一种具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构的制作方法

本发明属于星载可展开天线结构设计领域，具体是一种具有上、中、下三层固定接头的具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构，可应用于具有波束赋形的三层网状天线的桁架支撑结构。

背景技术：

大型星载天线被广泛应用于电子侦查、气象监测、空间通信等领域，随着天线技术的快速发展，环形可展开天线因其具有大口径、轻质量、高收纳比的特点成为各国宇航界研究的重点。

在环形可展开天线领域，最经典的桁架结构形式为am-1环形可展开天线，am-1天线的可展开结构由若干个平行四边形单元组成，在平行四边形单元中，横杆和竖杆构成平行四边形的结构，粗斜杆和细斜杆在平行四边形的对角线上组成伸缩杆结构，通过改变伸缩杆的长度，可实现单元的展开与收拢。am-1的平行四边形单元中，横杆、竖杆和斜杆都在同一平面内，天线桁架处于完全收拢态时，所有杆件都竖直分布在圆周上，这将导致天线收拢周长变大，即收拢直径偏大。在卫星发射阶段，可展开天线处于收拢状态并被固定在火箭的整流罩内，由于其空间有限，故天线的收拢体积越小越好。

赋型反射面天线具有效率高、服务区相邻区域信号干扰小的特点，被广泛应用于卫星通讯中；文件cn106294970a公开了一种具有赋形波束的新型网状天线结构设计方法，如图1所示，针对astromesh网状天线的波束赋形设计提出了一种三层波束赋形索网反射面天线结构设计方法，通过增加一层“顶层网”，对金属丝网附着的工作网面进行双向牵引，从而实现所需的赋型反射面形状；因此，很有必要基于波束赋形的三层网状天线结构来研究新型三层网状可展开天线桁架结构(如图2(a)、2(b)所示)，并应用于实际工程中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述国内外现有技术的不足，提出一种具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构，该结构基于am-1环形可展开桁架结构，着眼于波束赋形的三层网状天线，通过在竖杆组件上增加中间接头，且中间接头可沿竖向标尺杆上下调节，与三向接头和五向接头一起构成上、中、下三层固定结构的天线桁架；并通过设计五向接头，将平行四边形结构单元的对角线(粗细斜杆组成的伸缩杆结构)外移，即对角线结构与平行四边形结构分别在两个平行的平面上，可减小天线桁架的收拢直径；针对天线桁架展开态的回弹问题，在伸缩杆上设计安装卡止机构，在完全展开到位后桁架形成稳定结构，在一定程度上可提高结构的刚度；在各个接头上设计挂索结构，简化挂索方式，精确边界索固定位置。

本发明的技术方案：一种具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构，其特征在于，包括若干个平行四边形结构单元，相邻两个平行四边形结构单元共用一个中间接头、三向接头、五向接头和竖杆组件，共同形成一个封闭的环状多边形结构；其中一个平行四边形结构单元包括左竖杆组件(1)、中间接头(2)、上三向接头(3)、上横杆(4)、粗斜杆(5)、上五向接头(6)、中间接头(7)、右竖杆组件(8)、下三向接头(9)、下横杆(10)、卡止机构(11)、细斜杆(12)和下五向接头(13)；所述的中间接头(2)和中间接头(7)分别固定安装在左竖杆组件(1)和右竖杆组件(8)上，中间接头(2)和中间接头(7)可根据不同的高度设计要求沿左竖杆组件(1)和右竖杆组件(8)上下调节；所述的左竖杆组件(1)、上三向接头(3)、右竖杆组件(8)、上五向接头(6)、右竖杆组件(8)、下三向接头(9)、下横杆(10)和下五向接头(13)依序固定连接组成的平行四边形框架，其对角线是粗斜杆(5)和细斜杆(12)同心装配组成的伸缩杆结构，位于的平行四边形框架平面的外侧平行平面上；所述的卡止机构(11)与粗斜杆(5)轴孔配合装配，与细斜杆(12)共同作用实现可展开桁架机构的双向卡止；所述的中间接头(2)、上三向接头(3)、上五向接头(6)、中间接头(7)、下三向接头(9)和下五向接头(13)中均设计挂索结构；

所述的左竖杆组件(1)包括标尺杆(14)、标尺杆连接件(15)和竖杆(16)，右竖杆组件(8)的组成结构同左竖杆组件(1)；所述的上三向接头(3)和下三向接头(9)的零件构成相同，主要包括三向接头外壳(17)、三向接头挂锁螺栓(18)、锥齿轮连接件旋转螺栓(19)、锥齿轮连接件(20)和同步锥齿轮(21)；所述的上五向接头(6)由滑轮(22)、扭簧(23)、五向接头外壳(24)、粗斜杆连接件(25)、连接件旋转螺栓(26)、横杆连接件(27)、五向接头挂锁螺栓(28)组成，下五向接头(13)与上五向接头(6)相比，五向接头(13)零件增加万向轮组件(29)和万向轮支撑板(30)；

所述的卡止机构(11)使用“顶珠-孔”组合结构，与粗斜杆(5)固定安装，主要包括第一卡止件(31)、第二卡止件(32)、顶珠(33)、弹簧板(34)和卸载螺钉(35)，弹簧板(34)一端固定，另一端与顶珠(33)接触，顶珠(33)与粗斜杆(5)和细斜杆(12)上的孔组成“球-孔”配合；所述的中间接头(2)和中间接头(7)组成构件相同，由第一中间紧固件(36)、第二中间紧固件(37)和中间接头挂锁螺栓(38)组成，固定在左竖杆组件(1)和右竖杆组件(8)上；

该具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构从收拢态到展开态的运动过程中主要由绳索驱动，驱动绳索从下五向接头(13)的细斜杆连接件开始，经过粗斜杆(5)和细斜杆(12)组成的伸缩杆到达上五向接头(6)的粗斜杆连接件，并绕过上五向接头(6)固定的滑轮穿过下一个平行四边形结构单元的伸缩杆，再绕过下五向接头(13)固定的滑轮，以此类推，终止于驱动绳索起始处的下五向接头(13)的细斜杆连接件；驱动绳索的起始和终止两端缠绕在电机的输出轴上，通过电机输出轴的转动，使绳索收缩，进而驱动伸缩杆收缩，最终实现整个可展开网状反射面天线桁架结构的展开。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在竖杆组件上增加中间接头，且中间接头可根据设计要求沿标尺杆上下调节其位置，所有的中间接头可不在同一水平面上，从而三向接头、中间接头和五向接头组成三层可展开桁架结构基本固定框架；

2、本发明的平行四边形结构单元中，平行四边形框架和其对角线的伸缩杆分布在平行的两个平面内，平行四边形框架位于内层平面，粗斜杆和细斜杆组成的伸缩杆位于外层平面，在天线收拢过程中它们在各自的平面内运动，互不发生干涉，因伸缩杆外置，桁架结构完全收拢时，竖杆组件和横杆竖直分布，粗细斜杆在外层斜向分布，可有效减小天线收拢直径，且边数越多，相对减小的效果越明显；

3、本发明考虑天线桁架完全展开后的回弹问题，在平行四边形结构单元的伸缩杆上增加卡止机构，因其顶珠和弹簧板的作用，对粗细斜杆进行双向卡止，使天线展开到位后形成稳定结构，在一定程度上提高结构的刚度；

4、本发明在各个接头(三向接头、中间结构和五向接头)上设计挂索结构，将边界索悬挂固定在挂锁螺栓上，挂锁螺栓则由螺母固定于接头，简化挂索方式，精确边界索固定位置。

附图说明

图1为三层波束赋形反射面天线索网结构示意图；

图2为具有波束赋形的三层网状天线示意图；

图3为本发明的平行四边形结构单元模型组成示意图；

图4为本发明的平行四边形结构单元收拢态示意图；

图5为左竖杆组件组成部件示意图；

图6为三向接头示意图；

图7(a)为上五向接头示意图；

图7(b)为下五向接头示意图；

图8卡止机构示意图；

图9为中间接头示意图；

图10为驱动绳索缠绕平行四边形单元结构示意图；

图11为天线桁架结构收拢态示意图；

图12为天线桁架结构部分展开态示意图；

图13为天线桁架结构完全展开态示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例中一种具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构，主要由若干个平行四边形结构单元拼接装配组成，相邻的平行四边形结构单元共用一个由三向接头、中间接头、五向接头和竖杆组件装配组成的封闭环状多边形结构；如图3所示，一个平行四边形结构单元包括左竖杆组件(1)、中间接头(2)、上三向接头(3)、上横杆(4)、粗斜杆(5)、上五向接头(6)、中间接头(7)、右竖杆组件(8)、下三向接头(9)、下横杆(10)、卡止机构(11)、细斜杆(12)和下五向接头(13)，其中，左竖杆组件(1)与右竖杆组件(8)组成结构相同，上横杆(4)和下横杆(10)为长度、材料相同的横杆，上三向接头(3)和下三向接头(9)的零件构成相同，中间接头(2)和中间接头(7)组成相同，下五向接头(13)与上五向接头(6)相比，唯一不同的是下五向接头(13)增加了万向轮组件(29)和万向轮支撑板(30)，细斜杆(12)的外径比粗斜杆(5)的内径小；

所述的左竖杆组件(1)上端与上三向接头(3)固定连接，左竖杆组件(1)下端与下五向接头(13)固定连接，右竖杆组件(8)上端与上五向接头(6)固定连接，右竖杆组件(8)下端与下三向接头(9)固定连接，上横杆(4)左端与上三向接头(3)的锥齿轮连接件连接，上横杆(4)右端与上五向接头(6)的横杆连接件连接，下横杆(10)左端与下五向接头(13)的横杆连接件连接，下横杆(10)右端与下三向接头(9)锥齿轮连接件连接，粗斜杆(5)与上五向接头(6)的粗斜杆连接件连接，细斜杆(12)与下五向接头(13)的细斜杆连接件连接，其中粗斜杆(5)和细斜杆(12)同心装配，两杆组成伸缩杆机构，位于左竖杆组件(1)、右竖杆组件(8)、上横杆(4)和下横杆(10)组成的平行四边形框架的外侧；所述的卡止机构(11)与粗斜杆(5)固定装配；所述的中间接头(2)与左竖杆组件(1)固定连接，中间接头(7)与右竖杆组件(8)固定连接；

在图3中，所述的中间接头(2)和中间接头(7)分别固定在左竖杆组件(1)、右竖杆组件(8)上；其中，如图5所示，所述的左竖杆组件(1)由标尺杆(14)、标尺杆连接件(15)和竖杆(16)组成，标尺杆(14)上有实际刻度，右竖杆组件(8)的组成结构同左竖杆组件(1)；中间接头可根据设计要求，定位标尺杆上的刻度来固定其位置，若干个中间接头根据各自的设计位置来定位，它们可以不在同一个水平面上；

如图4所示，所述平行四边形结构单元的收拢态，上横杆(3)、左竖杆组件(1)、下横杆(10)和右竖杆组件(8)为竖直分布，上五向接头(6)和下五向接头(13)分别在上下圆周错开一个位置，则伸缩杆结构呈倾斜的状态；所述的左竖杆组件(1)、右竖杆组件(8)、上横杆(3)和下横杆(10)在同一平面上，粗斜杆(5)和细斜杆(12)的伸缩杆结构在与其平行的外层平面上，减小了其收拢态的圆周周长，故减小整体桁架结构的收拢直径，提高天线的横向收纳比。

所述的上三向接头(3)和下三向接头(9)的零件构成相同，统称其为三向接头，在图6中，三向接头主要包括三向接头外壳(17)、三向接头挂锁螺栓(18)、锥齿轮连接件旋转螺栓(19)、锥齿轮连接件(20)和同步锥齿轮(21)；三向接头中的锥齿轮连接件(20)与三向接头外壳(17)通过转动副连接，并与同步锥齿轮(21)固定，通过啮合传动来达到两个连接件同步转动的目的；三向接头的挂锁结构，三向接头挂锁螺栓(18)安装在三向接头外壳(17)上，其留出的空隙用来悬挂边界索，此方案设计可简化边界索的挂索方式，精确边界索固定位置。

如图7(a)所示，上五向接头(6)由滑轮(22)、扭簧(23)、五向接头外壳(24)、粗斜杆连接件(25)、连接件旋转螺栓(26)、横杆连接件(27)、五向接头挂锁螺栓(28)组成；横杆连接件(27)与五向接头外壳(24)内侧的连接件位置通过转动副连接，粗斜杆连接件(25)与五向接头外壳(24)外侧的连接件位置亦通过转动副连接，且滑轮转动销轴与五向接头外壳(24)外侧的孔过盈配合来定位滑轮(22)，由于驱动绳索在五向接头处需从一个平行四边形结构单元过渡到另一个平行四边形结构单元，需要增加滑轮(22)来尽量减小绳索与轴的摩擦；上五向接头(6)的挂锁结构与三向接头的挂锁结构相同。图7(b)表示，下五向接头(13)与上五向接头(6)相比，结构唯一不同的是五向接头(13)增加了万向轮组件(29)和万向轮支撑板(30)，万向轮支撑板(30)与五向接头外壳(24)通过过盈配合来固定，万向轮组件(29)通过螺纹连接万向轮支撑板(30)，增加万向轮组件(29)的主要作用是地面支撑天线桁架结构，使其在展开和收拢过程中在地面上沿着特定的路线运动。

如图8所示，卡止机构(11)使用“顶珠-孔”组合结构，主要包括第一卡止件(31)、第二卡止件(32)、顶珠(33)、弹簧板(34)和卸载螺钉(35)，卡止机构(11)通过第一卡止件(31)和第二卡止件(32)紧固在粗斜杆(5)上的特定位置；其中，弹簧板(34)一端由螺母固定安装在第二卡止件(32)上，另一端放入第二卡止件(32)预留的孔中，并与顶珠(33)接触；在天线桁架处于收拢状态时，顶珠(33)与粗斜杆(5)的外壁接触，根据设计要求顶珠对弹簧板有一个初始变形，相反弹簧板的初始变形对顶珠有挤压的作用，天线桁架结构从收拢态到展开态的过程中，粗斜杆(5)与细斜杆(12)组成伸缩杆结构变短，顶珠(33)在弹簧板(34)的弹力作用下沿着粗斜杆(5)的外壁运动，当完全展开到位时，粗斜杆(5)和细斜杆(12)上的孔(两孔直径不同)同心，顶珠在弹力作用下进入孔中，对粗细斜杆(5)(12)进行轴向定位，进而对整体结构进行卡止，使天线展开到位后形成稳定结构，有效防止回弹；天线桁架结构从展开态到收拢态的过程中，通过右旋拧卸载螺钉(35)使弹簧板(34)不对顶珠(33)产生作用力，可对伸缩杆释放卡位，天线完全收拢后，再左旋拧卸载螺钉(35)使弹簧板(34)重新对顶珠(33)产生作用力，为下一次展开做准备。

中间接头(2)和中间接头(7)组成构件相同(如图9所示)，主要由第一中间紧固件(36)、第二中间紧固件(37)和中间接头挂锁螺栓(38)组成，它由第一中间紧固件(36)和第二中间紧固件(37)固定在竖杆组件的标尺杆(15)上，可根据刻度线上下调整其固定位置；中间接头的挂锁结构与三向接头的挂锁结构相同。

该具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构从收拢态到展开态的运动过程中主要由绳索驱动，图10表示两相邻的平行四边形结构单元驱动绳索的分布情况，驱动绳索从下五向接头的细斜杆连接件开始，经过伸缩杆到达上五向接头的粗斜杆连接件，并绕过上五向接头固定的滑轮穿过下一个平行四边形结构单元的伸缩杆，再绕过下五向接头固定的滑轮，以此类推，终止于驱动绳索起始处的下五向接头的细斜杆连接件；驱动绳索的起始和终止两端缠绕在电机的输出轴上，通过电机输出轴的转动，使绳索收缩，进而驱动伸缩杆收缩，最终实现整个可展开网状反射面天线桁架结构的展开。

图11为本发明的三层可展开天线桁架结构完全收拢态示意图，图12为天线桁架结构部分展开态示意图，图13为天线桁架结构完全展开态示意图。

采用图13所示的天线桁架结构，以12个平行四边形结构单元拼接装配成一个十二边可展开天线桁架为例，各构件的尺寸根据天线的设计要求确定，完全展开外径为2575mm，展开高度为700mm，收拢外径为260mm，相比与传统的天线桁架结构的收拢外径减小20％左右，收拢高度为1315mm。

综上所述，本发明提出了一种具有波束赋形的新型三层网状可展开天线桁架结构设计方案，该方案由若干个平行四边形拼接而成，最终形成一个封闭的环状多边形桁架结构。每个平行四边形结构单元包括上、中、下三层固定接头，并通过设计五向接头，将平行四边形结构单元的对角线(粗细斜杆组成的伸缩杆)外移，可减小天线桁架的收拢直径，降低天线的横向收纳比；针对天线桁架展开态的回弹问题，在伸缩杆上设计安装卡止机构，在展开到位后桁架形成稳定结构，提高桁架完全展开态的刚度；并且在各个接头上设计挂索结构，简化挂索方式，精确边界索固定位置。通过该方案可设计出一种新型三层可展开天线桁架，可应用与实际工程。

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。