基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构

1.本发明涉及折展天线机构技术领域，具体涉及一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构。


背景技术：

2.空间天线在发射过程中必须以折展状态收拢在运载火箭整流罩内，待发射到指定位置后平稳展开，这就要求天线机构具有较大的折展率，即折展状态时较小的包络体积及展开状态时较大的包络体积。空间可展开天线可以按照收拢与展开方式分为桁架式折展开天线、弹性变形可展开天线、固面可展开天线和充气式可展开天线。桁架式折展天线机构是应用最为广泛的一类展开机构，在展开过程中为机构，完全展开后则形成桁架结构，具有结构刚度大和空间定位精度高的特点，同时该类天线具有若干个相同或相似的折展机构单元，整体折展率大，是大口径星载天线的理想形式。
3.随着技术要求的不断提高，空间天线的性能也不断向长距离，大容量，高增益以及高分辨率的方向发展，随之对可展开天线提出了大口径、高刚度、高精度以及大折叠比等要求。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具有良好的性能优势，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，但是整体而言，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：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，通过改变复合四面体单元的数量和各杆件的长度，从而形成不同口径的可展开天线机构，整体结构简单，为单自由度机构，添加一个驱动便可使可展开天线机构展开，解决了现有可展开天线结构复杂、重量大和刚度强度差的问题，较好的应用于大口径星载天线、通讯卫星和空间探测器上。
5.本发明提供了一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，其包括n个结构相同的复合四面体单元，n为大于等于3的整数，所述复合四面体单元，其包括四面体单元和棱柱，所述四面体单元呈面对称设置，且所述四面体单元间通过棱柱连接，所述四面体单元包括内层花盘、同步杆、连接杆、y形花盘、外层花盘和t形花盘，相邻所述内层花盘间通过同步杆转动连接，且多个所述内层花盘呈等边或等腰三角形设置，所述y形花盘位于三角形中心的上方，所述内层花盘分别通过连接杆与所述y形花盘连接，所述外层花盘间通过同步杆依次首尾连接，所述外层花盘通过连接杆与所述t 形花盘连接，所述外层花盘呈面对称设置，且通过棱柱连接，所述复合四面体单元间因排列方式不同，其之间的连接方式也不同，所述复合四面体单元间通过共用的内层花盘、同步杆、连接杆、棱柱和外层花
盘连接，整体构成双环桁架可展开天线机构。
6.可优选的是，所述内层花盘位于内环面上，且所述内层花盘和外层花盘均为双层面对称结构，所述内层花盘的第一层设有四个双槽口支叉，且槽口上开设有通孔，用于插入所述同步杆的端部并通过转动副连接，两个所述同步杆为一组，且所述同步杆间通过转动副连接，两个槽口为一组，同一组槽口间的夹角为四面体单元底面等腰或等边三角形的底角，底角为θ1＝a
°
，等腰或等边三角形的顶角为θ2＝(360
°‑
(180
°‑
360/n)-2a)
°
，所述内层花盘的第二层设有三个双槽口支叉，用于插入所述连接杆的端部并通过转动副连接，且三个槽口的中心线与第一层的四个槽口间夹角的等分线重合，第二层槽口间的夹角为 1/2(a+(360-(180-360/n)-2a)
°
，所述内层花盘的第一层上还开设有凹槽，所述棱柱的第一端与所述内层花盘上的凹槽固定连接，所述棱柱的第二端与呈面对称设置所述内层花盘上设有的凹槽固定连接。
7.可优选的是，所述外层花盘位于外环面上，所述外层花盘的第一层设有四个双槽口支叉，所述外层花盘以中间对称面将双槽口支叉分为两组，同一组双槽口支叉间的夹角为θ3＝1/2(180-(360-(180-360/n)-2a)
°
，相邻两组槽口间的夹角为等腰或等边三角形的顶角为θ4＝(180-2a)
°
，所述外层花盘的第二层设有三个槽口，槽口间的夹角为1/2((180-2a)+(360-(180-360/n)-2a))
°
。
8.可优选的是，所述y形花盘和t形花盘上均设有三个双槽口支叉，且槽口上均开设有通孔，所述y形花盘和t形花盘整体均为面对称结构，所述y 形花盘和t形花盘的中间对称平面与中间支叉对称面重合，中间对称平面两侧各有一个支叉，各两侧支叉对称面与中间对称平面之间的夹角为θ5＝2a
°
，两侧支叉的对称面间夹角为θ6＝360-4a
°
。
9.可优选的是，所述四面体单元中同步杆、连接杆和棱柱均应满足特定比例关系，所述同步杆、连接杆和棱柱的尺寸根据所述内层花盘、y形花盘、外层花盘和t形花盘上支叉间的夹角合理调整。
10.可优选的是，所述复合四面体单元的排列方式有三种，排列方式一：相邻所述复合四面体单元a和复合四面体单元b，复合四面体单元a的柱面朝向环心，复合四面体单元b的柱面朝向环外，所有朝向环心的柱面共同组成内环面，所有朝向环心外的柱面共同组成外环面，相邻所述复合四面体单元a 与复合四面体单元b间通过共用的两个内层花盘、两个外层花盘、两根棱柱和4根同步杆连接；排列方式二：相邻所述复合四面体单元a的棱柱都朝向环心，即复合四面体单元a朝向环心的柱面共同组成内环面，相邻所述复合四面体单元a间共用两个内层花盘、一根棱柱，通过四根同步杆连接；排列方式三：所述复合四面体单元b的其中一棱边均朝向环心，与棱边相对的柱面朝向环外，即所有朝环外的柱面共同组成外环面，相邻所述复合四面体单元 b间共用一根棱柱和两个外层花盘，通过四根同步杆连接。
11.可优选的是，通过调整所述同步杆、连接杆和棱柱实现可展开天线机构的半收拢与完全收拢，可展开天线机构处于半收拢状态下，所述y形花盘或t 形花盘间的距离逐渐减小，所述复合四面体单元的体积有所减小，可展开天线机构处于完全收拢状态下，所述内层花盘和外层花盘所在平面保持水平，各所述同步杆和连接杆相互靠拢，处于最小体积状态，整体收缩成圆柱体结构。
12.可优选的是，所述同步杆、连接杆和棱柱均由碳钎维复合材料或航空铝合金材料制成。
13.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
14.1.本发明通过改变内外层四面体单元的数量和各杆件的长度，形成不同口径的可展开天线机构，整体结构简单，为单自由度机构，添加一个驱动便可使可展开天线机构展开，较好的应用于大口径星载天线、通讯卫星和空间探测器上。
15.2.本发明在机构连接处均为转动副，内外层四面体单元由多个花盘和连接杆连接的三角形结构组成，提高了整个折展天线机构展开后的刚度，有效减轻了整体的重量，装配制造工艺性和可靠性好，整体折叠比大，满足空间大口径可展开天线的使用要求。
16.3.本发明的结构具有高度对称性，有利于提高可展开天线机构对太空研究中不断增长需求的适应性，使空间可展开天线机构在工作过程中更加安全、高效和便捷，解决了现有可展开天线结构复杂、重量大和刚度强度差的问题。
附图说明
17.图1为本发明完全展开的整体结构示意图；
18.图2a为本发明半展开的整体结构示意图；
19.图2b-图2c为本法的实施例1的整体结构示意图；
20.图3为本发明完全收拢的整体结构示意图；
21.图4为本发明整体结构的俯视示意图；
22.图5为本发明复合四面体单元a的整体结构示意图；
23.图6为本发明的复合四面体单元a中四面体单元的整体结构示意图；
24.图7为本发明的复合四面体单元b的整体结构示意图；
25.图8为本发明的复合四面体单元b中四面体单元的整体结构示意图；
26.图9为本发明的内层花盘结构示意图；
27.图10为本发明的外层花盘结构示意图；
28.图11为本发明的y形花盘结构示意图；
29.图12为本发明的t形花盘结构示意图；
30.图13是本发明复合四面体单元第二种排列方式完全展开斜视图；
31.图14是本发明复合四面体单元第二种排列方式完全展开俯视图；
32.图15是本发明复合四面体单元第三种排列方式完全展开斜视图；
33.图16是本发明复合四面体单元第三种排列方式完全展开俯视图。
34.主要附图标记：
35.复合四面体单元a，四面体单元1，内层花盘11，同步杆12，连接杆13， y形花盘14，棱柱15，复合四面体单元b，外层花盘21，t形花盘22。
具体实施方式
36.为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
37.本发明提供的基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，如图1到图4所示，其包括n个结构相同的复合四面体单元a，n为大于等于3的整数，复合四面体单元a包括四面体单元1和棱柱15，四面体单元1 呈面对称设置，且四面体单元1间通过棱柱15
连接，四面体单元1包括内层花盘11、同步杆12、连接杆13、y形花盘14、外层花盘21和t形花盘22，相邻内层花盘11间通过同步杆12转动连接，且多个内层花盘11呈等边或等腰三角形设置，y形花盘14位于三角形中心的上方，内层花盘11分别通过连接杆13与y形花盘14连接，外层花盘21间通过同步杆12依次首尾连接，外层花盘21通过连接杆13与t形花盘22连接，外层花盘21呈面对称设置，且通过棱柱15连接，复合四面体单元a和复合四面体单元b因排列方式不同，其之间的连接方式也不同，复合四面体单元a间通过共用的内层花盘11、同步杆12、连接杆13、棱柱15和外层花盘21连接，整体构成双环桁架可展开天线机构。四面体单元1中同步杆12、连接杆13和棱柱15均应满足特定比例关系，同步杆12、连接杆13和棱柱15的尺寸根据内层花盘11、y形花盘 14、外层花盘21和t形花盘22上支叉间的夹角合理调整。
38.结合图3所示，同步杆12、连接杆13和棱柱15均由碳钎维复合材料或航空铝合金材料制成。通过调整同步杆12、连接杆13和棱柱15实现可展开天线机构的半收拢与完全收拢，可展开天线机构处于半收拢状态下，y形花盘 14或t形花盘22间的距离逐渐减小，复合四面体单元a的体积有所减小，可展开天线机构处于完全收拢状态下，内层花盘11和外层花盘21所在平面保持水平，各同步杆12和连接杆13相互靠拢，处于最小体积状态，整体收缩成圆柱体结构。
39.如图5和图6所示，内层花盘11位于内环面上，且内层花盘11和外层花盘21均为双层面对称结构，内层花盘11的第一层设有四个双槽口支叉，且槽口上开设有通孔，用于插入同步杆12的端部并通过转动副连接，两个同步杆 12为一组，且同步杆12间通过转动副连接，两个槽口为一组，同一组槽口间的夹角为四面体单元1底面等腰或等边三角形的底角，底角为θ1＝a
°
，等腰或等边三角形的顶角为θ2＝(360
°‑
(180
°‑
360/n)-2a)
°
，内层花盘11的第二层设有三个双槽口支叉，用于插入连接杆13的端部并通过转动副连接，且三个槽口的中心线与第一层的四个槽口间夹角的等分线重合，第二层槽口间的夹角为 1/2(a+(360-(180-360/n)-2a)
°
，内层花盘11的第一层上还开设有凹槽，棱柱 15的第一端与内层花盘11上的凹槽固定连接，棱柱15的第二端与呈面对称设置内层花盘11上设有的凹槽固定连接。
40.如图7到图10所示，外层花盘21位于外环面上，外层花盘21的第一层设有四个双槽口支叉，外层花盘21以中间对称面将双槽口支叉分为两组，同一组双槽口支叉间的夹角为θ3＝1/2(180-(360-(180-360/n)-2a)
°
，相邻两组槽口间的夹角为等腰或等边三角形的顶角为θ4＝(180-2a)
°
，外层花盘21的第二层设有三个槽口，槽口间的夹角为1/2((180-2a)+(360-(180-360/n)-2a))
°
。
41.如图11和图12所示，y形花盘14和t形花盘22上均设有三个双槽口支叉，且槽口上均开设有通孔，y形花盘14和t形花盘22整体均为面对称结构， y形花盘14和t形花盘22的中间对称平面与中间支叉对称面重合，中间对称平面两侧各有一个支叉，各两侧支叉对称面与中间对称平面之间的夹角为θ5＝2a
°
，两侧支叉的对称面间夹角为θ6＝360-4a
°
。
42.如图13到图16所示，复合四面体单元的排列方式有三种，排列方式一：相邻复合四面体单元a和复合四面体单元b，复合四面体单元a的柱面朝向环心，复合四面体单元b的柱面朝向环外，所有朝向环心的柱面共同组成内环面，所有朝向环心外的柱面共同组成外环面，相邻复合四面体单元a与复合四面体单元b间通过共用的两个内层花盘11、两个外层花盘21、2根棱柱15和四根同步杆12连接；排列方式二：相邻复合四面体单元a的棱柱都朝向环心，即复合四面体单元a朝向环心的柱面共同组成内环面，相邻复合四面体单元a间共用两
个内层花盘11、一根棱柱15，通过四根同步杆连接12；排列方式三：复合四面体单元b的其中一棱边均朝向环心，与棱边相对的柱面朝向环外，即所有朝环外的柱面共同组成外环面，相邻复合四面体单元b间共用一根棱柱15和两个外层花盘21，通过四根同步杆13连接。
43.以下结合实施例对本发明一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构做进一步描述：
44.本发明通过改变整体机构中复合四面体单元a和复合四面体单元b的数量以及其中各杆件的长度，改变双环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同步杆12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，机构的自由度为零，同时整体机构中的各个杆件可以抵消自身外力，而不需要提供额外的驱动力矩，整体机构具有较好的结构刚度和力学性能。
45.复合四面体单元a和复合四面体单元b因排列方式不同，其之间的连接方式也不同，复合四面体单元的排列方式有三种。
46.实施例一：
47.如图1和图2所示，本发明提供一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，其包括n个结构相同的复合四面体单元a和复合四面体单元b，n为大于等于3的整数，复合四面体单元a包括四面体单元1和棱柱15，四面体单元1呈面对称设置，且四面体单元1间通过棱柱15连接，四面体单元1包括内层花盘11、同步杆12、连接杆13、y形花盘14、外层花盘 21和t形花盘22，相邻内层花盘11间通过同步杆12转动连接，且多个内层花盘11呈等边或等腰三角形设置，y形花盘14位于三角形中心的上方，内层花盘11分别通过连接杆13与y形花盘14连接，外层花盘21间通过同步杆12依次首尾连接，外层花盘21通过连接杆13与t形花盘22连接，外层花盘 21呈面对称设置，且通过棱柱15连接，复合四面体单元a与复合四面体单元 b间通过共用的两个内层花盘11、四根同步杆12、两根棱柱15和两个外层花盘21连接，整体构成双环桁架可展开天线机构。
48.本实施例的操作过程是这样实现的：
49.初始时刻，可展开天线机构在火箭发射时收纳在火箭的有效载荷舱内，天线处于收拢状态，复合四面体单元a和复合四面体单元b处于折叠状态，各同步杆12、连接杆13和棱柱15均相互靠拢，整体机构收拢为圆柱体，有效节省了火箭发射空间。
50.当到达天线的指定位置开始工作时，各同步杆12在驱动力的作用下，从原来的位置沿连接转动副轴线方向转动90
°
，相邻同步杆12形成一条直线，实现锁定，保持机构的展开状态而不收缩，成为内外圆环的支撑单元，展开过程中，各连接杆13向两边张开，y形花盘14和内层花盘11间的距离逐渐减小， t形花盘22和外层花盘21间的距离逐渐减小，推动内层花盘11和外层花盘 21沿圆柱体的径向向外运动，机构由圆柱体结构展开成圆环形。
51.实施例二：
52.如图13和图14所示，本发明提供一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，其包括n个结构相同的复合四面体单元a，复合四面体单元a包括四面体单元1和棱柱15，且四面体单元1间通过棱柱15连接，四面体单元1包括内层花盘11、同步杆12、连接杆13、y形花盘14、外层花盘21，相邻内层花盘11间通过同步杆12转动连接，且多个内层花盘11呈等边或等腰三角形设置，y形花盘14位于三角形中心的上方，内层花盘11分别通过连接杆13与y形花盘14连接，外层花盘21间通过同步杆12依次首尾连接，外层花盘21呈面对称
设置，且通过棱柱15连接，相邻复合四面体单元 a的棱柱都朝向环心，即复合四面体单元a朝向环心的柱面共同组成内环面，相邻复合四面体单元a间共用的两个内层花盘11、一根棱柱15，通过四根同步杆12连接，整体构成双环桁架可展开天线机构。
53.本实施例的操作过程是这样实现的：
54.本实施例与实施例一的操作过程相同，在本实施例中组成双环桁架可展开天线机构只有复合四面体单元a，且可展开天线机构收拢展开状态与实施例一中的收拢展开状态一样。
55.实施例三：
56.如图15和图16所示，本发明提供一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，其包括n个结构相同的复合四面体单元b，复合四面体单元b包括四面体单元1和棱柱15，四面体单元1呈面对称设置，且四面体单元1间通过棱柱15连接，四面体单元1包括内层花盘11、同步杆12、连接杆13、外层花盘21和t形花盘22，相邻内层花盘11间通过同步杆12 转动连接，且多个内层花盘11呈等边或等腰三角形设置，t形花盘22位于三角形中心的上方，内层花盘11分别通过连接杆13与t形花盘22连接，外层花盘21间通过同步杆12依次首尾连接，外层花盘21通过连接杆13与t形花盘22连接，外层花盘21呈面对称设置，且通过棱柱15连接，复合四面体单元b的其中一棱边均朝向环心，与棱边相对的柱面朝向环外，即所有朝环外的柱面共同组成外环面，相邻复合四面体单元b间共用一根棱柱15和两个外层花盘21，通过四根同步杆12连接，整体构成双环桁架可展开天线机构。
57.本实施例的操作过程是这样实现的：
58.本实施例与实施例一的操作过程相同，在本实施例中组成双环桁架可展开天线机构只有复合四面体单元b，且可展开天线机构收拢展开状态与实施例一中的收拢展开状态一样。
59.本发明提供的一种基于复合四面体单元的单自由度双环桁架可展开天线机构，克服了现有技术中周边桁架机构刚度不高，并且随着天线口径的增大整体结构刚度下降较为严重的问题单自由度双环桁架可展开天线机构具有自由度少、结构简单以及折叠比较大等优点，可以广泛地应用于航空航天等现代工业领域，以满足不同航天任务的需求。
60.以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。