基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线及其展开方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线及其展开方法。
【背景技术】
[0002]航天事业的高速发展对天线提出了越来越高的要求。由于目前所需要的天线功率较高、传输数据的速率较大，因此对天线口径大小的需求也渐渐提高，而运载工具的空间尺寸有限，故可以采用可展开天线这种结构形式减少空间，降低发射成本。
[0003]传统的空间可展开天线结构大多采用机械式或充气式的展开方式，存在机械结构复杂、易受冲击损坏、成本高等缺点。随着形状记忆聚合物(Shape MemoryPolymers, SMPs)的发展，目前出现了基于形状记忆聚合物复合材料(Shape MemoryPolymer Composites, SMPCs)的智能展开结构。由于形状记忆聚合物复合材料的形状记忆效应及其高比强度、比刚度的特点，应用其到展开结构中不仅可以有效降低机械结构复杂程度和展开难度，而且由于形状记忆聚合物复合材料的阻尼较大，可使智能展开结构的展开较平缓，减轻对系统造成较大的冲击。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有采用机械式或充气式空间可展开天线结构存在机械结构复杂、易受冲击而损坏、成本高的问题，而提出一种基于形状记忆聚合物复合材料铰链驱动的平面反射阵天线。
[0005]—种基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，其特征在于:所述平面反射阵天线包括一组驱动铰链和一组基板组，2-16个基板组通过多个驱动铰链与卫星或空间站主体连接，同一基板组中的基板之间通过多个驱动铰链连接，且每个基板组包括2-5个基板；每个驱动铰链包括两个固定端连接件，两个固定端连接件之间通过压块固定安装两片曲面的形状记忆聚合物层合板，两片形状记忆聚合物层合板之间背对设置，每片形状记忆聚合物层合板的凹面附着加热层，每个加热层连接电源；其中，
[0006]每个固定端连接件的两端分别为夹持端和承接端，夹持端相对的设置两片夹持片，承接端设置承接芯，夹持片与曲面承接芯上分别设置安装孔，且曲面承接芯具有两个与形状记忆聚合物层合板相吻合的承接面。
[0007]—种基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线的展开方法，在柔性太阳能电池阵在发射前的准备阶段，通过加热层对形状记忆聚合物层合板进行驱动，电源为加热层供电，给加热层加热升温，进而使形状记忆聚合物层合板变软，通过机械方式，将形状记忆聚合物层合板折叠收拢成0型或Z型，之后加热层被断电，停止加热，形状记忆聚合物层合板冷却变硬，得到折叠收拢状态的平面反射阵天线；将折叠状的平面反射阵天线发射入轨后，给予形状记忆聚合物层合板激励，加热层再次升温后，折叠状态的形状记忆聚合物层合板发生变形，逐渐展开推动平面反射阵天线展开，完成展开过程。
[0008]本发明的有益效果为:
[0009]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:基于形状记忆聚合物复合材料铰链驱动的平面反射阵天线在展开过程中具有稳定运动和可靠展开的好处；基于形状记忆聚合物复合材料铰链展开过程中刚度、强度较高，变形回复力较大，形状保持能力较好，密度低，同时可以将动力与锁定功能集于一身，减小可展开结构的复杂度，克服传统机械式空间可展开结构的缺陷并满足空间特殊要求。本发明中基板的个数可依据实际需求而设计，铰链的大小和个数可依据基板的大小与质量而调节。本发明驱动展开的过程平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和末期的剧烈冲击载荷，有效提高了平面反射阵天线在各类航天器中的适用性。
【附图说明】
[0010]图1为本发明涉及的驱铰链套装包裹热缩管时的结构示意图；
[0011]图2为本发明涉及的固定端连接件的结构示意图；
[0012]图3为本发明与卫星或空间站主体连接，且为闭合状态的结构示意图；
[0013]图4为本发明与卫星或空间站主体连接，且为展开状态的结构示意图；
[0014]图5a为本发明工作原理涉及的原始态变至固定变形态这一变化过程的原始态的示意图；
[0015]图5b为本发明工作原理涉及的原始态变至固定变形态这一变化过程的升温至T ^ Tt时具有外力的示意图；
[0016]图5c为本发明工作原理涉及的原始态变至固定变形态这一变化过程的降温至T〈Tt保持约束力的示意图；
[0017]图5d为本发明工作原理涉及的原始态变至固定变形态这一变化过程的温度T〈Tt保持变形态的示意图；
[0018]图5e为本发明工作原理涉及的固定变形回复至原始态这一变化过程的升温至T彡Tt变形恢复的示意图；
[0019]图5f为本发明工作原理涉及的固定变形回复至原始态这一变化过程的温度T〈Tt恢复原始态的示意图；
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:
[0021]本实施方式的基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，如图1、图3和图4所示，所述平面反射阵天线包括一组驱动铰链8和一组基板组9，2-16个基板组9通过多个驱动铰链与卫星或空间站主体10连接，同一基板组中的基板11之间通过多个驱动铰链8连接，且每个基板组9包括2-5个基板11 ;每个驱动铰链8包括两个固定端连接件1，两个固定端连接件1之间通过压块12固定安装两片曲面的形状记忆聚合物层合板2，两片形状记忆聚合物层合板2之间背对设置，每片形状记忆聚合物层合板2的凹面附着加热层3，每个加热层3连接电源4 ;其中，
[0022]每个固定端连接件1的两端分别为夹持端和承接端，夹持端相对的设置两片夹持片6，承接端设置承接芯7，夹持片6与曲面承接芯7上分别设置安装孔13，且曲面承接芯7具有两个与形状记忆聚合物层合板2相吻合的承接面。
[0023]所述固定端连接件1的制作材料选用钛合金、招合金、环氧基复合材料或氰酸酯基复合材料中的一种。
[0024]【具体实施方式】二:
[0025]与【具体实施方式】一不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，每片所述形状记忆聚合物层合板2的基体为形状记忆聚合物，内部包嵌的增强相为纤维增强复合材料或颗粒增强复合材料；其中，增强相的材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、石墨粉、镍粉或碳纳米管；形状记忆聚合物的转变温度Tt (transit1n temperature)通过改变材料配比来设计，以满足工作需求，对于高轨工作的情况下，形状记忆聚合物的转变温度Tt为大于170°C，小于300°C，低于低轨工作的情况下，形状记忆聚合物的转变温度Tt大于100°C，小于200°C。
[0026]【具体实施方式】三:
[0027]与【具体实施方式】一或二不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，每片所述形状记忆聚合物层合板2的横截面为矩形或圆弧形；其中，所述形状记忆聚合物层合板2的横截面为圆弧形时，圆弧形对应的圆弧角为90° -180°。
[0028]【具体实施方式】四:
[0029]与【具体实施方式】三不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，所述加热层3为埋置的电阻丝、涂刷的导电胶或粘贴的电热膜中的一种。
[0030]【具体实施方式】五:
[0031 ]与【具体实施方式】一、二或四不同的是，本实施方式的基于形状记忆聚合物复合材料铰链的平面反射阵天线，所述热层3为粘贴的电热膜时，粘贴加热层3的形状记忆聚合物层合板2外部包裹热缩管5，同时在形状