CN108598662B - 一种双层平行四边形环形可展开桁架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双层平行四边形环形可展开桁架，由多个平行四边形结构单元组成，其中每个平行四边形结构单元包括两个平行四边形结构，这两个平行四边形结构为内层平行四边形结构和外层平行四边形结构，内层平行四边形结构和外层平行四边形结构分别位于相互平行的不同平面内；相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆并通过铰链连接形成一个封闭的环形可展开结构。本发明的环形可展开结构中的铰链与竖杆采用滑动副连接，并且每个滑块均固连一根长杆，结构展开过程中，滑块沿竖杆滑动，长杆沿竖直方向伸出，可以大大地增加整个结构的展开高度。

Description

一种双层平行四边形环形可展开桁架

技术领域

本发明属于星载环形可展开天线领域，具体涉及一种双层平行四边形环形可展开桁架。

背景技术

大型星载可展开天线因在深空探测、现代通信等领域具有广阔的应用前景和极其重要的应用价值，已成为美国、俄罗斯、日本等发达国家竞相研究的热门技术。环形可展开天线因具有大口径、轻质量、高收纳率、高精度等优点，已成为了一种非常具有研究价值的大型星载天线结构。

美国Northrop Grumman公司成功研制出了AstroMesh网状反射天线，该天线主要由环形可展开支撑桁架、前后索网、金属反射面组成，并且在长达15年的应用过程中未经历任何失败，是目前世界上最先进的星载环形可展开天线技术。该天线主要通过改变平行四边形单元的对角线长度来实现整个天线结构的展开与收拢，展开与收拢口径比较大且结构稳定、易于控制。

星载天线在发射初期以收拢形态放置于火箭的整流罩内，待发射至预定轨道之后展开成为工作状态。受到火箭整流罩存储空间的限制，星载天线的收拢体积必须满足发射要求。环形可展开桁架作为星载天线的支撑结构，其收拢和展开体积决定了整个天线的收纳率。环形桁架结构的收拢体积主要取决于其收拢高度和收拢直径。AstroMesh网状反射天线所采用的周边环形桁架结构，能够有效地缩小天线的收拢直径，但受到结构本身的限制，其在减小天线收拢高度方面表现较差。采用该结构实现更大口径天线时，天线的展开口径增大时，天线的展开高度几乎不发生变化，这就使得天线的馈源位置变远，整个结构的承载能力降低，结构稳定性变差。

发明内容

为了克服现有在减小天线收拢高度方面表现较差且结构稳定性差的问题，本发明提供一种双层平行四边形环形可展开桁架，本发明可以有效地提高可展开环形桁架的展开收拢口径比和展开收拢高度比，从而有效地减小了天线的收拢体积，保证整个结构的稳定性。

本发明采用的技术方案为：

一种双层平行四边形环形可展开桁架，由多个平行四边形结构单元组成，其中每个平行四边形结构单元包括两个平行四边形结构，这两个平行四边形结构为内层平行四边形结构和外层平行四边形结构，内层平行四边形结构和外层平行四边形结构分别位于相互平行的不同平面内；相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆并通过铰链连接形成一个封闭的环形可展开结构。

所述的内层平行四边形结构包括第一内层横杆、第二内层横杆、内层斜杆、第一内层滑块、第二内层滑块和两根竖杆，第一竖杆和第二竖杆；所述的第一竖杆与第二竖杆相互平行，第一内层横杆和第二内层横杆相互平行设置在第一竖杆与第二竖杆之间，且第一内层横杆的一端与第二竖杆的顶端铰接，第一内层横杆的另一端与第一竖杆通过第一内层滑块连接，所述的第一内层滑块设置在第一竖杆下部；第二内层横杆的一端与第一竖杆的低端连接，第二内层横杆的另一端通过第二内层滑块与第二竖杆铰接，所述的第二内层滑块设置在第二竖杆上部；所述的第一竖杆的底端与第二竖杆的顶端之间设置有内层斜杆。

所述的内层斜杆为可伸缩套筒。

所述的第一内层横杆的一端与第二竖杆的顶端通过第二内层铰链铰接；所述的第二内层横杆的一端与第一竖杆的低端通过第一内层铰链铰接。

所述的外层平行四边形结构包括第一外层横杆、第二外层横杆、外层斜杆、第一外层滑块、第二外层滑块和两根竖杆，第一竖杆和第二竖杆；所述的第一竖杆与第二竖杆平行设置，所述的第一外层横杆、第二外层横杆平行设置在第一竖杆与第二竖杆之间，第一外层横杆的一端与第一竖杆的顶端铰接，第一外层横杆的另一端通过第一外层滑块与第二竖杆连接，所述的第一外层滑块设置在第二竖杆下部；第二外层横杆的一端与第二竖杆的底端铰接，第二外层横杆的另一端与第一竖杆通过第二外层滑块铰接，第二外层滑块设置在第一竖杆上部，所述的第一竖杆的顶端与第二竖杆的底端之间设置有外层斜杆。

所述的外层斜杆为可伸缩套筒。

所述的第二外层横杆的一端与第二竖杆的底端通过第二外层五点铰链铰接；所述的第一外层横杆的一端与第一竖杆的顶端通过第一外层铰链铰接。

所述的平行四边形结构单元为30个，其收拢外径为1417.39mm,收拢高度为1540.29mm,完全展开外径为12482.2mm,完全展开高度为4005.56mm。

本发明的有益效果为：

本发明采用双层平行四边形结构单元，分为内、外两层平行四边形结构，通过将内、外层的两根横杆和一根斜杆设计分布在三个相互平行的不同平面内，使得横杆、斜杆在与五点铰链使用转动副连接时共用转动轴，从而有效地减小了五点铰链的尺寸，使得整个环形可展开桁架结构收拢口径显著减小；其次，本发明的环形可展开结构中的三点铰链与竖杆采用滑动副连接，并且每个滑块均固连一根长杆，结构展开过程中，滑块沿竖杆滑动，长杆沿竖直方向伸出，可以大大地增加整个结构的展开高度。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1 平行四边形结构单元示意图。

图2 平行四边形结构单元俯视图。

图3 双层平行四边形环形可展开桁架完全收拢态示意图。

图4 双层平行四边形环形可展开桁架部分展开态示意图。

图5 双层平行四边形环形可展开桁架绳索驱动中间展开态示意图。

图6 双层平行四边形环形可展开桁架完全展开态示意图。

图中，附图标记为：1、第一内层竖杆；2、第二内层竖杆；3、内第一层横杆；4、第二内层横杆；5、第二外层横杆；6、第一外层横杆；7、外层斜杆；8、内层斜杆；9、第一外层铰链；10、第一内层铰链；11、第二外层铰链；12、第二内层铰链；13、第二外层滑块；14、第一内层滑块；15、第一外层滑块；16、第二内层滑块。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有在减小天线收拢高度方面表现较差且结构稳定性差的问题，本发明提供如图1-6所示的一种双层平行四边形环形可展开桁架，本发明可以有效地提高可展开环形桁架的展开收拢口径比和展开收拢高度比，从而有效地减小了天线的收拢体积，保证整个结构的稳定性。

一种双层平行四边形环形可展开桁架，由多个平行四边形结构单元组成，其中每个平行四边形结构单元包括两个平行四边形结构，这两个平行四边形结构为内层平行四边形结构和外层平行四边形结构，内层平行四边形结构和外层平行四边形结构分别位于相互平行的不同平面内；相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆并通过铰链连接形成一个封闭的环形可展开结构。

本发明提供的这种结构是兼具高展开收拢口径比和高展开收拢高度比的环形可展开桁架结构。通过内外层两个平行四边形结构来实现桁架的高度和收拢口径的调节，整个装置简单且有效，本发明可以有效地提高可展开环形桁架的展开收拢口径比和展开收拢高度比，从而有效地减小了天线的收拢体积，保证整个结构的稳定性。

实施例2：

基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述的内层平行四边形结构包括第一内层横杆3、第二内层横杆4、内层斜杆8、第一内层滑块14、第二内层滑块16和两根竖杆，第一竖杆1和第二竖杆2；所述的第一竖杆1与第二竖杆2相互平行，第一内层横杆3和第二内层横杆4相互平行设置在第一竖杆1与第二竖杆2之间，且第一内层横杆3的一端与第二竖杆2的顶端铰接，第一内层横杆3的另一端与第一竖杆1通过第一内层滑块14连接，所述的第一内层滑块14设置在第一竖杆1下部；第二内层横杆4的一端与第一竖杆1的低端连接，第二内层横杆4的另一端通过第二内层滑块16与第二竖杆2铰接，所述的第二内层滑块16设置在第二竖杆2上部；所述的第一竖杆1的底端与第二竖杆2的顶端之间设置有内层斜杆8。

所述的内层斜杆8为可伸缩套筒。

所述的第一内层横杆3的一端与第二竖杆2的顶端通过第二内层铰链12铰接；所述的第二内层横杆4的一端与第一竖杆1的低端通过第一内层铰链10铰接。

所述的外层平行四边形结构包括第一外层横杆6、第二外层横杆5、外层斜杆7、第一外层滑块15、第二外层滑块13和两根竖杆，第一竖杆1和第二竖杆2；所述的第一竖杆1与第二竖杆2平行设置，所述的第一外层横杆6、第二外层横杆5平行设置在第一竖杆1与第二竖杆2之间，第一外层横杆6的一端与第一竖杆1的顶端铰接，第一外层横杆6的另一端通过第一外层滑块15与第二竖杆2连接，所述的第一外层滑块15设置在第二竖杆2下部；第二外层横杆5的一端与第二竖杆2的底端铰接，第二外层横杆5的另一端与第一竖杆1通过第二外层滑块13铰接，第二外层滑块13设置在第一竖杆1上部，所述的第一竖杆1的顶端与第二竖杆2的底端之间设置有外层斜杆7。

所述的外层斜杆7为可伸缩套筒。

所述的第二外层横杆5的一端与第二竖杆2的底端通过第二外层五点铰链11铰接；所述的第一外层横杆6的一端与第一竖杆1的顶端通过第一外层铰链9铰接。

所述的平行四边形结构单元为30个，其收拢外径为1417.39mm,收拢高度为1540.29mm,完全展开外径为12482.2mm,完全展开高度为4005.56mm。

本发明提供的该结构包含多个平行四边形结构单元，每个平行四边形结构单元包括内、外两层平行四边形结构，分别位于相互平行的不同平面内，故为双层平行四边形结构。相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆并通过铰链连接形成一个封闭的环形可展开结构。本实施例中以含有30个平行四边形结构单元的双层平行四边形环形可展开桁架为例对其结构和展开过程做进一步具体说明。如图1、图2所示，一个平行四边形结构单元包括两层平行四边形结构，即内层平行四边形结构合外层平行四边形结构。其中内层平行四边形结构的主要零件包括第一竖杆1、第二竖杆二2、第一内层横杆3、第二内层横杆4、内层斜杆8、第一内层铰链10、第二内层铰链12、第一内层滑块14、第二内层滑块16；外层平行四边形结构主要零件包括第一竖杆1、第二竖杆2、第一外层横杆6、第二外层横杆5、外层斜杆7、第一外层铰链9、第二外层铰链11，第一外层滑块15、第二外层滑块13。内、外两层平行四边形结构包含的零件数目相同，并且共用两根竖杆，第一竖杆1和第二竖杆2。内、外两层平行四边形结构的内层斜杆8和外层斜杆7均是一个可伸长的套筒结构。内、外两层平行四边形结构的三点铰链滑块第一内层滑块14和第二外层滑块13固连在第一竖杆1上，第二内层滑块16和第一外层滑块15固连在第二竖杆2上。如图2所示，内层平行四边形结构的第一内层横杆3、内层斜杆8、第二内层横杆4分布在相互平行的三个不同平面内，外层平行四边形结构亦是如此。如图1、图2所示，内层平行四边形结构零件之间的连接方式为：第一内层竖杆1与第一内层铰链10采用固定副连接。第二内层竖杆2与第二内层铰链12采用固定副连接。第一内层滑块14与第一内层竖杆1采用滑动副连接。第二内层滑块16与第二竖杆2采用滑动副连接。第一内层横杆3的两端分别与第二内层铰链12与第一内层滑块14采用转动副连接。第二内层横杆4的两端分别与第一内层铰链10和第二内层滑块16采用转动副连接。内层斜杆8的两端分别与第一内层铰链10和第二内层铰链二12采用转动副连接。外层平行四边形结构零件之间的连接形式与内层平行四边形结构类似，在此不做赘述。

双层平行四边形环形可展开桁架结构的驱动方式为绳索驱动，其中内、外层平行四边形结构各包含两条驱动绳索，共四条驱动绳索。下面以内层平行四边形结构为例结合图1、图2对内层平行四边形结构的两条驱动绳索的缠绕路径做详细叙述。内层第一条驱动绳索先绕过第一内层竖杆1上端滑轮，再绕过第一内层滑块14进入第一内层横杆3，再绕过第二内层铰链12进入下一个单元。内层第二条驱动绳索先绕过第一内层铰链10进入第二内层横杆4再绕过第二内层滑块16，再绕过第二竖杆2下端滑轮进入下一个单元。外层平行四边形结构的两条驱动绳索的缠绕方式与内层平行四边形结构类似，在此不做赘述。为了保证环形可展开桁架结构能够顺利展开，内、外平行四边形桁架结构的滑块必须同步运动，因此四条驱动绳索必须施加相同的驱动。通过电机驱动绳索收缩以实现整个环形桁架结构的展开。

双层平行四边形环形可展开桁架结构的展开过程主要分为两个阶段：弹簧驱动弹开阶段和绳索收缩展开阶段。图3所示为双层平行四边形环形可展开桁架结构完全收拢状态，此时结构的杆件均沿竖直方向分布，且相互之间不发生干涉。完全收拢状态时，整个结构处于自锁状态，通过安装在竖杆上的弹簧和铰链上的扭簧共同驱动下弹开至图4所示的部分展开状态。当环形桁架结构达到部分状态时，电机驱动绳索收缩，整个可展开结构在绳索的作用下展开至图5所示的中间展开状态，最终达到图6所示的完全展开态。

以30边双层平行四边形环形可展开桁架结构为例，采用与附图相同尺寸的零件建立模型，经测量其收拢外径为1417.39mm,收拢高度为1540.29mm,完全展开外径为12482.2mm,完全展开高度为4005.56mm。

综上所述，本发明提供了一种双层平行四边形环形可展开桁架，包括多个平行四边形结构单元，相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆，并通过铰链连接形成一个封闭的环形结构。每个平行四边形结构单元含有内、外两层平行四边形结构，故为双层平行四边形结构。内、外层平行四边形结构主要零件分别为：两根竖杆、两根横杆、一根斜杆、两个五点铰链、两个三点铰链滑块。内、外层平行四边形结构共用两根竖杆。本发明通过分别将内、外层平行四边形结构的横杆和斜杆设计在三个相互平行的不同平面内，使得横杆、斜杆共用一个转动轴，结构展开时，杆件之间运动不发生干涉，结构完全收拢时杆件均沿竖直方向分布，从而有效地减小了五点铰链的尺寸，使得整个环形可展开桁架结构收拢口径显著减小。另外，结构展开时，三点铰链滑块沿竖杆滑动，与三点铰链滑块固连的长杆沿三点铰链滑块运动方向伸出，大大地增加了整个结构的展开高度。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双层平行四边形环形可展开桁架，其特征在于：由多个平行四边形结构单元组成，其中每个平行四边形结构单元包括两个平行四边形结构，这两个平行四边形结构为内层平行四边形结构和外层平行四边形结构，内层平行四边形结构和外层平行四边形结构分别位于相互平行的不同平面内；相邻的平行四边形结构单元共用一根竖杆并通过铰链连接形成一个封闭的环形可展开结构；所述的内层平行四边形结构包括第一内层横杆（3）、第二内层横杆（4）、内层斜杆（8）、第一内层滑块（14）、第二内层滑块（16）和两根竖杆，第一竖杆（1）和第二竖杆（2）；所述的第一竖杆（1）与第二竖杆（2）相互平行，第一内层横杆（3）和第二内层横杆（4）相互平行设置在第一竖杆（1）与第二竖杆（2）之间，且第一内层横杆（3）的一端与第二竖杆（2）的顶端铰接，第一内层横杆（3）的另一端与第一竖杆（1）通过第一内层滑块（14）连接，所述的第一内层滑块（14）设置在第一竖杆（1）下部；第二内层横杆（4）的一端与第一竖杆（1）的低端连接，第二内层横杆（4）的另一端通过第二内层滑块（16）与第二竖杆（2）铰接，所述的第二内层滑块（16）设置在第二竖杆（2）上部；所述的第一竖杆（1）的底端与第二竖杆（2）的顶端之间设置有内层斜杆（8）；所述的内层斜杆（8）为可伸缩套筒；所述的第一内层横杆（3）的一端与第二竖杆（2）的顶端通过第二内层铰链（12）铰接；所述的第二内层横杆（4）的一端与第一竖杆（1）的低端通过第一内层铰链（10）铰接；所述的外层平行四边形结构包括第一外层横杆（6）、第二外层横杆（5）、外层斜杆（7）、第一外层滑块（15）、第二外层滑块（13）和两根竖杆，第一竖杆（1）和第二竖杆（2）；所述的第一竖杆（1）与第二竖杆（2）平行设置，所述的第一外层横杆（6）、第二外层横杆（5）平行设置在第一竖杆（1）与第二竖杆（2）之间，第一外层横杆（6）的一端与第一竖杆（1）的顶端铰接，第一外层横杆（6）的另一端通过第一外层滑块（15）与第二竖杆（2）连接，所述的第一外层滑块（15）设置在第二竖杆（2）下部；第二外层横杆（5）的一端与第二竖杆（2）的底端铰接，第二外层横杆（5）的另一端与第一竖杆（1）通过第二外层滑块（13）铰接，第二外层滑块（13）设置在第一竖杆（1）上部，所述的第一竖杆（1）的顶端与第二竖杆（2）的底端之间设置有外层斜杆（7）；所述的外层斜杆（7）为可伸缩套筒；所述的第二外层横杆（5）的一端与第二竖杆（2）的底端通过第二外层五点铰链（11）铰接；所述的第一外层横杆（6）的一端与第一竖杆（1）的顶端通过第一外层铰链（9）铰接；双层平行四边形环形可展开桁架结构的驱动方式为绳索驱动，其中内、外层平行四边形结构各包含两条驱动绳索，共四条驱动绳索。

2.根据权利要求1所述的一种双层平行四边形环形可展开桁架，其特征在于：所述的平行四边形结构单元为30个，其收拢外径为1417.39mm,收拢高度为1540.29mm,完全展开外径为12482.2mm,完全展开高度为4005.56mm。

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