一种新型环形可展开桁架结构的制作方法

本发明属于星载可展开天线领域，具体是一种新型环形可展开桁架结构。

背景技术：

随着太空探测技术的不断进步，对大型星载天线的技术要求也越来越高。环形可展开天线因为具有大口径、轻质量、高精度、高收纳率等优点，是目前比较理想的大型星载天线的结构形式。

美国northropgrumman公司的am-1环形可展开天线已被多次成功应用于太空卫星中，目前世界上最先进的星载环形可展开天线。am-1天线的环形可展开结构一般由30个平行四边形单元组成，每个平行四边形单元的有一个沿对角线方向布置的可伸缩套筒结构。通过改变平行四边形单元结构的对角线长度，实现环形天线的收拢和展开。如图1所示，平行四边形单元结构的横杆和斜杆位于同一个平面内，所以桁架收拢到一定角度时，横杆和斜杆会发生碰撞，导致结构无法继续收拢，收拢直径偏大。其次，am-1天线的五点铰链和三点铰链与竖杆均使用固定副相连，导致天线收拢时收拢高度偏大。

运载火箭的空间有限，故天线的收拢体积越小越好，即可展开天线的收拢直径及收拢高度越小越好。环形桁架作为整个星载天线的支撑结构，该结构的收拢直径和收拢高度决定了整个天线的收拢体积，所以设计出一种收拢直径小、收拢高度小的环形桁架是很有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提出了一种新型的环形周边可展开桁架结构，可通过减小环形桁架的收拢直径，降低环形桁架的收拢高度，从而有效地较小天线的收拢体积。

本发明的技术方案：一种新型环形可展开桁架结构，包括多个类平行四边形结构单元，相邻的类平行四边形结构单元通过三点铰链和五点铰链连接形成一个封闭的环形结构；其中一个类平行四边形结构单元包括第一竖杆和第二竖杆两根竖杆、第一横杆和第二横杆两根横杆、第一斜杆和第二斜杆两根斜杆、第一五点铰链和第二五点铰链两个五点铰链以及第一三点铰链和第二三点铰链两个三点铰链；所述第一竖杆的上端连接第一五点铰链，第二竖杆的下端连接第二五点铰链，第一竖杆沿其杆长还滑动连接第一三点铰链，第二竖杆沿其杆长还滑动连接第二三点铰链，其中，其中第一五点铰链和第二三点铰链位于第一竖杆和第二竖杆的同一侧；第一三点铰链和第二五点铰链位于第一竖杆和第二竖杆的另一侧；所述第一横杆的左端与第一五点铰链连接，右端与第二三点铰链连接；所述第二横杆的左端与第一三点铰链连接，右端与第二五点铰链连接；所述第一斜杆和第二斜杆的轴线相同，使用滑动副连接，二者构成伸缩杆结构，第一斜杆位于第二斜杆的上方，所述第一斜杆的上端连接第一五点铰链，第二斜杆的下端连接第二五点铰链；该新型环形可展开桁架结构的相邻两个类平行四边形结构单元共用一根竖杆、一个五点铰链和一个三点铰链；所述第一横杆、两根斜杆以及第二横杆分别分布于三个相互平行的纵向平面内，第一横杆位于内层纵向平面，第一斜杆和第二斜杆位于中间纵向平面，第二横杆位于外层纵向平面。

上述第一竖杆与第一三点铰链之间、第二竖杆与第二三点铰链之间均通过滑动副连接。

上述第一横杆与第二三点铰链之间、第二横杆与第一三点铰链之间均通过转动副连接。

上述第一竖杆与第一五点铰链之间、第二竖杆与第二五点铰链之间均通过固定副连接。

上述第一斜杆和第二斜杆使用滑动副连接。

该新型环形可展开桁架结构还包括两条驱动绳索，第一条驱动绳索从第一竖杆上的第一五点铰链接口开始，穿过第一横杆，再绕过第二竖杆上端设置的滑轮进入下一个类平行四边形结构单元的第一横杆，终止于第一竖杆上的第一五点铰链接口；第二条驱动绳索从第二横杆上的第二五点铰链接口开始，穿过第二横杆，再绕过第一竖杆下端的滑轮进入下一个类平行四边形结构单元的第二横杆，终止于第二竖杆上的第二五点铰链接口；第一条驱动绳索主要沿环形可展开桁架结构的第一横杆分布，第二条驱动绳索主要沿环形可展开桁架结构的第二横杆分布；每个类平行四边形结构单元的两根斜杆组成滑动连接的套筒结构，套筒结构中设有一驱动弹簧；通过电机带动驱动绳索收缩和驱动弹簧伸长实现整个环形可展开桁架结构的展开。

本发明的有益效果：本发明将环形可展开桁架结构相邻的类平行四边形单元结构通过固定于竖杆上的五点铰链和沿竖杆方向滑动的三点铰链相连接。上横杆、斜杆和下横杆设计分布在沿水平方向的三个平面内，上横杆位于内层平面，斜杆位于中间平面，下横杆位于外层平面。环形桁架在收拢时，上横杆、斜杆和下横杆就分别在三个相互平行的平面内运动，杆件之间不会发生碰撞。桁架完全收拢时，各个杆件均沿竖直方向分布，可以有效地减小桁架的收拢直径。其次，三点铰链与竖杆使用滑动副相连，桁架收拢时，三点铰链可沿竖杆方向滑动，可以大大减小桁架的收拢高度。

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为现有环形周边桁架的相邻单元示意图；

图2为本发明的类平行四边形结构单元示意图；

图3a为图2中的第一竖杆结构示意图；

图3b为图2中的第二竖杆结构示意图；

图4a为本发明的相邻单元的五点铰链示意图一；

图4b为本发明的相邻单元的五点铰链示意图二；

图4c为本发明的相邻单元的三点铰链示意图一；

图4d为本发明的相邻单元的三点铰链示意图二；

图5为本发明的环形桁架完全收拢态示意图；

图6为本发明的环形桁架部分展开态示意图；

图7为本发明的环形桁架完全展开态示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种新型环形可展开桁架结构，包括多个类平行四边形结构单元，相邻的类平行四边形结构单元通过三点铰链和五点铰链连接形成一个封闭的环形结构；如图2所示，其中一个类平行四边形结构单元包括第一竖杆1和第二竖杆2两根结构相同的竖杆、第一横杆3和第二横杆4两根结构相同的横杆、第一斜杆5和第二斜杆6两根斜杆、第一五点铰链7和第二五点铰链8两个结构相同的五点铰链以及第一三点铰链9和第二三点铰链10两个结构相同的三点铰链；所述第一竖杆1的上端连接第一五点铰链7，第二竖杆2的下端连接第二五点铰链8，第一竖杆1沿其杆长还滑动连接第一三点铰链9，第二竖杆2沿其杆长还滑动连接第二三点铰链10，其中，其中第一五点铰链7和第二三点铰链10位于第一竖杆1和第二竖杆2的同一侧；第一三点铰链9和第二五点铰链8位于第一竖杆1和第二竖杆2的另一侧；所述第一横杆3的左端与第一五点铰链7连接，右端与第二三点铰链10连接；所述第二横杆4的左端与第一三点铰链9连接，右端与第二五点铰链8连接；所述第一斜杆5和第二斜杆6的轴线相同，使用滑动副连接，二者构成伸缩杆结构，第一斜杆5位于第二斜杆6的上方，所述第一斜杆5的上端连接第一五点铰链7，第二斜杆6的下端连接第二五点铰链8；该新型环形可展开桁架结构的相邻两个类平行四边形结构单元共用一根竖杆、一个五点铰链和一个三点铰链；如图3所示为相邻的竖杆、五点铰链以及三点铰链的结构示意图。所述第一横杆3、两根斜杆以及第二横杆4分别分布于三个相互平行的纵向平面内，第一横杆3位于内层纵向平面，第一斜杆5和第二斜杆6位于中间纵向平面，第二横杆4位于外层纵向平面。图4所示为相邻类平行四边形结构单元的五点铰链和三点铰链结构示意图，结合图2和3可以得出在一个类平行四边形结构单元中，第一横杆3，两根斜杆，第二横杆4分别位于三个相互平行的纵向平面内，第一横杆3位于内层平面，两根斜杆位于中间平面，第二横杆位于外层平面。这样，环形桁架收拢的过程中第一横杆3、第一斜杆5和第二斜杆6、第二横杆4分别在三个相互平行的平面内运动，互不干扰。桁架完全收拢时，各个杆件均沿竖直方向分布，可以有效地减小桁架的收拢直径。其次，三点铰链与竖杆使用滑动副相连，桁架收拢时，三点铰链可沿竖杆方向滑动，可以大大减小桁架的收拢高度。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述第一竖杆1与第一三点铰链9之间、第二竖杆2与第二三点铰链10之间均通过滑动副连接。所述第一横杆3与第二三点铰链10之间、第二横杆4与第一三点铰链9之间均通过转动副连接。所述第一竖杆1与第一五点铰链7之间、第二竖杆2与第二五点铰链8之间均通过固定副连接。所述第一斜杆5和第二斜杆6使用滑动副连接，二者形成可伸缩套筒结构。

该新型环形可展开桁架结构还包括两条驱动绳索，其使用两条驱动绳索和弹簧驱动进行展开，第一条驱动绳索从第一竖杆1上的第一五点铰链7接口开始，穿过第一横杆3，再绕过第二竖杆2上端设置的滑轮进入下一个类平行四边形结构单元的第一横杆3，终止于第一竖杆1上的第一五点铰链7接口；第二条驱动绳索从第二横杆4上的第二五点铰链8接口开始，穿过第二横杆4，再绕过第一竖杆1下端的滑轮进入下一个类平行四边形结构单元的第二横杆4，终止于第二竖杆2上的第二五点铰链8接口；第一条驱动绳索主要沿环形可展开桁架结构的第一横杆3分布，第二条驱动绳索主要沿环形可展开桁架结构的第二横杆4分布；每个类平行四边形结构单元的两根斜杆组成滑动连接的套筒结构，套筒结构中设有一驱动弹簧；通过电机带动驱动绳索收缩和驱动弹簧伸长实现整个环形可展开桁架结构的展开。

本发明的新型环形可展开桁架结构的环形桁架使用绳索驱动。沿平行四边形单元的斜杆、第一横杆和第二横杆布置三条绳索。通过电机改变绳索长度，实现环形桁架的展开与收拢。为了保证各平行四边形单元展开的同步性，相邻平行四边形单元的斜杆使用同步齿轮连接。

图5为本发明的环形桁架完全收拢态示意图，各个杆件均沿竖直方向分布。图6为环形桁架的部分展开示意图。图7为环形桁架的完全展开态示意图。

采用与图7环形桁架相同尺寸杆件，以一个由12个平行四边形单元组成的环形可展开桁架为例，其收拢外径为220mm,展开外径为2770mm。收拢高度为1037mm,展开高度为1012mm。

综上所述，本发明提供的新型环形可展开桁架结构，该结构由多个类平行四边形单元结构组成，相邻的类平行四边形结构通过三点铰链和五点铰链连接形成一个封闭的环形结构。每个类平行四边形单元结构由两根竖杆、两根横杆、两根斜杆、两个五点铰链和两个三点铰链组成。相邻的两个类平行四边形单元结构共用一根竖杆、一个五点铰链和一个三点铰链。本发明通过将上横杆、斜杆、下横杆设计分布在沿水平方向的三个相互平行的平面内，各个杆件的运动相互不影响。桁架完全收拢时，各个杆件均沿竖直方向分布，有效地减小了桁架的收拢直径；竖杆与三点铰链使用滑动副连接，在桁架收拢时，三点铰链可沿竖杆方向滑动，大大减小了桁架的收拢高度。

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。