CN117791080A - 一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，包括箱体，所述的箱体呈顶部开口中空薄壁的正八边形中心对称桶式结构，其中心轴与展开后的圆形薄膜天线同轴，张紧调节机构布置在箱体底部，多级撑杆布置在箱体外侧，张力绳一端固定在张紧调节机构上，另一端穿过多级撑杆连接到圆形薄膜天线上，所述的张紧调节机构，多级撑杆，张力绳共八组，相对正八边形的箱体中心对称分布。本发明多级撑杆之间由间距可调整的弧形带簧连接，提供展开力矩并保持展开后撑杆自身的刚度。形状记忆合金柱簧由电信号驱动调整轴向出力，通过一套滚珠丝杆‑螺母机构调整绕曲在丝杆卷筒上的张力绳的长度和张力，实现对薄膜天线的褶皱抑制，保证平面度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及空间展开机构，特别是一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构。
背景技术
伴随着我国航天发射技术的快速发展，对于大尺寸、高精度的平面天线的需求越发迫切。未来星载雷达趋于采用轻薄化、柔性化新型***架构的薄膜天线，有助于大幅度增加口径的同时降低卫星平台限制要求，是取代传统的刚性基板天线的重要发展方向。为了保护薄膜膜面以及膜上电器件，薄膜天线在发射过程是松弛的；入轨后，膜面天线应能在解锁后二维高展收比展开。同时，为确保膜面展开后保持理想的张紧状态和平面度，需对薄膜天线的张拉力进行有效的实时控制。
专利CN111009714B和CN113540816A中采用了类似雨伞支撑肋的结构形式，展收比低且无法对阵面的张紧力进行调节。专利CN105474803B和CN113381159A利用恒力弹簧施加张拉力的方案无法适应材料老化等引起的刚度需求变化，不能对张拉力进行动态调整。论文“航天器可展SAR天线结构综述”中介绍了径向肋、“豆荚杆”等结构形式，但未涉及张紧力调节。专利CN101295810A利用电机调节张拉力的方案控制***复杂，重量大，可靠性较差。专利CN112290187A采用气动伸缩杆结构，需额外配置气体发生器等装置，在真空环境下存在漏气风险。
总之，现有专利及论文大多仅对柔性天线展开机构中的部分需求提出了解决方案，且均存在一定的风险和局限，当前缺少一种全局考虑高收展比、高可靠展开和展开后张紧力动态调节的机构方案。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种适用于柔性薄膜天线的，由多级撑杆带动天线伞状二维展开，由形状记忆合金柱簧实现张紧力动态调整的空间大口径柔性天线二维展开机构。多级撑杆之间由间距可调整的弧形带簧连接，提供展开力矩并保持展开后撑杆自身的刚度。形状记忆合金柱簧由电信号驱动调整轴向出力，通过一套滚珠丝杆-螺母机构调整绕曲在丝杆卷筒上的张力绳的长度和张力，实现对薄膜天线的褶皱抑制，保证平面度和精度。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，包括箱体(1)，张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)，圆形薄膜天线(5)、自熔断绑绳(6)，所述的箱体(1)呈顶部开口中空薄壁的正八边形中心对称桶式结构，其中心轴与展开后的圆形薄膜天线(5)同轴，张紧调节机构(2)布置在箱体(1)底部，多级撑杆(3)布置在箱体(1)外侧，张力绳(4)一端固定在张紧调节机构(2)上，另一端穿过多级撑杆(3)连接到圆形薄膜天线(5)上，所述的张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)共八组，相对正八边形的箱体(1)中心对称分布。
所述的箱体(1)的八边形的每个外表面底部中央固接有支座(11)，支座(11)上的旋转轴沿展开后的圆形薄膜天线(5)的切线方向；箱体(1)的翻边上表面的每个边的中央还固接有导向滚轮(12)，导向滚轮(12)的切线方向沿展开后的圆形薄膜天线(5)的径向方向。
所述的张紧调节机构(2)包括形状记忆合金柱簧(21)、柱簧安装支架(22)、直线螺母(23)、丝杆卷筒(24)、轴承(25)、轴承安装支架(26)，其中形状记忆合金柱簧(21)一端轴向固定在柱簧安装支架(22)的内孔中，另一端自由；所述柱簧安装支架(22)固定安装在箱体(1)底面，其上开有沿形状记忆合金柱簧(21)轴向方向的导向槽，丝杆卷筒(24)一端为带有凹槽的卷筒结构，另一端为滚珠丝杆结构，直线螺母(23)一端内孔为滚珠螺母结构，与丝杆卷筒(24)形成滚珠丝杆副；另一端嵌入柱簧安装支架(22)上的导向槽，与柱簧安装支架(22)形成直线运动副，丝杆卷筒(24)的中间段由一对轴承(25)的内圈同轴支撑定位，轴承(25)外圈则安装在一对轴承安装支架(26)的内孔上，轴承安装支架(26)固定安装在箱体底面，其内孔与柱簧安装支架(22)的内孔同轴。
所述的多级撑杆(3)包括一级撑杆(31)、二级撑杆(32)、三级撑杆(33)、弧形带簧(34)、杆头座(35)、弧形压板(36)、螺钉(37)、根部铰头(38)、顶部铰头(39)，其中一级撑杆(31)一端安装的根部铰头(38)与箱体(1)上的支座(11)铰接，另一端装有杆头座(35)，二级撑杆(32)的两端安装有杆头座(35)，分别和一级撑杆(31)和三级撑杆(33)上安装的杆头座(35)经弧形带簧(34)柔性连接，弧形带簧(34)的两端由弧形压板(36)压紧在杆头座(35)上的圆弧面上，由螺钉(37)穿过弧形压板(36)上的圆形孔和弧形带簧(34)上的腰形孔固定在杆头座(35)上的螺纹孔中，弧形带簧(34)受压时弯曲，并可产生恢复力矩，三级撑杆(33)的末端安装有顶部铰头(39)。
所述的张力绳(4)一端缠绕固定在丝杆卷筒(24)的凹槽内，另一端绕经导向滚轮(12)，穿过顶部铰头(39)的中心孔后固定在圆形薄膜天线(5)的外圆周上，张力绳(4)在圆形薄膜天线(5)上的投影始终沿其径向方向。
在发射阶段，所述的圆环状自熔断绑绳(6)旋绕一周，将处于收拢状态的圆形薄膜天线(5)压紧在同样处于折叠状态的多级撑杆(3)的顶部铰头(39)上，入轨后，自熔断绑绳(6)上冗余数量的热刀切割器(61)接收信号，自熔断绑绳(6)熔断，多级撑杆(3)在级间的弧形带簧(34)驱动下展开为接近笔直状态，通过调节弧形带簧(34)上腰形孔的安装尺寸，调节多级撑杆(3)展开后的总长度，穿过顶部铰头(39)的中心孔的张力绳(4)随多级撑杆(3)展开伸长，带动丝杆卷筒(24)旋转，从而驱动直线螺母(23)沿柱簧安装支架(22)上的轴向导向槽直线运动，通过尺寸和传动参数设置，当多级撑杆(3)展开到位时，直线螺母(23)的另一端恰好顶上形状记忆合金柱簧(21)的自由端并对其进行一定的压缩，通电调整形状记忆合金柱簧(21)的尺寸和力，反推动直线螺母(23)，从而驱动丝杆卷筒(24)旋转，实现对张力绳(4)张紧力的调节。
所述的张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)的组数，多级撑杆(3)的级数根据圆形薄膜天线(5)尺寸和平面度要求的不同进行调整。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明多级撑杆之间的弧形带簧既能在折叠时作为柔性铰链，又能在展开过程中提供逐渐减小的力矩，还能在展开后提高支撑刚度，具有结构简单、重量轻、冲击小、易调整的优点。直线螺母与形状记忆合金柱簧之间预留间隙，避免形状记忆合金柱簧在薄膜天线的大行程展开过程中产生扰动，同时缩短形状记忆合金柱簧的调节行程，降低成本和制造难度。通过改变施加在形状记忆合金柱簧上的电信号调整弹簧的长度和输出力，经由滚珠丝杆-螺母机构对绕曲在丝杆卷筒上的张力绳的长度和张力进行实时的控制，提升天线的平面度和精度。
附图说明
图1为二维展开机构展开状态视图。
图2为二维展开机构收拢状态的俯视图隐去薄膜天线。
图3为二维展开机构收拢状态的正剖视图隐去薄膜天线。
图4为张紧调节机构的正剖视图隐去箱体和张力绳。
图5为多级撑杆的局部视图。
图6为多级撑杆的局部剖视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1和图2所示，一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，包括箱体1，张紧调节机构2，多级撑杆3，张力绳4，圆形薄膜天线5、自熔断绑绳6等。其特征还在于，所述的箱体1呈顶部开口中空薄壁的正八边形中心对称桶式结构，其中心轴与展开后的圆形薄膜天线5同轴，张紧调节机构2布置在箱体1底部，多级撑杆3布置在箱体1外侧，张力绳4一端固定在张紧调节机构2上，另一端穿过多级撑杆3连接到圆形薄膜天线5上。所述的张紧调节机构2，多级撑杆3，张力绳4共八组，相对正八边形的箱体1中心对称分布。
如图1、图2和图3所示所述的箱体1的八边形的每个外表面底部中央固接有支座11，支座11上的旋转轴沿展开后的圆形薄膜天线5的切线方向；箱体1的翻边上表面的每个边的中央还固接有导向滚轮12，导向滚轮12的切线方向沿展开后的圆形薄膜天线5的径向方向。
如图2和图4所述的张紧调节机构2由形状记忆合金柱簧21、柱簧安装支架22、直线螺母23、丝杆卷筒24、轴承25、轴承安装支架26等组成。其中形状记忆合金柱簧21一端轴向固定在柱簧安装支架22的内孔中，另一端自由。柱簧安装支架22固定安装在箱体1底面，其上开有沿形状记忆合金柱簧21轴向方向的导向槽。丝杆卷筒24一端为带有凹槽的卷筒结构，另一端为滚珠丝杆结构。直线螺母23一端内孔为滚珠螺母结构，与丝杆卷筒24形成滚珠丝杆副；另一端嵌入柱簧安装支架22上的导向槽，与柱簧安装支架22形成直线运动副。丝杆卷筒24的中间段由一对轴承25的内圈同轴支撑定位，轴承25外圈则安装在一对轴承安装支架26的内孔上，轴承安装支架26固定安装在箱体底面，其内孔与柱簧安装支架22的内孔同轴。
如图3、图5和图6所示，所述的多级撑杆3由一级撑杆31、二级撑杆32、三级撑杆33、弧形带簧34、杆头座35、弧形压板36、螺钉37、根部铰头38、顶部铰头39等组成。其中一级撑杆31一端安装的根部铰头38与箱体1上的支座11铰接，另一端装有杆头座35。二级撑杆32的两端安装有杆头座35，分别和一级撑杆31和三级撑杆33上安装的杆头座35经弧形带簧34柔性连接。弧形带簧34的两端由弧形压板36压紧在杆头座35上的圆弧面上，由螺钉37穿过弧形压板36上的圆形孔和弧形带簧34上的腰形孔固定在杆头座35上的螺纹孔中。弧形带簧34受压时弯曲，并可产生恢复力矩。三级撑杆33的末端安装有顶部铰头39。
如图1、图2和图3所示，所述的张力绳4一端缠绕固定在丝杆卷筒24的凹槽内，另一端绕经导向滚轮12，穿过顶部铰头39的中心孔后固定在圆形薄膜天线5的外圆周上。张力绳4在圆形薄膜天线5上的投影始终沿其径向方向。
如图2、图4、图5和图6所示，在发射阶段，所述的圆环状自熔断绑绳6旋绕一周，将处于收拢状态的圆形薄膜天线5压紧在同样处于折叠状态的多级撑杆3的顶部铰头39上。入轨后，自熔断绑绳6上冗余数量的热刀切割器61接收信号，自熔断绑绳6熔断，多级撑杆3在级间的弧形带簧34驱动下展开为接近笔直状态，通过调节弧形带簧34上腰形孔的安装尺寸，可调节多级撑杆3展开后的总长度。穿过顶部铰头39的中心孔的张力绳4随多级撑杆3展开伸长，带动丝杆卷筒24旋转，从而驱动直线螺母23沿柱簧安装支架22上的轴向导向槽直线运动。通过尺寸和传动参数设置，当多级撑杆3展开到位时，直线螺母23的另一端恰好顶上形状记忆合金柱簧21的自由端并对其进行一定的压缩。通电调整形状记忆合金柱簧21的尺寸和力，反推动直线螺母23，从而驱动丝杆卷筒24旋转，实现对张力绳4张紧力的调节。
所述的张紧调节机构2，多级撑杆3，张力绳4的组数，多级撑杆3的级数可根据圆形薄膜天线5尺寸和平面度要求的不同进行调整。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，包括箱体(1)，张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)，圆形薄膜天线(5)、自熔断绑绳(6)，所述的箱体(1)呈顶部开口中空薄壁的正八边形中心对称桶式结构，其中心轴与展开后的圆形薄膜天线(5)同轴，张紧调节机构(2)布置在箱体(1)底部，多级撑杆(3)布置在箱体(1)外侧，张力绳(4)一端固定在张紧调节机构(2)上，另一端穿过多级撑杆(3)连接到圆形薄膜天线(5)上，所述的张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)共八组，相对正八边形的箱体(1)中心对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，所述的箱体(1)的八边形的每个外表面底部中央固接有支座(11)，支座(11)上的旋转轴沿展开后的圆形薄膜天线(5)的切线方向；箱体(1)的翻边上表面的每个边的中央还固接有导向滚轮(12)，导向滚轮(12)的切线方向沿展开后的圆形薄膜天线(5)的径向方向。
3.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，所述的张紧调节机构(2)包括形状记忆合金柱簧(21)、柱簧安装支架(22)、直线螺母(23)、丝杆卷筒(24)、轴承(25)、轴承安装支架(26)，其中形状记忆合金柱簧(21)一端轴向固定在柱簧安装支架(22)的内孔中，另一端自由；所述柱簧安装支架(22)固定安装在箱体(1)底面，其上开有沿形状记忆合金柱簧(21)轴向方向的导向槽，丝杆卷筒(24)一端为带有凹槽的卷筒结构，另一端为滚珠丝杆结构，直线螺母(23)一端内孔为滚珠螺母结构，与丝杆卷筒(24)形成滚珠丝杆副；另一端嵌入柱簧安装支架(22)上的导向槽，与柱簧安装支架(22)形成直线运动副，丝杆卷筒(24)的中间段由一对轴承(25)的内圈同轴支撑定位，轴承(25)外圈则安装在一对轴承安装支架(26)的内孔上，轴承安装支架(26)固定安装在箱体底面，其内孔与柱簧安装支架(22)的内孔同轴。
4.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，所述的多级撑杆(3)包括一级撑杆(31)、二级撑杆(32)、三级撑杆(33)、弧形带簧(34)、杆头座(35)、弧形压板(36)、螺钉(37)、根部铰头(38)、顶部铰头(39)，其中一级撑杆(31)一端安装的根部铰头(38)与箱体(1)上的支座(11)铰接，另一端装有杆头座(35)，二级撑杆(32)的两端安装有杆头座(35)，分别和一级撑杆(31)和三级撑杆(33)上安装的杆头座(35)经弧形带簧(34)柔性连接，弧形带簧(34)的两端由弧形压板(36)压紧在杆头座(35)上的圆弧面上，由螺钉(37)穿过弧形压板(36)上的圆形孔和弧形带簧(34)上的腰形孔固定在杆头座(35)上的螺纹孔中，弧形带簧(34)受压时弯曲，并可产生恢复力矩，三级撑杆(33)的末端安装有顶部铰头(39)。
5.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，所述的张力绳(4)一端缠绕固定在丝杆卷筒(24)的凹槽内，另一端绕经导向滚轮(12)，穿过顶部铰头(39)的中心孔后固定在圆形薄膜天线(5)的外圆周上，张力绳(4)在圆形薄膜天线(5)上的投影始终沿其径向方向。
6.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，在发射阶段，所述的圆环状自熔断绑绳(6)旋绕一周，将处于收拢状态的圆形薄膜天线(5)压紧在同样处于折叠状态的多级撑杆(3)的顶部铰头(39)上，入轨后，自熔断绑绳(6)上冗余数量的热刀切割器(61)接收信号，自熔断绑绳(6)熔断，多级撑杆(3)在级间的弧形带簧(34)驱动下展开为接近笔直状态，通过调节弧形带簧(34)上腰形孔的安装尺寸，调节多级撑杆(3)展开后的总长度，穿过顶部铰头(39)的中心孔的张力绳(4)随多级撑杆(3)展开伸长，带动丝杆卷筒(24)旋转，从而驱动直线螺母(23)沿柱簧安装支架(22)上的轴向导向槽直线运动，通过尺寸和传动参数设置，当多级撑杆(3)展开到位时，直线螺母(23)的另一端恰好顶上形状记忆合金柱簧(21)的自由端并对其进行一定的压缩，通电调整形状记忆合金柱簧(21)的尺寸和力，反推动直线螺母(23)，从而驱动丝杆卷筒(24)旋转，实现对张力绳(4)张紧力的调节。
7.根据权利要求1所述的一种空间大口径柔性薄膜天线二维展开机构，其特征在于，所述的张紧调节机构(2)，多级撑杆(3)，张力绳(4)的组数，多级撑杆(3)的级数根据圆形薄膜天线(5)尺寸和平面度要求的不同进行调整。
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