CN109659660B - 内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，包括N个内凹剪铰式机构单元，每个内凹剪铰式机构单元均包括四个外层节点花盘、四个内层节点花盘、两个内部节点花盘、四个中间剪式杆、两个连杆组、两个对称剪式杆和四个内部剪式杆，相邻内凹剪铰式机构单元通过共用两个外层节点花盘、两个内层节点花盘和两个中间剪式杆连接，共同组成多面式周边桁架机构。本发明提供的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构具有自由度少、结构简单以及折叠比较大等优点，可以广泛地应用于航空航天等现代工业领域，以满足不同航天任务的需求。

Description

内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构

技术领域

本发明涉及一种可展开天线机构，特别是涉及一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构。

背景技术

随着卫星通信、对地遥感以及深空探测等空间科学技术的不断发展，各类航天任务逐渐向多样化、复杂化发展，受制于运载火箭有效空间容舱的限制，航天器多采用发射和运载收拢，在轨工作展开的方式实现其功能，空间可展开机构逐渐成为航天领域的研究热点之一。空间可展开机构的一个重要应用领域就是作为大口径空间可展开天线的支撑机构，目前已经研制成功的大口径空间可展开天线包括构架式、周边桁架式、径向肋式以及折叠肋式等等，这些天线机构各具特点，在空间通讯和数据传输方面起到了重要的作用。

周边桁架式可展开天线由金属索网与周边桁架展开支撑机构组成，与其他天线结构形式相比，周边桁架式可展开天线结构具有折叠比大以及质量较小的特点，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，是目前大型可展开天线理想的结构形式。美国NGST公司制造的周边桁架式可展开天线又称为AstroMesh天线，由多个平面对角伸缩单元相互连接而成，其最早是为北美移动通信卫星MAST所研制，该类天线从最初的2.5米到现在运用较多的12.5米口径天线经历了七代产品升级，进行了350次以上的连续无故障地面展开试验，先后在Inmarsat-4系列、Thuraya系列和MBSAT等通信广播卫星上成功运用。

随着技术要求的不断提高，空间天线的性能也不断向长距离、大容量、高增益以及高分辨率的方向发展，随之对天线展开机构提出了大口径、高刚度、高精度以及大折叠比等要求。周边桁架可展开天线在空间大口径以及超大口径可展开天线领域具有良好的性能优势，各国相关科研人员在周边桁架可展开天线的展开机构、索网成形以及展开控制等方面做了大量的研究，但是整体而言，目前在轨运行的周边桁架可展开天线机构类型仍然较少，并且随着天线口径的增大，整体结构刚度下降较为严重。因此，亟需提出结构简单、刚度较高、折叠比较大以及制造工艺性较好等性能优良的周边桁架式可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，克服了现有技术中周边桁架机构刚度不高，并且随着天线口径的增大整体结构刚度下降较为严重的问题，内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构具有自由度少、结构简单以及折叠比较大等优点，可以广泛地应用于航空航天等现代工业领域，以满足不同航天任务的需求。

本发明采用的技术方案是，一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，包括N个内凹剪铰式机构单元，其中，N为大于等于3的整数，所述每个内凹剪铰式机构单元均包括四个外层节点花盘、四个内层节点花盘、两个内部节点花盘、四个中间剪式杆、两个连杆组、两个对称剪式杆和四个内部剪式杆，所述四个外层节点花盘结构完全相同，所述每个外层节点花盘均设有外层中间支叉和两个外层侧支叉，且其关于所述外层中间支叉的中间截面对称，所述外层中间支叉的中间位置设有外层中间支叉槽口，且所述两个外层侧支叉上均设有第一外层槽口和第二外层槽口，所述四个中间剪式杆的第一端分别设于所述外层中间支叉槽口中并通过转动副连接，所述两个连杆组的四个自由端分别设于所述第一外层槽口中并通过转动副连接，所述两个对称剪式杆的四个自由端分别设于所述第二外层槽口中并通过转动副连接；所述四个内层节点花盘结构完全相同，所述每个内层节点花盘均设有内层中间支叉和两个内层侧支叉，且其关于所述内层中间支叉的中间截面对称，所述内层中间支叉的中间位置设有内层中间支叉槽口，且所述两个内层侧支叉上均设有第一内层槽口，所述四个中间剪式杆的第二端分别设于所述内层中间支叉槽口中并通过转动副连接，所述四个内部剪式杆的第一端分别设于所述第一内层槽口中并通过转动副连接；所述两个内部节点花盘结构完全相同，所述每个内部节点花盘均设有两个内部侧支叉，且其关于所述两个内部侧支叉的中间截面对称，所述两个内部侧支叉上均设有第一内部槽口，所述四个内部剪式杆的第二端分别设于所述第一内部槽口中并通过转动副连接；以及所述N个内凹剪铰式机构单元结构完全相同，且所述相邻内凹剪铰式机构单元通过共用所述两个外层节点花盘、两个内层节点花盘和两个中间剪式杆连接，共同组成多面式周边桁架机构。

进一步地，所述两个对称剪式杆结构完全相同，且其中间通过转动副连接，所述两个连杆组的结构完全相同，且每个连杆组中两个连杆的第一端通过转动副连接，所述四个中间剪式杆结构完全相同，两两一组，且每组中两个中间剪式杆在靠近其第二端的位置通过转动副连接，所述四个内部剪式杆结构完全相同，两两一组，且每组中两个内部剪式杆在靠近其第一端的位置通过转动副连接。

进一步地，所述内层中间支叉与所述内层侧支叉之间的夹角为α，所述两个外层侧支叉之间的夹角为(180-360/N)°，所述两个内部侧支叉之间的夹角为(2α-360/N)°。

优选地，所述外层节点花盘的外层中间支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述外层节点花盘的两个外层侧支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离相等，所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述内层节点花盘的两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离相等，所述内部节点花盘的两个内部侧支叉转动副轴线到所述内部节点花盘的中心轴线的垂直距离相等。

优选地，所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线和两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述外层节点花盘的外层中间支叉转动副轴线和两个外层侧支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))，所述内部节点花盘的两个内部侧支叉转动副轴线到所述内部节点花盘的中心轴线的垂直距离与所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线和两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离之比为((1-cos(90+180/N-α))/cos(90+180/N-α))。

优选地，所述连杆的长度小于所述对称剪式杆长度的一半，所述中间剪式杆中与所述外层节点花盘相连一段的长度与所述对称剪式杆长度的一半相等，所述内部剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度和与所述中间剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度相等。

优选地，所述中间剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度和与所述外层节点花盘相连一段的长度之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))，所述内部剪式杆中与所述内部节点花盘相连一段的长度和与所述内层节点花盘相连一段的长度之比为((1-cos(90+180/N-α))/cos(90+180/N-α))。

优选地，通过转动副连接的所述两个对称剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的所述两个中间剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的所述两个内部剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，位于同一平面的所述四个连杆上所连接的各个转动副轴线均平行。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，具有结构简单，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开的优点。

2、本发明提供的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，天线机构中的所有运动副均利用转动副实现，装配制造工艺性较好且可靠性较高。

3、本发明提供的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，具有运动灵活且整体折叠比较大的优点。

4、本发明提供的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中内凹剪铰式机构单元的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

附图说明

图1为本发明内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构的完全展开立体示意图；

图2为本发明内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构的半展开立体示意图；

图3为本发明内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构的完全收拢立体示意图；

图4为本发明的内凹剪铰式机构单元完全展开立体示意图；

图5为本发明的内凹剪铰式机构单元半展开立体示意图；

图6为本发明的外层节点花盘立体示意图；

图7为本发明的内层节点花盘立体示意图；

图8为本发明的内部节点花盘立体示意图；

图9为本发明的一组中间剪式杆以及所连接的内层节点花盘和外层节点花盘立体示意图；以及

图10为本发明的一组内部剪式杆以及所连接的内部节点花盘和内层节点花盘立体示意图；

主要附图标记：

内凹剪铰式机构单元10；外层节点花盘1；外层中间支叉11；外层侧支叉12；外层中间支叉槽口111；第一外层槽口121；第二外层槽口122；中间剪式杆2；内层节点花盘3；内层中间支叉31；内层侧支叉32；内层中间支叉槽口311；第一内层槽口321；内部剪式杆4；内部节点花盘5；内部侧支叉51；第一内部槽口511；连杆6；对称剪式杆7；连杆组8。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，如图1～8所示，包括12个内凹剪铰式机构单元10，每个内凹剪铰式机构单元10均包括四个外层节点花盘1、四个内层节点花盘3、两个内部节点花盘5、四个中间剪式杆2、两个连杆组8、两个对称剪式杆7和四个内部剪式杆4，四个外层节点花盘1结构完全相同，每个外层节点花盘1均设有外层中间支叉11和两个外层侧支叉12，且其关于外层中间支叉11的中间截面对称，外层中间支叉11的中间位置设有外层中间支叉槽口111，且两个外层侧支叉12上均设有第一外层槽口121和第二外层槽口122，两个外层侧支叉12之间的夹角为(180-360/N)°，四个中间剪式杆2的第一端分别设于外层中间支叉槽口111中并通过转动副连接，两个连杆组8的四个自由端分别设于第一外层槽口121中并通过转动副连接，两个对称剪式杆7的四个自由端分别设于第二外层槽口122中并通过转动副连接；四个内层节点花盘3结构完全相同，每个内层节点花盘3均设有内层中间支叉31和两个内层侧支叉32，且其关于内层中间支叉31的中间截面对称，内层中间支叉31的中间位置设有内层中间支叉槽口311，且两个内层侧支叉32上均设有第一内层槽口321，内层中间支叉31与内层侧支叉32之间的夹角为α，四个中间剪式杆2的第二端分别设于内层中间支叉槽口311中并通过转动副连接，四个内部剪式杆4的第一端分别设于第一内层槽口321中并通过转动副连接；两个内部节点花盘5结构完全相同，每个内部节点花盘5均设有两个内部侧支叉51，且其关于两个内部侧支叉51的中间截面对称，两个内部侧支叉51上均设有第一内部槽口511，两个内部侧支叉51之间的夹角为(2α-360/N)°，四个内部剪式杆4的第二端分别设于第一内部槽口511中并通过转动副连接；以及12个内凹剪铰式机构单元10结构完全相同，且相邻内凹剪铰式机构单元10通过共用两个外层节点花盘1、两个内层节点花盘3和两个中间剪式杆2连接，共同组成多面式周边桁架机构。

具体的，两个对称剪式杆2结构完全相同，且其中间通过转动副连接，两个连杆组8的结构完全相同，且每个连杆组8中两个连杆6的第一端通过转动副连接，四个中间剪式杆2结构完全相同，两两一组，且每组中两个中间剪式杆2在靠近其第二端的位置通过转动副连接，四个内部剪式杆4结构完全相同，两两一组，且每组中两个内部剪式杆4在靠近其第一端的位置通过转动副连接。

具体的，外层节点花盘1的外层中间支叉11转动副轴线到外层节点花盘1中心轴线的垂直距离与外层节点花盘1的两个外层侧支叉12转动副轴线到外层节点花盘1中心轴线的垂直距离相等，内层节点花盘3的内层中间支叉31转动副轴线到内层节点花盘3中心轴线的垂直距离与内层节点花盘3的两个内层侧支叉32转动副轴线到内层节点花盘3中心轴线的垂直距离相等，内部节点花盘5的两个内部侧支叉51转动副轴线到内部节点花盘5的中心轴线的垂直距离相等。

具体的，内层节点花盘3的内层中间支叉31转动副轴线和两个内层侧支叉32转动副轴线到内层节点花盘3中心轴线的垂直距离与外层节点花盘1的外层中间支叉11转动副轴线和两个外层侧支叉12转动副轴线到外层节点花盘1中心轴线的垂直距离之比为m/n＝0.59，即(1-sin(180/12))/(1+sin(180/12))＝0.59，内部节点花盘5的两个内部侧支叉51转动副轴线到内部节点花盘5的中心轴线的垂直距离与内层节点花盘3的内层中间支叉31转动副轴线和两个内层侧支叉32转动副轴线到内层节点花盘3中心轴线的垂直距离之比为l/m＝0.31，即(1-cos(90+180/12-65))/cos(90+180/12-65)＝0.31。

如图9和图10所示，连杆6的长度小于对称剪式杆7长度的一半，即h<r，中间剪式杆2中与外层节点花盘1相连一段的长度与对称剪式杆7长度的一半相等，内部剪式杆4中与内层节点花盘3相连一段的长度和与中间剪式杆2中与内层节点花盘3相连一段的长度相等。

具体的，中间剪式杆2中与内层节点花盘3相连一段的长度和与外层节点花盘1相连一段的长度之比为q/r＝0.59，即(1-sin(180/12))/(1+sin(180/12))＝0.59，内部剪式杆4中与内部节点花盘5相连一段的长度和与内层节点花盘3相连一段的长度之比为p/q＝0.31，即(1-cos(90+180/12-65))/cos(90+180/12-65)＝0.31。

具体的，通过转动副连接的两个对称剪式杆7上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的两个中间剪式杆2上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的两个内部剪式杆4上所连接的各个转动副轴线均平行，位于同一平面的四个连杆6上所连接的各个转动副轴线均平行。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1～10所示，本发明提供一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，包括12个内凹剪铰式机构单元10，每个内凹剪铰式机构单元10均包括四个外层节点花盘1、四个内层节点花盘3、两个内部节点花盘5、四个中间剪式杆2、两个连杆组8、两个对称剪式杆7和四个内部剪式杆4，12个内凹剪铰式机构单元10结构完全相同，且相邻两个内凹剪铰式机构单元10通过共用两个外层节点花盘1、两个内层节点花盘3和两个中间剪式杆2连接，共同组成多面式周边桁架机构。

在实际使用过程中，将两个对称剪式杆7的中间位置通过转动副连接，且其四个自由端分别设于四个外层节点花盘1的第二外层槽口122中并通过转动副连接，同时将每个连杆组8中两个连杆6的第一端通过转动副连接，两个连杆组8的四个自由端分别设于四个外层节点花盘1的第一外层槽口121中并通过转动副连接，其次将四个中间剪式杆2分为两组，且每组中两个中间剪式杆2在靠近其第二端的位置通过转动副连接，同时将其分为两段，四个中间剪式杆2的第一端均设于外层中间支叉槽口111中并通过转动副连接，且其第二端均设于内层中间支叉槽口311中并通过转动副连接，中间剪式杆2中与内层节点花盘3相连一段的长度和与外层节点花盘1相连一段的长度之比为q/r＝0.59，再次将四个内部剪式杆4分为两组，且每组中两个内部剪式杆4在靠近其第一端的位置通过转动副连接，同时将其分为两段，四个内部剪式杆4的第一端均设于第一内层槽口321中并通过转动副连接，且其第二端均设于第一内部槽口511中并通过转动副连接，内部剪式杆4中与内部节点花盘5相连一段的长度和与内层节点花盘3相连一段的长度之比为p/q＝0.31，最终将四个外层节点花盘1、四个内层节点花盘3、两个内部节点花盘5、四个中间剪式杆2、两个连杆组8、两个对称剪式杆7和四个内部剪式杆4连接完成后，共同组成内凹剪铰式机构单元10。

根据上文的连接方式，可以组合获得多个内凹剪铰式机构单元10，且相邻两个内凹剪铰式机构单元10之间通过共用两个外层节点花盘1、两个内层节点花盘3和两个中间剪式杆2连接，从而将多个内凹剪铰式机构单元10首尾相连，共同组成多面式周边桁架可展开天线机构。

本发明提供一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，通过改变整体机构中内凹剪铰式机构单元10的数量以及其中各个杆件的长度，可以改变内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小，当通过转动副相连的两个连杆6共线时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构的自由度为零，同时整体机构中的各个杆件可以抵消自身外力，而不需要提供额外的驱动力矩，整体机构具有较好的结构刚度和力学性能。

同时，本发明提供一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，克服了现有技术中周边桁架机构刚度不高，并且随着天线口径的增大整体结构刚度下降较为严重的问题，内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构具有自由度少、结构简单以及折叠比较大等优点，可以广泛地应用于航空航天等现代工业领域，以满足不同航天任务的需求。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，包括N个内凹剪铰式机构单元，其中，N为大于等于3的整数，每个内凹剪铰式机构单元均包括四个外层节点花盘、四个内层节点花盘、两个内部节点花盘、四个中间剪式杆、两个连杆组、两个对称剪式杆和四个内部剪式杆，四个外层节点花盘结构完全相同，每个外层节点花盘均设有外层中间支叉和两个外层侧支叉，且其关于所述外层中间支叉的中间截面对称，所述外层中间支叉的中间位置设有外层中间支叉槽口，且两个外层侧支叉上均设有第一外层槽口和第二外层槽口，四个中间剪式杆的第一端分别设于所述外层中间支叉槽口中并通过转动副连接，两个连杆组的四个自由端分别设于所述第一外层槽口中并通过转动副连接，两个对称剪式杆的四个自由端分别设于所述第二外层槽口中并通过转动副连接；四个内层节点花盘结构完全相同，每个内层节点花盘均设有内层中间支叉和两个内层侧支叉，且其关于所述内层中间支叉的中间截面对称，所述内层中间支叉的中间位置设有内层中间支叉槽口，且两个内层侧支叉上均设有第一内层槽口，四个中间剪式杆的第二端分别设于所述内层中间支叉槽口中并通过转动副连接，四个内部剪式杆的第一端分别设于所述第一内层槽口中并通过转动副连接；两个内部节点花盘结构完全相同，每个内部节点花盘均设有两个内部侧支叉，且其关于两个内部侧支叉的中间截面对称，两个内部侧支叉上均设有第一内部槽口，四个内部剪式杆的第二端分别设于所述第一内部槽口中并通过转动副连接；以及N个内凹剪铰式机构单元结构完全相同，且相邻内凹剪铰式机构单元通过共用两个外层节点花盘、两个内层节点花盘和两个中间剪式杆连接，共同组成多面式周边桁架机构。

2.根据权利要求1所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，两个对称剪式杆结构完全相同，且其中间通过转动副连接，两个连杆组的结构完全相同，且每个连杆组中两个连杆的第一端通过转动副连接，四个中间剪式杆结构完全相同，两两一组，且每组中两个中间剪式杆在靠近其第二端的位置通过转动副连接，四个内部剪式杆结构完全相同，两两一组，且每组中两个内部剪式杆在靠近其第一端的位置通过转动副连接。

3.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，所述内层中间支叉与所述内层侧支叉之间的夹角为α，两个外层侧支叉之间的夹角为(180-360/N)°，两个内部侧支叉之间的夹角为(2α-360/N) °。

4.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，所述外层节点花盘的外层中间支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述外层节点花盘的两个外层侧支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离相等，所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述内层节点花盘的两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离相等，所述内部节点花盘的两个内部侧支叉转动副轴线到所述内部节点花盘的中心轴线的垂直距离相等。

5.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线和两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离与所述外层节点花盘的外层中间支叉转动副轴线和两个外层侧支叉转动副轴线到所述外层节点花盘中心轴线的垂直距离之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))，所述内部节点花盘的两个内部侧支叉转动副轴线到所述内部节点花盘的中心轴线的垂直距离与所述内层节点花盘的内层中间支叉转动副轴线和两个内层侧支叉转动副轴线到所述内层节点花盘中心轴线的垂直距离之比为((1-cos(90+180/N-α))/cos(90+180/N-α))。

6.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，所述连杆的长度小于所述对称剪式杆长度的一半，所述中间剪式杆中与所述外层节点花盘相连一段的长度与所述对称剪式杆长度的一半相等，所述内部剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度和与所述中间剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度相等。

7.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，所述中间剪式杆中与所述内层节点花盘相连一段的长度和与所述外层节点花盘相连一段的长度之比为((1-sin(180/N))/(1+sin(180/N)))，所述内部剪式杆中与所述内部节点花盘相连一段的长度和与所述内层节点花盘相连一段的长度之比为((1-cos(90+180/N-α))/cos(90+180/N-α))。

8.根据权利要求2所述的内凹剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于，通过转动副连接的两个对称剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的两个中间剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，通过转动副相连的两个内部剪式杆上所连接的各个转动副轴线均平行，位于同一平面的四个连杆上所连接的各个转动副轴线均平行。