斜杆；长度相同的两个环向杆通过同步动力铰链组成同步折叠杆，一根同步折叠杆与两根中间斜杆通过三个顶铰链连接组成一个平面三角形结构单元，12个平面三角形结构单元通过共用中间斜杆及顶铰链相互连接，组成一个环状即形成天线反射器模块单元桁架，连接时相邻两个三角形结构单元的同步折叠杆在空间上相互错开，在空间上形成两层大小不同、顶点位置交错的六边形；反射绳网包括反射电磁波用的金属网与调整金属网形面的调整绳，金属网缝合在调整绳上，调整绳与上述模块单元桁架通过安装在顶铰链的联绳装置连接、固定。

所述的顶铰链包括铰链支座、二维转动接头、同步折叠杆接头、中间斜杆接头、辅助动力弹簧，由铰链支座将顶铰链分为同步杆层与斜杆层；铰链支座的同步杆层的上端面为V型，V型角度与模块单元六边形夹角一致，铰链支座的斜杆层部分位于同步杆层的V型下端面；四个二维转动接头通过轴承分别安装在V型两端、斜杆层部分的两侧；同步折叠杆接头一端通过轴与同步杆层的二维转动接头连接，二者之间形成空腔；中间斜杆接头一端通过轴与斜杆层的二维转动接头连接，二者之间形成空腔；辅助动力弹簧安装在上述空腔内并穿过空腔内的轴。

大型空间组装式天线反射器模块单元组装方法，步骤如下：

第一步，根据待设计天线反射器的具体构型，设计天线反射器中不同位置处模块单元的具体尺寸结构，使得组装后天线反射器的前表面为六边形构成的致密无孔隙的曲面桁架，后表面为六边形与三角形均匀混合的曲面桁架，中间层为中间斜杆结构，每三根交于同一点的中间斜杆与后表面的三角形形成空间四面体结构；上述模块单元为上述大型空间组装式天线反射器模块单元；

第二步，根据模块单元在天线反射器中所处的位置，将各个模块单元以及各模块单元上的顶铰链编号，相邻模块单元交与一点的顶铰链编号中具有相同的元素；

第三步，固定天线反射器中心的模块单元，按从中心往外逐圈的原则按照编号组装各模块单元。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明模块单元以弹簧为展开动力，展开可靠性高，功耗小，且单元展开后的展开刚度好，收拢后收拢体积小，收纳比高。

(2)本发明中的顶铰链既为同步折叠杆与中间斜杆的展开与收拢提供球面360度的自由旋转角度，使模块单元能顺利实现收拢与展开，此外，顶铰链中的扭簧为模块的展开提供辅助展开动力。

(3)本发明组装方式可以使组装后的反射面没有缝隙，组装后的反射器能形成稳定的空间桁架结构，通过设计中间斜杆的长度能改变反射器的结构刚度，刚度具有可设计性。

附图说明

图1为本发明可组装反射器模块单元示意图；

图2为图1中平面三角形示意图；

图3为图2展开收拢运动过程示意图；

图4为本发明六边形可展开桁架示意图；

图5为本发明顶铰链示意图；

图6为本发明同步铰链示意图；

图7为本发明联绳装置与顶铰链安装示意图；

图8为本发明模块单元展开状态示意图；

图9为本发明收拢状态示意图；

图10为本发明半收拢状态示意图；

图11为本发明模块单元组装示意图。

具体实施方式

本发明提出一种具有独立展开功能的可组装反射器模块单元1，该模块单元1由六边形可展开桁架2、反射绳网3、联绳装置4组成，如图1所示。下面详细介绍各部分的实现过程。

1.六边形可展开桁架2

六边形可展开桁架2的结构组成如下：

六边形可展开桁架2由平面三角形5组成，平面三角形5又由同步折叠杆6和两根中间斜杆7组成，同步折叠杆6又由长度相等的同步杆8用同步动力铰链9(亦称同步铰链9)连接而成，该同步折叠杆6可实现同步杆8的同步展开功能；平面三角形5构成如图2所示，其展开收拢运动过程如图3所示，在展开过程中同步折叠杆6绕中间同步铰链9展开，两中间斜杆7绕两者之间的顶铰链10展开。将上述12个平面三角形5通过顶铰链10连接组成一个环状即形成六边形可展开桁架2，连接时相邻两个平面三角形5的同步折叠杆6在空间上相互错开，如图4所示。通过改变平面三角形5的大小可获得不同口径、不同高度的六边形桁架。

顶铰链10用于连接模块单元的同步折叠杆6与中间斜杆7，为同步折叠杆6与中间斜杆7的展开与收拢提供球面360度的自由旋转角度，顶铰链10主要包括铰链支座11、二维转动接头12、同步折叠杆接头13、中间斜杆接头14、辅助动力弹簧15；顶铰链10从空间上可分为同步杆层与斜杆层，同步折叠杆接头13、中间斜杆接头14分别通过二维转动接头12与铰链支座11连接，分别形成顶铰链的同步杆层与斜杆层，如图5所示。铰链支座11的同步杆层的上端面为V型，V型角度与模块单元六边形夹角一致，铰链支座11的斜杆层部分位于同步杆层的V型下端面；四个二维转动接头12通过轴承分别安装在V型两端、斜杆层部分的两侧；同步折叠杆接头13一端通过轴与同步杆层的二维转动接头12连接，二者之间形成空腔；中间斜杆接头14一端通过轴与斜杆层的二维转动接头12连接，二者之间形成空腔；辅助动力弹簧15安装在上述空腔内并穿过空腔内的轴

动力同步铰链9与同步杆8构成同步折叠杆，为桁架单元提供展开动力，同步铰链9主要由铰链支架16、同步杆接头17、弹簧驱动单元18组成，铰链支架16为三面开口的空腔，截面为U型；弹簧驱动单元18安装在铰链支架16腔体内部，为模块单元1的展开提供动力，同步杆接头17一端与铰链支架16及弹簧驱动单元18连接，另一端与同步杆8连接，实现同步杆8与动力同步铰链9的连接，如图6所示。

2.反射绳网3

反射绳网3主要包括反射电磁波用的金属网19与调整绳20组成，金属网19缝合在调整绳20上，采用调整绳20调整金属网19的型面，调整绳20与模块单元桁架2通过联绳装置4固定，通过改变各段调整绳的长度，得到满足天线型面精度要求的反射绳网。

3.联绳装置4

联绳装置4主要用于将反射绳网3与六边形可展开桁架2连接，主要包括通过绳孔21与压绳柱22，如图7所示；联绳装置4通过绳孔21连接在顶铰链10上，采用压绳柱22将调整绳20压紧在过绳孔21上，如图7所示。

4.本发明的展开与收拢原理

本发明的展开状态如图8所示，收拢状态如图9所示。

收拢过程：将上六边形杆的各边绕杆中心处同步铰链向下收拢，同时将下六边形杆的各边绕杆中心处同步铰链向上收拢，再减小中间斜杆之间的夹角，使模块单元逐步收缩，单元体积收缩的同时，中心斜杆也逐渐缩短，最终实现收拢后尺寸最小的模块单元，半收拢状态如图10所示。

展开过程：展开时桁架由同步动力铰链和顶铰链提供展开动力，展开过程为收拢过程的逆过程，展开到位后在同步动力铰链中实施锁紧即可将模块单元构成一个稳定的环形结构。

5.单元组装实施方法

大型空间组装式天线是由各个模块单元在轨展开后组装而成的，模块单元的自身收拢与展开过程如前所述，因此，这里重点考虑模块单元的在轨组装方式、各模块单元的装配顺序、组装天线与空间平台之间的几何关系、装配辅助设备的灵活性等，此外，模块单元之间的组装连接需要操作简单、可靠性高。因此，将大型空间组装式天线反射器组装方法概述如下：

●模块单元组装设计：

在模块单元在设计时，根据待设计的天线反射器的具体构型，例如展开后形成的曲面弧度，反射器厚度等等，合理设计模块单元的同步折叠杆及中间斜杆，使得整个反射器组装后形成一种前表面由六边形构成的致密无孔隙的曲面桁架，后表面为六边形与三角形均匀混合的曲面桁架，中间层为中间斜杆结构；每三根交于同一点的中间斜杆与后表面的三角形形成空间四面体结构，使空间组装式反射器组装后具有良好的结构刚度；

●模块单元组装方法：

根据模块单元在反射器中所处的位置，将各个模块单元，以及各模块单元上的顶铰链编号，相邻模块单元交与一点的顶铰链编号中具有相同的元素；例如可以将天线反射器中心的模块单元编号1，与其相邻的6个模块单元的按照顺时针或逆时针依次编号2～7，编号为1、2的模块单元中交与一点的顶铰链可以标号为1a、2a，a即为编号中的相同元素。组装时先固定中心的单元，按从中心往外逐圈组装的原则，将有连接关系单元的对应编号的顶铰链通过组装机构连接，如图11所示；

●模块单元组装方案：

在反射器空间组装方案中，采用一维伸缩装置，将组装天线反射器的中心模块单元固定在可以绕反射器中心轴转动的装置上，取相应编号的单元，通过一维伸缩装置运送到已放置好的中心单元旁，将对应编号的顶铰链通过组装机构组装，组装完成后反射器转动一定角度，准备组装下一个单元，按照从中心向外逐圈安装的方法，逐个逐圈安装，直至最后所有单元组装完毕。

模块单元在组装后可形成一种前表面致密无孔隙后表面有三角形与六边形孔隙的空间稳定桁架结构，该结构具有良好的结构刚度，且通过设计中间斜杆的长度可以改善拼接后天线的结构刚度，天线结构具有良好的设计性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.大型空间组装式天线反射器模块单元，其特征在于包括六边形可展开桁架、反射绳网和联绳装置；所述的六边形可展开桁架包括顶铰链、同步动力铰链、环向杆、中间斜杆；长度相同的两个环向杆通过同步动力铰链组成同步折叠杆，一根同步折叠杆与两根中间斜杆通过三个顶铰链连接组成一个平面三角形结构单元，12个平面三角形结构单元通过共用中间斜杆及顶铰链相互连接，组成一个环状即形成天线反射器模块单元桁架，连接时相邻两个三角形结构单元的同步折叠杆在空间上相互错开，在空间上形成两层大小不同、顶点位置交错的六边形；反射绳网包括反射电磁波用的金属网与调整金属网形面的调整绳，金属网缝合在调整绳上，调整绳与上述模块单元桁架通过安装在顶铰链的联绳装置连接、固定。

2.根据权利要求1所述的大型空间组装式天线反射器模块单元，其特征在于：所述的顶铰链包括铰链支座(11)、二维转动接头(12)、同步折叠杆接头(13)、中间斜杆接头(14)、辅助动力弹簧(15)，由铰链支座(11)将顶铰链分为同步杆层与斜杆层；铰链支座(11)的同步杆层的上端面为V型，V型角度与模块单元六边形夹角一致，铰链支座(11)的斜杆层部分位于同步杆层的V型下端面；四个二维转动接头(12)通过轴承分别安装在V型两端、斜杆层部分的两侧；同步折叠杆接头(13)一端通过轴与同步杆层的二维转动接头(12)连接，二者之间形成空腔；中间斜杆接头(14)一端通过轴与斜杆层的二维转动接头(12)连接，二者之间形成空腔；辅助动力弹簧(15)安装在上述空腔内并穿过空腔内的轴。

3.大型空间组装式天线反射器模块单元组装方法，其特征在于步骤如下：

第一步，根据待设计天线反射器的具体构型，设计天线反射器中不同位置处模块单元的具体尺寸结构，使得组装后天线反射器的前表面为六边形构成的致密无孔隙的曲面桁架，后表面为六边形与三角形均匀混合的曲面桁架，中间层为中间斜杆结构，每三根交于同一点的中间斜杆与后表面的三角形形成空间四面体结构；上述模块单元为权利要求1所述的大型空间组装式天线反射器模块单元；

第二步，根据模块单元在天线反射器中所处的位置，将各个模块单元以及各模块单元上的顶铰链编号，相邻模块单元交与一点的顶铰链编号中具有相同的元素；

第三步，固定天线反射器中心的模块单元，按从中心往外逐圈的原则按照编号组装各模块单元。

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