一种桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置的制作方法

本发明属于卫星通信设备技术领域，尤其涉及一种桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：目前，卫星系统在深空探测、雷达通讯、军事工程等领域占据举足轻重的地位，星载天线作为卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，在各项任务中均发挥着重要作用，是必不可少的关键设备之一。随着现代卫星技术的不断发展，对天线的高频段、高增益及大口径提出越来越高的要求。由于现有火箭整流罩容纳空间与发射费用的限制，要求星载天线不仅质量轻而且体积小，故大口径天线必须做成可展开的，即发射时天线收拢于火箭整流罩内，入轨后自动展开到工作状态。由于其广泛的军事及民用前景，天线的可展开特性已成为现代大口径星载天线的一个显著特征。抛物柱面天线是星载天线的一种，其具备方向性强、增益高、易于光束自动扫描等特点,能够满足各种电子侦察、远程通信、深空探测等需要采用强方向性星载天线的需求，成为星载天线新的主要发展方向之一。经过十几年的研究和发展，世界上一些发达国家比如美国、日本、德国等在抛物柱面天线技术方面均取得了重要研究成果，美国已经发射了携带柱面天线的降雨测试雷达，其能够有效地完成地球降雨分布探测等任务。传统抛物柱面天线由支撑构件支撑金属抛物柱面反射面构成，天线体积大、质量重，运载工具无法满足发射需求，因此可展开抛物柱面天线受到广泛关注，大多可展开抛物柱面天线或为可展开固体表面或采用充气展开，可展开固体表面抛物柱面天线采用形状记忆材料作为展开驱动；充气式抛物柱面天线采用充气的方式实现天线的展开，两种天线收纳体积明显减小，但是展开后型面精度难以满足要求，稳定性差。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统抛物柱面天线由支撑构件支撑金属抛物柱面反射面构成，天线体积大、质量重，运载工具无法满足发射需求。

(2)可展开抛物柱面天线或为可展开固体表面或采用充气展开，可展开固体表面抛物柱面天线采用形状记忆材料作为展开驱动；充气式抛物柱面天线采用充气的方式实现天线的展开，两种天线收纳体积明显减小，但固体表面抛物柱面天线重量一般较大，充气式抛物柱面天线展开后型面精度难以满足要求，稳定性差。

解决上述技术问题的难度和意义：

抛物柱面天线在空间任务中发挥着重要作用，如何在现有发射技术局限性的情况下使得抛物柱面天线在结构上轻巧可靠，又具备较高的形面精度就显得极为困难但又尤为重要。所以，设计结构轻巧可靠的可展开机构，对膜面实施有效支撑形成所需形面精度的抛物柱面反射面在抛物柱面天线的发展过程中具有重要的实际意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置。

本发明是这样实现的，一种桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置，所述桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置由可展开支撑装置a支撑反射膜面构成；可展开支撑装置a包括一维可展开桁架、展开控制索、肋板和肋板调节索；肋板左右对称铰接在一维可展开桁架侧边上；反射膜面贴敷于肋板上侧呈抛物线型的边上，形成抛物柱面；展开控制索分别布置在一维可展开桁架的上表面和下底面，对一维可展开桁架的展开进行控制；肋板调节索布置在每块肋板两侧，起调节肋板展开位置和增强装置整体刚度的作用。

进一步，所述一维可展开桁架由m个桁架体单元串接而成，m≥4，可展开支撑装置a依靠一维可展开桁架实现天线的整体收拢与展开；天线收拢后，肋板4缠绕于收拢在一起的一维可展开桁架上，桁架体单元采用梯形构型。

进一步，所述桁架体单元包括折叠杆、五向接头、四向接头、侧边杆、第一横杆和第二横杆；五向接头有五个方向的连接接头，五个接头分别与侧边杆、第一横杆或第二横杆、折叠杆、肋板安装件连接，四个五向接头、两根侧边杆、一根第一横杆和一根第二横杆构成一个平面梯形单元b；四向接头有四个方向的连接接头，四个接头分别与侧边杆、第一横或第二横杆、折叠杆连接，四个四向接头、两根侧边杆、一根第一横杆和一根第二横杆构成另一个平面梯形单元c，四根折叠杆两端分别连接在五向接头和四向接头上，将平面梯形单元b和c连接构成桁架体单元。

进一步，所述五向接头采用一体化结构，第一下侧接头呈圆柱状，第一下侧接头7与水平面呈一定倾角，与侧边杆实现固定连接；第一右侧接头呈圆柱状，与第一横杆或第二横杆固定连接；第一前后两侧对称接头呈u型槽，分别与折叠杆通过杆件连接件进行同轴铰接；左侧接头呈u型槽，左侧u型槽左侧接头与肋板安装件采用同轴铰接；五向接头上侧开槽，槽内加工第一螺纹孔，通过螺栓安装第一过索滑轮，在第一右侧接头两侧的槽臂上开有第一控制索穿引孔。

进一步，所述四向接头采用一体化结构，第二下侧接头呈圆柱状，形成桁架体单元的梯形构型，第二下侧接头与侧边杆实现固定连接；第二右侧接头呈圆柱状，与第一横杆或第二横杆固定连接；第二前后两侧对称接头呈u型槽，分别与折叠杆通过杆件连接件进行同轴铰接；四向接头上侧开槽，槽内加工第二螺纹孔，通过螺栓安装第二过索滑，在第二右侧接头两侧的槽臂上开有第二控制索穿引孔，在左侧槽臂上开有调节索穿引孔。

进一步，所述折叠杆由两段折叠杆件、两个杆件连接件和一套弹性接头组件构成，两段折叠杆件等长，一端固定连接在杆件连接件上，另一端固定连接在同一弹性接头组件上。

进一步，所述弹性接头组件包括第一弹性接头件和第二弹性接头件、第一双头螺柱和第二双头螺柱、滑轮支架、弹簧片以及弹簧片压板；第一弹性接头件与第二弹性接头件通过第一双头螺柱铰接在一起，第一弹性接头件和第二弹性接头件可绕第一双头螺柱进行转动；弹簧片两端开有安装通孔，分别通过弹簧片压板压在两个第一弹性接头件和第二弹性接头件的第一弹簧片安装凹槽和第二弹簧片安装凹槽内，采用螺钉进行固定，弹簧片的中部压在第一双头螺柱的一侧，在两个第一弹性接头件和第二弹性接头件绕轴进行相对合并转动时，中部绕着第一双头螺柱的周向发生弯曲；两块滑轮支架对称安装在第一弹性接头件和第二弹性接头件外侧，通过两根第一双头螺柱和第二双头螺柱实现连接，在第二双头螺柱中部安装第三过索滑轮。

进一步，所述第一弹性接头件和第二弹性接头件一端成圆柱状和，与折叠杆件实现固定连接，另一端呈圆形，通过轴孔实现相互铰接，而且圆形端上侧加工第一限位凸台和第二限位凸台，第一限位凸台和第二限位凸台相互接触。

进一步，所述滑轮支架两端均开有通孔，一端加工有圆环凸台，两个滑轮支架凸台侧相对安装，实现对第三过索滑轮的夹装。

本发明的另一目的在于提供一种所述桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置的使用方法，所述桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置的使用方法包括：一维可展开桁架中的折叠杆相对折叠合并，弹性接头组件内的弹簧片被压缩存储弹性势能，桁架体单元各平面梯形单元相互贴合在一起，一维可展开桁架收拢，展开控制索、肋板调节索收拢于一维可展开桁架内，肋板缠绕在一维可展开桁架外围被捆绑索捆绑，同时存储弹性势能；

天线需要展开时，断开捆绑索，肋板在自身弹性势能作用恢复到平直状态，肋板绕一维可展开桁架侧边杆旋转展开，此时肋板两侧的肋板调节索处于松弛状态；桁架体单元内弹簧片弹性势能被释放，一维可展开桁架展开，通过同步释放一维可展开桁架上层面和下层面内的展开控制索展开速度进行控制，当第一弹性连接件与第二弹性连接件的第一限位凸台和第二限位凸台相抵，弹簧片释放的弹性势能被束缚，一维可展开桁架展开到位并自锁；

当一维可展开桁架展开到位时，肋板两侧的肋板调节索处于张紧状态，保证肋板的位置和刚度，天线装置完全展开，反射膜面被可展开支撑装置a撑开形成所需抛物柱面。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将一维桁架机构与柔性肋板结构相结合，肋板边线被剪裁成所需的抛物线形，对膜面实施支撑形成要求的抛物柱面反射面。其中桁架机构可沿一个方向收拢展开，柔性肋板可缠绕收拢、弹性展开，进而实现天线整体的收拢与展开。可展开固体表面抛物柱面天线一般被分成几个固体表面单元，通过单元间相对折展实现天线的收拢与展开，各单元支撑背架均为刚性结构，重量较大，不易扩展，导致收纳率并不高；充气展开抛物柱面天线相对可展开固体表面抛物柱面天线而言整体重量轻，其通过充气使结构膨胀至展开状态，当外界温度足够高时，经过处理的柔性材料发生硬化使天线固化成型，由于充气过程以及硬化过程受空间环境影响较大，所以该类天线形面精度难以满足要求。本发明的桁架支撑柔性肋板抛物柱面可展开天线装置中桁架由碳纤维材料以及航空铝构成，这两种材料被广泛应用于航空航天设备中，其显著的优势既强度高质量轻。桁架收拢时各平面梯形单元叠罗在一起；肋板由较薄的弹性材料剪裁而成，收拢时缠绕在收拢桁架上，所以本发明的天线装置收拢后占据较小空间，具有较大的收纳率，相对可展开固体表面抛物柱面天线而言整体重量明显降低。而且肋板边线被剪裁呈抛物线形用以支撑膜面，各肋板间的肋板调节索不但用以调控肋板位置还起到增强肋板稳定性的作用，所形成的抛物柱面反射面型面精度相对充气展开抛物柱面天线而言更具优势。

此外，本发明的可展开支撑装置a整体呈梯形柱状结构，收拢后肋板缠绕其上，由于梯形棱边倾斜的几何结构特性，天线收拢时肋板抛物线形边上翘高度被有效降低，即天线整体的纵向收拢高度被降低。桁架体单元依靠弹簧片的弹性势能实现动力驱动，不需要增加额外的驱动机构，减轻了装置的整体重量；而且通过驱动控制索对展开速度进行控制，可避免弹簧片展开时的瞬间冲击，展开后弹簧片恢复平直自锁，不需要额外锁定装置。

肋板展开到平直状态后，通过两侧的调节索调控展开并最终稳定在工作状态，需要施加较大的力矩才能克服两侧调节索使肋板弯曲变形，因此天线展开后不需要复杂的锁定装置，实施方式简单，工作稳定可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可展开支撑装置a的展开结构图；

图3是本发明实施例提供的可展开支撑装置a的展开结构俯视图；

图4是本发明实施例提供的可展开支撑装置a的收拢结构图；

图5是本发明实施例提供的桁架体单元结构图；

图6是本发明实施例提供的五向接头连接关系图；

图7是本发明实施例提供的五向接头结构图与前视图；

图8是本发明实施例提供的四向接头连接关系图；

图9是本发明实施例提供的四向接头结构图与前视图；

图10是本发明实施例提供的折叠杆结构图；

图11是本发明实施例提供的弹性接头组件装配关系爆炸图；

图12是本发明实施例提供的第一弹性接头件结构图；

图13是本发明实施例提供的第二弹性接头件结构图；

图14是本发明实施例提供的滑轮支架结构图；

图15是本发明实施例提供的杆件连接件结构图；

图16是本发明实施例提供的肋板安装件结构图；

图中：1、反射膜面；2、一维可展开桁架；3、展开控制索；4、肋板；5、肋板调节索；6、折叠杆；6-1、折叠杆件；6-2、弹性接头组件；7、五向接头；7-1、第一前后侧对称接头；7-2、第一右侧接头；7-3、第一下侧接头；7-4、第一螺纹孔；7-5、第一控制索穿引孔；7-6、左侧接头；8、四向接头；8-1、第二前后侧对称接头；8-2、第二右侧接头；8-3、第二下侧接头；8-4、第二螺纹孔；8-5、第二控制索穿引孔；8-6、调节索穿引孔；9、侧边杆；10、第一横杆；11、第二横杆；12、杆件连接件；12-1、圆柱状接头；12-2、第一u型槽；13、第一弹性接头件；13-1、第一弹簧片安装凹槽；13-2、第一限位凸台；14、第二弹性接头件；14-1、第二弹簧片安装凹槽；14-2、第二限位凸台；15、弹簧片；16、弹簧片压板；17-1、第一双头螺柱；17-2、第二双头螺柱；18、第三过索滑轮；19、滑轮支架；19-1、圆环凸台；20、肋板安装件；20-1、第二u型槽；20-2、肋板夹装槽；21、第一过索滑轮；22、第二过索滑轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在抛物柱面可展开天线将桁架可展开机构与肋板支撑结构相结合，提出一种结构稳定的桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置具有重要的现实意义。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置由可展开支撑装置a支撑反射膜面1构成。可展开支撑装置a包括一维可展开桁架2、展开控制索3、肋板4和肋板调节索5。肋板4左右对称铰接在一维可展开桁架2侧边上；反射膜面1贴敷于肋板4上侧呈抛物线型的边上，形成抛物柱面；展开控制索3分别布置在一维可展开桁架2的上表面和下底面，布置方式相同，主要对一维可展开桁架2的展开进行控制；肋板调节索5布置在每块肋板4两侧，主要起调节肋板4展开位置和增强装置整体刚度的作用。

如图2-图5所示，一维可展开桁架2由m个桁架体单元串接而成，m≥4，可展开支撑装置a依靠一维可展开桁架2实现天线的整体收拢与展开。天线收拢后，肋板4缠绕于收拢在一起的一维可展开桁架2上，为了降低肋板4缠绕后的竖向高度，桁架体单元采用梯形构型。

如图5-图9所示，桁架体单元包括折叠杆6、五向接头7、四向接头8、侧边杆9、第一横杆10和第二横杆11。五向接头7有五个方向的连接接头，即第一下侧接头7-3、第一右侧接头7-2、第一前后侧对称接头7-1和第一左侧接头7-6，上述五个接头分别与侧边杆9、第一横杆10或第二横杆11、折叠杆6、肋板安装件20连接，四个五向接头7、两根侧边杆9、一根第一横杆10和一根第二横杆11构成一个平面梯形单元b；四向接头8有四个方向的连接接头，即第二下侧接头8-3、第二右侧接头8-2、第二前后两侧对称接头8-1，上述四个接头分别与侧边杆9、第一横10或第二横杆11、折叠杆6连接，四个四向接头9、两根侧边杆9、一根第一横杆10和一根第二横杆11构成另一个平面梯形单元c，四根折叠杆6两端分别连接在五向接头7和四向接头8上，将平面梯形单元b和c连接构成桁架体单元。折叠杆6中间对折，平面梯形单元b和c合并，实现桁架体单元的收拢。

如图6和图7所示，五向接头7采用一体化结构，第一下侧接头7-3呈圆柱状，为了形成桁架体单元的梯形构型，第一下侧接头7-3与水平面呈一定倾角，与侧边杆9实现固定连接；第一右侧接头7-2呈圆柱状，与第一横杆10或第二横杆11固定连接；第一前后两侧对称接头7-1呈u型槽，分别与折叠杆6通过杆件连接件12进行同轴铰接；左侧接头7-6呈u型槽，为了保证肋板4绕梯形桁架体单元的倾斜侧边杆9转动，左侧u型槽左侧接头7-6与竖直平面呈一定倾角，与肋板安装件20采用同轴铰接。五向接头7上侧开槽，槽内加工第一螺纹孔7-4，通过螺栓安装第一过索滑轮21，在第一右侧接头7-2两侧的槽臂上开有第一控制索穿引孔7-5。

如图8和图9所示，四向接头8采用一体化结构，第二下侧接头8-3呈圆柱状，为了形成桁架体单元的梯形构型，第二下侧接头8-3与水平面呈一定倾角，与侧边杆9实现固定连接；第二右侧接头8-2呈圆柱状，与第一横杆10或第二横杆11固定连接；第二前后两侧对称接头8-1呈u型槽，分别与折叠杆6通过杆件连接件12进行同轴铰接。四向接头8上侧开槽，槽内加工第二螺纹孔8-4，通过螺栓安装第二过索滑轮22，在第二右侧接头8-2两侧的槽臂上开有第二控制索穿引孔8-5，在左侧槽臂上开有调节索穿引孔8-6。

如图10所示，折叠杆6由两段折叠杆件6-1、两个杆件连接件12和一套弹性接头组件6-2构成，两段折叠杆件6-1等长，一端固定连接在杆件连接件12上，另一端固定连接在同一弹性接头组件6-2上。

如图11所示，弹性接头组件6-2是可展开支撑装置a各桁架体单元展开的动力驱动，主要包括第一弹性接头件13和第二弹性接头件14、第一双头螺柱17-1和第二双头螺柱17-2、滑轮支架19、弹簧片15以及弹簧片压板16。第一弹性接头件12与第二弹性接头件14通过第一双头螺柱17-1铰接在一起，第一弹性接头件13和第二弹性接头件14可绕第一双头螺柱17-1进行转动；弹簧片15两端开有安装通孔，分别通过弹簧片压板16压在两个第一弹性接头件13和第二弹性接头件14的第一弹簧片安装凹槽13-1和第二弹簧片安装凹槽14-1内，采用螺钉进行固定，弹簧片15的中部压在第一双头螺柱17-1的一侧，在两个第一弹性接头件13和第二弹性接头件14绕轴进行相对合并转动时，弹簧片15被压弯，中部绕着第一双头螺柱17-1的周向发生弯曲，对螺柱呈包裹状态。两块滑轮支架19对称安装在第一弹性接头件13和第二弹性接头件14外侧，通过两根第一双头螺柱17-1和第二双头螺柱17-2实现连接，在第二双头螺柱17-2中部安装第三过索滑轮18。

如图12和图13所示，第一弹性接头件13和第二弹性接头件14一端成圆柱状13-1和14-1，与折叠杆件6-1实现固定连接，另一端呈圆形，通过轴孔实现相互铰接，而且圆形端上侧加工第一限位凸台13-2和第二限位凸台14-2，在弹簧片15完全弹开后，第一限位凸台13-2和第二限位凸台14-2相互接触阻碍弹簧片15的弹力作用进而实现机构自锁。

如图14所示，滑轮支架19两端均开有通孔，用以实现螺栓安装，一端加工有圆环凸台19-1，两个滑轮支架19凸台侧相对安装，实现对第三过索滑轮18的夹装。

如图2和图3，展开控制索3分为上层索和下层索，分别布置在一维可展开桁架2的上表面和下底面内，每个层面包括两条索，布置方式相同，索3的一端通过四向接头8控制第二控制索穿引孔8-5绕过第二过索滑轮22，另一端绕过对侧弹性接头组件6-2上的第三过索滑轮18，再通过五向接头7控制索穿引孔7-5绕过五向接头7内安装的第一过索滑轮21，以此类推穿引过一维可展开桁架2的各桁架体单元，在桁架体单元上层面和下层面内形成v字形,当各桁架体单元弹性接头6-2的弹簧片15弹开时，通过同步释放各层面内的两条展开控制索3可对弹簧片15的弹开速度实施有效控制。

肋板调节索5分多层多组(本实施例分两层两组)分别布置在每块肋板4两侧，布置方式相同，肋板调节索5的一端固定在肋板4上，另一端穿引过四向接头8左侧面的调节索穿引孔8-6。肋板4通过自身弹性势能恢复平直状态后，牵引一侧肋板调节索5并释放另一侧肋板调节索5，可将肋板4调节到需求的展开位置，两侧肋板调节索5同时张紧，可增强装置的整体刚度。

肋板4为柔性构件，具有一定弹性，在外力作用下能够弯曲存储弹性势能，去掉外力弹性势能被释放，肋板4自动恢复到平直状态。

如图6、图16所示，为了进一步减小天线收拢后的体积并防止肋板4缠绕时发生塑性变形，所以通过肋板安装件20实现肋板4与一维可展开桁架2的铰接。肋板安装件20一端呈第二u型槽20-1，第二u型槽20-1底端加工肋板夹装槽20-2，第二u型槽20-1上开有通孔，与五向接头7左侧u型槽左侧接头7-6实现同轴铰接；肋板夹装槽20-2上开有通孔，将肋板4装进槽内，通过通孔内安装的螺栓进行固定。

如图6、图8、图15所示，折叠杆6通过杆件连接件12与五向接头7或四向接头8进行连接，杆件连接件12一端呈圆柱状接头12-1，与杆件进行固定连接，另一端呈第一u型槽12-2，与五向接头7或四向接头8前后侧对称第一螺纹孔7-4或第二螺纹孔8-4进行同轴铰接。

本发明的桁架支撑柔性肋抛物柱面可展开天线装置初始时被捆绑处于图4所示收拢状态，该状态下，一维可展开桁架2中的折叠杆6均相对折叠合并，弹性接头组件6-2内的弹簧片15被压缩存储弹性势能。此时，桁架体单元各平面梯形单元相互贴合在一起，一维可展开桁架2收拢，展开控制索3、肋板调节索5收拢于一维可展开桁架2内，肋板4缠绕在一维可展开桁架2外围被捆绑索捆绑，同时存储弹性势能。

天线需要展开时，断开捆绑索，肋板4在自身弹性势能作用恢复到平直状态，肋板4绕一维可展开桁架2侧边杆9旋转展开，此时肋板4两侧的肋板调节索5处于松弛状态。然后，桁架体单元内弹簧片15弹性势能被释放，一维可展开桁架2在其作用下展开，通过同步释放一维可展开桁架2上层面和下层面内的展开控制索3对其展开速度进行控制，避免展开的瞬间冲击。当第一弹性连接件13与第二弹性连接件14的第一限位凸台13-2和第二限位凸台14-2相抵，弹簧片15释放的弹性势能被束缚，一维可展开桁架2展开到位并自锁。当一维可展开桁架2展开到位时，肋板4两侧的肋板调节索5便处于张紧状态，以保证肋板4的位置和刚度。此时，天线装置完全展开，反射膜面1被可展开支撑装置a撑开形成所需抛物柱面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。