单元阵列式单自由度周边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，尤其涉及到一种单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构。

背景技术：

随着空间科学技术的不断发展，空间卫星、空间站以及其他航天器所收集和传递的信息量不断增多，作为信息传送与接收装置的天线在空间通讯与数据传输的过程中的作用愈发突出。为增加空间传递的信息量，需要不断提高传输带宽以及信号增益，最直接有效的方法就是增大空间天线的口径，这样在增加空间传递信息量的同时还可以简化地面接收装置。由于受到火箭有效载荷舱容积以及火箭整体运载能力的限制，空间天线以及其他空间结构需要在发射阶段折叠起来放置于整流罩内，待进入空间轨道后再展开至工作状态，因此大型空间可展开机构的设计已逐渐成为航空航天领域的研究热点之一。

大型空间可展开天线主要包括展开肋式、周边桁架式以及构架式等，其中周边桁架式可展开天线口径可达几十米甚至上百米，且其整体质量不随口径增大而成比例增加，是大口径空间可展开天线的理想结构形式。目前在轨运行的周边桁架可展开天线中较为著名的是美国于2000年发射的AstroMesh天线，其口径为12.25m，整体质量为55Kg，由多个平面对角伸缩单元相互连接而成，收拢时的直径和高度分别为1.3m和3.8m。

由于周边桁架可展开天线在空间大口径以及超大口径可展开天线领域良好的性能优势，各国相关科研人员在周边桁架可展开天线的展开机构、索网成形以及展开控制等方面做了大量的研究，但是目前在轨运行的周边桁架可展开天线机构类型仍然较少，并且随着天线口径的增大，整体结构刚度下降较为严重。因此，亟需提出结构简单、刚度较高、折叠比较大以及制造工艺性较好等性能优良的周边桁架式可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自由度少、结构简单、刚度较高以及折叠比较大的单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个外层单自由度可展开机构单元和N个内层单自由度可展开机构单元，其中N为大于等于3的整数，所述外层单自由度可展开机构单元包括四个外层节点连接件、两个内层节点连接件、四个中间连杆以及四个外层连杆，所述内层单自由度可展开机构单元包括四个内层节点连接件、两个外层节点连接件、四个中间连杆以及四个内层连杆，所述外层单自由度可展开机构单元与所述内层单自由度可展开机构单元通过共用的两个中间连杆、两个内层节点连接件以及两个外层节点连接件相互穿插并阵列布置，共同组成多面式周边桁架机构。

上述技术方案中，所述四个外层连杆两两一组，每组一端通过转动副连接，另外两端分别插入两个外层节点连接件中外侧支叉的槽口中并通过转动副连接；四个内层连杆两两一组，每组一端通过转动副连接，另外两端分别插入两个内层节点连接件中外侧支叉的槽口中并通过转动副连接；四个中间连杆两两一组，每组均通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入两个外层节点连接件和两个内层节点连接件的靠近中间对称平面的支叉的槽口中并通过转动副连接；四个外层节点连接件结构相同，每个外层节点连接件均设有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外侧的两个支叉用来插入外层连杆并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉用来插入中间连杆并通过转动副连接；两个内层节点连接件结构相同，每个内层节点连接件均设有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外侧的两个支叉用来插入内层连杆并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉用来插入中间连杆并通过转动副连接。

上述技术方案中，外层节点连接件各支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件中心轴线距离均相同，外侧两个支叉的槽口对称面之间的夹角为(180-360/N)°，外侧支叉的槽口对称面与内侧支叉的槽口对称面之间的夹角根据需要设定，其夹角为锐角，设定为α；内层节点连接件各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件中心轴线距离均相同，外侧两个支叉的槽口对称面在靠近内侧支叉一侧的夹角为(180+360/N)°，靠近中间对称平面的两个支叉的槽口对称面之间的夹角为(180°-2α)；内层节点连接件各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件中心轴线距离和外层节点连接件各支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件中心轴线距离之比为((1-cosα)/cosα)。

上述技术方案中，连接两个中间连杆的转动副将每个中间连杆其分为两段，与内层节点连接件相连的一段的长度和与外层节点连接件相连的一段的长度之比为((1-cosα)/cosα)；外层连杆杆件长度根据需要设定，外层连杆的杆件长度要小于中间连杆上与外层节点连接件连接的一段的长度；内层连杆杆件长度与外层连杆杆件长度之比为(sin(90-180/N-α)/cosα)。

上述技术方案中，同一外层单自由度可展开机构单元中四个外层连杆上所连接的转动副轴线均平行；同一内层单自由度可展开机构单元中四个内层连杆上所连接的转动副轴线均平行；外层单自由度可展开机构单元和内层单自由度可展开机构单元中同一组中间连杆上所连接的转动副轴线均平行。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明结构简单，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开。

2、本发明所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好且可靠性较高。

3、本发明运动灵活且整体折叠比较大。

4、本发明具有高度的结构对称性，通过改变整体机构中内、外层单自由度可展开机构单元的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明完全展开立体示意图；

图2是本发明完全展开俯视图；

图3是本发明半展开立体示意图；

图4是本发明完全收拢立体示意图；

图5是本发明的外层单自由度可展开机构单元完全展开立体示意图；

图6是本发明的外层单自由度可展开机构单元半展开立体示意图；

图7是本发明的内层单自由度可展开机构单元完全展开立体示意图；

图8是本发明的内层单自由度可展开机构单元半展开立体示意图；

图9是本发明的一组中间连杆及其所连接的内、外层节点连接件立体示意图；

图10是本发明的外层节点连接件立体示意图；

图11是本发明的内层节点连接件立体示意图。

图中：A：外层单自由度可展开机构单元、B：内层单自由度可展开机构单元；1：外层节点连接件、2：外层连杆、3：内层节点连接件、4：中间连杆、5：内层连杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在图1-图4所示的单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构立体示意图中，其包含12个(N＝12)外层单自由度可展开机构单元A和12个(N＝12)内层单自由度可展开机构单元B，两类单自由度可展开机构单元相互穿插并阵列布置，通过共用两个中间连杆4、两个内层节点连接件3以及两个外层节点连接件1相连接，共同组成多面式周边桁架机构。

在图5和图6所示的外层单自由度可展开机构单元立体示意简图中，其主要包括四个外层节点连接件1、两个内层节点连接件3、四个中间连杆4以及四个外层连杆2。

在图7和图8所示的内层单自由度可展开机构单元立体示意简图中，其主要包括四个内层节点连接件3、两个外层节点连接件1、四个中间连杆4以及四个内层连杆5。

如图5-图11所示，四个外层连杆2结构完全相同，四个外层连杆2两两一组，每组一端通过转动副连接，另外两端分别插入两个外层节点连接件1中外侧支叉的槽口中并通过转动副连接；四个内层连杆5结构完全相同，四个内层连杆5两两一组，每组一端通过转动副连接，另外两端分别插入两个内层节点连接件3中外侧支叉的槽口中并通过转动副连接；四个中间连杆4结构完全相同，四个中间连杆4两两一组，每组均通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入两个外层节点连接件1和两个内层节点连接件3的靠近中间对称平面的支叉的槽口中并通过转动副连接；四个外层节点连接件1结构完全相同，每个外层节点连接件1均有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外侧的两个支叉用来插入外层连杆2并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉用来插入中间连杆4并通过转动副连接；两个内层节点连接件3结构完全相同，每个内层节点连接件3均有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外侧的两个支叉用来插入内层连杆5并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉用来插入中间连杆4并通过转动副连接。

在图10和图11所示的内、外层节点连接件立体示意图中，外层节点连接件1各支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件1中心轴线距离n均相同，外侧两个支叉的槽口对称面之间的夹角为150°(180°-360°/12＝150°)，外侧支叉的槽口对称面与内侧支叉的槽口对称面之间的夹角可以根据需要人为设定，其夹角为锐角，这里设定为50°(α＝50°)；内层节点连接件3各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件3中心轴线距离m均相同，外侧两个支叉的槽口对称面在靠近内侧支叉一侧的夹角为210°(180°+360°/12＝210°)，靠近中间对称平面的两个支叉的槽口对称面之间的夹角为80°(180°-2×50°＝80°)；内层节点连接件3各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件3中心轴线距离和外层节点连接件1各支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件1中心轴线距离之比为m/n＝0.56((1-cos50)/cos50＝0.56)。

如图5-图8所示，连接两个中间连杆4的转动副将每个中间连杆其分为两段，与内层节点连接件3相连的一段的长度l和与外层节点连接件1相连的一段的长度L之比为l/L＝0.56((1-cos50)/cos50＝0.56)；外层连杆2杆件长度L可以根据需要人为设定，但是外层连杆2的杆件长度要小于中间连杆4上与外层节点连接件1连接的一段的长度；内层连杆杆件长度p与外层连杆杆件长度q之比为p/q＝0.89(sin(90-180/12-50)/cos50＝0.89)。

在图1-图8所示的单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构立体示意图以及外层单自由度可展开机构单元A和内层单自由度可展开机构单元B的立体示意图中，同一外层单自由度可展开机构单元A中四个外层连杆2上所连接的转动副轴线均平行；同一内层单自由度可展开机构单元B中四个内层连杆5上所连接的转动副轴线均平行；外层单自由度可展开机构单元A和内层单自由度可展开机构单元B中同一组中间连杆4上所连接的转动副轴线均平行。

图1-图4所示的单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构立体示意图中，通过改变整体机构中内、外层单自由度可展开机构单元的数量N以及其中杆件的长度，可以改变整体单元阵列式单自由度周边桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小；当通过转动副相连的两个内层连杆5以及两个外层连杆2共线时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体具有较好的结构刚度和力学性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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该以权利要求的保护范围为准。