具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线及方法与流程

1.本发明涉及航天技术中卫星技术领域，具体地，涉及一种具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线及方法。


背景技术：

2.为保证星载平板式天线卫星发射状态下保持最紧凑的收拢构型，又能在卫星发射入轨后能正常展开锁定，为天线提供形面精度和刚度保持功能，需要开展创新型的展开机构设计方法研究。传统的星载的平板式天线一般具有尺寸大、重量重、展开机构复杂等特点，星载的平板式天线为了适应运载火箭整流罩的包络限制，一般通过展开机构折叠收拢压紧在卫星星体的侧面，发射入轨后再通过展开机构展开为一块平板式天线。传统的平板式天线展开试验一般具有前期准备周期长、精度调试耗时耗力、状态转换工序复杂的工艺特点。随着我国航天事业的蓬勃发展，特别是近年来轻量化、小型化技术的快速发展，对轻质薄板型有效载荷的需求日益迫切。同时，为了适应运载火箭的发射需求，在发射状态下需要将平板式有效载荷折叠收拢压紧在卫星平台上，因此，开发高收纳比和展开稳妥可靠的新型平板式天线展开机构成为迫切需要解决的问题。
3.本发明一种零撑杆刚度自保持展开锁定方法，在板状天线由收拢状态在轨展开后，通过天线板两侧机构的折叠自锁功能，为展开后的平板天线提供刚度。目前，在公开的文献和资料中，关于板状天线零撑杆刚度自保持展开锁定方法尚无记载。经查，公开了一种《飞行器可折叠双翼板展开机构》的发明专利(钟世宏，专利号：zl201010291506.4)，该方法是通过燃气作动装置驱动滑块沿着直线导轨做直线运动，两根连杆各与一根摇杆铰接，每根摇杆的另一度分别与固定在翼板支架上的翼板转轴铰接，当滑块运动时，通过摇杆传递带动翼板转动。该发明是在动力装置下驱动的连杆机构，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术领域。公开了一种《固面天线可展开机构设计及动力学分析》的论文(郭宏伟，等，哈尔滨工业大学学报，2019,51(7)1-8),介绍了一种固体反射面可展开天线机构，分析了天线展开功能和结构动力学。因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术方向以及不同的技术应用范围。公开了一种《一种薄膜航天器展开与锁定机构设计验证》的论文(孙亮，等，机械设计与制造工程，2019,48(7)67-70),介绍了一种基于空间应用标准的可自动展开锁定的新型薄膜航天器展开与锁定机构研究情况，主要用于航天器支撑臂和薄膜帆体的锁定和释放，为帆体充气展开提供平台，而本发明介绍了用于板状天线零撑杆刚度自保持展开锁定机构，是一种可用于板状天线展开后的刚度保持系统，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的技术领域。
4.经现有技术专利文献检索发现，中国实用新型专利公开号为cn102983383b，公开了一种新型展开到位锁定装置，属于卫星平台技术领域，用于对平板天线起到锁定作用。其包括一底板，还包括一用于携带待展开装置并通过自身旋转来展开所述待展开装置的转动装置，一用于使旋转到位的所述转动装置停止沿原方向转动的阻挡装置，一用于阻止已停止按原方向转动的所述转动装置回弹的阻止回弹装置，以及一触发所述转动装置旋转的触
发装置，所述转动装置、阻挡装置、阻止回弹装置固定在所述底板上；本发明通过触发装置触发所述转动装置旋转，当携带待展开装置的转动装置旋转到位后，通过所述阻挡装置和阻止回弹装置锁定所述转动装置。该装置仅用于锁定展开或待展开的平板天线，而本发明介绍的是一种具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线及方法，在板状天线的自身效果下进行展开锁定，因此，该文献与本发明所介绍的发明方法是属于不同的发明构思。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线及方法。
6.根据本发明提供的一种具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线，包括板状天线和展开锁定铰链，板状天线包括多个依次排列的子板，子板之间通过展开锁定铰链连接；
7.子板的子板本体两侧从内到外依次各连接有内腹板、中腹板以及外腹板，内腹板与子板子板处于同一个平面内固连，中腹板与内腹板之间、外腹板与中腹板之间均通过转动铰链和扭转弹簧连接。
8.一些实施例中，展开锁定铰链用于将多个子板进行折叠或展开；
9.板状天线通过展开锁定铰链在折叠状态与展开状态之间运动；
10.当板状天线处于折叠状态时，子板之间通过在折叠过程中进行之字型折叠且最终呈折叠状；
11.当板状天线处于展开状态时，子板本体之间通过在展开过程中进行之字型展开且最终呈一个平面。
12.一些实施例中，当板状天线处于展开状态时，在同一侧中，外腹板和中腹板在扭转弹簧的作用下向内腹板侧翻转钝角后锁定为三角形横梁；
13.当板状天线处于折叠状态时，外腹板、中腹板以及内腹板受到相邻子板的作用而与所连接的子板本体处于同一平面内。
14.一些实施例中，内腹板、中腹板以及外腹板在转动铰链的作用下折叠或展开的范围为180
°
。
15.一些实施例中，采用具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线，包括如下步骤：
16.s1、根据天线口径将子板通过展开锁定铰链顺序拼接形成板状天线；
17.s2、子板之间的腹板相互对应，腹板之间通过转动铰链连接进行
°
展开；
18.s3：通过展开锁定铰链将子板进行展开，子板之间展开过程中进行之字型展开且最终呈一个平面，子板两侧的腹板随子板本体展开为一个平面；
19.s4：子板本体两侧的外腹板和中腹板在扭转弹簧的作用下向内腹板侧翻转钝角后锁定为三角形横梁，用于保证天线展开后的形面精度和刚度；
20.s5：当子板本体两侧的六块腹板处于同一平面时，通过展开锁定铰链将子板之间进行折叠，子板之间折叠过程中进行之字型折叠且最终呈折叠型将天线收拢，同时腹板之间通过转动铰链连接进行180
°
展开。
21.一些实施例中，步骤s中，子板之间按顺序进行之字型折叠180
°
。
22.一些实施例中，子板之间按顺序依次连接后，子板本体两侧的腹板之间一一对应，腹板之间通过转动铰链连接后均可随子板展开180
°
。
23.一些实施例中，步骤s中的，内腹板与中腹板之间、中腹板与外腹板之间通过转动铰链连接，均可折叠为钝角，其中转动铰链为平面铰链。
24.一些实施例中，内腹板与中腹板之间、中腹板与外腹板之间通过扭转弹簧为转动铰链提供折叠时的扭矩。
25.一些实施例中，如下公式为步骤s中形成三角横梁后的刚度：
26.设b
t
为内腹板或中腹板或外腹板的宽度，h
t
为内腹板、中腹板以及外腹板形成的三角形截面的高度，故，设计的三角形截面的惯性矩为：
[0027][0028]
同时，设ba为板状天线的宽度，ha为板状天线的厚度，故，天线板的截面惯性矩为：
[0029][0030]
因此，展开后天线板的截面弯曲刚度k＝2
·
ea·
ia+e
t
·it
，其中ea为板状天线的弹性模量，e
t
为三角梁的弹性模量。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0032]
1、本发明在不改变平板式天线自身结构形式，不改变天线系统特性的条件下，通过发明天线板侧边自锁定展开框架结构，可有效保证天线板展开后的形面精度和保持刚度。
[0033]
2、本发明所提供的薄板式天线零撑杆刚度自保持展开锁定机构，结构简单、安装调整方便、使用安全可靠；所使用的各组件均为普通机械加工便可实现，加工工艺好。
[0034]
3、本发明所提供的薄板式天线零撑杆刚度自保持展开锁定方法，可实现展开机构与薄板式天线的快速集成，所需求的操作空间小，机动性和灵活性好，可适应卫星的工序快速转换需求。
[0035]
4、本发明的结构刚度稳定性好，可适应多种长度、多种重量的薄板式天线的展开需求。
[0036]
5、本发明不仅满足薄板式天线展开锁定的需求，而且设计逻辑清晰，方法简单可行，便于操作实施，特别是可以推广到多星并行研制的情形，可有效减少卫星研制的周期。
附图说明
[0037]
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：
[0038]
图1为本发明的步骤流程图；
[0039]
图2为本发明天线从由折叠状态至展开状态的示意图。
[0040]
图中标号：
[0041]
具体实施方式
[0042]
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0043]
实施例1
[0044]
本发明提供的具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线，包括板状天线2和展开锁定铰链4，板状天线2连接于卫星平台1上，优选的，板状天线2为薄板天线。板状天线2包括多个依次排列的子板3，子板3之间通过展开锁定铰链4连接，展开锁定铰链4用于将多个子板3进行折叠或展开。
[0045]
优选的，板状天线2通过展开锁定铰链4在折叠状态与展开状态之间运动；
[0046]
当板状天线2处于折叠状态时，子板3之间通过在折叠过程中进行之字型折叠且最终呈折叠状；
[0047]
当板状天线2处于展开状态时，子板本体300之间通过在展开过程中进行之字型展开且最终呈一个平面。
[0048]
子板3的子板本体300两侧从内到外依次各连接有内腹板5、中腹板6以及外腹板7，内腹板5与子板子板300处于同一个平面内固连，中腹板6与内腹板5之间、外腹板7与中腹板6之间均通过转动铰链8和扭转弹簧9连接。优选的，内腹板5、中腹板6以及外腹板7在转动铰链8的作用下折叠或展开的范围为0
°‑
180
°
。具体的，内腹板5与中腹板6之间、中腹板6与外腹板7之间通过扭转弹簧9为所述转动铰链8提供折叠时的扭矩。优选的，所述转动铰链8为平面铰链。
[0049]
更为具体的，当板状天线2处于展开状态时，在同一侧中，外腹板7和中腹板6在扭转弹簧9的作用下向内腹板5侧翻转钝角后锁定为三角形横梁，用于保证天线展开后的形面精度和刚度。当板状天线2处于折叠状态时，外腹板7、中腹板6以及内腹板5受到相邻子板3的作用而与所连接的子板本体300处于同一平面内。
[0050]
以上实施例中，本发明结构简单、安装调整方便、使用安全可靠；所使用的各组件均为普通机械加工便可实现，加工工艺好。在不改变平板式天线自身结构形式，不改变天线系统特性的条件下，通过发明天线板侧边自锁定展开框架结构，可有效保证天线板展开后的形面精度和保持刚度。
[0051]
实施例2
[0052]
本发明还提供的一种板状天线零撑杆刚度自保持展开锁定方法，采用实施例1的装置，包括如下步骤：
[0053]
采用具有零撑杆刚度自保持展开锁定装置的天线，包括如下步骤：
[0054]
s1、根据天线口径将子板3通过展开锁定铰链4顺序拼接形成板状天线2；
[0055]
s2、子板3之间的腹板相互对应，腹板之间通过转动铰链8连接进行180
°
展开；
[0056]
s3：通过展开锁定铰链4将子板3进行展开，子板3之间展开过程中进行之字型展开且最终呈一个平面，子板3两侧的腹板随子板本体300展开为一个平面；
[0057]
s4：子板本体300两侧的外腹板7和中腹板6在扭转弹簧9的作用下向内腹板5侧翻转钝角后锁定为三角形横梁，用于保证天线展开后的形面精度和刚度；
[0058]
s5：当子板本体300两侧的六块腹板处于同一平面时，通过展开锁定铰链4将子板3之间进行折叠，子板3之间折叠过程中进行之字型折叠且最终呈折叠型将天线收拢，同时腹板之间通过转动铰链8连接进行180
°
展开。
[0059]
其中，在步骤s5中，子板3按顺序进行之字型折叠180
°
。当子板3之间按顺序依次连接后，其两侧的腹板之间一一对应，腹板之间通过转动铰链8连接后均可随子板3展开180
°
。
[0060]
其中在步骤s4中的，内腹板5与中腹板6之间、中腹板6与外腹板7之间通过转动铰链8连接，均可折叠成钝角。优选的，钝角角度为120
°
。优选的，转动铰链8为平面转动铰链。内腹板5与中腹板6之间、中腹板6与外腹板7之间通过扭转弹簧9为所述转动铰链8(平面转动铰链)提供折叠时的扭矩。
[0061]
其中，如下公式为步骤s4中形成三角横梁后的刚度：
[0062]
设b
t
为内腹板5或中腹板6或外腹板7的宽度，h
t
为内腹板5、中腹板6以及外腹板7形成的三角形截面的高度，故，设计的三角形截面的惯性矩为：
[0063][0064]
同时，设ba为板状天线2的宽度，ha为板状天线2的厚度，故，天线板的截面惯性矩为：
[0065][0066]
因此，展开后天线板的截面弯曲刚度k＝2
·
ea·
ia+e
t
·it
，其中ea为板状天线2的弹性模量，e
t
为三角梁的弹性模量。由于以上两项均为远大于零的正数，故以上展开方法可为天线板提供刚度保证，为天线展开后的形面精度和刚度提供支撑。
[0067]
经仿真和试验证明，通过该方法可以有效解决板状天线零撑杆刚度自保持展开锁定的需求，为后续卫星的设计创造了一种新的设计方法，该发明在本领域内应用将十分广泛。
[0068]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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技术和简化描述，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技术的限制。
[0069]
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。