CN109687091A - 棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构，包含N个结构相同的棱锥型可展开机构单元，相邻棱锥型可展开机构单元通过共用的上下两个底部关节节点连接，组成多面式环形桁架机构；每个棱锥型可展开机构单元主要包括四个底部关节节点、八根短连杆、四根长连杆和一个顶部关节节点，可以通过调节短连杆的长度来改变整机构完全展开后口径的大小，可以通过调节长连杆的长度来改变机构完全收拢后所占包络体积的大小；整体机构结构简单，运动副均为转动副，易于实现工程制造，且其具有单自由度、高刚度和大折叠比的特点，可以较好的应用于星载环形桁架可展开天线上。

Description

棱锥单元阵列式环形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，尤其涉及到棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构。
背景技术
随着深空探测、军事侦察、对地观测等需求的不断提高，各类航天工程中需要的空间机构的尺寸越来越大，受制于航天运载工具有效容舱的限制，各类航天用空间机构在发射阶段必须折叠起来并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后，再依靠自带的动力源将其展开至工作状态，可以实现折叠和展开功能的空间可展开机构，在各类航天器上获得了越来越多的应用，已经逐渐成为航空航天领域的研究热点之一。
空间可展开机构在航空航天领域的一项重要应用就是作为大口径空间可展开天线的展开和支撑机构，空间可展开天线是各类航天器和地面基站进行通讯和数据传输的重要技术装备之一，其性能好坏会直接影响到航天任务的完成情况，因此空间可展开天线机构的研发和设计能力是体现一个国家在航空航天领域综合实力的一项重要指标。目前研制成功的大口径空间可展开天线主要有展开肋式天线、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具有大折叠比、质量较小、质量不随口径的增大而成比例增加的特点，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。美国于2000年发射了AstroMesh环形桁架折展天线，它是由多个平面对角线伸缩单元组成的单层环形桁架天线，展开口径为12.25m，质量为55Kg，收拢时直径和高度分别为1.3m和3.8m，这是较早的在轨应用的大型环形桁架式可展开天线，其后各国科研人员针对大型环形桁架式空间可展开天线进行了一系列的研究，并取得了较为***的成果，但是总体而言，目前在轨运行的环形桁架式可展开天线仍然较少，其构型多为在AstroMesh天线构型基础上的仿制与改进，并且存在刚度较低、结构复杂、展开过程联动性差以及驱动控制较难等问题。
随着航天事业的快速发展，航天工程中所需要的环形桁架式可展开天线不断向着大尺度、大折叠比、高精度、高刚度、易于控制方向发展，因此，亟需提出自由度少、制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构，以满足不同航天任务的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种自由度少、结构简单、刚度高、展开性能好、可靠性高、易于控制的棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个结构相同的棱锥型可展开机构单元，其中N为大于等于3的整数，相邻棱锥型可展开机构单元通过共用的上下两个底部关节节点连接，组成多面式环形桁架机构，其中，所述棱锥型可展开机构单元包括四个底部关节节点、八根短连杆、四根长连杆和一个顶部关节节点，所述底部关节节点为两侧为平面的曲拐，曲拐两侧以过折弯处的平面为对称面，并关于其对称，曲拐两侧的夹角为(180-360/N)°，每个底部关节节点均含有五个支叉，中间的一个支叉为双槽口支叉，上面设有两个关于对称面对称的开口槽，另外四个支叉为单槽口支叉，两两对称的分布在曲拐的两个侧面上，其中对称的两个支叉与双槽口支叉的夹角均为90°，另两个对称的支叉与双槽口支叉的夹角均为45°，各个支叉的槽口上均开有一个通孔，用于和***槽口中的杆件通过转动副连接；八根所述短连杆两两组合形成四组折叠杆，两个短连杆端部通过转动副连接，其余两端分别***底部关节节点的槽口中，并通过转动副连接，四组折叠杆在投影面上呈正方形布置，四组折叠杆分别***四个底部关节节点双槽口支叉的一个槽口中以及与其夹角为90°的支叉的槽口中，使得四个底部关节节点对称的布置在投影面正方形的四个顶点上；所述顶部关节节点包含四个支叉，四个支叉间夹角均为90°，整体呈十字型布置，每个支叉均为单槽口支叉，各个支叉的槽口上均开有一个通孔，用于和***槽口中的长连杆通过转动副连接；四根所述长连杆均布于棱锥型可展开机构单元的四条棱上，其一端***顶部关节节点的槽口中并通过转动副连接，另外一端***底部关节节点上与双槽口支叉夹角为45°的槽口中并通过转动副连接。
上述技术方案中，所述长连杆的长度是短连杆长度的1.5倍以上，且通过调节短连杆的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小，通过调节长连杆的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全收拢后所占包络体积的大小。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明含有多个棱锥型可展开机构单元，折叠比大，刚度高，抗震性能好。
2、本发明棱锥型可展开机构单元以及整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构均为单自由度机构，只需一个驱动就能实现单元的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高。
3、本发明结构简单，运动副均为转动副，易于实现工程制造。
4、本发明具有高度的结构对称性，通过改变棱锥型可展开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环形桁架式空间可展机构，可以较好的应用于星载环形桁架可展开天线上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明完全展开立体示意图；
图2是本发明半展开立体示意图；
图3是本发明完全收拢立体示意图；
图4是本发明的棱锥型可展开机构单元完全展开立体示意图；
图5是本发明的棱锥型可展开机构单元半展开立体示意图；
图6是本发明的棱锥型可展开机构单元完全收拢立体示意图；
图7是本发明的底部关节节点立体示意图；
图8是本发明的顶部关节节点立体示意图。
图中：A：棱锥型可展开机构单元；1：底部关节节点、2：长连杆、3：短连杆、4：顶部关节节点；C1-C4均为转动副。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在图1、图2和图3所示的棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构立体示意简图中，包括12个棱锥型可展开机构单元A，相邻的棱锥型可展开机构单元通过共用的上下两个底部关节节点1连接，共同组成整体多面式环形桁架机构。
在图4-图8所示的棱锥型可展开机构单元A的立体示意简图以及底部关节节点1和顶部关节节点4的立体示意简图中，棱锥型可展开机构单元A主要包括四个底部关节节点1、四根长连杆2、八根短连杆3以及一个顶部关节节点4。四个底部关节节点1结构完全相同，为两侧为平面的曲拐，曲拐两侧以过折弯处的平面为对称面，并关于其对称，曲拐两侧的夹角为150°，每个底部关节节点1均含有五个支叉，中间的一个支叉为双槽口支叉，上面设有两个关于对称面对称的开口槽，另外四个支叉为单槽口支叉，两两对称的分布在曲拐的两个侧面上，其中对称的两个支叉与双槽口支叉的夹角均为90°，另两个对称的支叉与双槽口支叉的夹角均为45°；八根短连杆3的结构完全相同，其两两组合形成四组折叠杆，两个短连杆3端部通过转动副C4连接，其余两端分别***底部关节节点的槽口中，四组折叠杆在投影面上呈正方形布置，分别***四个底部关节节点1的双槽口支叉的一个槽口中以及与其夹角为90°的支叉的槽口中，并通过转动副C1和C3连接，使得四个底部关节节点1对称的布置在投影面正方形的四个顶点上；顶部关节节点4包含四个支叉，四个支叉间夹角均为90°，整体呈十字型布置，每个支叉均为单槽口支叉，各个支叉的槽口上均开有一个通孔，用于和***槽口中的长连杆2通过转动副C5连接；四根长连杆2结构完全相同，均布于棱锥型可展开机构单元的四条棱上，其一端***顶部关节节点4的槽口中并通过转动副C5连接，另外一端***底部关节节点1上与双槽口支叉夹角为45°的槽口中并通过转动副C2连接。
在图1-图4所示的棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构立体示意简图以及棱锥型可展开机构单元A的立体示意简图中，可以通过调节短连杆3的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小，可以通过调节长连杆2的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全收拢后所占包络体积的大小。
在图1和图4所示的棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构立体示意简图以及棱锥型可展开机构单元A的立体示意简图中，长连杆2的长度需是短连杆3的长度的1.5倍以上，此时通过转动副C4连接在一起的两个短连杆3处于共线位置，本发明中棱锥型可展开机构单元以及整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构均为单自由度机构，棱锥型可展开机构单元A以及棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构均处于完全展开位置，此时其处于边界奇异位形状态，机构均退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体具有较好的结构刚度和力学性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个结构相同的棱锥型可展开机构单元，其中N为大于等于3的整数，相邻棱锥型可展开机构单元通过共用的上下两个底部关节节点连接，组成多面式环形桁架机构，其中，所述棱锥型可展开机构单元包括四个底部关节节点、八根短连杆、四根长连杆和一个顶部关节节点，所述底部关节节点为两侧为平面的曲拐，曲拐两侧以过折弯处的平面为对称面，并关于其对称，曲拐两侧的夹角为(180-360/N)°，每个底部关节节点均含有五个支叉，中间的一个支叉为双槽口支叉，上面设有两个关于对称面对称的开口槽，另外四个支叉为单槽口支叉，两两对称的分布在曲拐的两个侧面上，其中对称的两个支叉与双槽口支叉的夹角均为90°，另两个对称的支叉与双槽口支叉的夹角均为45°，各个支叉的槽口上均开有一个通孔，用于和***槽口中的杆件通过转动副连接；八根所述短连杆两两组合形成四组折叠杆，两个短连杆端部通过转动副连接，其余两端分别***底部关节节点的槽口中，并通过转动副连接，四组折叠杆在投影面上呈正方形布置，四组折叠杆分别***四个底部关节节点双槽口支叉的一个槽口中以及与其夹角为90°的支叉的槽口中，使得四个底部关节节点对称的布置在投影面正方形的四个顶点上；所述顶部关节节点包含四个支叉，四个支叉间夹角均为90°，整体呈十字型布置，每个支叉均为单槽口支叉，各个支叉的槽口上均开有一个通孔，用于和***槽口中的长连杆通过转动副连接；四根所述长连杆均布于棱锥型可展开机构单元的四条棱上，其一端***顶部关节节点的槽口中并通过转动副连接，另外一端***底部关节节点上与双槽口支叉夹角为45°的槽口中并通过转动副连接。
2.根据权利要求1所述的棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述长连杆的长度是短连杆长度的1.5倍以上，且通过调节短连杆的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小，通过调节长连杆的长度来改变整个棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构完全收拢后所占包络体积的大小。
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