过约束剪叉式双层环形桁架可展开天线机构的制作方法

本发明涉及一种可展开天线机构。

背景技术：

随着航天事业的不断发展，各类航天工程中需要的空间机构的尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求。空间大口径天线的应用可以大大提高对地观测分辨率水平、卫星通信距离与收发数据容量、空间发电能力、空间侦察和精确打击能力等，其研制历来受到世界各国高度重视。大型空间折展机构在航天领域的一个重要应用是作为大口径天线的展开与支撑机构，目前研制成功的大口径空间可展开天线主要有展开肋式天线、构架式可展开天线、环柱形可展开天线和环形桁架式可展开天线。

环形桁架式可展开天线具有大折叠比、质量较小、质量不随口径的增大而成比例增加的特点，是空间几十米到上百米大口径可展开天线的理想结构形式，各国相关科研人员对其进行了深入的研究，并且取得了在轨应用，但是现有的环形桁架机构类型较少，并且存在随着天线口径的增大，天线刚度下降较为严重的问题，一些环形桁架可展开天线采用张紧拉锁实现天线机构整体刚度的提高，但是张紧拉锁较为复杂，不易控制，也降低了整体结构的可靠性，在展开过程中极易发生缠绕现象，使环形桁架天线展开失败，造成巨大的经济损失。因此，亟需提出制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构，以满足不同航天任务的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制造工艺性好、刚度高、折叠比大的过约束剪叉式双层环形桁架可展开天线机构。

本发明包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件和2N个内外层连接桁架组件；所述内层环形桁架组件包括N个内层折展单元，各内层折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元之间通过共用的两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层环形桁架组件包括N个外层折展单元，各外层折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元之间通过共用两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；整个过约束剪叉式双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件同心设置，但是各内层折展单元所在平面与各外层折展单元所在平面不平行，各内层折展单元中同一侧的上下两个内层花盘通过两个内外层连接桁架组件和某一外层折展单元的上下四个外层花盘连接组成剪叉式双层环形桁架可展开天线机构。

所述内层折展单元，其包括两个内层剪叉杆，四个内层连杆和四个内层花盘；所述两个内层剪叉杆结构完全相同，两个内层剪叉杆通过转动副连接，转动副位于其中间位置处，组成内层剪叉折叠杆；每组内层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个内层花盘连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；所述四个内层花盘结构完全相同，每个内层花盘均有四个支叉，内层花盘整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，两个支叉中一个为单槽口支叉，另一个为双槽口支叉，单槽口支叉的槽口对称面与内层花盘中间对称面之间的夹角为两双槽口支叉每个槽口的对称面与内层花盘中间对称面之间的夹角为(90+180/N)°；所述每组内层剪叉折叠杆的四个自由端分别插入四个内层花盘上双槽口支叉靠近单槽口支叉的开口槽中，并通过四个转动副与四个内层花盘连接，四个转动副轴线与连接两个内层剪叉杆组成内层剪叉折叠杆的转动副轴线平行；所述四个内层连杆结构完全相同，两个为一组，一端通过转动副连接，四个内层连杆共组成两组内层折叠连杆；每组内层折叠连杆的两端分别插入平行的两个内层花盘上双槽口支叉远离单槽口支叉的开口槽中，通过两个转动副与两个内层花盘连接，两个转动副轴线与连接两个内层连杆组成内层折叠连杆的转动副轴线平行；同一内层折展单元中的内层折叠连杆和内层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个内层折展单元中的四个内层花盘单槽口支叉的开口槽朝外，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

所述外层折展单元，其包括两个外层剪叉杆，四个外层连杆和四个外层花盘；所述两个外层剪叉杆结构完全相同，两个外层剪叉杆通过转动副连接，转动副位于其中间位置处，组成外层剪叉折叠杆；每组外层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个外层花盘连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；所述四个外层花盘结构完全相同，每个外层花盘均有四个支叉，外层花盘整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，两个支叉中一个为单槽口支叉，另一个为双槽口支叉，单槽口支叉的槽口对称面与外层花盘中间对称面之间的夹角为两双槽口支叉每个槽口的对称面与外层花盘中间对称面之间的夹角为(90-180/N)°；所述每组外层剪叉折叠杆的四个自由端分别插入四个外层花盘上双槽口支叉远离单槽口支叉的开口槽中，并通过四个转动副与四个外层花盘连接，四个转动副轴线与连接两个外层剪叉杆组成外层剪叉折叠杆的转动副轴线平行；所述四个外层连杆结构完全相同，两个为一组，一端通过转动副连接，四个外层连杆共组成两组外层折叠连杆；每组外层折叠连杆的两端分别插入平行的两个外层花盘上双槽口支叉靠近单槽口支叉的开口槽中，通过两个转动副与两个外层花盘连接，两个转动副轴线与连接两个外层连杆组成外层折叠连杆的转动副轴线平行；同一外层折展单元中的外层折叠连杆和外层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个外层折展单元中的四个外层花盘上的单槽口支叉的开口槽方向朝内，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，内层折展单元和外层折展单元中的相应杆件均满足特定比例关系，所述内层折展单元中的内层剪叉杆和所述外层折展单元中的外层剪叉杆的长度比以及所述内层折展单元中的内层连杆和所述外层折展单元中的外层连杆长度比均为

所述内层花盘和外层花盘，内层花盘各支叉槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间距离和外层花盘上相应的距离满足特定比例关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比为内层花盘双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比也为内层花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线与本花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合，外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。

所述内外层连接桁架组件，其主要包括两个连接剪叉杆，所述两个连接剪叉杆结构完全相同，两个连接剪叉杆通过转动副连接组成连接剪叉折叠杆，但连接两连接剪叉杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为较短的一段与内层剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与外层剪叉杆长度的一半等长；某一内层折展单元同一侧有上下两个内层花盘，位于上部的内层花盘的两个单槽口支叉分别与两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两上端通过转动副相连，该两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较长的两下端分别插入某一外层折展单元两侧的两个位于下部的外层花盘的一个单槽口支叉的开口槽中，并通过转动副相连，每组连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；位于下部的内层花盘的两个单槽口支叉分别与两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两下端通过转动副相连，该两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较长的两上端分别插入与位于内层折展单元的上部的内层花盘所连的外层折展单元两侧的两个位于上部的外层花盘的一个单槽口支叉的开口槽中，并通过转动副相连，每组连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明为过约束机构，刚度较高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求；

2、本发明具有运动灵活、折叠比较大的优点。

3、本发明结构简单，所含运动副均为转动副，易于实现工程制造。

4、本发明采用了模块化的设计思想，模块扩展性强，可实现模块化生产，从而有效降低制造成本和难度。

5、本发明实施方式简单，可靠性高，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。

附图说明

图1是本发明完全展开立体示意简图；

图2是本发明俯视图；

图3是本发明半展开立体示意简图；

图4是本发明完全收拢立体示意简图；

图5是本发明内层环形桁架组件立体示意简图；

图6是本发明外层环形桁架组件立体示意简图；

图7是本发明内层折展单元展开立体示意简图；

图8是本发明内层折展单元收拢立体示意简图；

图9是本发明外层折展单元展开立体示意简图；

图10是本发明内外层连接桁架组件立体示意简图；

图11是本发明内层花盘立体示意简图；

图12是本发明外层花盘立体示意简图。

图中：A：内层折展单元、B：外层折展单元、C：内外层连接桁架组件；1：内层剪叉杆、2：内层连杆、3：内层花盘、4：外层剪叉杆、5：外层连杆、6：外层花盘、7：连接剪叉杆。

具体实施方式

在图1、图2、图3和图4所示的过约束剪叉式双层环形桁架可展开天线机构的示意简图中，其包括内层环形桁架组件(如图5所示)外层环形桁架组件(如图6所示)和2N个内外层连接桁架组件C；所述内层环形桁架组件包括N个内层折展单元A，各内层折展单元结构完全相同，相邻内层折展单元之间通过共用的两个内层花盘连接，组成内层环形桁架组件，内层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；所述外层环形桁架组件包括N个外层折展单元B，各外层折展单元结构完全相同，相邻外层折展单元之间通过共用两个外层花盘连接，组成外层环形桁架组件，外层环形桁架组件展开及收拢后均为多面式环形桁架结构；整个过约束剪叉式双层环形桁架可展开天线机构内层环形桁架组件和外层环形桁架组件同心设置，但是各内层折展单元所在平面与各外层折展单元所在平面不平行，各内层折展单元中同一侧的上下两个内层花盘通过两个内外层连接桁架组件和某一外层折展单元的上下四个外层花盘连接组成剪叉式双层环形桁架可展开天线机构。

在图7和图8所示的本发明内层折展单元立体示意简图中，其包括两个内层剪叉杆1，四个内层连杆2和四个内层花盘3；所述两个内层剪叉杆结构完全相同，两个内层剪叉杆通过转动副连接，转动副位于其中间位置处，组成内层剪叉折叠杆；每组内层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个内层花盘连接，使四个内层花盘对称分布在内层折展单元的四个顶点上；所述四个内层花盘结构完全相同，如图11所示，每个内层花盘均有四个支叉，内层花盘整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，两个支叉中一个为单槽口支叉，另一个为双槽口支叉，单槽口支叉的槽口对称面与内层花盘中间对称面之间的夹角为两双槽口支叉每个槽口的对称面与内层花盘中间对称面之间的夹角为105°((90+180/12)°＝105°)；所述每组内层剪叉折叠杆的四个自由端分别插入四个内层花盘上双槽口支叉靠近单槽口支叉的开口槽中，并通过四个转动副与四个内层花盘连接，四个转动副轴线与连接两个内层剪叉杆组成内层剪叉折叠杆的转动副轴线平行；所述四个内层连杆结构完全相同，两个为一组，一端通过转动副连接，四个内层连杆共组成两组内层折叠连杆；每组内层折叠连杆的两端分别插入平行的两个内层花盘上双槽口支叉远离单槽口支叉的开口槽中，通过两个转动副与两个内层花盘连接，两个转动副轴线与连接两个内层连杆组成内层折叠连杆的转动副轴线平行；同一内层折展单元中的内层折叠连杆和内层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个内层折展单元中的四个内层花盘单槽口支叉的开口槽朝外，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

在图9所示的本发明外层折展单元展开立体示意简图中，其包括两个外层剪叉杆4，四个外层连杆5和四个外层花盘6；所述两个外层剪叉杆结构完全相同，两个外层剪叉杆通过转动副连接，转动副位于其中间位置处，组成外层剪叉折叠杆；每组外层剪叉折叠杆四个自由端分别与四个外层花盘连接，使四个外层花盘对称分布在外层折展单元的四个顶点上；所述四个外层花盘结构完全相同，如图12所示，每个外层花盘均有四个支叉，外层花盘整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，两个支叉中一个为单槽口支叉，另一个为双槽口支叉，单槽口支叉的槽口对称面与外层花盘中间对称面之间的夹角为两双槽口支叉每个槽口的对称面与外层花盘中间对称面之间的夹角为75°((90-180/12)°＝75°)；所述每组外层剪叉折叠杆的四个自由端分别插入四个外层花盘上双槽口支叉远离单槽口支叉的开口槽中，并通过四个转动副与四个外层花盘连接，四个转动副轴线与连接两个外层剪叉杆组成外层剪叉折叠杆的转动副轴线平行；所述四个外层连杆结构完全相同，两个为一组，一端通过转动副连接，四个外层连杆共组成两组外层折叠连杆；每组外层折叠连杆的两端分别插入平行的两个外层花盘上双槽口支叉靠近单槽口支叉的开口槽中，通过两个转动副与两个外层花盘连接，两个转动副轴线与连接两个外层连杆组成外层折叠连杆的转动副轴线平行；同一外层折展单元中的外层折叠连杆和外层剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。每个外层折展单元中的四个外层花盘上的单槽口支叉的开口槽方向朝内，通过转动副与插入的内外层连接桁架组件连接。

在图7、图8和图9所示的本发明的内层折展单元和外层折展单元立体示意简图中，所述内层折展单元和外层折展单元结构形式及连接方式相似，内层折展单元和外层折展单元中的相应杆件均满足特定比例关系，所述内层折展单元中的内层剪叉杆和所述外层折展单元中的外层剪叉杆的长度比及所述内层折展单元中的内层连杆和所述外层折展单元中的外层连杆长度比均为

在图11和图12所示的本发明的内层花盘和外层花盘立体示意简图中，内层花盘各支叉槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间距离和外层花盘上相应的距离满足特定比例关系，内层花盘单槽口支叉转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘单槽口支叉转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比为内层花盘双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与内层花盘中心轴线之间的距离和外层花盘双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口上的转动副轴线与外层花盘中心轴线之间的距离之比为内层花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线与本花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合，外层花盘上双槽口支叉中靠近单槽口支叉的槽口中的转动副轴线与本花盘上双槽口支叉中远离单槽口支叉的槽口中的转动副轴线重合。

在图10所示的本发明内外层连接桁架组件立体示意简图中，其主要包括两个连接剪叉杆7，所述两个连接剪叉杆结构完全相同，两个连接剪叉杆通过转动副连接组成连接剪叉折叠杆，但连接两连接剪叉杆的转动副将其分为两段，两段长度之比为较短的一段与内层剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与外层剪叉杆长度的一半等长。又在图1中，某一内层折展单元同一侧有上下两个内层花盘，位于上部的内层花盘的两个单槽口支叉分别与两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两上端通过转动副相连，该两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较长的两下端分别插入某一外层折展单元两侧的两个位于下部的外层花盘的一个单槽口支叉的开口槽中，并通过转动副相连，每组连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；位于下部的内层花盘的两个单槽口支叉分别与两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较短的两下端通过转动副相连，该两组连接剪叉折叠杆距中间连接转动副距离较长的两上端分别插入与位于内层折展单元的上部的内层花盘所连的外层折展单元两侧的两个位于上部的外层花盘的一个单槽口支叉的开口槽中，并通过转动副相连，每组连接剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。