基于环肋柱索网结构的变焦距反射面系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于环肋柱索网结构的变焦距反射面系统，主要解决现有反射面无法变焦，馈源位置固定的问题。其包括：馈源(1)、反射索网(2)、支撑肋杆结构(3)、支撑索网(4)、竖向拉索(5)、环形固定桁架结构(6)、中心支杆(7)、环肋关节(9)和反射面(10)；该中心支杆(7)的外侧套有变焦距套筒(8)，该变焦距套筒(8)与反射索网(2)和支撑索网(4)相连；通过调整变焦距套筒(8)的位置，改变反射索网(2)和支撑索网(4)的长度，实现反射面(10)的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。本发明结构简便灵活，扩展了反射面的焦距范围和反射功能，可用于太空、舰船或地面的电磁波或光能的汇聚或反射。
【专利说明】基于环肋柱索网结构的变焦距反射面系统
【技术领域】
[0001]本发明属于通信与电子【技术领域】，具体是一种变焦距反射面系统，可用于太空、舰船或地面的电磁波或光能的汇聚或反射。
【背景技术】
[0002]变焦距技术在光学系统中得到普遍应用，如在相机的镜头中，可通过旋转镜头的调焦环适当地改变焦距，实现聚焦距离的改变，从而完成不同远近距离物体的清晰拍摄。
[0003]但在通信与电子【技术领域】中普遍应用的大型反射面系统中，变焦距应用的相关报道却很少。分析其原因可概括如下:
[0004]对于小尺寸的反射面系统，变焦距的作用范围有限，作用功率有限，应用意义不大。
[0005]对于太空中应用的大型可展开反射面，由于大型可展开反射面的可靠展开和精确成型本身已是很难有效解决的关键核心问题，变焦距技术尚未提上议程。
[0006]对于地面上应用的大型反射面，由于考虑到重力、风雪载荷等作用下的保型需要，一般采用固定实面的反射面形式，很难实现变焦距功能。在双反射面系统中，适当微调副面的位置，可以实现反射面系统焦距的微调。但是，大尺度的变焦距功能依然很难实现。
[0007]采用固定实面的反射面形式，由于其天线的馈源位置固定，只能接收或反射固定位置的馈源，无法实现多个位置的馈源共享同一反射面，反射面利用效率低，尤其是造价成本高的大型固面反射面；固面反射面天线的馈源位置固定，其电磁能或光能传输范围受限，无法实现传输距离的全面覆盖。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于环肋柱索网结构的变焦距反射面系统，以改变天线抛物面的弧度，调整馈源位置，扩大电磁能或光能的传输距离，提高反射面效率。
[0009]为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案，包括:
[0010]技术方案一
[0011]一种环肋柱索网结构反射面系统，包括:馈源、反射索网、支撑肋杆结构、支撑索网、调节拉索、环形固定桁架结构、中心支杆，环肋关节和反射面；支撑肋杆结构的一端通过环肋关节与环形固定桁架结构相连，构成一个刚性整体结构；反射索网通过调节拉索与支撑索网相连，反射索网上绑定有反射面，构成整个索网反射面结构；其特征在于:中心支杆的外侧套有变焦距套筒，用于改变抛物面的焦距；
[0012]所述变焦距套筒，包括上下两个移动螺母、上下两个滑轮、丝杆、弹簧、外壳和法兰盘；法兰盘与折叠支撑肋杆结构的另一端相连；弹簧的两端分别与外壳和支撑肋杆结构的中部相连；上滑轮用于对反射索网进行导向，下滑轮用于对支撑索网进行导向；上移动螺母通过丝杆与导向后的反射索网相连，下移动螺母通过丝杆与导向后的支撑索网相连，通过调节上下两个移动螺母的位置，改变反射索网和支撑索网的长度，实现反射面的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。
[0013]技术方案二
[0014]一种环肋柱索网结构反射面系统，包括:馈源、反射索网、支撑肋杆、支撑索网、调节索网、环形固定桁架结构、中心支杆、环肋关节和反射面，支撑肋杆结构的一端通过环肋关节与环形固定桁架结构相连，构成一个刚性整体结构；反射索网通过调节拉索与支撑索网相连，反射面绑定在反射索网上，构成整个索网反射面结构；
[0015]其特征在于:中心支杆的外侧套有上移动套筒，下移动套筒和上下拉索调整器；下移动套筒与支撑肋杆结构的另一端相连；上移动套筒的外侧连接有转动直杆，转动直杆的另一端与支撑肋杆结构的中部相连；反射索网穿过上移动套筒与上拉索调整器相连，支撑索网穿过下移动套筒与下拉索调整器相连，分别通过调整上拉索调整器与上移动套筒之间的距离和下拉索调整器与下移动套筒之间的距离改变反射索网和支撑索网的长度，实现反射面的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。
[0016]本发明与现有相关技术相比具有如下优点:
[0017](I)本发明由于在中心支柱外套有变焦距装置，能够实现反射面的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。
[0018](2)本发明的变焦距装置由于采用调整上下两个移动螺母的位置来改变反射索网和支撑索网的长度，能够方便的对反射面的焦距进行调整。
[0019](3)本发明的变焦距装置由于采用调整上拉索调整器与上移动套筒之间的距离和下拉索调整器与下移动套筒之间的距离来改变反射索网和支撑索网的长度，能够更精确的实现对反射面焦距调整。
[0020](4)本发明由于改变反射索网和支撑索网的长度时，使反射面上的折叠三角形同向折叠，能保证反射面在大尺度变焦距后具有高型面精度。
[0021](5)本发明由于能对反射面进行变焦，可使反射面的焦点趋近于无穷远，因此能够远距离传输或汇聚电磁波。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明技术方案一的整体结构示意图；
[0023]图2是本发明技术方案一的局部放大示意图；
[0024]图3是本发明技术方案二的整体结构示意图；
[0025]图4是本发明技术方案二的局部放大示意图；
[0026]图5是本发明中变焦后反射面变为平面的示意图；
[0027]图6是本发明中环形固定桁架结构的示意图；
[0028]图7是本发明中支撑肋杆结构的示意图；
[0029]图8是本发明技术方案一中的变焦距套筒结构示意图；
[0030]图9是本发明技术方案二中的上拉索调整器结构示意图；
[0031]图10是本发明技术方案二中的上移动套筒结构示意图；
[0032]图11是本发明技术方案二中的下拉索调整器结构示意图；
[0033]图12是本发明中技术方案二的下移动套筒结构示意图；
[0034]图13是本发明中反射面折叠示意图；
[0035]图14是图1结构偏置安装于航天器其反射面为抛物面的初始状态示意图；
[0036]图15是图1结构偏置安装于航天器其反射面变焦为平面状态的示意图；
[0037]图16是图3结构在地面运营时其反射面为抛物面的初始状态示意图；
[0038]图17是图3结构在地面运营时其变焦后反射面变为平面状态的示意图。
【具体实施方式】
[0039]实施例1:采用变焦距套筒的环肋柱索网反射面系统。
[0040]参照图1和图2，本发明包括:馈源1、反射索网2、支撑肋杆结构3、支撑索网4、竖向拉索5、环形固定桁架结构6、中心支杆7、变焦距套筒8、环肋关节9和反射面10。其中:变焦距套筒8套在中心支杆7外部，馈源I安装在中心支杆7的顶端；支撑肋杆结构3的一端通过环肋关节9与环形固定桁架结构6相连，另一端与变焦距套筒8的中部相连，构成一个刚性整体结构；反射索网2的一端与环形固定桁架结构6的上端相连，另一端与变焦距套筒8的上端相连；支撑索网4的一端与环形固定桁架结构6的下端相连，另一端与变焦距套筒8的下端相连；竖向拉索5的上端与反射索网2相连，下端与支撑索网4相连；反射索网2与反射面10绑定，构成整个索网反射面结构。
[0041]参照图6，本发明的环形固定桁架结构6，包括:复数个环关节602和复数个固定桁架601，每两个固定桁架601之间通过一个环关节602连接，通过弹簧或者绳索驱动环关节602展开到固定位置后锁止，使整个固定桁架601构成环形桁架结构。其中，环关节602和固定桁架601的具体结构和连接形式与 申请人:的“固定桁架结构可展开面装置”专利相同，专利号为 ZL201010573066.1。
[0042]参照图7，本发明的支撑肋杆结构3，包括:复数个肋杆301和复数个肋关节302，每两个肋杆301之间通过一个肋关节302连接，通过弹簧或者绳索驱动肋关节301展开到固定位置后锁止，使整个肋杆301构成支撑肋杆结构。其中环肋关节9、肋关节302的具体结构与 申请人:的“空间可展开反射面系统”专利相同，专利号为ZL200810017476.0。
[0043]参照图8，本发明的变焦距套筒8，包括上移动螺母801，下移动螺母802、上滑轮803，下滑轮808、丝杆804、弹簧805、外壳806和法兰盘807 ;法兰盘807、上滑轮803和下滑轮808固接于外壳806的外侧，法兰盘807与支撑肋杆结构3的一端相连；弹簧805的两端分别与外壳806和支撑肋杆结构3的中部相连；反射索网2绕过上滑轮803，与上移动螺母801相连；支撑索网4绕过下滑轮808，与下移动螺母802相连；丝杆804的上端连接上移动螺母801，下端连接下移动螺母802。
[0044]参照图13，本发明的反射面10，包含N个折叠三角形，每个三角形的折叠角度为α，相邻三角形的辅助角度为β，且满足Ν(α+β) = 360° ;改变反射索网2和支撑索网4的长度时，使每个三角形同向折叠，保证反射面10在大尺度变焦距后具有高型面精度，其中N多3。
[0045]当变焦距套筒8在中心支杆7上向馈源I方向移动时，支撑肋杆3在弹簧805的作用下折叠，反射索网2和支撑索网4出现松弛；丝杆804自转，通过螺旋传动使上移动螺母801和下移动螺母802沿轴向移动，从而改变上移动螺母801和下移动螺母802的位置，进而改变反射索网2和支撑索网4的长度，使反射面10上的每个三角形同向折叠，实现反射面10的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距，且变焦后具有高型面精度。环肋柱索网反射面系统变焦后反射面为平面的示意图如图5所示。
[0046]实施例2:采用上下移动套筒的环肋柱索网反射面系统
[0047]参照图3和图4，本发明包括:馈源1、反射索网2、支撑肋杆结构3、支撑索网4、竖向拉索5、环形固定桁架结构6、中心支杆7、环肋关节9、反射面10、上移动套筒11，下移动套筒12、上拉索调整器13、下拉索调整器14和转动直杆15 ;上拉索调整器13、上移动套筒11、下拉索调整器14和下移动套筒12依次套在中心支杆7的外侧，馈源I安装在中心支杆7的顶端；支撑肋杆结构3的一端通过环肋关节9与环形固定桁架结构6相连，另一端与下移动套筒12相连；转动直杆15的一端与上移动套筒11相连，另一端与支撑肋杆结构3的中部相连；反射索网2的一端与环形固定桁架结构6的上端相连，另一端穿过上移动套筒11打结终止于上拉索调整器13 ;支撑索网4的一端与环形固定桁架结构6的下端相连，另一端穿过下移动套筒12打结终止于下拉索调整器14 ;竖向拉索5的上端与反射索网2相连，下端与支撑索网4相连，反射索网2上绑定有反射面10，构成整个索网反射面结构；
[0048]参照图9，本发明的上拉索调整器13，包含复数个穿线孔1301，反射索网2穿过穿线孔1301打结终止。
[0049]参照图10，本发明的上移动套筒11，包括:复数个穿线孔1101和上法兰盘1102，上法兰盘1102在穿线孔1101的下端，如图(1a)所示，穿线孔1101为圆弧形的通孔，如图(1b)所示，反射索网2穿过穿线孔1101与上拉索调整器13相连，上法兰盘1102与转动直杆15相连。
[0050]参照图11，本发明的下拉索调整器14，包含复数个穿线孔1401，支撑索网4穿过穿线孔1401打结终止。
[0051]参照图12，本发明的下移动套筒12，包括:复数个穿线孔1201和下法兰盘1202，下法兰盘1202在穿线孔1201的外侧中部，如图(12a)所示，穿线孔1201为圆弧形的通孔，如图(12b)所示，支撑索网4穿过穿线孔1201与下拉索调整器14相连，下法兰盘1202与支撑肋杆结构3相连。
[0052]本实例中的环形固定桁架结构6、支撑肋杆结构3及与反射面10的折叠方案与实施例I所述的结构相同。
[0053]当上移动套筒11沿中心支杆7向馈源I方向移动时，反射索网2松弛，转动直杆15转动，使支撑肋杆结构3发生折叠，带动下移动套筒13沿中心支杆7移动，使支撑索网4松弛；上拉索调整器13沿中心支杆7移动，与上移动套筒11之间产生距离差，通过两者之间的距离差来改变反射索网2的长度；下拉索调整器14沿中心支杆7移动，与下移动套筒12之间产生距离差，通过两者之间的距离差来改变支撑索网4的长度；通过改变反射索网2和支撑索网4的长度，使反射面10上的每个三角形同向折叠，实现反射面10的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距，且变焦后具有高型面精度。环肋柱索网反射面系统变焦后反射面为平面的示意图如图5所示。
[0054]本发明的效果可以通过以下仿真实验来验证:
[0055]1.仿真系统及结构
[0056]本发明实验所用的系统为展开口径为15m的环肋柱索网反射面系统。
[0057]该系统环肋柱索网结构采用6根支撑肋杆结构，每根支撑肋杆结构4等分，肋杆外径0.014m，内径0.013m ;环形固定桁架结构的圆环24等分，固定桁架高度0.1m,环杆外径0.016m，内径0.015m，支杆外径0.014m，内径0.013m ;中心支杆高2.4m，直径0.03m ;环肋柱索网结构的刚性骨架，在收拢状态下口径0.766m，高度1.958m ;展开后的口径为15m，反射面焦径比为0.6。所有索网上拉索的外径为0.001米，所有刚性杆件选择碳纤维材料，柔性索网选择凯芙拉纤维材料。
[0058]2.仿真内容
[0059]仿真1，在太空环境下，对展开口径为15m的环肋柱索网反射面系统变焦前的反射面进行仿真。
[0060]在太空环境下，将总质量小于16Kg的环肋柱索网反射面系统偏置安装于航天器上，使环形固定桁架结构一点固定约束，对整个系统进行静力平衡求解，结果如图14所示。
[0061]从图14可以看出，反射面最大变形为0.002m，面密度小于0.lKg/m2，反射面表面均方根误差小于0.002m。这些数据表明，在太空环境下该环肋柱索网反射面系统变焦前的反射面具有优秀的综合性能指标。
[0062]仿真2，在太空环境下，对展开口径为15m的环肋柱索网反射面系统变焦后的反射面进行仿真。
[0063]采用实施例1的方案，将仿真I结构中的变焦距套筒朝馈源方向移动1.67m，通过弹簧将支撑肋杆结构由7.676m弯折为7.492m，通过上移动螺母将反射索网长由7.689m缩短为7.479m，通过下移动螺母将支撑索网长由7.676m缩短为7.501m，使反射面由抛物面变成平面。对变焦后的整个系统进行静力平衡求解，结果如图15所示。
[0064]从图15可以看出，反射面最大变形为0.0030m,反射面表面均方根误差小于0.002m。这些数据表明，在太空环境下该环肋柱索网反射面系统在大尺度变焦距后，反射面仍保持足够高的型面精度，达到了预期的变焦距目标。
[0065]仿真3，在地面环境下，对展开口径为15m的环肋柱索网反射面系统变焦前的反射面进行仿真。
[0066]在地面环境下，将环肋柱索网反射面系统的肋杆外径变为0.026m，内径变为
0.022m ;环杆外径变为0.026m，内径变为0.022m，支杆外径变为0.018m，内径变为0.016m。
[0067]在地面环境下，将总质量小于60Kg，馈源质量为5.23Kg，反射面呈45度俯仰角放置的环肋柱索网反射面系统安装于地面基座上，对环形固定桁架结构采用中心对称的三点固定约束，对整个系统进行静力平衡求解，结果如图16所示。
[0068]从图16可以看出，反射面的最大变形为0.0190m，面密度小于0.35Kg/m2，反射面表面均方根误差小于0.006m。这些数据表明，在地面环境下该环肋柱索网反射面系统变焦前的反射面具有优秀的综合性能指标。
[0069]仿真4，在地面环境下，对展开口径为15m的环肋柱索网反射面系统变焦后的反射面进行仿真。
[0070]采用实施例2的方案，将仿真3中的中心支柱上的上移动套筒朝馈源方向移动
1.67m，通过下移动套筒使支撑肋杆结构由7.676m缩短为7.492m，通过上拉索调整器使反射索网长由7.689m缩短为7.479m，通过下拉索调整器使支撑索网长由7.676m缩短为7.501m，使反射面由抛物面变成平面。对变焦后的整个系统进行静力平衡求解，结果如图17所示。[0071 ] 从图17可以看出，反射面的最大变形为0.0121m，表面均方根误差小于0.005m。这些数据表明，在地面环境下该环肋柱索网反射面系统在大尺度变焦距后，反射面仍保持足够高的型面精度，达到了预期的变焦距目标。
[0072]上述仿真结果说明本发明提供的基于环肋柱索网结构的变焦距反射面系统，结构简洁，面密度低，变焦前和变焦后型面精度都满足期望要求，无论是在太空中还是在地面上，都有着良好性能。
【权利要求】
1.一种环肋柱索网结构反射面系统，包括:馈源(I)、反射索网(2)、支撑肋杆结构(3)、支撑索网(4)、竖向拉索(5)、环形固定桁架结构(6)、中心支杆(7)，环肋关节(9)和反射面(10);支撑肋杆结构(3)的一端通过环肋关节(9)与环形固定桁架结构(6)相连，构成一个刚性整体结构；反射索网(2)通过竖向拉索(5)与支撑索网(4)相连，反射索网(2)上绑定有反射面(10)，构成整个索网反射面结构；其特征在于:中心支杆(7)的外侧套有变焦距套筒(8)，用于改变抛物面的焦距； 所述变焦距套筒(8)，包括上下两个移动螺母(801，802)、上下两个滑轮(803，808)、丝杆(804)、弹簧(805)、外壳(806)和法兰盘(807);法兰盘(807)与折叠支撑肋杆结构(3)的另一端相连；弹簧(805)的两端分别与外壳(806)和支撑肋杆结构(3)的中部相连；上滑轮(803)用于对反射索网(2)进行导向，下滑轮(808)用于对支撑索网(4)进行导向；上移动螺母(801)通过丝杆(804)与导向后的反射索网(2)相连，下移动螺母(802)通过丝杆(804)与导向后的支撑索网(4)相连，通过调节上下两个移动螺母的位置，改变反射索网(2)和支撑索网(4)的长度，实现反射面(10)的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。
2.根据权利要求1所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:环形固定桁架结构￠)，包括:复数个固定桁架(601)和复数个环关节￠02)，每两个固定桁架(601)之间通过一个环关节(602)连接，构成圆形收拢、展开环结构。
3.根据权利要求1所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:支撑肋杆结构(3)，包括:复数个肋杆(301)和复数个肋关节(302)，每两个肋杆(301)之间通过一个肋关节(302)连接，构成收拢、展开肋结构。
4.根据权利要求1所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:反射索网(2)固定桁架(601)的上端，支撑索网(4)固定在桁架(601)下端，调整拉索(5)竖向固定在这两层索网之间，形成反射曲面结构。
5.根据权利要求1所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:反射面(10)，包含N个折叠三角形，每个三角形的折叠角度为α，相邻三角形的辅助角度为β，且满足Ν(α+β) = 360° ;改变反射索网(2)和支撑索网(4)的长度时，使每个三角形同向折叠，保证反射面(10)在大尺度变焦距后具有高型面精度，其中N多3。
6.—种环肋柱索网结构反射面系统，包括:馈源(I)、反射索网(2)、支撑肋杆(3)、支撑索网(4)、竖向拉索(5)、环形固定桁架结构(6)、中心支杆(7)、环肋关节(9)和反射面(10)，支撑肋杆结构(3)的一端通过环肋关节(9)与环形固定桁架结构(6)相连，构成一个刚性整体结构；反射索网(2)通过竖向拉索(5)与支撑索网(4)相连，反射面(10)绑定在反射索网(2)上，构成整个索网反射面结构； 其特征在于:中心支杆(7)的外侧套有上移动套筒(11)，下移动套筒(12)和上下拉索调整器(13，14);下移动套筒(12)与支撑肋杆结构(3)的另一端相连；上移动套筒(11)的外侧连接有转动直杆(15)，转动直杆(15)的另一端与支撑肋杆结构(3)的中部相连；反射索网⑵穿过上移动套筒(11)与上拉索调整器(13)相连，支撑索网⑷穿过下移动套筒(12)与下拉索调整器(14)相连，分别通过调整上拉索调整器(13)与上移动套筒(11)之间的距离和下拉索调整器(14)与下移动套筒(12)之间的距离改变反射索网(2)和支撑索网(4)的长度，实现反射面的形状由抛物面向平面过渡的大尺度变焦距。
7.根据权利要求6所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:上移动套筒(11)上有复数个穿线孔(1101)和和上法兰盘(1102)，反射索网(2)穿过穿线孔(1101)与上拉索调整器(13)相连，上法兰盘(1102)与转动直杆(15)相连。
8.根据权利要求6所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:上拉索调整器(13)上有复数个穿线孔(1301)，反射索网(2)穿过穿线孔(1301)打结终止。
9.根据权利要求6所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:下移动套筒(12)上有复数个穿线孔(1201)和下法兰盘(1202)，支撑索网(4)穿过穿线孔(1201)与下拉索调整器(14)相连，下法兰盘(1202)与支撑肋杆结构(3)相连。
10.根据权利要求6所述的一种环肋柱索网结构反射面系统，其特征在于:下拉索调整器(14)上有复数个穿线孔(1401)，支撑索网(4)穿过穿线孔(1401)打结终止。
【文档编号】H01Q15/14GK104518287SQ201410819702
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】郑飞, 陈梅, 谭谋 申请人:西安电子科技大学