一种适用于空间平板天线的热解耦可展开桁架系统的制作方法

本发明涉及一种可展开支撑桁架系统。

背景技术：

航天器大型载荷如天线、太阳翼等，在发射时需要折叠收拢成较小的体积，承受各种力学环境条件的考核；在入轨后，展开锁定后需要达到一定的结构刚度，在真空高低温环境下的需保持较高的型面精度。

发射阶段，桁架折叠收拢在天线背面，与天线面板固连，承受发射阶段的载荷；卫星入轨后，桁架展开锁定成一立体构型，用于天线的刚度和精度保持。由于天线在轨飞行时，整个系统的温度场恶劣且不均匀，天线与桁架的变形不协调，导致桁架内部应力较大，天线面板和桁架的变形互相约束，精度难以保持，不能满足高精度天线在轨高热稳定性的要求。假若温度环境进一步化还有可能因内应力过大造成桁架的结构破坏。

在地面大型天线产品中，也有在安装界面通过释放自由度来适应气候变化造成的变形。但这种设计一是温度适应性要求较低，二是连接刚度要求较低，不能满足飞行器发射时对大型平面阵天线的收纳要求和承受发射阶段载荷的要求，同时环境适应能力有限。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于空间平板天线的热解耦可展开桁架系统，实现大型航天器天线翼收拢发射和入轨后展开锁定成稳定支撑结构的功能，克服现有天线支撑结构空间恶劣温度场下型面精度不能保持的技术不足，可与天线进行热解耦，释放热应力，满足天线对高精度、高刚度可展开支撑结构的需求。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于空间平板天线的热解耦可展开桁架系统，包括可展开桁架、矩形框架；矩形框架包括底座连杆、单自由度游离接头、两自由度游离接头、固定接头；单自由度游离接头、两自由度游离接头和固定接头之间通过底座连杆连接；矩形框架通过固定接头、单自由度游离接头、两自由度游离接头与天线结构板连接；其中，固定接头与天线结构板固连，单自由度游离接头分别释放了沿天线宽度方向、长度方向的单自由度约束，两自由度游离接头释放了沿天线结构板宽度和长度方向的两个自由度约束；可展开桁架包括四根杆，四根杆一端通过可旋转的机构安装在外部固定装置同一位置，另一端分别与单自由度游离接头、两自由度游离接头、固定接头通过转动装置连接，可展开桁架具有展开折叠功能。

所述单自由度游离接头有两个，分别安装在矩形框架对角线两端点上；固定接头、两自由度游离接头分别安装在矩形框架另一条对角线两端点上。

所述可展开桁架中两根杆具备展开折叠功能，另两根杆不可折叠；不可折叠的两根杆固定在外部固定装置上；不可折叠的两根杆的端部分别与一个单自由度游离接头、两自由度游离接头通过转动装置连接；具备展开折叠功能的两根连杆的端部分别与固定接头、另一个单自由度游离接头通过转动装置连接。

所述固定接头包括第一桁架底座、第一压片、第一固定螺钉、第一压盖、第一关节轴承和第一连接轴；第一关节轴承外圈安装在第一桁架底座安装通孔内并通过安装通孔内的台阶结构定位；第一压盖为法兰结构，安装在第一桁架底座安装通孔内，法兰盘与第一桁架底座固定，法兰结构筒体端部压紧第一关节轴承外圈；第一连接轴一端固定在天线结构板上，另一端从第一桁架底座未安装第一压盖的一侧插入第一关节轴承内圈，第一关节轴承内圈通过轴肩定位；第一压片压住第一连接轴端面及第一关节轴承内圈；第一固定螺钉位于第一压盖中心孔内，穿过第一压片的通孔，通过螺纹安装在第一连接轴沿轴线的通孔内，头部压紧第一压片。

所述单自由度游离接头包括第二连接轴、第一端盖、第一碟簧压片、第二压片、第二压盖、第二桁架底座、第二固定螺钉、第一游离滑块、第二关节轴承、第一碟簧；第一碟簧、第一碟簧压片安装在桁架底座安装孔内，第一碟簧压片压住第一碟簧一端；第一端盖安装在第二桁架底座安装孔端口处，压紧第一碟簧另一端；第一游离滑块安装在桁架底座安装孔内，压紧第一碟簧压片，第一游离滑块中心孔内安装第二关节轴承，第二关节轴承外圈一侧通过第一游离滑块中心孔内台阶结构定位；第二压盖安装在第一游离滑块中心孔内，一端压紧第二关节轴承外圈另一侧，另一端抵住第二桁架底座安装孔顶部内壁；第二连接轴垂直固定在天线结构板上，穿过第一端盖中心孔、第一碟簧、第一碟簧压片中心孔，端部安装在第二关节轴承内圈内，第二固定螺钉安装在第二连接轴端部并通过第二压片压紧第二关节轴承；第一游离滑块外壁上凸起的一字结构安装在第二桁架底座安装孔侧壁上的一字槽内。

所述两自由度游离接头包括第三连接轴、第二端盖、第二碟簧压片、第三压片、第三压盖、第三桁架底座、第三固定螺钉、第二游离滑块、第三关节轴承、第二碟簧；第二碟簧、第二碟簧压片安装在桁架底座安装孔内，第二碟簧压片压住第二碟簧一端；第二端盖安装在第三桁架底座安装孔端口处，压紧第二碟簧另一端；第二游离滑块安装在桁架底座安装孔内，压紧第二碟簧压片，第二游离滑块中心孔内安装第三关节轴承，第三关节轴承外圈一侧通过第二游离滑块中心孔内台阶结构定位；第三压盖安装在第二游离滑块中心孔内，一端压紧第三关节轴承外圈另一侧，另一端抵住第三桁架底座安装孔顶部内壁；第三连接轴垂直固定在天线结构板上，穿过第二端盖中心孔、第二碟簧、第二碟簧压片中心孔，端部安装在第三关节轴承内圈内，第三固定螺钉安装在第三连接轴端部并通过第三压片压紧第三关节轴承；第二游离滑块外壁为圆柱面，第二游离滑块在第三桁架底座安装孔内发生相对运动。

所述底座连杆为碳纤维管件。

所述第一桁架底座、第二桁架底座、第三桁架底座之间通过底座连杆连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的可展开桁架为一空间四杆机构，可实现对平板结构的展开收拢功能，且收拢时可与星体平行贴近，收纳体积小；满足星载大型载荷对高刚度、高精度、大收纳比可展开支撑机构的需求，具备发射阶段的承载能力，同时满足在轨高精度和高热稳定性的要求。

(2)本发明的矩形框架通过1组固定接头、2组单自由度游离接头、1组两自由度游离接头与天线结构板连接。其中，固定接头与天线结构板固连，2组单自由度游离接头分别释放了沿天线长度和宽度方向的单自由度约束，两自由度游离接头释放了沿天线结构板宽度和长度方向的两个自由度约束；在展开锁定状态下，可展开桁架与矩形框架可构成一个稳定的四棱柱桁架结构，构型简单，但具有较高的结构支撑刚度。

(3)本发明的矩形框架通过4组游离接头与天线结构板连接，并在连接处通过碟簧组预紧实现了较大的连接刚度，同时保证了沿天线结构板法线方向的连接精度。

(4)本发明适用于航天器上需要在轨展开的空间大型平面天线，展开后可提供高刚度、高精度的结构支撑，且能够在恶劣的温度交变环境中保持良好的平面。

附图说明

图1为本发明中型面度自由度释放的原理图

图2为本发明机构展开状态示意图；

图3为本发明机构收拢状态示意图；

图4为本发明固定接头的结构图；

图5为本发明单自由度游离接头的结构图；

图6为本发明单自由度游离接头的桁架底座结构图；

图7为本发明单自由度游离接头除去桁架底座后的结构图；

图8为本发明两自由度游离接头的桁架底座结构图；

图9为本发明两自由度游离接头的结构图。

具体实施方式

如图1所示，为可展开桁架展开状态，如图2所示，为可展开桁架收拢状态。

一种适用于空间平板天线的热解耦可展开桁架系统，包括可展开桁架3，矩形框架5；矩形框架5包括底座连杆、单自由度游离接头2、7，两自由度游离接头4，固定接头1；第一单自由度游离接头2、第二单自由度游离接头7、两自由度游离接头4和固定接头1通过底座连杆连接，分别安装在矩形框架5的四个角点上。四个接头中的连接轴与天线结构板6固连，四个接头中的桁架底座11、26、46通过底座连杆连接成一体，构成了矩形框架5，作为可展开桁架的安装基础。底座连杆为碳纤维管件。

矩形框架5通过固定接头1、第一单自由度游离接头2、第二单自由度游离接头7、两自由度游离接头4与天线结构板6连接，并在连接处通过碟簧预紧实现了较大的连接刚度，保证了沿天线结构板6法线方向的连接精度。其中，固定接头1与天线结构板6固连，第一单自由度游离接头2释放了沿天线宽度方向的单自由度约束，第二单自由度游离接头7释放了沿天线结构板6长度方向的单自由度约束，两自由度游离接头4释放了沿天线结构板6宽度和长度方向的两个自由度约束，如图3所示。

可展开桁架3为一空间四杆机构。可展开桁架3中四根杆的一端通过铰接方式串接在一起；有两根杆具备展开折叠功能，另两根杆不可折叠；不可折叠的两根杆固定在外部固定装置(星体)上；不可折叠的两根杆的端部分别与第二单自由度游离接头7、两自由度游离接头4通过铰链连接；具备展开折叠功能的两根连杆的端部分别与固定接头1、第一单自由度游离接头2通过铰链连接。

在展开锁定状态下，可展开桁架3与矩形框架5可构成一个稳定的四棱锥桁架结构，具有较高的结构支撑刚度。在发射状态下，具备展开折叠功能的两根杆折叠，通过两自由度游离接头4和第二单自由度游离接头7与星体之间的铰链为轴拉动天线结构板6，将可展开桁架3与天线结构板6一起收拢压紧在外部固定装置(星体)上，承受发射阶段的载荷；入轨后展开锁定构成一稳定的四棱锥桁架结构，保证天线结构板6的展开刚度。

固定接头1如图4所示。固定接头1包括第一桁架底座11、第一压片12、第一固定螺钉13、第一压盖14、第一关节轴承15和第一连接轴16；第一关节轴承15外圈安装在第一桁架底座11安装通孔内并通过安装通孔内的台阶结构定位，第一压盖14为法兰结构，安装在第一桁架底座11安装通孔内，法兰盘通过螺钉与第一桁架底座11固定，法兰结构筒体端部压紧第一关节轴承15外圈；第一连接轴16一端固定在天线结构板6上，另一端从第一桁架底座11未安装第一压盖14的一侧插入第一关节轴承15内圈，第一关节轴承15内圈通过轴肩定位；第一压片12压住第一连接轴16端面及第一关节轴承15内圈；第一固定螺钉13位于第一压盖14中心孔内，穿过第一压片12的通孔，通过螺纹安装在第一连接轴16沿轴线的通孔内，头部压紧第一压片12；为适应天线结构板6形状偏差和天线结构板6与矩形框架5的相对误差，使用了第一关节轴承15，以确保矩形框架5形成一个较好的安装平面。

如图5所示，单自由度游离接头2、7包括第二连接轴21、第一端盖22、第一碟簧压片23、第二压片24、第二压盖25、第二桁架底座26如图6所示、第二固定螺钉27、第一游离滑块28、第二关节轴承29、第一碟簧210。如图7所示，是将桁架底座26去除后的单自由度游离接头2、7的结构图。

第一碟簧210、第一碟簧压片23安装在桁架底座26安装孔内，第一碟簧压片23压住第一碟簧210一端；第一端盖22安装在第二桁架底座26安装孔端口处，压紧第一碟簧210另一端；第一游离滑块28安装在桁架底座26安装孔内，压紧第一碟簧压片23，中心孔内安装第二关节轴承29，第二关节轴承29外圈一侧通过第一游离滑块28中心孔内台阶结构定位，另一侧通过安装在第一游离滑块28中心孔上的第二压盖25压紧；第二压盖25为圆筒结构，通过侧壁上的螺纹安装在第一游离滑块28中心孔内，端部平面抵住第二桁架底座26安装孔顶部内壁；第二连接轴21垂直固定在天线结构板6上，穿过第一端盖22中心孔、第一碟簧210、第一碟簧压片23中心孔，端部安装在第二关节轴承29内圈内，第二固定螺钉27安装在第二连接轴21端部并通过第二压片24压紧第二关节轴承29；

第二连接轴21与第二关节轴承29内圈、第二压片24、第二固定螺钉27一体，与第二关节轴承29外圈、第一游离滑块28和第二端盖25之间可以发生相对转动，以适应天线板形状偏差和天线板与框架的相对误差。当因发射、热环境形成的外界载荷小于第一碟簧210的预加载荷时，第二桁架底座26和第二连接轴21及天线结构板6的相对位置是固定的。当外界载荷大于第一碟簧210的预加载荷时，第二桁架底座26与第二连接轴21及天线结构板6之间的发生相对滑移，释放了桁架杆中的内应力，确保了桁架安装的基础形状。

图5为单自由度游离接头，第一游离滑块28，如图7所示，外壁上凸起的一字结构被第二桁架底座26安装孔侧壁上的一字槽约束，如图6所示，限制游离滑块28只能发生沿一字槽方向发生左右位移。

如图9所示，两自由度游离接头4包括第三连接轴41、第二端盖42、第二碟簧压片43、第三压片44、第三压盖45、第三桁架底座46、第三固定螺钉47、第二游离滑块48、第三关节轴承49、第二碟簧410；第二碟簧410、第二碟簧压片43安装在桁架底座46安装孔内，第二碟簧压片43压住第二碟簧410一端；第二端盖42安装在第三桁架底座46安装孔端口处，压紧第二碟簧410另一端；第二游离滑块48安装在桁架底座46安装孔内，压紧第二碟簧压片43，第二游离滑块48中心孔内安装第三关节轴承49，第三关节轴承49外圈一侧通过第二游离滑块48中心孔内台阶结构定位；第三压盖45安装在第二游离滑块48中心孔内，一端压紧第三关节轴承49外圈另一侧，另一端抵住第三桁架底座46安装孔顶部内壁；第三连接轴41垂直固定在天线结构板6上，穿过第二端盖42中心孔、第二碟簧410、第二碟簧压片43中心孔，端部安装在第三关节轴承49内圈内，第三固定螺钉47安装在第三连接轴41端部并通过第三压片44压紧第三关节轴承49；第二游离滑块48外壁为圆柱面，第二游离滑块48与第三桁架底座46安装孔之间存在间隙，第二游离滑块48安装在第三桁架底座46安装孔内，发生相对运动。

两自由度游离接头4与单自由度游离接头2、7的结构一致，区别在于：两自由度游离接头4的第三桁架底座46(如图8所示)上只有安装圆孔、两自由度游离接头4的第二游离滑块48为圆筒形，第二游离滑块48安装在第三桁架底座46安装孔内，使得两自由度接头4的第二游离滑块48在第三桁架底座46安装孔内发生面内运动。

相对滑动的零件界面上采用了空间固体润滑。通过碟簧210、410的刚度设计，可以有效控制两相对运动零件之间的滑移力。

当系统在轨经历恶劣而复杂热环境时或天线自身工作发热时，天线结构板6将不可避免地发生面内伸缩或膨胀变形，天线结构板6与可展开桁架机构由于热场分布不均将发生不匹配的热变形，此时系统将通过4个游离接头沿自由度释放的方向的滑移释放热应力，保证天线结构板6与可展开桁架3不发生由于热应力引起的扭曲甚至破坏，维持了桁架机构的型面从而保持了天线阵面的指向精度。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。