一种网状环形可展开天线以及天线桁架的制作方法

本发明涉及星载可展开天线技术领域，尤其涉及一种网状环形可展开天线及其天线桁架。

背景技术：

随着太空探测技术的飞速发展，卫星天线技术是近年来卫星有效载荷中发展最快的技术之一。其中环形可展开天线以其具有大口径、轻质量、高精度、高收纳比等优点，被认为是目前比较理想的大型星载可展开天线的结构形式。

周边桁架式网状可展开天线是由美国的trwastromesh公司提出的一种网状可展开天线，目前astromesh系列环形桁架式可展开天线可分为三代：第一代是am系列，第二代是am-1系列，第三代是am-2和am-lite系列。am-1相对于am在收拢直径上进行了改进，第三代的am-lite相对于am-1又进行了减重设计，而am-2相对于am-1在收拢高度上又进行了优化设计，但不管是am-1还是am-2，其收拢高度都大于展开高度，故其高度收纳比仍然受限制。

哈尔滨工业大学相关研究者提出了一种曲柄滑块式机构，整个结构利用双曲柄滑块机构实现单元间的联动，从而实现环形桁架机构的同步展开；esa专利596提出了一种上下两层式环形结构，该种天线的每个多边形由上下两个剪刀式展开机构组成，在展开过程中剪刀式展开机构的两端沿竖杆滑动；esa专利568提出了一种v形展开式锥形桁架结构，其由上下独立v形展开机构组成，上下v形展开机构的杆件不相等，形成梯形多边形单元，单元周期性重复形成锥形环形桁架；以上三种典型结构的天线，其天线的高度始终为竖杆高度，故其收拢高度始终等于展开高度。

西安电子科技大学有关学者提出了一种w-style可展开天线方案，由于其桁架采用上下不对称结构，因此实现了收拢高度小于展开高度的突破，但是其结构无法完全收拢到90度，因此限制了直径方向的收纳比。所以w-style可展开天线方案虽然很大程度降低了收拢高度，但是当其用于网状可展开天线时，其直径收纳比却难以提高。

但运载火箭的空间有限，故天线的收拢体积越小越好，即对于相同展开口径和展开高度的天线，要求天线的收拢直径及收拢高度越小越好。环形可展开桁架作为整个星载天线的支撑结构，该结构的收拢直径和收拢高度决定了整个天线的收拢体积，因此设计出具有高收纳比的可展开天线桁架结构具有十分重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前空间网状环形可展开天线展开口径有限、可展开结构收纳比低的问题，提出了一种新型的环形可展开桁架结构，可明显降低环形桁架的收拢高度和收拢直径，从而显著地减小星载天线的收拢体积，提高收纳比，从而在同样的收纳要求下增大天线的口径。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种网状环形可展开天线桁架，包括由多个结构单元首尾相接构成的环形结构；

所述结构单元包括：横杆、滑动竖杆、主竖杆、外伸竖杆及连杆；上下平行设置的两个所述横杆和分别与左右平行的两个主竖杆交叉构成井字形主支撑结构；所述主竖杆设置在两个横杆之间，滑动竖杆与外伸竖杆分别上下交错设置在两个主竖杆的上下两端；所述连杆的两端分别铰接连接在横杆和主竖杆之间的交叉处以实现天线桁架的同步展开；

相邻横杆之间、横杆与连杆之间、横杆与主竖杆之间、滑动竖杆与连杆之间均采用转动副连接；滑动竖杆与主竖杆之间、滑动竖杆与横杆之间、连杆与主竖杆之间均采用滑动副连接；外伸竖杆与主竖杆之间、外伸竖杆与索网挂接头之间、滑动竖杆与索网挂接头之间、滑动竖杆与万向轮组件之间均采用固定副相连；

天线桁架通过所述转动副、滑动副、固定副形成内、中、外三层，上面两根横杆和一根滑动竖杆位于内层，两根主竖杆、两根外伸竖杆、四根连杆位于中间层，下面两根横杆和一根滑动竖杆位于最外层。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，所述内层与中间层之间通过上连杆滑动接头、上横杆滑动接头实现上面的一个滑动竖杆与主竖杆的滑动连接、通过所述上横杆固定接头实现上面的一个外伸竖杆与主竖杆的滑动连接、通过铰接接头实现其和横杆、主竖杆的铰接连接；

所述中间层与最外层之间通过下横杆固定接头实现主竖杆与下面的一个外伸竖杆的滑动连接、通过下连杆滑动接头、下横杆滑动接头实现主竖杆与下面一个滑动竖杆的滑动连接、通过铰接接头实现其和横杆、连杆的铰接连接。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，在横杆和连杆的铰接位置处安装有扭簧；通过拉索依次贯穿横杆的一端、下横杆固定接头、下横杆滑动接头、下连杆滑动接头上设置的滑轮实现其与扭簧联合驱动天线桁架的展开。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，在左右平行的两个主竖杆上分别设置有用于对上连杆滑动接头、下连杆滑动接头滑动位移进行限位的限位装置。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，所述铰接接头包括：卡止套筒、轴、扭簧、铰接接头连杆连接件；

所述卡止套筒固定在横杆上，其与铰接接头连杆连接件通过轴连接，铰接接头连杆连接件与轴活动连接，扭簧一端固定在轴上，另一端固定在连杆连接件的内部。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，所述上横杆滑动接头包括：上直线滚珠导套、上横杆滑动接头基座、上横杆滑动接头螺栓和螺母、上横杆连接件、上主竖杆连接件；

所述上直线滚珠导套安装在上横杆滑动接头基座内，上横杆连接件通过上横杆滑动接头螺栓和螺母铰接连接在上横杆滑动接头基座的两侧，所述上横杆连接件分别与横杆的一端固定连接；上横杆滑动接头基座上还固定有用于与主竖杆的一端固定连接的上主竖杆连接件；所述上直线滚珠导套套设在滑动竖杆上沿其上下滑动。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，所述下横杆固定接头包括：下横杆固定接头基座、下横杆固定接头滑轮、下横杆固定接头螺栓和螺母、下固定接头横杆连接件、下外伸竖杆连接件；

所述下横杆固定接头基座的两侧通过下横杆固定接头螺栓和螺母铰接连接下固定接头横杆连接件，在下横杆固定接头基座的内设置有下横杆固定接头滑轮，与下横杆固定接头基座固定连接的下外伸竖杆连接件将主竖杆的一端与外伸竖杆的一端固定连接。

进一步地，如上所述的网状环形可展开天线桁架，所述下横杆滑动接头包括：下横杆滑动接头螺栓和螺母、下直线滚珠导套、下主竖杆连接件、下横杆滑动接头滑轮、下横杆连接件、下横杆滑动接头基座；

所述下直线滚珠导套套装在下横杆滑动接头基座内，在下横杆滑动接头基座的两端分别通过下横杆滑动接头螺栓和螺母铰接连接下横杆连接件，在下横杆滑动接头基座的内部两侧分别设置所述下横杆滑动接头滑轮；所述下横杆连接件与下横杆的一端固定连接；与横杆滑动接头基座固定连接的下主竖杆连接件与所述主竖杆固定连接。

一种网状环形可展开天线，包括如上任一所述的天线桁架。

本发明的有益效果是：

1)针对当前网状可展开天线收纳比低、展开口径小的问题，提出了一种具有高收纳比的可展开机构。该机构分为三层结构，采用伸缩结构原理，充分利用收拢后的体积空间，与同类网状可展开天线相比，其高度和直径收纳比都有明显的提高，从而实现在相同的收拢要求范围下，增大天线的展开口径。

2)本结构采用扭簧和拉索联合驱动方式，在机构展开前期，关节处的扭簧驱动机构展开一定的角度，此后由驱动电机收卷拉索驱动机构进一步展开至完全展开状态。且在展开高度和展开口径不变的前提下，可通过对结构内部杆件的合理布局，从而控制驱动索变化量。

3)结构虽然分为三层，但通过合理地分层，使得驱动拉索都在一层上穿过，避免了驱动拉索由于在层与层之间的穿过而导致驱动拉索被卡住和过度摩擦的可能，影响驱动索的使用和机构的平稳展开。

附图说明

图1为本发明的新型网状可展开天线方案示意图；

图2(a)为本发明的桁架单元结构主视图；

图2(b)为本发明的桁架单元结构侧视图；

图3为本发明的下横杆固定接头示意图；

图4为本发明的上连杆滑动接头示意图；

图5为本发明的上横杆滑动接头示意图；

图6为本发明的横杆_连杆_铰接接头示意图；

图7为本发明的上横杆固定接头示意图；

图8为本发明的下连杆滑动接头示意图；

图9为本发明的下横杆滑动接头示意图；

图10(a)为本发明的网状环形可展开桁架完全收拢态主视图；

图10(b)为本发明的网状环形可展开桁架完全收拢态俯视图；

图11为本发明的网状环形可展开桁架展开中间态示意图；

图12为本发明的网状环形可展开桁架完全展开态示意图；

附图标记说明：

图2(a)中：1-外伸竖杆；2-下横杆固定接头；3-主竖杆；4-上连杆滑动接头；5-连杆；6-上横杆滑动接头；7-滑动竖杆；8-索网挂接头；9-铰接接头；10-横杆；11-上横杆固定接头；12-下连杆滑动接头；13-下横杆滑动接头；14-万向轮组件(含索网挂接头)；

图3中：2-1-下横杆固定接头基座，2-2-下横杆固定接头滑轮，2-3-下横杆固定接头螺栓和螺母，2-4-下固定接头横杆连接件，2-5-下外伸竖杆连接件；

图4中：4-1-上连杆连接件，4-2-上连杆滑动接头螺栓和螺母，4-3-上连杆滑动接头基座，4-4-上直线滚珠开口导套(外购)，4-5-上主竖杆连接件；

图5中：6-1-上直线滚珠导套(外购)，6-2-上横杆滑动接头基座，6-3-上横杆滑动接头螺栓和螺母，6-4-上横杆连接件，6-5-上主竖杆连接件；

图6中：9-1-卡止套筒，9-2-轴，9-3-扭簧，9-4-铰接接头连杆连接件；

图7中：11-1-上横杆固定接头螺栓和螺母，11-2-上横杆固定接头基座，11-3-上固定接头横杆连接件,11-4-上外伸竖杆连接件；

图8中：12-1-大滑轮支架，12-2-大滑轮，12-3-下直线滚珠开口导套(外购)，12-4-下连杆滑动接头基座，12-5-下连杆滑动接头螺栓和螺母，12-6-下连杆连接件，12-7-下主竖杆连接件；

图9中：13-1-下横杆滑动接头螺栓和螺母，13-2-下直线滚珠导套(外购)，13-3-下主竖杆连接件，13-4-下横杆滑动接头滑轮，13-5-下横杆连接件，13-6-下横杆滑动接头基座。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解对本发明的限制。

实施例1：

本实施例提供了一种新型空间网状环形可展开天线桁架结构装置，其结构包括多个如图2(a)所示的结构单元，相邻单元之间通过共用横杆10形成一个封闭的环形结构；其中一个结构单元包括四根横杆10、两根滑动竖杆7、两根主竖杆3、两根外伸竖杆1、四根连杆5、一个下横杆固定接头2、一个上连杆滑动接头4、一个上横杆滑动接头6、一个上横杆固定接头11、一个下连杆滑动接头12、一个下横杆滑动接头13和四个连接横杆与连杆的铰接接头9。

天线桁架采用环形铰接式可展开机构，展开态为一刚性铰接式圆环，收拢态为一圆柱。环形铰接式可展开机构包含五类杆件，分别为横杆10、滑动竖杆7、主竖杆3、外伸竖杆1及连杆5。横杆10和主竖杆3组合为主环形支撑结构，保证结构的刚度和稳定性；滑动竖杆7和外伸竖杆1提供天线展开高度要求；连杆5主要作用是同步展开，同时可加强整个天线的刚度与稳定性。

上述相邻横杆10之间、横杆10与连杆5之间、横杆10与主竖杆3之间、滑动竖杆7与连杆5之间均采用转动副连接，滑动竖杆7与主竖杆3之间、滑动竖杆7与横杆10之间、连杆5与主竖杆3之间均采用滑动副连接，外伸竖杆1与主竖杆3之间、外伸竖杆1与索网挂接头8之间、滑动竖杆1与索网挂接头8之间、滑动竖杆1与万向轮组件14之间均采用固定副相连。

为保证机构能够完全收拢与展开，避免各类杆件之间的相互干扰，结构设计为内、中、外三层。如图2(a)、图2(b)所示，上面两根横杆10和一根滑动竖杆7位于内层，两根主竖杆3、两根外伸竖杆1和四根连杆5位于中间层，下面两根横杆10和一根滑动竖杆7位于最外层，内层与中间层之间通过上连杆滑动接头4、上横杆滑动接头6、上横杆固定接头11和铰接接头9相连，中间层与外层之间通过下横杆固定接头2、下连杆滑动接头12、下横杆滑动接头13和铰接接头9相连。这样，环形桁架收拢或者展开过程中，各层杆件分别在三个相互平行的平面内运动，互不干扰。当横杆10运动至与主竖杆3平行，即所有的杆件均沿竖直方向分布时，此时机构处于完全收拢状态；当横杆10运动至与主竖杆3垂直时，此时机构处于完全展开状态。

如图2(a)、图2(b)、图11-12所示，上方的相邻横杆10彼此通过上横杆滑动接头6和上横杆固定接头11连接形成一个环形结构，下方的相邻横杆10彼此通过下横杆固定接头2和下横杆滑动接头13连接形成一个环形结构，上方的横杆10和下方的横杆10之间通过主竖杆3相连，共同组成主体环形支撑架。

左边的主竖杆3上端通过上横杆滑动接头6与上面的横杆10铰接转动，其具体连接方式如图5所示，上横杆滑动接头基座6-2的两侧分别与上横杆连接件6-4铰接连接，上面的两个横杆10分别与所述上横杆连接件6-4固定连接，主竖杆3上端与上主竖杆连接件6-5固定连接，上直线滚珠导套6-1套设在滑动竖杆7的下端；左边的主竖杆3下端通过下横杆固定接头2与下面的横杆10铰接转动，其具体的连接的方式如图3所示，下固定接头横杆连接件2-4通过横杆固定接头螺栓和螺母铰接连接在下横杆固定接头基座2-1的两侧，下面的两个横杆10分别与所述下固定接头横杆连接件2-4固定连接，下外伸竖杆连接件2-5将主竖杆3的下端与下面的外伸竖杆1上端连接在一起(主竖杆3与下面的外伸竖杆1为一体结构)。

右边的主竖杆3上端通过上横杆固定接头11与上面的横杆10铰接转动，其具体的连接方式如图7所示，上固定接头横杆连接件11-3铰接连接在上横杆固定接头基座11-2上，上面的两个横杆10分别固定在所述上固定接头横杆连接件11-3上，上外伸竖杆连接件11-4固定连接右边的主竖杆3的上端与上面外伸竖杆1的下端(主竖杆3与上面的外伸竖杆1为一体结构)；右边的主竖杆3下端通过下横杆滑动接头13与下面的横杆10铰接转动；其具体的连接方式如图9所示，下横杆连接件13-5铰接连接在下横杆滑动接头基座13-6的两侧，下面两个横杆10的一端分别与下横杆连接件13-5固定连接，下主竖杆连接件13-3与右边的主竖杆3下端固定连接。

如图2(a)、图2(b)所示，左下方的外伸竖杆1一端通过下横杆固定接头2与主竖杆3固连，另一端与索网挂接头8相固连，提供索网支撑点，右上方的外伸竖杆1一端通过上横杆固定接头11与主竖杆3固连，另一端与索网挂接头8相固连，提供索网支撑点。

如图2(a)、图2(b)所示，左上方的滑动竖杆7下端通过上连杆滑动接头4、连杆5、铰接接头9的相互配合实现与左侧的主竖杆3相互滑动，左上方的滑动竖杆7上端与索网挂接头8相固连，提供索网支撑点；其具体的结构如图4所示，上连杆滑动接头基座4-3的两侧铰接连接上连杆连接件4-1，连杆5的一端与所述上连杆连接件4-1固定连接，上直线滚珠开口导套4-4套设在主竖杆3上且能够沿着其上下滑动；上主竖杆连接件4-5与主竖杆3的上端固定连接；连杆5的另一端与下面横杆10上固定连接的铰接接头9铰接连接，具体连接方式为如图6所示，铰接接头连杆连接件9-4与卡止套筒9-1通过轴9-2实现转动连接，卡止套筒9-1固定在上面的横杆10上，连杆5的另一端与铰接接头连杆连接件9-4固定连接，从而实现连杆5与横杆10的铰接连接。

右下方的滑动竖杆7上端通过下连杆滑动接头12与右侧的主竖杆3相互滑动，另一端与万向轮组件14相固连，提供索网支撑点和地面试验滑动装置；其具体的结构如图8所示，下直线滚珠开口导套12-3套设在主竖杆3上其能够沿着其上下滑动，下主竖杆连接件12-7与右下方的滑动竖杆7上端固定连接，下连杆滑动接头基座12-4的两侧分别铰接连接有下连杆连接件12-6，下连杆连接件12-6与连杆5的一端铰接连接；连杆5的另一端与下面的横杆10铰接连接，具体请参见附图6。

左上方的两根连杆5一端通过上连杆滑动接头4与左侧的主竖杆3之间形成滑动，另一端通过铰接接头9与上方的横杆10铰接转动，右下方的两根连杆5一端通过下连杆滑动接头12与右侧的主竖杆3之间形成滑动，另一端通过铰接接头9与下方的横杆10铰接转动。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，机构采用扭簧—拉索联合驱动方式驱动展开，既在横杆10和连杆5铰接位置处安装扭簧；将一条拉索依次贯穿下方的横杆10的内部、下横杆固定接头2、下横杆滑动接头13、下连杆滑动接头12；其具体的结构如图6所示，扭簧9-3一端固定在铰接接头9的轴9-2上，另一端固定在连杆连接件9-4的内部，当机构处于收拢状态时，扭簧被卷曲收卷在轴9-2上，储存弹性势能。如图2(a)所示，驱动索贯穿于下方的横杆10的内部，并绕过下横杆固定接头2、下横杆滑动接头13和下连杆滑动接头12上设置的滑轮，拉索首尾端连接到卫星的驱动电机上，机构展开前期依靠扭簧9-1驱动机构越过死点位置，此后通过电机收卷拉索，使得下连杆滑动接头12与下横杆滑动接头13之间的距离不断减小，从而驱动机构平稳展开。

如图3所示，下横杆固定接头2的下横杆固定接头基座2-1内设置有下横杆固定接头滑轮2-2；如图9所示，在下横杆滑动接头13的下横杆滑动接头基座13-6内设置有下横杆滑动接头滑轮13-4；如图8所示，在下连杆滑动接头12的下连杆滑动接头基座12-4上通过大滑轮支架12-1设置有大滑轮12-2，所述拉索依次绕过下横杆固定接头滑轮2-2、下横杆滑动接头滑轮13-4、1大滑轮12-2形成一个闭合回路。

在两个主竖杆3上分别设置有限位装置，用于防止上连杆滑动接头4、下连杆滑动接头12滑动过限而导致的结构展开过度。结构完全展开后，拉索始终保持张紧状态，稳定结构。

实施例3：

在实施例1的基础上，可得到整个环形可展开桁架结构。图10(a)、10(b)为本发明的新型网状环形桁架完全收拢态示意图，各个杆件均沿竖直方向分布；图11为本发明的新型网状环形桁架展开中间态示意图；图12为本发明的新型网状环形桁架完全展开态示意图。采用与图12环形桁架相同尺寸杆件，以一个由12个单元组成的环形可展开桁架为例，展开直径为5000mm，收拢直径为636mm，展开高度为1140mm，收拢高度为970mm；考虑接头、杆件、金属丝网以及柔性索网的质量，天线整体质量为22.15kg，计算其面密度约为1.128kg/m2。与同类型的天线相比，由于采用了分层设计，故其直径收纳比有所提高；由于竖杆采用了伸缩结构原理，故其高度收纳比显著提高(高度收纳比大于1)；面密度也有所下降。

如图1所示，本发明提供一种包括如上实施例所述可展开天线桁架的高收纳比旋转抛物面网状可展开天线，其包括：可展开桁架、索网支撑系统(前索网、后索网及竖向索等)、金属丝网反射面等，可展开桁架通过扭簧和驱动拉索共同作用实现可展开天线的收拢与展开，索网支撑系统通过张力平衡设计辅助金属丝网形成所需的抛物面形状。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。