一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线的制作方法

本发明涉及星载天线反射面结构机构，具体为一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线。

背景技术：

随着航天技术的发展，空间遥感技术提出了一种大尺寸、高精度的抛物柱面天线的需求，在保证发射时高收纳比的同时，实现在轨展开成所要求的抛物柱面形状，配合线形排列的馈源阵及其他相关电子器件，一起构成整个天线，实现所期望的电性能。在对该天线进行方案设计时，面临的主要问题是传统的桁架式展开机构加金属丝网面的设计难以保证高的形面精度，大都需要一套复杂的绳索装置来对一些特定的桁架节点进行调整，从而实现形面调整的目的，同时质量约束、尺寸包络约束都是该天线设计中的技术难点。

技术实现要素：

针对此需求和目前设计上存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线，利用可卷曲的碳纤维开口薄壁管件作为主伸展和支撑臂、利用超薄碳纤维编制布以及加强筋一体成形的抛物柱形可卷曲阵面作为反射面，其形面精度介于传统的网状天线与更高精度的固面天线之间，从而达到轻质、可收卷、高收纳比、低热变形、高形面精度的目的，有效的保证了该天线的可靠性、适用性及其电性能。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线，包括伸展臂、柔性反射面、反射面连接装置、伸展臂压紧装置、伸展臂约束与展开释放装置、内筒、展开驱动装置和安装支架；所述内筒通过转轴可转动安装在所述安装支架上，所述伸展臂为一基于碳纤维开口薄壁管的可自伸展的杆件，一副柱面天线包含左右两条伸展臂，所述柔性反射面展开时呈抛物柱状的阵面，通过反射面连接装置安装在所述伸缩臂上，发射时，伸展臂连同柔性反射面呈螺线状收卷并通过伸展臂压紧装置压紧于内筒的外缘；所述展开驱动装置包含驱动电机及减速器，其中驱动电机安装于支架上，驱动电机的输出轴通过减速器、联轴器与内筒的转轴端连接，用于提供展开所需动力；所述伸展臂约束与展开释放装置用于实现含应变能的伸展臂的有序、可控展开，伸展臂的展开过程中，柔性反射面随伸展臂一起展开，形成所要求的抛物柱面。

优选地，所述柔性反射面为一种采用超薄碳纤维编制布以及碳纤维加强筋一体成形的抛物柱状的阵面。

优选地，所述安装支架为一立方体三脚架，所述内筒的中线点与所述安装支架8的顶端为同心设置，且所述安装支架上设有用于天线与卫星平台的安装组件。

优选地，采用任务所要求的抛物线形制备碳纤维薄壁管，其自展开后的无应力状态为抛物线形；在抛物线所在平面的法线方向，薄壁管每隔一定间隔开设一个跑道型贯通窗口，薄壁管开口段可视作无源柔性铰，使得开口薄壁管成为柔性铰链与连杆的一体成型杆件，使其可沿曲线伸展方向折弯而收卷；开口薄壁管作为展开后支撑结构和自展开的动力；具有轻量化、展开精度高、展开无间隙、热变形小的特点，碳纤维管可根据需要成型为所要求的抛物线形或其他曲线形状。

优选地，采用多边形内筒外缘设计，使得伸展臂在卷曲收拢状态与内筒贴合度好，利于发射时伸展臂及天线阵面的压紧。

优选地，天线反射面采用多层超薄碳纤维编织布铺层，并采用三个60°交叉方向加筋的准各向同性设计，在保证反射面可卷曲的同时，以加强整个反射面结构刚度，该设计卷曲工艺性好、热变形小、形面精度高。

优选地，所述伸展臂约束与展开释放装置采用钢丝绳缠绕方式对伸展臂进行位置约束和展开释放，有助实现有序可控展开。

由于采用了以上的技术方案，使得本发明相比于传统的桁架式展开机构加金属丝网线反射面组合的展开天线，具有以下有益效果：

首先，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱面天线反射面及其收展过程，采用碳纤维薄壁管展开后主支撑结构，薄壁管开口段可视作无源柔性铰，作为部分展开动力，该设计具有轻量化、展开精度高、柔性铰展开后无间隙的特点，碳纤维薄壁管可根据需要成型为各种连续性曲线。

其次，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱状天线反射面及其收展机构，采用超薄的三方向60°夹角准各向同性织布铺层曲面天线，应变能低、柔度大，可卷曲性能良好，热变形小，形面精度高。

第三，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱状天线反射面及其收展机构，采用钢丝绳缠绕压紧方式，对卷曲状态的伸展臂进行压紧，并提供展开的辅助动力和压紧力，使得展开过程有序、可控。

第四，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱状天线反射面及其收展机构，采用内筒外缘多边形设计，利于卷曲状态的伸展臂与内筒的贴合及压紧。

第五，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱状天线反射面及其收展过程，在设计过程中充分考虑在轨展开过程、展开后形状、形面精度和空间使用环境要求，通过设计，使基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线具有结构机构简单、收展过程可靠、多次展开一致性好等特点，使该发明满足航天使用要求。

最后，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱面天线反射面及其收展机构在设计过程中充分考虑了复合材料件加工工艺、伸展臂与超薄柔性阵面连接、天线接口安装等因素，使整个结构机构具有接口简单，质量轻，展开过程可靠，操作简单，可扩展性强等特点，只需对伸展臂部分进行修改，就可以满足不同阵面形状要求的星载天线设计要求，具有较高的通用性和经济性，应用前景广阔。

经过分析证明，本发明的应用于在轨构造大尺寸抛物柱状天线反射面及其收展机构原理正确，具有可收可展、展开成特定线性等功能，且具有收展过程简单、形面精度高、一致性好、质量轻、可设计性强等特点，可以满足不同航天器的安装使用要求，具有较高的通用性，应用前景广阔。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线收拢状态示意。

图2为本发明实施例中展开状态的反射面示意图。

图3为本发明实施例中伸展臂伸展状态示意图；

图中：1-伸展臂；2-柔性反射面；3-反射面连接装置；4-伸展臂压紧装置；5-伸展臂约束与展开释放装置；6-内筒；7-展开驱动装置；8-安装支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种基于碳纤维开口薄壁管的可卷曲星载抛物柱面天线，包括伸展臂1、柔性反射面2、反射面连接装置3、伸展臂压紧装置4、伸展臂约束与展开释放装置5、内筒6、展开驱动装置7和安装支架8；所述内筒通过转轴可转动安装在所述安装支架8上，所述伸展臂1为一基于碳纤维开口薄壁管的可自伸展的杆件，一副柱面天线包含左右两条伸展臂，所述柔性反射面2展开时呈抛物柱状的阵面，通过反射面连接装置3安装在所述伸缩臂1上，发射时，伸展臂1连同柔性反射面2呈螺线状收卷并通过伸展臂压紧装置4压紧于内筒6的外缘；所述展开驱动装置7包含驱动电机及减速器，其中驱动电机安装于支架上8，驱动电机的输出轴通过减速器、联轴器与内筒6的转轴端连接，用于提供展开所需动力；所述伸展臂约束与展开释放装置5用于实现含应变能的伸展臂的有序、可控展开，与所述驱动电机及减速器电性连接，伸展臂的展开过程中，柔性反射面2随伸展臂一起展开，形成所要求的抛物柱面。

所述柔性反射面2为一种采用超薄碳纤维编制布以及碳纤维加强筋一体成形的抛物柱状的阵面。所述安装支架8为一立方体三脚架，所述内筒的中线点与所述安装支架8的顶端为同心设置，且所述安装支架8上设有用于天线与卫星平台的安装组件。采用任务所要求的抛物线形制备碳纤维薄壁管，其自展开后的无应力状态为抛物线形；在抛物线所在平面的法线方向，薄壁管每隔一定间隔开设一个跑道型贯通窗口，薄壁管开口段可视作无源柔性铰，使得开口薄壁管成为柔性铰链与连杆的一体成型杆件，使其可沿曲线伸展方向折弯而收卷；开口薄壁管作为展开后支撑结构和自展开的动力；具有轻量化、展开精度高、展开无间隙、热变形小的特点，碳纤维管可根据需要成型为所要求的抛物线形或其他曲线形状。采用多边形内筒外缘设计，使得伸展臂在卷曲收拢状态与内筒贴合度好，利于发射时伸展臂及天线阵面的压紧。天线反射面采用多层超薄碳纤维编织布铺层，并采用三个60°交叉方向加筋的准各向同性设计，在保证反射面可卷曲的同时，以加强整个反射面结构刚度，该设计卷曲工艺性好、热变形小、形面精度高。所述伸展臂压紧装置4采用钢丝绳缠绕方式对伸展臂进行位置约束和展开释放，有助实现有序可控展开。

本具体实施所述星载抛物柱面天线在发射时反射面连同伸展臂一起，收拢卷曲成螺线形状态，入轨后，先解除伸展臂的压紧装置，然后在驱动装置及内筒的带动下向外伸展，同时伸展臂连同柔性反射面一起在自身弹性形变能的作用下，逐步由卷曲状态展开成无应力的抛物柱面形态。安装支架提供结构安装、供电及信息接口，实现天线结构机构与卫星平台的连接。使用可收卷的绳索对伸展臂进行压紧约束和展开释放，该设计所用钢索收放装置已在有在轨成功应用案例，在本设计的特殊之处在于绳索的约束方式及走线。具体地，钢索的一段固结于伸展臂的根部，及伸展臂与内筒的连接处，在每一段碳纤维薄壁管的中部位置设置一个带凹槽的钢索压紧导向块，钢索依次通过每一节薄壁管的压紧导向块并经过末端出口处的导向轮后，其另一端缠绕在钢索收放装置的收卷轴上。在伸展臂卷曲状态下，该钢索对伸展臂起到压紧约束作用，而在展开时，在电机的带动下，可通过收卷钢索依次实现每节薄壁管的展开和外伸。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。