CN108281747A - 剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构 - Google Patents
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Abstract
一种剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其主要包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和内外层桁架连接组件；内层环形桁架组件包括n个内层折展单元，相邻内层折展单元通过共用的上下两个内层花盘连接；外层环形桁架组件包括2n个外层折展单元，相邻外层折展单元通过共用的上下两个外层花盘连接；内外层桁架连接组件包括2n个中间折展单元；内层环形桁架组件和外层环形桁架组件为同心布置，内层折展单元每侧的上下两个内层花盘各通过一个中间折展单元与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连。本发明具有刚度高、结构简单和可靠性高的特点，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。
Description
技术领域
本发明涉及一种可展机构，特别是一种可展开天线机构。
背景技术
目前，星球探测、空间站的建设，航天飞行器的设计，载人航天以及月球 探测计划等重大航天科技工程都与空间可展开机构有着密不可分的关系，大型 空间可展开机构在航天领域的一个重要应用是作为星载天线的展开和支撑机 构。星载天线被广泛应用于对地无线通信、电子侦察、导航、遥感、科学研究 等领域，是卫星***的“眼睛”和“耳朵”，起着决定性作用。由于距离较远， 卫星接收到的信号较弱，为满足多功能、多波段、大容量、高功率的需求，星 载天线开始转向大型化、超大型化方向发展。目前研制成功的大口径空间可展 开天线主要分为展开肋式天线、构架式可展开天线、环柱形可展开天线和环形 桁架式可展开天线。
环形桁架式可展开天线折叠比很大、质量较小、质量不随口径的增大而成 比例增加，是空间几十米到上百米大口径可展开天线的理想结构形式。国内外 相关科研人员在环形桁架式空间可展开机构方面进行了深入的研究，并且取得 了许多研究成果。随着各类航天任务对大口径天线的需求不断增加，可展开天 线的口径变得越来越大，单层环形桁架式可展开天线机构在口径增大到一定程 度时已经不能满足桁架机构刚度以及形面精度的要求，而一些环形桁架可展开 天线采用张紧拉锁实现天线机构整体刚度的提高，但是张紧拉锁较为复杂，不 易控制，也降低了整体结构的可靠性，在展开过程中极易发生缠绕现象，因此， 亟需在现有环形桁架的构型基础上研制出具有大口径、高精度、高刚度、高稳 定性、折叠比大等性能的优良可展机构，以满足不同航天任务的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有大口径、高刚度以及大折叠比等优良性能 的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构。
本发明主要包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和内外层桁架连接 组件；所述内层环形桁架组件包括n个内层折展单元，各内层折展单元结构完全 相同，相邻内层折展单元通过共用的上下两个内层花盘连接，组成内层环形桁 架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层 环形桁架组件包括2n个外层折展单元，各外层折展单元结构完全相同，相邻外 层折展单元通过共用的上下两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层 环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述内外层桁架连接组 件包括2n个中间折展单元，各中间折展单元结构完全相同；整个剪铰联动式过 约束双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件为同 心布置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘通过两个中间折展单元与相对 应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架机构，即剪 铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构。
所述内层折展单元包括两个内层剪式杆、四个内层横杆以及四个内层花盘； 所述外层折展单元包括两个外层剪式杆，四个外层横杆以及四个外层花盘；其 中内层剪式杆与外层剪式杆满足的长度关系式为
式中n为内层折展单元数量，L，l分别为内层剪式杆与外层剪式杆长度的一半。
内层折展单元的四个内层花盘结构完全相同，整体为面对称结构，称对称面 为中面。每个内层花盘均有四个支叉，其中两个支叉上各设有一个以中面为对 称面的对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双 槽口支叉，并且两双槽口支叉也以中面为对称面，每个开口槽均设有两个轴线 平行的圆柱孔，两双槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
两单槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
两个内层剪式杆结构完全相同，两个内层剪式杆中部通过转动副连接，组成 内层剪式折叠杆，每组内层剪式折叠杆四个自由端分别***每个内层花盘的双 槽口支叉中远离单槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个内层花盘对 称分布在内层折展单元的四个顶点上；四个内层横杆结构完全相同，每两个内 层横杆的一端通过转动副连接成一组，四个内层横杆共组成上下两组内层折叠 横杆，四个内层横杆的另一端分别***上述四个内层花盘同一侧双槽口支叉的 另一开口槽内，并通过转动副连接；同一内层折展单元中的内层折叠横杆和内 层剪式折叠杆上的转动副轴线均平行；上述内层花盘的另外一个双槽口支叉用 于连接相邻的内层折展单元。
外层折展单元的四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均有三个支叉， 其中一个支叉上设有单槽口，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉， 每个开口槽均设有两个轴线平行的圆柱孔，其中一个双槽口支叉每个槽口的对 称面与单口槽对称面的夹角为
另一个双槽口支叉每个槽口的对称面与单口槽对称面的夹角为
外层折展单元中的两个外层剪式杆结构完全相同，两个外层剪式杆中部通过 转动副连接，组成外层剪式折叠杆；每组外层剪式折叠杆的四个自由端分别插 入四个外层花盘的双槽口支叉中远离单槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接， 使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；四个外层花盘中位于 外层折展单元同一侧的两个摆放姿态相同，并与另外一侧的两个外层花盘关于 外层折展单元中心面对称，四个外层横杆结构完全相同，每两个外层横杆的一 端通过转动副连接成一组，四个外层横杆共组成上下两组外层折叠横杆，四个 外层横杆的另一端分别***上述四个外层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽 内，并通过转动副连接，同一外层折展单元中的外层折叠横杆和外层剪式折叠 杆上的转动副轴线均平行；上述外层花盘的另外一个双槽口支叉用于连接相邻 的外层折展单元。
所述中间折展单元包括两个结构完全相同中间剪式杆，两个中间剪式杆通 过转动副连接组成中间剪式折叠杆，连接两中间剪式杆的转动副将其分为两段， 两段长度之比为L/l，较长的一段与内层剪式杆长度的一半等长，较短的一段与 外层剪式杆长度的一半等长；该中间剪式折叠杆距中间连接转动副距离较长的 两端分别***上述上下两个内层花盘的单槽口支叉的开口槽中并分别通过转动 副连接，中间剪式折叠杆上距中间连接转动副距离较短的两端分别***上述上 下两个外层花盘的单槽口支叉的开口槽中并分别通过转动副连接，中间剪式折 叠杆上的五个转动副轴线均平行。
所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，但是构件尺 寸不同，两个内层剪式杆长度为2L，两个外层剪式杆长度为2l；内层折展单元和 外层折展单元中的相应杆件均满足特定比例关系，所述内层折展单元中的内层 剪式杆和所述外层折展单元中的外层剪式杆的长度比以及所述内层折展单元中 的内层横杆和所述外层折展单元中的外层横杆长度比均为L/l。
所述内层花盘和外层花盘，其各支叉槽口的转动副轴线与各自花盘中心轴 线之间距离满足特定比例关系；内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中 心之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心之间的距离之 比为L/l，内层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层 花盘中心之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动 副轴线与外层花盘中心之间的距离之比也为L/l，内层花盘和外层花盘上双槽口 支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离 单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、具有运动灵活、折叠比较大的优点。
2、结构简单，所含运动副均为转动副，易于实现工程制造。
3、刚度较高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求。
4、采用了模块化的设计思想，模块数量可以根据天线口径和单元大小的需 求而随意改变，模块扩展性强，可实现模块化生产，从而有效降低制造成本和 难度。
5、实施方式简单，可靠性高，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。
附图说明
图1是本发明完全展开立体示意简图；
图2是图1的完全展开俯视图；
图3是本发明半展开立体示意图简图；
图4是本发明完全收拢立体示意简图；
图5是本发明的内层环形桁架组件立体示意简图；
图6是本发明的外层环形桁架组件立体示意简图；
图7是本发明的内层折展单元完全展开立体示意简图；
图8是本发明的外层折展单元完全展开立体示意简图；
图9是本发明的两个外层折展单元完全收拢立体示意简图；
图10是本发明的中间折展单元立体示意简图；
图11是本发明的内层花盘的立体示意简图；
图12是本发明的外层花盘的立体示意简图。
图中：1-内层环形桁架组件、2-外层环形桁架组件、3-中间折展单元、4-内 层折展单元、5-外层折展单元、6-内层横杆、7-内层剪式杆、8-内层花盘、9-外 层横杆、10-外层剪式杆、11-外层花盘、12-中间剪式杆。
具体实施方式
在图1、图2、图3和图4所示的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线 机构示意图中，内层环形桁架组件1包括12个内层折展单元4，各内层折展单元 结构完全相同，相邻内层折展单元通过共用的上下两个内层花盘8连接，组成内 层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构； 外层环形桁架组件2包括24个外层折展单元5，各外层折展单元结构完全相同， 相邻外层折展单元通过共用的上下两个外层花盘11连接，组成外层环形桁架组 件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述内外层桁 架连接组件包括24个中间折展单元3，各中间折展单元结构完全相同；整个剪铰 联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件为同心布置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘通过两个中间折展单 元与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架机 构，即剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构。
如图7和图8所示，内层折展单元4包括两个内层剪式杆7、四个内层横杆6以 及四个内层花盘8；外层折展单元5包括两个外层剪式杆10，四个外层横杆9以及 四个外层花盘11；其中内层剪式杆与外层剪式杆满足的长度关系式为
式中n为内层折展单元数量，L，l分别为内层剪式杆与外层剪式杆长度的一半， 图中，内层剪式杆的长度2L为560.389mm，外层剪式杆的长度2l为400mm。
如图11所示，内层折展单元的四个内层花盘结构完全相同，整体为面对称结 构，称对称面为中面。每个内层花盘均有四个支叉，其中两个支叉上各设有一 个以中面为对称面的对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个 开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以中面为对称面，每个开口槽均 设有两个轴线平行的圆柱孔，两双槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
两单槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
如图7所示，两个内层剪式杆结构完全相同，长度为560.389mm，两个内层剪 式杆中部通过转动副连接，组成内层剪式折叠杆，每组内层剪式折叠杆四个自 由端分别***每个内层花盘的双槽口支叉中远离单槽口支叉的开口槽内并通过 转动副连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；四个内 层横杆结构完全相同，每两个内层横杆的一端通过转动副连接成一组，四个内 层横杆共组成上下两组内层折叠横杆，四个内层横杆的另一端分别***上述四 个内层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，并通过转动副连接；同一内层 折展单元中的内层折叠横杆和内层剪式折叠杆上的转动副轴线均平行；上述内 层花盘的另外一个双槽口支叉用于连接相邻的内层折展单元；
如图12所示，外层折展单元的四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均 有三个支叉，其中一个支叉上设有单槽口，另外两个支叉上各设两个开口槽， 即双槽口支叉，每个开口槽均设有两个轴线平行的圆柱孔，其中一个双槽口支 叉每个槽口的对称面与单口槽对称面的夹角为
另一个双槽口支叉每个槽口的对称面与单口槽对称面的夹角为
如图8和图9所示，外层折展单元中的两个外层剪式杆结构完全相同，长度为400mm，两个外层剪式杆中部通过转动副连接，组成外层剪式折叠杆；每组外 层剪式折叠杆的四个自由端分别***四个外层花盘的双槽口支叉中远离单槽口 支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元 的四个顶点上；四个外层花盘中位于外层折展单元同一侧的两个摆放姿态相同， 并与另外一侧的两个外层花盘关于外层折展单元中心面对称，四个外层横杆结 构完全相同，每两个外层横杆的一端通过转动副连接成一组，四个外层横杆共 组成上下两组外层折叠横杆，四个外层横杆的另一端分别***上述四个外层花 盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，并通过转动副连接，同一外层折展单元 中的外层折叠横杆和外层剪式折叠杆上的转动副轴线均平行，上述外层花盘的 另外一个双槽口支叉用于连接相邻的外层折展单元。
如图10所示，中间折展单元包括两个结构完全相同中间剪式杆12，长度为 L+l＝480.1945mm，两个中间剪式杆通过转动副连接组成中间剪式折叠杆，连接 两中间剪式杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为L/l＝1.401，较长的一段 与内层剪式杆长度的一半等长，较短的一段与外层剪式杆长度的一半等长；该 中间剪式折叠杆距中间连接转动副距离较长的两端分别***上述上下两个内层 花盘的单槽口支叉的开口槽中并分别通过转动副连接，中间剪式折叠杆上距中 间连接转动副距离较短的两端分别***上述上下两个外层花盘的单槽口支叉的 开口槽中并分别通过转动副连接，中间剪式折叠杆上的五个转动副轴线均平行。
内、外层折展单元的各转动副轴线与各自花盘中心之间距离满足特定比例 关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心之间的距离p和外层花盘 单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心之间的距离q之比为p/q＝L/l＝1.401，内层 花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心之间 的距离m和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外 层花盘中心之间的距离n之比为m/n＝L/l＝1.401，内层花盘和外层花盘上双槽口支 叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离单 槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。
Claims (6)
1.一种剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：其包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和内外层桁架连接组件；所述内层环形桁架组件包括n个内层折展单元，各内层折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元通过共用的上下两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层环形桁架组件包括2n个外层折展单元，各外层折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元通过共用的上下两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述内外层桁架连接组件包括2n个中间折展单元，各中间折展单元结构完全相同；整个剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件为同心布置；内层折展单元每侧的上下两个内层花盘通过两个中间折展单元与相对应的外层折展单元每侧的上下两个外层花盘相连组成双层环形桁架机构，即剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构。
2.根据权利要求1所述的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层折展单元包括两个内层剪式杆、四个内层横杆以及四个内层花盘；其中四个内层花盘结构完全相同，整体为面对称结构，称对称面为中面。每个内层花盘均有四个支叉，其中两个支叉上各设有一个以中面为对称面的对称的开口槽，即单槽口支叉，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，并且两双槽口支叉也以中面为对称面，每个开口槽均设有两个轴线平行的圆柱孔，两双槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
两单槽口支叉每个槽口的对称面与中面的夹角为
两个内层剪式杆结构完全相同，两个内层剪式杆中部通过转动副连接，组成内层剪式折叠杆，每组内层剪式折叠杆四个自由端分别***每个内层花盘的双槽口支叉中远离单槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；四个内层横杆结构完全相同，每两个内层横杆的一端通过转动副连接成一组，四个内层横杆共组成上下两组内层折叠横杆，四个内层横杆的另一端分别***上述四个内层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，并通过转动副连接；同一内层折展单元中的内层折叠横杆和内层剪式折叠杆上的转动副轴线均平行；上述内层花盘的另外一个双槽口支叉用于连接相邻的内层折展单元。
3.根据权利要求1所述的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述外层折展单元包括两个外层剪式杆，四个外层横杆以及四个外层花盘，其中四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均有三个支叉，其中一个支叉上设有单槽口，另外两个支叉上各设两个开口槽，即双槽口支叉，每个开口槽均设有两个轴线平行的圆柱孔，其中一个双槽口支叉每个槽口的对称面与单口槽对称面的夹角为
另一个双槽口支叉每个槽口的对称面与单口槽对称面的夹角为
外层折展单元中的两个外层剪式杆结构完全相同，两个外层剪式杆中部通过转动副连接，组成外层剪式折叠杆；每组外层剪式折叠杆的四个自由端分别***四个外层花盘的双槽口支叉中远离单槽口支叉的开口槽内并通过转动副连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；四个外层花盘中位于外层折展单元同一侧的两个摆放姿态相同，并与另外一侧的两个外层花盘关于外层折展单元中心面对称，四个外层横杆结构完全相同，每两个外层横杆的一端通过转动副连接成一组，四个外层横杆共组成上下两组外层折叠横杆，四个外层横杆的另一端分别***上述四个外层花盘同一侧双槽口支叉的另一开口槽内，并通过转动副连接，同一外层折展单元中的外层折叠横杆和外层剪式折叠杆上的转动副轴线均平行；上述外层花盘的另外一个双槽口支叉用于连接相邻的外层折展单元。
4.根据权利要求1所述的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述中间折展单元包括两个结构完全相同中间剪式杆，两个中间剪式杆通过转动副连接组成中间剪式折叠杆，连接两中间剪式杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为L/l，较长的一段与内层剪式杆长度的一半等长，较短的一段与外层剪式杆长度的一半等长；该中间剪式折叠杆距中间连接转动副距离较长的两端分别***上述上下两个内层花盘的单槽口支叉的开口槽中并分别通过转动副连接，中间剪式折叠杆上距中间连接转动副距离较短的两端分别***上述上下两个外层花盘的单槽口支叉的开口槽中并分别通过转动副连接，中间剪式折叠杆上的五个转动副轴线均平行。
5.根据权利要求1所述的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层剪式杆与外层剪式杆满足的长度关系式为
式中n为内层折展单元数量，L，l分别为内层剪式杆与外层剪式杆长度的一半。
6.根据权利要求1所述的剪铰联动式过约束双层环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层花盘和外层花盘，其各支叉槽口的转动副轴线与各自花盘中心轴线之间距离也满足特定比例关系；内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心之间的距离之比为L/l，内层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心之间的距离之比也为L/l，内层花盘和外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线均与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。
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