一种抗振自复位卫星天线支撑杆结构的制作方法

本发明涉及大型柔性自展开天线结构技术领域，特别地，涉及一种抗振自复位卫星天线支撑杆结构。

背景技术：

随着航天、通信等行业的发展，天线作为传递电磁波信号的重要手段，在各个领域的应用越来越广泛。由于航天器运载空间及能力的限制，大型天线应该以收拢状态送入太空，到达预定轨道后，接收到指令后展开成为所需要的几何构型。为了保证大型自展开天线既满足运载条件，又保证高分辨率和高稳定性，空间大型自展开天线的结构特点需具备质量轻、高展开可靠性和型面精度。大型自展开天线一般以高强度比、高刚度比、高几何稳定性、超低热膨胀系数等特点的宇航材料为主体，并包含低副可动机构节点、驱动元件、阻尼构件等，具有尺寸大、重量轻、柔性大的特点。大型自展开天线需要驱动元件完成天线的展开动作，目前以微机电驱动和弹簧驱动应用最广。但是，卫星天线结构形态从收缩状态到展开状态具有非常显著的差异性和时变性，这就导致了天线展开过程中驱动控制系统动态特性以及卫星动态特性与天线结构展开过程中的时变动态特性很容易发生耦合而产生剧烈振动，给驱动系统的设计带来困难。大型柔性自展开天线展开过程中结构形态连续变化且为多自由度多模态振动系统，大展开尺寸由于刚度弱，固有频率低，展开过程中易发生耦合共振，天线锁止动作及姿控发动机动力干扰也会产生宽频带的随机振动，卫星天线在轨道运行阶段仍要承受许多振动激励，这些振动激励虽然量级不大，但是却很可能影响到天线关键部件的正常工作。传统被动振动控制方法难于可靠有效控制天线整个展开过程中的多自由度多模态时变结构振动，而近年来开展的主动振动控制方法无法回避闭环控制模型难于准确建立和控制时间延迟等缺点，使实际应用中振动控制效果大打折扣。所以，可在大型柔性自展开天线的关键部件上增加阻尼装置耗能以达到减振的目的。因此，针对大型柔性自展开天线结构的振动控制技术研究将具有重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中大型柔性自展开天线在展开过程中的振动控制问题，本发明提出了一种可以对卫星天线实现有效多自由度多模态时变振动控制的被动控制方法，设计了一种抗振自复位卫星天线支撑杆结构，其采用环形桁架式天线展开结构，驱动元件采用涡卷弹簧，杆件之间连接具有耗能减振功能的自复位弹支摩擦阻尼结构控制构件，该阻尼结构在有效控制展开构件轴向振动的同时具有轴向自复位功能，增加阻尼器的减振效果，克服了传统摩擦阻尼结构的缺点，既实现了轴向振动控制也能够保持天线型面展开精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗振自复位卫星天线支撑杆结构，包括自复位弹支摩擦阻尼构件、涡卷弹簧、碳纤维杆和铰链四大部分；自复位弹支摩擦阻尼构件的外螺纹连接件和内螺纹连接件分别连接两根碳纤维杆，其中一根碳纤维杆的一端连接铰链，另一端连接涡卷弹簧，涡卷弹簧的另一端与另一根碳纤维杆的一端相连，碳纤维杆的一端再连接铰链，组成天线支撑杆的一条边，相邻边，由铰链连接两根碳纤维杆，两根碳纤维杆之间连接有自复位弹支摩擦阻尼构件，另外与之相对的两个边用相同的方式连接构成环形的天线支撑杆。所述自复位弹支摩擦阻尼构件有六个，安装有涡卷弹簧的两条对边设置有四个阻尼构件，另外两条对边，两根碳纤维杆中间分别由两个阻尼构件连接，在天线展开过程中通过阻尼元件金属橡胶的摩擦耗能控制展开构件轴向振动；所述涡卷弹簧有两个，用于提供天线支撑杆展开的驱动力；所述铰链有四个，四个铰链与所述碳纤维杆共同将各部分连接起来成为一个整体。

进一步的，所述自复位弹支摩擦阻尼结构控制构件，其结构包括内筒、外筒、调整螺栓、内螺纹连接件、外螺纹连接件、金属橡胶、螺钉组成。外螺纹连接件、外筒、内筒、金属橡胶、调整螺栓、内螺纹连接件具有相同的轴心线；内筒挡板上开有凹槽，通过限位螺钉限制其径向运动，对称布置的两个内六角紧定螺钉起夹紧作用，用来防止其发生轴向移动；起耗能作用的两个金属橡胶块置于内筒和外筒之间，对称分布于内筒挡板的两侧；调整螺栓安装在外筒一侧的端部，用来调节金属橡胶的预应变；内筒一端与内螺纹连接件连接，同时内螺纹连接件连接碳纤维杆；外筒和内筒的另一端连接外螺纹连接件，同时外螺纹连接件与碳纤维杆连接。当内筒和外筒由于振动产生相对运动时，通过金属橡胶块的摩擦耗能抑制展开构件的轴向振动。

自复位弹支摩擦阻尼构件是通过金属橡胶块的摩擦耗能抑制展开构件的轴向振动的，金属橡胶的耗能机理非常复杂，同时具有粘弹性阻尼和干摩擦阻尼的特征，当内外筒由于振动产生相对运动时，挤压金属橡胶块，金属橡胶在受到外力的挤压时，金属丝之间相互滑移，产生摩擦，进而消耗能量抑制展开构件的轴向振动。而在金属丝相互摩擦时，会产生粘弹性特征，并表现出材料的应变响应滞后于应力的迟滞性能，致使在受力过程中应力应变曲线形成滞回环，在往复挤压作用下，即可储存能量又可耗散能量。又由于金属橡胶多孔金属的孔隙特征，使其具有自复位功能。

进一步的，所述卫星天线支撑杆采用碳纤维材料，是一种高级复合材料的增强材料，它具有轻质、高强度、高模量、耐高温、抗摩擦、导电、导热、耐腐蚀及热膨胀系数小等特性，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，是一种很理想的宇航材料。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、外筒和内筒之间放置金属橡胶块，当外筒和内筒因振动产生相对运动时，通过摩擦块耗能抑制展开构件的轴向运动；金属橡胶的滞回特性和摩擦耗能，使得自复位弹支摩擦阻尼器具备高耗能特点，金属橡胶具有橡胶的弹性和多孔金属的孔隙特性使得结构整体具备自复位特点，有效避免振动导致的残余变形。

2、整体结构形式简单、收纳率高、质量轻和信号传输稳定性好；自复位弹支摩擦阻尼结构具备可调可控设计，根据实际需求可以调节调整螺栓，进而改变金属橡胶的预应变，或者通过更换不同厚度的摩擦块来改变摩擦块应变进而改变摩擦力。

附图说明

图1是本发明阻尼构件的结构示意图；

图2是本发明阻尼构件的剖面示意图；

图3是本发明阻尼构件内螺纹连接件剖面示意图；

图4是本发明阻尼构件外筒剖面示意图；

图5是本发明卫星天线支撑杆整体结构示意图；

图中标记：1、外螺纹连接件；2、外筒；3、内筒；4、调整螺栓；5、内螺纹连接件；6、内六角头螺钉；7、内六角紧定螺钉；8、金属橡胶；9、限位螺钉；10、铰链；11、碳纤维杆；12、阻尼构件；13、涡卷弹簧。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明提出的抗振自复位卫星天线支撑杆结构如图5所示，包括自复位弹支摩擦阻尼构件12、涡卷弹簧13、碳纤维杆11、铰链10四大部分；所述自复位弹支摩擦阻尼构件12，在天线展开过程中通过阻尼元件金属橡胶的摩擦耗能控制展开构件轴向振动；所述涡卷弹簧13，提供天线支撑杆展开的驱动力；所述铰链10与所述碳纤维杆11共同将各部分连接起来，使整个装置成为一个整体。

具体的，本发明提出的自复位弹支摩擦阻尼结构控制构件如图1至图4所示，包括：外螺纹连接件1、外筒2、内筒3、调整螺栓4、内螺纹连接件5、内六角头螺钉6、内六角紧定螺钉7、金属橡胶8和限位螺钉9；内六角紧定螺钉7共四个，金属橡胶8共两块；内筒3挡板的两侧对称布置两块金属橡胶8；外螺纹连接件1、外筒2、内筒3、金属橡胶8、调整螺栓4、内螺纹连接件5同轴心线布置，共同组成阻尼元件，依次布置的顺序依次为外螺纹连接件1、内筒和外筒以及布置在内筒3挡板两侧的金属橡胶8、调整螺栓4和内螺纹连接件5；内螺纹连接件5的一侧开有u形槽，通过内六角头螺钉6拧紧以固定内筒3和碳纤维杆；外螺纹连接件1连接外筒2和碳纤维杆，通过内六角紧定螺钉7固定其位置；调整螺栓4安装在外筒2一侧的端部，通过内六角紧定螺钉7固定其位置，调整螺栓4用来调节金属橡胶8的预应变；内筒3挡板上开有凹槽，限位螺钉9用来限制其在径向方向的转动，对称布置的两个内六角紧定螺钉7起夹紧作用，用来防止其发生轴向移动。

具体地，调整螺栓4一端接触金属橡胶8，金属橡胶8的刚度随其压缩长度的改变而变化，调整螺栓4的拧紧程度不同进而改变金属橡胶8的预应变；两块金属橡胶8在内筒3的挡板两侧对称布置，当内筒3和外筒2由于振动产生相对运动时，通过金属橡胶块8的摩擦耗能抑制展开构件的轴向振动。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。