三伸缩杆驱动的环柱型索网反射系统的制作方法

本发明属于机械结构技术领域，具体是一种跟踪定位的环柱型索网反射系统，可用于电磁能或光能的反射或汇聚。

背景技术：

大型反射器系统不仅在电子信息技术领域得到了广泛的应用，而且也逐渐在太阳能应用技术领域得到了扩展和应用。大型反射器系统一般包括反射面，支撑背架，俯仰角和方位角调整控制装置。其中，反射面的型面精度是保证反射器有效工作的重要指标。由于地表环境下重力、风雨等载荷的作用，为保证反射面的型面精度，目前大型反射器结构中其反射面板多采用实面面板。对大型反射器而言，要保证型面精度就需增加反射器面板和支撑背架的刚度，但提高刚度必然增加了质量，而质量增加又会增大重力变形，为减小重力变形就需进一步增大反射器跟踪定位支承座的刚度。因此，现有反射器系统的研制成本、研制周期都是相对较高，难以广泛使用。尽管也有反射面为网孔结构的反射器，但其口径面密度仍然远大于10.0Kg/m²。我国将于2016年完成建造的500m口径球面射电望远镜采用了基于主动反射面技术、柔索牵引馈源技术等系统级的创新设计思路，其口径面密度仍然为6.6Kg/m²，不仅建造成本和材料成本高，而且不利于大范围的推广使用。

在太空中，索网结构大型可展开天线得到了普遍应用，由于太空环境的重力近乎为零，这种刚柔组合的轻柔结构可以成型期望的型面精度，并且质量超轻，通常其口径面密度不超过0.4Kg/m²，但这种在无重力作用下的索网结构不能直接用于地面上。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种三伸缩杆驱动的环柱型索网反射系统，以在保证地面反射器中反射面理想型面精度的情况下，显著减小反射器的质量和建造成本，同时简化其跟踪定位的支撑结构，使其反射口径的面密度小于2.0Kg/m²，实现整个系统的综合优化和优良的性价比。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、技术原理

在地面环境中，大尺寸的物体越重，其受重力影响也越大。而相反的，越轻的物体，其受重力的影响反而越小。例如，轻柔的蜘蛛网由于其质量超轻，其受重力的影响微乎其微。再结合蜘蛛丝的相对强度，蜘蛛网在风雨载荷等作用下仍然可以很好地成形和发挥功效。

随着人类科技的不断发展，一些高强度的轻型材料如碳纤维管、凯夫拉线等逐渐得到推广应用，而且其成本也显著下降，已经由航天应用推广到众多民用产品，如钓鱼杆、风筝线等。

本发明采用高强度轻型材料，通过灵巧的索网结构形成可承受外部载荷的大型反射面；然后再用简单的三伸缩杆结构支撑控制该超轻的大型反射面的姿态。整个反射面系统在保证反射面型面精度、外部载荷作用下刚强度要求等的前提下，结构尽可能轻便，所用的材料也将尽可能少，从而其研制成本和维护成本也将尽可能低，进而可以广泛使用。

二.技术方案

根据上述发明原理，本发明的三伸缩杆驱动的环柱型索网反射系统，包括反射装置和姿态控制装置，该反射装置，包括网面索、上下支撑索、调节索、紧固索、馈源或集热器、中心支柱和可展开外圆环单元；网面索、调节索和紧固索三者组成柔性索网；其特征在于：

所述可展开外圆环单元，包括复数个径向钻孔的空心圆管和复数个连接关节，每两个空心圆管通过一个连接关节相互连接，形成可折叠空心圆环，每个空心圆管的径向孔上下两端分别安装有复数个上销钉和复数个下销钉；

所述馈源或集热器，安装在中心支柱的顶部；

所述姿态控制装置，包括上平台、三个球面副连接结构、三根伸缩杆、三个转动副连接结构、下平台、支撑平台；三根伸缩杆的结构相同，且位置呈正三角形分布；每根伸缩杆的上端通过球面副连接结构与上平台相连，下端通过转动副连接结构与下平台相连；中心支柱固定在上平台上，支撑平台固定安装在地面上；通过改变三根伸缩杆的长短驱动上平台运动，实现对反射装置的姿态控制。

上述系统，其特征在于：

网面索，由多根柔性绳索纵横交错形成，安装在上销钉与中心支柱之间，其上绑定用以反射电磁波的金属丝网，或用以汇聚太阳光的柔性金属薄膜，形成第一层网面；

紧固索，由多根柔性绳索纵横交错形成，安装在下销钉与中心支柱之间，形成第三层网面；

调节索，由多根可伸缩的柔性绳索组成，每根可伸缩柔性绳索的两端分别与网面索和紧固索的对应绳索节点连接，形成第二层网面，通过改变纵向调节索的长度控制第一层网面的形变。

上述系统，其特征在于：中心支柱上端与上销钉之间连接的上支撑索，和中心支柱下端与下销钉之间连接的下支撑索，均采用交错方式连接，且上下支撑索连接个数均取三的倍数，以获得稳定的三角形结构，避免外圆环单元与中心支柱之间发生相对转动。

上述系统，其特征在于：每个球面副连接结构包括夹紧结构和空心球体；夹紧结构包括左右对称的两部分，每一部分均由一个半圆台和一个球壳形结构组成，半圆台上钻有螺纹孔，用来将夹紧结构固定在上平台上；空心球体的底端与伸缩杆的上端固定连接。

本发明具有如下优点：

1.本发明外圆环单元采用径向钻孔的空心圆管连接而成，并在径向孔内安装销钉，索网通过销钉与中心支柱连接，使得本系统的主要质量集中在中心支柱上，极大地降低了反射装置的质量，减小重力变形。

2.本发明采用简单的三伸缩杆驱动结构实现对反射装置的姿态控制，省去了现有实面面板反射系统庞大的支撑结构，极大地简化了反射系统的结构，降低了研制、运作和维护成本，缩短了研制周期。

3.本发明采用球面副连接结构可以方便快速地将反射装置和三根伸缩杆连接起来，同时增大了反射装置的工作范围，可以圆满地解决现有的俯仰方位型跟踪装置存在“盲锥区”的问题。

4.本发明采用底部的支撑平台来支撑整个反射系统，结构简单，占地面积少，减小了对反射系统安装空间的限制，适用性强。

5.本发明整个反射系统质量轻且结构简单，可以采用自动展开或者手动组装两种形式，适合快速组装，可显著降低反射系统的移动运输成本，提升抗毁坏和重装能力。

附图说明

图1是本发明的运动状态结构图；

图2是本发明的初始状态结构图；

图3是本发明的可展开外圆环单元结构图；

图4是本发明第一实施例口径为5m的环柱型索网反射系统中，中心支柱上端与上销钉之间六根支撑索的反对称交错连接关系图；

图5是本发明第一实施例口径为5m的环柱型索网反射系统中，中心支柱下端与下销钉之间六根支撑索的反对称交错连接关系图；

图6是本发明的球面副连接结构图；

图7是本发明的转动副连接结构图；

图8是本发明第二实施例口径为15m的环柱型索网反射系统中，中心支柱上端与上销钉之间十二根支撑索的正对称交错连接关系图；

图9是本发明第二实施例口径为15m的环柱型索网反射系统中，中心支柱下端与下销钉之间十二根支撑索的正对称交错连接关系图；

图10是本发明中口径为5m的环柱型索网反射系统，其在无重力作用工况下的变形云图；

图11是本发明中口径为5m的环柱型索网反射系统，其在重力作用下呈仰天位置放置工况下的变形云图；

图12是本发明中口径为5m的环柱型索网反射系统，其在重力作用下俯仰角为60度工况下的变形云图；

图13是本发明中口径为15m的环柱型索网反射系统，其在无重力作用工况下的变形云图；

图14是本发明中口径为15m的环柱型索网反射系统，其在重力作用下呈仰天位置放置工况下的变形云图；

图15是本发明中口径为15m的环柱型索网反射系统，其在重力作用下俯仰角为60度工况下的变形云图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1：口径为5m的环柱型索网反射系统。

参照图1和图2，本发明包括反射装置和姿态控制装置：

所述反射装置，包括网面索1、上下支撑索2、调节索3、紧固索4、馈源或集热器5、中心支柱6和可展开外圆环单元7；

参照图3，所述可展开外圆环单元7，包括复数个径向钻孔的空心圆管71和复数个连接关节74，每两个空心圆管通过一个连接关节相互连接，形成可自动折叠的空心圆环；通过改变空心圆管71的数量和长度可以改变外圆环单元7的口径，即反射装置的设计口径，本实例中空心圆管71的数量取四十八个，使反射装置的口径为5m；每个空心圆管的径向孔上下两端分别安装有复数个上销钉72和复数个下销钉73；本实例中外圆环上下两端各连接十二个销钉，销钉上钻孔，用以连接与中心支柱6之间的绳索。

所述馈源或集热器5安装在中心支柱6的上方；

所述网面索1、调节索3和紧固索4三者组成柔性索网，其中：网面索1，由多根柔性绳索纵横交错形成，安装在上销钉72与中心支柱6之间，其上绑定用以反射电磁波的金属丝网，或用以汇聚太阳光的柔性金属薄膜，形成第一层网面；紧固索4，由多根柔性绳索纵横交错形成，安装在下销钉73与中心支柱6之间，形成第三层网面；调节索3，由多根可伸缩的柔性绳索组成，每根可伸缩的柔性绳索的两端分别与网面索1和紧固索4的对应绳索节点连接，形成第二层网面，通过改变纵向调节索3的长度控制第一层网面的形变。

中心支柱6上端与上销钉72之间通过上支撑索交错连接，中心支柱6下端与下销钉73之间通过下支撑索交错连接，且上下支撑索连接个数均取三的倍数，即柔性绳索数为6、9、12等。在中心支柱6上下两端分别钻有数目相同的连接孔，本实例中为上下两端各六个连接孔；上下支撑索2均由多根柔性绳索组成，每根柔性绳索的一端连接在中心支柱6的连接孔上，另一端连接在销钉孔上；这样的连接方式可以获得稳定的三角形结构，为外圆环单元7和中心支柱6提供扭矩，提高反射系统的结构基频，避免外圆环单元7与中心支柱6之间发生相对转动。

上述中心支柱6分别与上销钉72和下销钉73之间的绳索交错对称连接，有两种连接形式，第一种连接形式为中心支柱6的上、下两端连接孔分别与上销钉72、下销钉73的销钉孔之间通过前、后六根支撑索反对称连接；第二种连接形式为中心支柱6的上、下两端连接孔分别与上销钉72、下销钉73的销钉孔之间通过前、后十二根支撑索正对称连接。

本实例采用第一种连接形式：中心支柱6的上、下两端连接孔分别与上销钉72、下销钉73的销钉孔之间通过前、后六根支撑索反对称连接。

参照图4，在中心支柱6的上端连接孔与上销钉72的销钉孔之间通过前六根支撑索反对称连接，其连接关系是：第一根支撑索连接上销钉72的第一个销钉孔u1与中心支柱6上端的第十二个连接孔u12，第二根支撑索连接上销钉72的第六个销钉孔u6与中心支柱6上端的第七个连接孔u7，第三根支撑索连接上销钉72的第二个销钉孔u2与中心支柱6上端的第九个连接孔u9，第四根支撑索连接上销钉72的第三个销钉孔u3与中心支柱6上端的第八个连接孔u8，第五根支撑索连接上销钉72的第四个销钉孔u4与中心支柱6上端的第十一个连接孔u11，第六根支撑索连接上销钉72的第五个销钉孔u5与中心支柱6上端的第十个连接孔u10。

参照图5，在中心支柱6的下端连接孔与下销钉73的销钉孔之间通过后六根支撑索反对称连接，其连接关系是：第一根支撑索连接下销钉73的第一个销钉孔d1与中心支柱6下端的第八个连接孔d8，第二根支撑索连接下销钉73的第二个销钉孔d2与中心支柱6下端的第七个连接孔d7，第三根支撑索连接下销钉73的第三个销钉孔d3与中心支柱6下端的第十个连接孔d10，第四根支撑索连接下销钉73的第四个销钉孔d4与中心支柱6下端的第九个连接孔d9，第五根支撑索连接下销钉73的第五个销钉孔d5与中心支柱6下端的第十二个连接孔d12，第六根支撑索连接下销钉73的第六个销钉孔d6与中心支柱6下端的第十一个连接孔d11。

所述姿态控制装置，包括上平台8、三个球面副连接结构9、三根伸缩杆10、三个转动副连接结构11、下平台12、支撑平台13；中心支柱6固定安装在上平台8上，支撑平台13固定安装在地面上。

参照图6，每个球面副连接结构9包括夹紧结构91、空心球体92；夹紧结构91包括左右对称的两部分，每一部分均由一个半圆台和一个球壳形结构组成，半圆台上钻有两个螺纹孔，用来将夹紧结构91固定在上平台8上；空心球体92的底端与伸缩杆的上端固定连接；本实例中空心球体92的外径是伸缩杆10外径的7倍以上，以保证球面副的转角能够达到75°，实现反射面的俯仰角范围为±75°，当俯仰角为0°时其反射面处于仰天姿态。

参照图7，三根伸缩杆10的结构相同，且位置呈正三角形分布，每根伸缩杆的上端通过球面副连接结构9与上平台8相连，下端通过转动副连接结构11与下平台12相连。

上述系统在初始状态下呈仰天姿态放置，即反射装置的外圆环单元7与地面平行，根据工作要求，精确调整三根伸缩杆10的长度，驱动上平台8运动，快速实现对反射装置的姿态控制。

上述系统中的网面索1、上下支撑索2、调节索3和紧固索4均选用高强度的凯芙拉轻柔材料，本实例选用但不限于1号凯芙拉线。

上述系统中的中心支柱6、可展开外圆环单元7和三根伸缩杆10均采用高强度的碳纤维轻质材料，本实例选用但不限于T800碳纤维轻质材料。

实施例2：口径为15m的环柱型索网反射系统。

本实例反射系统的结构形式与实施例1相同，但结构参数有所变化：本实施例反射装置口径为15m，上下支撑索2的数目均为十二根。

上述中心支柱6分别与上销钉72、下销钉73之间绳索的交错对称连接采用第二种连接形式，即中心支柱6的上、下两端连接孔分别与上销钉72、下销钉73的销钉孔之间通过前、后十二根支撑索正对称连接。

参照图8，在中心支柱6的上端连接孔与上销钉72的销钉孔之间通过前12根支撑索对称连接，其连接关系如下：

第一根支撑索连接上销钉72的第一个销钉孔u1与中心支柱6上端的第十三个连接孔u13；

第二根支撑索连接上销钉72的第二个销钉孔u2与中心支柱6上端的第十八个连接孔u18；

第三根支撑索连接上销钉72的第三个销钉孔u3与中心支柱6上端的第十四个连接孔u14；

第四根支撑索连接上销钉72的第四个销钉孔u4与中心支柱6上端的第十三个连接孔u13；

第五根支撑索连接上销钉72的第五个销钉孔u5与中心支柱6上端的第十五个连接孔u15；

第六根支撑索连接上销钉72的第六个销钉孔u6与中心支柱6上端的第十六个连接口u16；

第七根支撑索连接上销钉72的第七个销钉孔u7与中心支柱6上端的第十六个连接孔u16；

第八根支撑索连接上销钉72的第八个销钉孔u8与中心支柱6上端的第十五个连接孔u15；

第九根支撑索连接上销钉72的第九个销钉孔u9与中心支柱6上端的第十七个连接孔u17；

第十根支撑索连接上销钉72的第十个销钉孔u10与中心支柱6上端的第十六个连接孔u16；

第十一根支撑索连接上销钉72的第十一个销钉孔u11与中心支柱6上端的第十六个连接孔u16；

第十二根支撑索连接上销钉72的第十二个销钉孔u12与中心支柱6上端的第十七个连接孔u17。

参照图9，在中心支柱6的下端连接孔与下销钉73的销钉孔之间通过后12根支撑索对称连接，其连接关系如下：

第一根支撑索连接下销钉73的第一个销钉孔d1与中心支柱6下端的第十三个连接孔d13；

第二根支撑索连接下销钉73的第二个销钉孔d2与中心支柱6下端的第十八个连接孔d18；

第三根支撑索连接下销钉73的第三个销钉孔d3与中心支柱6下端的第十四个连接孔d14；

第四根支撑索连接下销钉73的第四个销钉孔d4与中心支柱6下端的第十三个连接孔d13；

第五根支撑索连接下销钉73的第五个销钉孔d5与中心支柱6下端的第十五个连接孔d15；

第六根支撑索连接下销钉73的第六个销钉孔d6与中心支柱6下端的第十六个连接孔d16；

第七根支撑索连接下销钉73的第七个销钉孔d7与中心支柱6下端的第十六个连接孔d16；

第八根支撑索连接下销钉73的第八个销钉孔d8与中心支柱6下端的第十五个连接孔d15；

第九根支撑索连接下销钉73的第九个销钉孔d9与中心支柱6下端的第十七个连接孔d17；

第十根支撑索连接下销钉73的第十个销钉孔d10与中心支柱6下端的第十六个连接孔d16；

第十一根支撑索连接下销钉73的第十一个销钉孔d11与中心支柱6下端的第十六个连接孔d16；

第十二根支撑索连接下销钉73的第十二个销钉孔d12与中心支柱6下端的第十七个连接孔d17。

本发明的效果通过以下仿真进一步说明：

仿真1，对实施例1口径为5m的反射系统，在无重力时进行型面精度的仿真。

1.1)仿真系统及结构

该反射系统口径5m，焦径比0.4，可展开外圆环48等分，反射面索网径向8等分，外圆环的空心圆管外径为0.006m，内径为0.005m，销钉高度0.016m。中心支柱外径0.05m，高度1.8m，其圆杆外径为0.01m，内径为0.006m。除上下各6根支撑索外径为0.0003m外，其它的柔索外径均为0.0002m。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。反射面薄膜厚度20μm，采用镀铝芳纶薄膜。

1.2)仿真内容

将上述反射系统呈初始位置放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在无重力作用下，对无重力状态下5m反射系统的结构进行静力平衡仿真，得到变形云图，如图10所示，其中，图10中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图10中可以看出，在无重力的情况下，其反射装置的最大变形为0.031692m。通过计算得到反射系统结构基频为1.711Hz，反射系统刚性骨架质量为1.767Kg，柔性索网质量为0.022Kg，反射面薄膜0.611Kg，反射系统总质量2.401Kg，反射面的表面均方根误差RMS＝1.665mm。

仿真2，对实施例1口径为5m的反射系统在仰天位置有重力时进行型面精度的仿真。

仿真的结构参数与仿真1相同，将反射系统呈仰天位置放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在重力作用下，对反射系统结构进行静力平衡仿真，结果如图11所示，其中，图11中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图11中可以看出，其反射系统的最大变形为0.0311692m。通过计算可以得到反射面的表面均方根误差RMS＝2.125mm。

仿真3，对实施例1口径为5m的反射系统在俯仰角为60度工况下进行型面精度的仿真。

仿真的结构参数与仿真1相同，将反射面呈俯仰角60度放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在重力作用下，对反射系统结构进行静力平衡仿真，结果如图12所示，其中，图12中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图12中可以看出，其反射系统的最大变形为0.032909m。通过计算得到反射面的表面均方根误差RMS＝2.893mm。

仿真4，对实施例2口径为15m的反射系统结构，在无重力时进行型面精度的仿真。

4.1)仿真系统及结构

该反射系统口径为15m，焦径比0.4，可展开外圆环48等分，反射面索网径向8等分，外圆环的空心圆管外径为0.016m，内径为0.015m，销钉高度0.032m。中心支柱外径为0.7m，高度为5m，其圆杆外径为0.036m，内径为0.030m。除上下各6根支撑索外径为0.0006m外，其它的柔索外径均为0.0003m。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。反射面薄膜厚度20μm，采用镀铝芳纶薄膜。

4.2)仿真内容

将上述反射面呈初始位置放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在无重力作用下，对无重力状态下15m反射系统的结构进行静力平衡仿真，得到变形云图，如图13所示，其中，图13中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图13中可以看出，无重力的情况下，其反射系统的最大变形为0.111103m。通过计算反射系统结构基频为1.711Hz，反射系统刚性骨架质量为1.767Kg，柔性索网质量为0.022Kg，反射面薄膜0.611Kg，反射系统总质量2.401Kg，反射面的表面均方根误差RMS＝1.665mm。

仿真5，对实施例2口径为15m的反射系统在仰天位置有重力时进行型面精度的仿真。

仿真的结构参数与仿真4相同，将反射系统呈仰天位置放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在重力作用下，对反射系统结构进行静力平衡仿真，结果如图14所示，其中，图14中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图14中可以看出，其反射系统的最大变形为0.10606m。通过计算可以得到反射面的表面均方根误差RMS＝2.125mm。

仿真6，对实施例2口径为15m的反射系统在俯仰角为60度工况下进行型面精度的仿真。

仿真的结构参数与仿真4相同，将反射系统呈俯仰角为60度放置，约束中心柱呈中心对称的3个支撑点，在重力作用下，对反射系统结构进行静力平衡仿真，结果如图15所示，其中，图15中不同的颜色表示不同的结构位移变化。

从图15中可以看出，其反射系统的最大变形为0.121996m。通过计算可以得到反射面表面均方根误差RMS＝8.040mm。

上述仿真数据表明，该反射系统若用于微波通信，其可工作在L、S波段。若考虑到风雨等可能的外部载荷，可适当增大反射系统中刚性部件的强度，增加反射系统的质量。即使如此，也有足够的设计空间，使得整个反射系统的面密度仍小于2.0Kg/m²。

上述描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制。显然，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。例如本实例使用了伸缩杆、调节索、网面索、支撑索等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，若把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。这种在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。