CN105977648A - 一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构。本发明涉及一种航天空间天线，具体涉及一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构。本发明为解决现有环形天线的结构复杂、重量大和刚性强度差的问题。一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构包括外环、内环和多个绳索，外环与内环之间均布设有绳索，外环包括多个外环机构，每个外环机构包括竖杆和两个边杆，竖杆设置在两个边杆之间，边杆与竖杆之间、竖杆与竖杆之间和边杆与边杆之间均设有绳索，内环包括多个内环机构，每个内环机构包括剪叉和竖杆铰链，剪叉通过竖杆铰链与竖杆的中部连接，天线机构收拢时，外环和内环收缩成一个圆柱形，天线机构展开时，外环和内环伸展开成一个双环形。本发明用于航天通信。

Description

一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构

技术领域

本发明涉及一种航天空间天线，具体涉及一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构。

背景技术

随着通信、空间科学、地球观测事业以及国防建设的需要，各国对于大型空间天线的需求越加迫切。当天线的尺寸超过运载火箭整流罩(或航天飞机)所能容纳的范围吋，必须采用可展开天线这种结构形式。在发射阶段，这些大型天线必须折叠起来，航天器进入预定轨道后，再靠驱动器将其展开成为工作状态。环形桁架可展开天线与其他结构形式的卫星可展开天线相比，具有应用范围广、天线口径大(可达上百米)、拓扑结构简单、在一定范围内直径増大不改变结构的拓扑构型等优点，目前应用最广泛。

在此基础之上，随着技术的发展，对环形天线的要求也越来越高，如何能在保持结构刚度的条件下使天线的结构形式变得简単、减少材料、减轻重量是现在研究的重点。本发明就是为满足这种要求而设计的。

发明内容

本发明为解决现有环形天线的结构复杂、重量大和刚性强度差的问题，进而提出一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明包括外环、内环和多个绳索，外环与内环之间均布设有绳索，外环包括多个外环机构，多个外环机构首尾依次连接，每个外环机构包括竖杆和两个边杆，两个边杆平行设置，竖杆设置在两个边杆之间，边杆与竖杆之间、竖杆与竖杆之间和边杆与边杆之间均设有绳索，内环包括多个内环机构，多个内环机构首尾依次连接，每个内环机构包括剪叉和竖杆铰链，剪叉通过竖杆铰链与竖杆的中部连接，天线机构收拢时，外环和内环收缩成一个圆柱形，天线机构展开时，外环和内环伸展开成一个双环形。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现了环形展开天线机构的设计，发射时环形天线处于收拢状态，以减少发射时所占的空间，入轨后再将它展开成工作状态，从而实现了大直径环形天线的升空发射。

2、本发明采用杆件连接，结构简単，减少制作材料的用料。而杆件都是由航天常用的材料加工制造，材料资源丰富，加工工艺成熟，所用的材料密度小，刚强度大，可有效减轻机构的重量。

3、本发明环形天线的展开过程中，完全依靠弹性力驱动杆件的运功。相比于电动控制驱动，弹性力驱动的反应更快，在约束消失后可以快速实现展开的动作，无延迟。

4、本发明的运动依靠弹性铰链和扭簧的弹力实现，无需外加动力源，可减轻整个机构的重量。

5、本发明的环形结构可以看作是由多个三角形结构单元连接组成，每个三角形结构由两条边杆和一条剪叉组成。与四边形的单元结构相比，三角形单元的结构刚度更大、更稳定，而比四边形结构少了一条边，减少材料用量，可减少重量与材料成本。

6、本发明是由三角形单元结构连接而成，其周长是有三角形单元结构的尺寸与数量决定的，可根据对环形天线长度的具体要求，更改环形天线的周长，可满足环形天线对于尺寸的要求。

附图说明

图1是本发明天线机构展开时的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明天线机构收拢时的结构示意图；

图4是本发明中边杆5、竖杆4和剪叉6的结构示意图；

图5是图4的主视图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明中剪叉6的结构示意图；

图8是图7中的K处放大剖视图；

图9是本发明中竖杆铰链12和竖杆4的结构示意图；

图10是本发明中边杆5收拢时的结构示意图；

图11是本发明中边杆5展开时的结构示意图；

图12是本发明中边杆铰链7、边连杆13、竖杆4和绳索3的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图12说明，本实施方式所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构包括外环1、内环2和多个绳索3，外环1与内环2之间均布设有绳索3，外环1包括多个外环机构，多个外环机构首尾依次连接，每个外环机构包括竖杆4和两个边杆5，两个边杆5平行设置，竖杆4设置在两个边杆5之间，边杆5与竖杆4之间、竖杆4与竖杆4之间和边杆5与边杆5之间均设有绳索3，内环2包括多个内环机构，多个内环机构首尾依次连接，每个内环机构包括剪叉6和竖杆铰链12，剪叉6通过竖杆铰链12与竖杆4的中部连接，天线机构收拢时，外环1和内环2收缩成一个圆柱形，天线机构展开时，外环1和内环2伸展开成一个双环形。

整个机构由外环1、内环2和绳索3组成。外环1与内环2组成环形天线的骨架结构，绳索3将二者拉住，防止出现结构出现散架崩溃的现象，增加结构的刚度。机构处于展开状态时，边杆5是伸直状态，剪叉6处于伸展状态，两者的合力将竖杆4推开，撑起整个环形结构；机构处于收拢状态时，边杆5呈对折状态，剪叉6收拢，整个机构形成一个圆柱体形态，边杆5、剪叉6和竖杆4都在沿圆柱体轴线方向上。

环形天线展开、收拢形状的直径比大，所占的体积之比大，节省发射空间。

剪叉6与边杆5进行联动驱动，保证机构展开的同步性和运动过程中整体结构的形状完整。

边杆5与竖杆4之间、竖杆4与竖杆4之间和边杆5与边杆5之间均设有绳索3提高天线机构的整体刚度和可靠性。

具体实施方式二：结合图1至图6和图10至图12说明，本实施方式所述边杆5包括边杆铰链7、弹性铰链14和两个边连杆13，两个边连杆13通过弹性铰链14连接，边杆铰链7设置在相邻两个外环机构之间，边杆铰链7的一端与一个外环机构中的一个边连杆13转动连接，边杆铰链7的另一端与相邻外环机构中的另一个边连杆13转动连接，竖杆4分别与同一个外环机构中的两个边杆铰链7垂直固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

当边杆5收拢后，弹性铰链14发生弯曲，产生弹力，使边连杆13有向外伸展转动的趋势，为机构的展开提供动力。边杆展开后，边连杆13完全张开伸平。弹性铰链14恢复到原有的直线型，弹力消失，此时是弹性铰链14最稳定的形态，可以防止边连杆13由于运动惯性导致边杆5向反方向弯曲，同时也防止边杆5向回弯曲导致环形收缩，可以保持结构在展开完成后的形状。

边杆铰链7与竖杆4固连，二者不会发生相对运动。边连杆13与边杆铰链7之间是转动连接。其作用一是保证弹性铰链14驱动下的边杆5变形运动能传递到竖杆4上，驱动竖杆4运动，二是限制边连杆13的位置方向，保证环形的形状牢固精准。同吋，使竖杆4始终沿圆柱体的轴线方向固定不变，这样可以防止环形天线发生扭曲变形。

具体实施方式三：结合图1至图9说明，本实施方式所述剪叉6包括剪叉铰链8、两个长连杆10、两个扭簧11和四个短连杆9，两个长连杆10的中部通过剪叉铰链8交叉设置，每个长连杆10的两端分别连接有一个短连杆9，长连杆10与短连杆9之间转动连接，其中一个长连杆10的两端与短连杆9之间设有扭簧11，一侧的两个短连杆9分别与竖杆铰链12转动连接，另一侧的短连杆9分别与相邻的竖杆铰链12转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

竖杆铰链12与剪叉铰链8始终在一条直线上，长连杆10和短连杆9可以绕着各自的转动副转动，可实现剪叉6的横向长度变化，推动机构展开。在收拢状态下，短连杆9和长连杆10平行，两杆呈对折形状，此时，扭簧11的变形量最大，弹力也是最大。展开过程中，扭簧11的回弹驱动短连杆9和长连杆10向外扩展，使剪叉6的横向长度增加。剪叉6横向伸展到极限位置后，短连杆9和长连杆10不再向外扩张，此时扭簧11仍保持有一定的弹力作用在两根杆上，迫使两根杆不能反向转动，防止环形机构的回缩，使其持续保持张开状态。

竖杆铰链12与竖杆4固定连接，二者不会发生相对运动，剪叉6横向伸展，使竖杆铰链12运动，带动竖杆4运动。

具体实施方式四：结合图1至图6和图9说明，本实施方式竖杆铰链12设置在第1、3、5、7、9、……、2N+1个竖杆4上，其中N为自然数。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

如此设计每个内环机构和两个外环机构形成一个环形单元，利用剪叉6和边杆5上的弹性铰链14实现整个天线的展开和收拢。

具体实施方式五：结合图1至图6说明，本实施方式天线机构展开时，每个内环机构中的剪叉6与对应的两个外环机构中的边杆5成三角形，相邻的两个边杆5之间为钝角。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

如此设计将每个环形单元设计成三角形，增强了整个天线机构的稳定性和刚度，减少材料用量，可减少重量与材料成本。

具体实施方式六：结合图1至图8说明，本实施方式所述短连杆9与长连杆10之间通过销轴15转动连接，短连杆9上设有第一定位销16，长连杆10上设有第二定位销17，扭簧11套装在销轴15上，扭簧11的两个支脚卡装在第一定位销16和第二定位销17之间。其它组成和连接方式与具体实施方式四或五相同。

扭簧11套装在销轴15上，扭簧11的两个支脚卡装在第一定位销16和第二定位销17之间，可以随着短连杆9和长连杆10的转动发生变形，为剪叉6的展开和收拢提供动能。

工作原理

环形天线的尺寸可以根据需求，通过三角形环形单元结构的尺寸与个数加以调整。初始时刻，环形天线处于收拢状态，边杆5处于折叠状态，弹性铰链14呈弯曲状态，二者储存弹性变形能；剪叉6处于收拢状态，扭簧11受到两侧的短连杆9和长连杆10的压力而压缩变形，储存弹性势能。此时，整个机构收拢为一个圆柱体，所有杆件都是沿圆柱体轴线方形布置，绳索3处于松弛状态，机构被容器约束收容成为一个体积较小的圆柱体，可以有效节省火箭的发射空间。

当到达天线的指定位置开始工作吋，约束力消失，弹性铰链14与扭簧11储存的弹性势能释放，边连杆13在弹性铰链14的弹力作用下，从原来的沿轴线方向转过90°，整个边杆5形成一条直线，成为外环圆周的一个支撑单元。此时，弹性铰链14的弹力消失，边杆5保持直线状态。展开过程中，剪叉6受扭簧11的弹力作用，短连杆9和长连杆10向两边张开，剪叉6的横向距离增大，剪叉6的横向伸展与边杆5的伸平动作的合成运动表现在竖杆铰链12上，推动竖杆铰链12和与其固连的竖杆4沿圆柱的径向向外运动。张开的过程中，扭簧11的弹力逐渐减小，弹性铰链14的弹性力逐渐増大，两者弹力相互弥补，在展开的过程中持续地为杆件的运动提供足够的弹性驱动力，使整个机构张开，同时绳索3绷紧，机构由一个圆柱体结构展开成一个圆环形。

实现完全张开以后，扭簧11依然保持一定的弹性张力，作用在短连杆9与长连杆10上，弹性铰链14伸直以后很难再弯曲。这样的特性可以保持机构的张开状态而不回收，同时，使用绳索3拉紧，实现锁定固化。

Claims (6)

1.一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构包括外环(1)、内环(2)和多个绳索(3)，外环(1)与内环(2)之间均布设有绳索(3)，外环(1)包括多个外环机构，多个外环机构首尾依次连接，每个外环机构包括竖杆(4)和两个边杆(5)，两个边杆(5)平行设置，竖杆(4)设置在两个边杆(5)之间，边杆(5)与竖杆(4)之间、竖杆(4)与竖杆(4)之间和边杆(5)与边杆(5)之间均设有绳索(3)，内环(2)包括多个内环机构，多个内环机构首尾依次连接，每个内环机构包括剪叉(6)和竖杆铰链(12)，剪叉(6)通过竖杆铰链(12)与竖杆(4)的中部连接，天线机构收拢时，外环(1)和内环(2)收缩成一个圆柱形，天线机构展开时，外环(1)和内环(2)伸展开成一个双环形。

2.根据权利要求1所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：所述边杆(5)包括边杆铰链(7)、弹性铰链(14)和两个边连杆(13)，两个边连杆(13)通过弹性铰链(14)连接，边杆铰链(7)设置在相邻两个外环机构之间，边杆铰链(7)的一端与一个外环机构中的一个边连杆(13)转动连接，边杆铰链(7)的另一端与相邻外环机构中的另一个边连杆(13)转动连接，竖杆(4)分别与同一个外环机构中的两个边杆铰链(7)垂直固接。

3.根据权利要求1或2所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：所述剪叉(6)包括剪叉铰链(8)、两个长连杆(10)、两个扭簧(11)和四个短连杆(9)，两个长连杆(10)的中部通过剪叉铰链(8)交叉设置，每个长连杆(10)的两端分别连接有一个短连杆(9)，长连杆(10)与短连杆(9)之间转动连接，其中一个长连杆(10)的两端与短连杆(9)之间设有扭簧(11)，一侧的两个短连杆(9)分别与竖杆铰链(12)转动连接，另一侧的短连杆(9)分别与相邻的竖杆铰链(12)转动连接。

4.根据权利要求3所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：竖杆铰链(12)设置在第1、3、5、7、9、……、2N+1个竖杆(4)上，其中N为自然数。

5.根据权利要求4所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：天线机构展开时，每个内环机构中的剪叉(6)与对应的两个外环机构中的边杆(5)成三角形，相邻的两个边杆(5)之间为钝角。

6.根据权利要求4或5所述一种剪叉联动式环形空间可展开天线机构，其特征在于：所述短连杆(9)与长连杆(10)之间通过销轴(15)转动连接，短连杆(9)上设有第一定位销(16)，长连杆(10)上设有第二定位销(17)，扭簧(11)套装在销轴(15)上，扭簧(11)的两个支脚卡装在第一定位销(16)和第二定位销(17)之间。