CN102280683A - 张拉整体可展开天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种张拉整体可展开天线，主要解决现有技术收拢体积大、展开可靠性低的问题。它由n个四边形平面展开单元通过虎克铰链接头(3)相互连接构成正多边形棱柱形状展开结构；每个四边形平面展开单元中采用弹簧框架结构，中心采用由四根支撑杆(2)与转动副(4)固接构成的交叉形收展结构，交叉收展结构的两条直杆可绕平面转动副的中心轴线相对转动；通过每个四边形平面展开单元的第二弹簧(1-2)和第四弹簧(1-4)的拉力，使整体结构由收拢态展开。本发明具有展开可靠性高，收拢体积小的特点，特别适于作为大型星载天线的展开结构，可用于在航空航天领域。

Description

张拉整体可展开天线

技术领域

本发明属于涉及天线技术领域，特别涉及一种张拉整体可展开天线，实现天线的自动展开，可作为太空反射面天线。

背景技术

航天器，特别是卫星天线已成为任何航天***不可或缺的重要组成部分，航天器天线影响并制约着整个无线通信***乃至整个航天器的性能和功能，天线技术已成为促进航天***技术进步和空间应用发展的重要因素。

为了要满足多功能、多波段、大容量、大功率、长寿命等功能的需要，卫星天线不可避免的趋于大口径化。因需要由火箭将装有天线的航天设备送上太空，所以卫星天线必须做成可折叠式的，即发射时收拢起来，到达轨道后可展开成预定的形状。因此，结构的可展开性已成为现代星载天线的一个显著特征。

目前国内外现有的星载天线展开结构大多为周边桁架式展开结构。周边桁架式展开结构与其它天线结构形式相比，其应用空间比较大，天线口径可应用于6～150m的范围，且结构形式简单，在一定范围内口径的增大不会改变天线的结构形式，质量也不会成比例的增加，是目前大型星载天线理想的展开结构形式。周边桁架式展开结构由结构完全相同的平行四边形单元组成，其完成收放运动的原理是利用周边平行四边形中对角杆可伸缩的结构特点，天线的展开过程为由电机驱动贯穿于整个环形桁架的一根绳索，滑动套筒对角杆长度缩短，桁架单元由细长菱形逐渐变为矩形，展开到位后，在对角杆弹簧锁和各关节限位装置作用下天线被锁定在展开位置。由于周边桁架展开结构的收拢状态高度为平行四边形两边之和，因而收拢体积较大；同时由于环形桁架展开是由一根绳索驱动，故展开可靠性低，而且为了驱动展开电机，必须携带足够的能源、燃料或供能装置。对于星载天线结构，增加供能装置无疑会给天线的发射带来挑战，增加了天线的发射成本，而且很难实现天线的大口径化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种张拉整体可展开天线，以缩小天线的收拢体积，降低发射成本，提高展开可靠性。

为实现上述目的，本发明包括：n个四边形平面展开单元，这些相邻平面展开单元通过虎克铰链接头连接构成正多边形棱柱形状环形展开结构，其中：每个四边形平面展开单元的四边采用弹簧框架结构，中心为由四根支撑杆构成的交叉形收展结构，这些支撑杆的一端铰接在对应的虎克铰链接头上，另一端与平面转动副固接，绕该平面转动副的轴线相对转动。

所述平面展开单元的弹簧框架结构包括四个虎克铰链接头和四根弹簧；第一弹簧连接在第一虎克铰链接头与第二虎克铰链接头之间，第三弹簧连接在第三虎克铰链接头与第四虎克铰链接头之间，形成两个独立横向框边；第二弹簧连接在第二虎克铰链接头与第三虎克铰链接头之间，第四弹簧连接在第一虎克铰链接头与第四虎克铰链接头之间，形成两个共用的竖向框边。

所述的虎克铰链接头上设有连接架、一对销钉、一对水平挂钩和一个竖向挂钩。

所述的第一弹簧的两端分别连接在第一虎克铰链接头的水平挂钩和第二虎克铰链接头的水平挂钩上，第三弹簧的两端分别连接在第三虎克铰链接头的水平挂钩和第四虎克铰链接头的水平挂钩上，第二弹簧的两端分别连接在第二虎克铰链接头和第三虎克铰链接头的竖向挂钩上，第四弹簧的两端分别连接在第一虎克铰链接头和第四虎克铰链接头的竖向挂钩上。

所述的平面转动副上设有上卡盘和下卡盘，上卡盘与下卡盘之间通过销钉连接，上卡盘和下卡盘上均带有限位块，限制上卡盘与下卡盘之间的相对转动范围。

所述的第一支撑杆的一端与第一虎克铰链接头的销钉连接，第二支撑杆的一端与第二虎克铰链接头的销钉连接，第三支撑杆的一端与第三虎克铰链接头的销钉连接，第四支撑杆的一端与第四虎克铰链接头的销钉连接，第一支撑杆的另一端通过下卡盘与第三支撑杆的另一端固接成一直线形状，第二支撑杆的另一端通过上卡盘与第四支撑杆的另一端固接成一直线形状，形成交叉结构并绕上下卡盘的中心轴线相对转动。在收拢态时，第一支撑杆和第二支撑杆夹角最小，第一虎克铰链接头和第二虎克铰链接头之间的距离最小，第一虎克铰链接头和第四虎克铰链接头之间的距离最大；在展开态时，第一支撑杆和第二支撑杆夹角最大，第一虎克铰链接头和第二虎克铰链接头之间的距离最大，第一虎克铰链接头和第四虎克铰链接头之间的距离最小。本发明与现有技术相比具有如下的优点：

1、本发明由于在每个四边形平面展开单元中采用弹簧框架结构，且通过弹簧框架的第二弹簧和第四弹簧的拉力，使平面展开单元展开，从而使整个环形天线结构的展开是由多根弹簧共同驱动，与传统单个电机驱动的周边桁架天线结构相比，具有较高的展开可靠性。

2、本发明由于在每个四边形平面展开单元中心采用由四根支撑杆构成的交叉形收展结构，使得可展开天线的收拢高度为四边形对角线长度，而现有相同尺寸的周边桁架式展开天线的收拢高度为四边形两邻边长度之和，因而本发明的收拢高度小于现有相同尺寸周边桁架结构天线的收拢高度，收拢体积明显减小。

3、本发明由于采用弹簧驱动展开代替电机驱动，从而降低了天线的发射成本。

附图说明

图1是本发明展开状态结构示意图；

图2是本发明的平面展开单元展开状态结构示意图；

图3是本发明的虎克铰链接头结构示意图；

图4是本发明的平面转动副结构示意图；

图5是本发明的平面展开单元收拢状态结构示意图；

图6是本发明收拢状态结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括n个四边形平面展开单元，n≥6，本实例取6，每个平面展开单元包括四根弹簧1、四根支撑杆2、四个虎克铰链接头3和平面转动副4，通过虎克铰链接头3对这些平面展开单元进行连接，构成正多边形棱柱形状展开结构。其中：

虎克铰链接头的结构如图3所示，它包括连接架5、一对销钉9和10、一对水平挂钩6和7，以及一个竖向挂钩8。

平面转动副4结构如图4所示，它包括上卡盘4-1和下卡盘4-2，上卡盘4-1与下卡盘4-2之间通过销钉4-3连接，上卡盘4-1和下卡盘4-2上均带有限位块4-4。

第一弹簧1-1的两端分别连接在第一虎克铰链接头3-1的水平挂钩7和第二虎克铰链接头3-2的水平挂钩6上，第三弹簧1-3的两端分别连接在第三虎克铰链接头3-3的水平挂钩7和第四虎克铰链接头3-4的水平挂钩6上，形成两个独立的横向框边；第二弹簧1-2的两端分别连接在第二虎克铰链接头3-2和第三虎克铰链接头3-3的竖向挂钩8上，第四弹簧1-4的两端分别连接在第一虎克铰链接头3-1和第四虎克铰链接头3-4的竖向挂钩8上，形成两个共用的竖向框边；所述的四个虎克铰链接头和四根弹簧连接形成四边形平面展开单元的弹簧框架结构。

第一支撑杆2-1的一端通过下卡盘4-2与第三支撑杆2-3的一端固接成一条直杆形状，第二支撑杆2-2的一端通过上卡盘4-1与第四支撑杆2-4的一端固接成另一条直杆形状，两条直杆通过整体平面转动副4形成支撑杆交叉结构，并绕上下卡盘的中心轴线相对转动。第一支撑杆2-1的另一端与第一虎克铰链接头3-1的销钉10连接，第二支撑杆2-2的另一端与第二虎克铰链接头3-2的销钉9连接，第三支撑杆2-3的另一端与第三虎克铰链接头3-3的销钉10连接，第四支撑杆2-4的另一端与第四虎克铰链接头3-4的销钉9连接，使支撑杆交叉结构与弹簧框架构成四边形平面展开单元，如图2所示。

在图2所示的平面展开单元中，将虎克铰链接头3-2，3-3和第二弹簧1-2分别作为第二个平面展开单元的虎克铰链接头3-1，3-4和第四弹簧1-4，与第二平面展开单元的其他三根弹簧1-1，1-2，1-3和虎克铰链接头3-2，3-3连接构成第二平面展开单元的弹簧框架，将第二平面展开单元的支撑杆交叉结构与它的弹簧框架连接形成第二平面展开单元。依次进行上述连接，直到连接完成第n-1个平面展开单元。将第n-1个平面展开单元的虎克铰链接头3-2，3-3和第二弹簧1-2分别作为第n个平面展开单元的虎克铰链接头3-1，3-4和第四弹簧1-4，将图2所示平面展开单元的虎克铰链接头3-1，3-4和第四弹簧1-4作为第n个平面展开单元的虎克铰链接头3-2，3-3和第二弹簧1-2，将第n个平面展开单元的其他两根弹簧1-1，1-3与对应的虎克铰链接头连接形成第n个平面展开单元的弹簧框架，将第n个平面展开单元的支撑杆交叉结构与它的弹簧框架连接形成第n个平面展开单元，至此，完成n个平面展开单元的连接，构成如图1所示的正多边形棱柱形状展开结构。在展开态时，每个四边形平面展开单元中，第一支撑杆2-1和第二支撑杆2-2夹角最大，第一虎克铰链接头3-1和第二虎克铰链接头3-2之间的距离最大，第一虎克铰链接头3-1和第四虎克铰链接头3-4之间的距离最小，四根弹簧均受拉力。

参照图5，本发明在收拢时，每个平面展开单元中，支撑杆交叉结构的两条直杆绕上下卡盘的轴线转动合拢，第一支撑杆2-1和第二支撑杆2-2夹角逐渐减小，第一虎克铰链接头3-1和第二虎克铰链接头3-2之间的距离逐渐减小，第一虎克铰链接头3-1和第四虎克铰链接头3-4之间的距离逐渐增大，第二弹簧1-2和第四弹簧1-4的被逐渐拉长，拉力增大，第一弹簧1-1和第三弹簧1-3拉力逐渐减小。达到收拢态时，每个四边形平面展开单元中，支撑杆交叉结构的两条直杆接近重合，第一虎克铰链接头3-1和第二虎克铰链接头3-2之间的距离接近零，第一虎克铰链接头3-1和第四虎克铰链接头3-4之间的距离接近支撑杆交叉结构的直杆长度，第一弹簧1-1和第三弹簧1-3不受拉力，第二弹簧1-2和第四弹簧1-4拉力达到最大值，如图6。

Claims (7)

1.一种张拉整体可展开天线，包括n个四边形平面展开单元，这些平面展开单元通过虎克铰链接头连接构成正多边形棱柱形状展开结构，其特征在于：每个四边形平面展开单元的四边采用弹簧框架结构，中心为由四根支撑杆(2-1，2-2，2-3，2-4)构成的交叉形收展结构，这些支撑杆(2-1，2-2，2-3，2-4)的一端铰接在对应的虎克铰链接头(3-1，3-2，3-3，3-4)上，另一端与平面转动副(4)固接，绕该平面转动副的轴线相对转动。

2.根据权利要求1所述的可展开天线，其特征在于：平面展开单元的弹簧框架结构包括四个虎克铰链接头(3-1，3-2，3-3，3-4)和四根弹簧(1-1，1-2，1-3，1-4)；第一弹簧(1-1)连接在第一虎克铰链接头(3-1)与第二虎克铰链接头(3-2)之间，第三弹簧(1-3)连接在第三虎克铰链接头(3-3)与第四虎克铰链接头(3-4)之间，形成两个独立横向框边；第二弹簧(1-2)连接在第二虎克铰链接头(3-2)与第三虎克铰链接头(3-3)之间，第四弹簧(1-4)连接在第一虎克铰链接头(3-1)与第四虎克铰链接头(3-4)之间，形成两个共用的竖向框边。

3.根据权利要求1所述的可展开天线，其特征在于：虎克铰链接头上设有连接架(5)、一对销钉(9，10)、一对水平挂钩(6，7)和一个竖向挂钩(8)。

4.根据权利要求2或3所述的可展开天线，其特征在于：第一弹簧(1-1)的两端分别连接在第一虎克铰链接头(3-1)的水平挂钩(7)和第二虎克铰链接头(3-2)的水平挂钩(6)上，第三弹簧(1-3)的两端分别连接在第三虎克铰链接头(3-3)的水平挂钩(7)和第四虎克铰链接头(3-4)的水平挂钩(6)上，第二弹簧(1-2)的两端分别连接在第二虎克铰链接头(3-2)和第三虎克铰链接头(3-3)的竖向挂钩(8)上，第四弹簧(1-4)的两端分别连接在第一虎克铰链接头(3-1)和第四虎克铰链接头(3-4)的竖向挂钩(8)上。

5.根据权利要求1所述的可展开天线，其特征在于：平面转动副(4)上设有上卡盘(4-1)和下卡盘(4-2)，上卡盘(4-1)与下卡盘(4-2)之间通过销钉(4-3)连接，上卡盘(4-1)和下卡盘(4-2)上均带有限位块(4-4)，限制上卡盘(4-1)与下卡盘(4-2)之间的相对转动范围。

6.根据权利要求1或3或4所述的可展开天线，其特征在于：第一支撑杆(2-1)的一端与第一虎克铰链接头(3-1)的销钉(10)连接，第二支撑杆(2-2)的一端与第二虎克铰链接头(3-2)的销钉(9)连接，第三支撑杆(2-3)的一端与第三虎克铰链接头(3-3)的销钉(10)连接，第四支撑杆(2-4)的一端与第四虎克铰链接头(3-4)的销钉(9)连接，第一支撑杆(2-1)的另一端通过下卡盘(4-2)与第三支撑杆(2-3)的另一端固接成一直线形状，第二支撑杆(2-2)的另一端通过上卡盘(4-1)与第四支撑杆(2-4)的另一端固接成一直线形状，形成交叉结构，并绕上下卡盘的中心轴线相对转动。

7.根据权利要求6所述的可展开天线，其特征在于：在收拢态时，第一支撑杆(2-1)和第二支撑杆(2-2)夹角最小，第一虎克铰链接头(3-1)和第二虎克铰链接头(3-2)之间的距离最小，第一虎克铰链接头(3-1)和第四虎克铰链接头(3-4)之间的距离最大；在展开态时，第一支撑杆(2-1)和第二支撑杆(2-2)夹角最大，第一虎克铰链接头(3-1)和第二虎克铰链接头(3-2)之间的距离最大，第一虎克铰链接头(3-1)和第四虎克铰链接头(3-4)之间的距离最小。

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