基于异构棱锥模块的可展天线机构

1.本发明涉及可展天线机构，尤其涉及一种基于异构棱锥模块的可展天线机构。


背景技术：

2.随着对宇宙空间奥秘的深入探索，各类高精度卫星和大型空间站的发展越来越得到航空航天强国的重视。航空航天技术在科技发展战略规划中占据着重要地位，空间可展开天线是可折展结构的重要研究领域之一，已在卫星通信、遥感测量、空间探测及军事侦察等专业领域得到了广泛应用。受到地面航天发射器有效仓储空间的限制，天线等航空装备需要采用运载状态下收拢和入轨后展开释放的工作模式。
3.目前，可展机构已在大口径折展天线、太阳能电池板和空间捕获装备等方面展现重要应用价值。可展天线机构具有诸多方面的优异性能，例如，基本结构单元的可拓展性、高刚度、大的折展比、结构稳定性好和高的表面精度等特点。国内外学者已经在可展天线机构方面进行了很多研究工作。例如中国专利：一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，专利申请号为：cn109860972b，该专利可展天线机构可展天线模块由四面体可展天线单元组合而成，其包括四个花盘、三个等长腹杆、两个第二同步杆和一个第四同步杆；四个花盘包括所述第一花盘、所述第二花盘、第三花盘和第四花盘，然而，从平面上看,四面体可展天线单元通过等边三角形的形式进行组合而成，再由多个四面体可展天线单元模块拓展成四面体组合单元的模块化可展天线机构。中国专利：一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，专利申请号为：cn107134655b，该专利空间可展开曲面桁架机构由七个相同模块组合而成，分为中心模块和六个周边模块，其由多个三棱台单元依次首尾相连进行组网形成。
4.相关专利主要基于一种模块进行天线机构拓展和组网，较少涉及基于异构棱锥模块的可展天线机构设计。而如何从提高收拢率和可拓展性角度出发，来开发基于异构模块的可展机构是目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明提供一种基于异构棱锥模块的可展天线机构，该可展天线机构基于四棱锥和六棱锥异构模块，且收拢率高、结构对称性好，可拓展性强、支撑刚度高，解决了现有技术中收拢率不高，以及拓展性不强的技术问题。
6.技术方案：本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构为在一个基于异构棱锥模块的可展天线机构单元上向外圆周阵列六个基于异构棱锥模块的可展天线机构模块，并按照60
°
圆周阵列组网规律组合形成。
7.基于异构棱锥模块的可展天线机构单元由一个六棱锥可展天线机构基本单元、六个四棱锥可展天线机构基本单元、六个三角形收拢结构以及顶面六边形收拢结构组成。
8.六棱锥可展天线机构基本单元由六个六棱锥底花盘，六根六棱锥左连杆，六根六棱锥右连杆，一个六棱锥顶花盘、六根六棱锥腹杆以及六个六棱锥连接盖组成。
9.六棱锥底花盘、六棱锥左连杆、六棱锥右连杆、六棱锥顶花盆、六棱锥腹杆以及六棱锥连接盖沿六边形中心处旋转60
°
设置。
10.四棱锥可展天线机构基本单元由两个六棱锥底花盘、两个四棱锥底花盘、一根六棱锥左连杆、一根六棱锥右连杆、三根四棱锥左连杆、三根四棱锥右连杆、一个四棱锥顶花盘、四根四棱锥腹杆、一个六棱锥连接盖、三个四棱锥连接盖组成。
11.左连杆、右连杆、四棱锥腹杆、六棱锥连接盖和四棱锥连接盖沿着正方形中心处旋转90
°
设置。
12.三角形收拢结构由一个六棱锥底花盘、两个四棱锥底花盘、两根四棱锥左连杆、两根四棱锥右连杆、一根三角形左连杆、一根三角形右连杆、两个四棱锥连接盖和一个三角形连接盖组成。
13.左连杆、右连杆、四棱锥连接盖和三角形连接盖沿三角形中心处旋转120
°
设置。
14.顶面六边形收拢结构在平面上划分为六个相同的顶面三角形收拢单元，所述顶面六边形收拢单元由一个六棱锥顶花盘、六个正面六边形收拢左连杆、六个正面六边形收拢连接盖、六个正面六边形收拢右连杆、六个正面六边形收拢右连杆和六个四棱锥顶花盘组成。
15.正面六边形收拢左连杆、正面六边形收拢连接盖、正面六边形收拢右连杆、四棱锥顶花盘沿着平面六边形中心处旋转60
°
设置。
16.基于异构棱锥模块的可展天线机构单元向中心联动收拢形成闭环；异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态所占空间体积v1为：
[0017][0018]
其中，d1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态上表面的外接圆直径，d1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态下表面外接圆直径，h1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态上下表面垂直距离。
[0019]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0020]
(1)以平面为基准，本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构的底面采用了正方形和等边六边形为主，等边三角形为辅，其正方形四边长度相等，六边形六边长度相等，等边三角形三边长度相等，使得可展天线机构整体收拢于中心处，收拢率高。
[0021]
(2)本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构，机构展开性能好，整体刚度大和强度高，可靠性高，且通过七个相同的基于异构棱锥模块的可展天线单元组成更大口径的可展天线机构，其由中心向外呈现圆周阵列状辐射，具有高度的结构对称性，使得其易于进一步向外拓展组网。
[0022]
(3)本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构中六棱锥的腹杆比四棱锥的腹杆长度要长，腹杆的长度决定收拢的高度，所以整体可展天线机构收拢于六棱锥顶花盘下，使得可展天线机构收拢后体积占比小。
附图说明
[0023]
图1为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的二维平面图；
[0024]
图2为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的三维俯视图；
[0025]
图3为本发明六棱锥可展天线机构基本单元的三维轴测图；
[0026]
图4为本发明四棱锥可展天线机构基本单元的三维轴测图；
[0027]
图5为本发明三角形收拢结构的三维轴测图；
[0028]
图6为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的三维轴测图；
[0029]
图7为本发明顶面六边形收拢结构的三维轴测图；
[0030]
图8为本发明第一平面顶面三角形收拢结构的三维轴测图；
[0031]
图9为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢的三维轴测图；
[0032]
图10为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢的三维主视图；
[0033]
图11为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢的三维俯视图；
[0034]
图12为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢的三维仰视图；
[0035]
图13为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开的三维轴测图；
[0036]
图14为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开的三维主视图；
[0037]
图15为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开的三维俯视图；
[0038]
图16所示为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构二维平面示意图；
[0039]
图17所示为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构三维俯视图；
[0040]
图18所示为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构三维轴测图；
[0041]
图19为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维轴测图；
[0042]
图20为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维主视图；
[0043]
图21为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维俯视图；
[0044]
图22为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维仰视图；
[0045]
图23为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维轴测图；
[0046]
图24为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维主视图；
[0047]
图25为本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开三维俯视图。
具体实施方式
[0048]
本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构，如图1所示：从平面上看，该可展天线机构由一个平面六边形、六个平面正方形和六个平面三角形组合成一个十二边形。其中，六个平面三角形各边的长度相等，分为第一平面三角形21、第二平面三角形22、第三平面三角形23、第四平面三角形24、第五平面三角形25和第六平面三角形26。六个平面正方形各边的长度相等，分为第一平面正方形31、第二平面正方形32、第三平面正方形33、第四平面正方形34、第五平面正方形35和第六平面正方形36。
[0049]
六边形的六条边与正方形的四条边长度相等；正方形四条边与三角形三条边长度相等；正方形按照六边形中心处每旋转60
°
设置，且六边形的边与四边形的边重合，三角形其中两条边共用相邻所述正方形的边。
[0050]
如图3所示，该平面六边形由六个六棱锥底花盘16、161、162、163、164、165，六根六棱锥左连杆12、121、122、123、124、125，六根六棱锥右连杆14、141、142、143、144、145，一个六棱锥顶花盘11、六根六棱锥腹杆151、六个六棱锥连接盖13、131、132、133、134和135组成一个六棱锥可展天线机构基本单元。
[0051]
如图3所示，该六棱锥可展天线机构基本单元顶面放置一个第一平面六棱锥顶花盘；该第一平面六棱锥顶花盘a11设置在六边形顶面中心处；所述六棱锥可展天线机构基本单元底面六边形的六个节点处放置六个六棱锥底花盘；该六个六棱锥底花盘分为第一平面六棱锥底花盘a16、第一平面六棱锥底花盘b161、第一平面六棱锥底花盘c162、第一平面六棱锥底花盘d163、第一平面六棱锥底花盘e164、第一平面六棱锥底花盘f165。
[0052]
六根六棱锥左连杆，按照六边形中心处每旋转60
°
设置一根六棱锥左连杆，所述六根六棱锥左连杆分为第一平面六棱锥左连杆a12、第一平面六棱锥左连杆b121、第一平面六棱锥左连杆c122、第一平面六棱锥左连杆d123、第一平面六棱锥左连杆e124和第一平面六棱锥左连杆f125；所述六根六棱锥右连杆，按照所述六边形中心处每旋转60
°
设置一根六棱锥右连杆，所述六根六棱锥右连杆分为第一平面六棱锥右连杆a14、第一平面六棱锥右连杆b141、第一平面六棱锥右连杆c142、第一平面六棱锥右连杆d143、第一平面六棱锥右连杆e144和第一平面六棱锥右连杆f145；所述六根六棱锥腹杆，按照所述六边形中心处每旋转60
°
设置一根六棱锥腹杆，所述六根六棱锥腹杆分为第一平面六棱锥腹杆a15、第一平面六棱锥腹杆b151、第一平面六棱锥腹杆c152、第一平面六棱锥腹杆d153、第一平面六棱锥腹杆e154和第一平面六棱锥腹杆f155；所述六个六棱锥连接盖，按照所述六边形中心处每旋转60
°
设置一个六棱锥连接盖，所述六个六棱锥连接盖分为第一平面六棱锥连接盖a13、第一平面六棱锥连接盖b131、第一平面六棱锥连接盖c132、第一平面六棱锥连接盖d133、第一平面六棱锥连接盖e134和第一平面六棱锥连接盖f135。
[0053]
上述六棱锥单元各个连杆、连接盖、花盘和腹杆之间均通过轴销进行连接，相互之间组成转动连接关系。
[0054]
如图4所示，所述平面上正方形由两个六棱锥底花盘16，161、两个四棱锥底花盘311，3111、一根六棱锥左连杆121、一根六棱锥右连杆141、三根四棱锥左连杆313，3131，3132、三根四棱锥右连杆316，3161，3162、一个四棱锥顶花盘314、四根四棱锥腹杆312、一个六棱锥连接盖131、三个四棱锥连接盖315，3151，3152组成一个四棱锥可展天线机构基本单元。
[0055]
如图4所示，该四棱锥可展天线机构基本单元顶面放置一个第一平面四棱锥顶花盘；所述第一平面四棱锥顶花盘a314设置在正方形顶面中心处；所述四棱锥可展天线机构基本单元底面六边形的四个节点处放置了两个六棱锥底花盘、两个四棱锥底花盘；所述两个六棱锥底花盘分为第一平面六棱锥底花盘a16和第一平面六棱锥底花盘b161；所述两个四棱锥底花盘分为第一平面四棱锥底花盘a311和第一平面四棱锥底花盘b3111；所述四根左连杆按照所述正方形中心处每旋转90
°
设置一根左连杆，所述四根左连杆分为第一平面六棱锥左连杆b121、第一平面四棱锥左连杆a313、第一平面四棱锥左连杆b3131和第一平面四棱锥左连杆c3132；所述四根右连杆，按照所述正方形中心处每旋转90
°
设置一根右连杆，所述四根右连杆分为第一平面六棱锥右连杆c142、第一平面四棱锥右连杆a316、第一平面四棱锥右连杆b3161和第一平面四棱锥右连杆c3162；所述四根四棱锥腹杆，按照所述正方形中心处每旋转90
°
设置一根四棱锥腹杆，所述四根四棱锥腹杆分为第一平面四棱锥腹杆a312、第一平面四棱锥腹杆b3121、第一平面四棱锥腹杆c3122和第一平面四棱锥腹杆d3123。所述四个连接盖，按照所述正方形中心处每旋转90
°
设置一个连接盖，所述四个连接盖分为一个第一平面六棱锥连接盖b131、第一平面四棱锥连接盖a315、第一平面四棱锥连
接盖b3151和第一平面四棱锥连接盖c3152。
[0056]
上述四棱锥单元各个连杆、连接盖、花盘和腹杆之间均通过轴销进行连接，相互之间组成转动连接关系。
[0057]
如图5所示，所述平面上三角形由一个六棱锥底花盘16、两个四棱锥底花盘367，311、两根四棱锥左连杆3132、两根四棱锥右连杆3631，3162、一根三角形左连杆211、一根三角形右连杆213、两个四棱锥连接盖16和311，以及一个三角形连接盖367组成一个三角形收拢结构。
[0058]
如图5所示：所述三角形收拢结构底面三角形的三个节点处分别设置了一个六棱锥底花盘、两个四棱锥底花盘；所述一个六棱锥底花盘为第一平面六棱锥底花盘a16；所述两个四棱锥底花盘分为第一平面四棱锥底花盘a311和第六平面四棱锥底花盘d367；所述三根左连杆按照所述三角形中心处每旋转120
°
设置一根左连杆，所述三根左连杆分为第一平面三角形收拢左连杆a211、第一平面四棱锥左连杆c3132和第六平面四棱锥左连杆b3631；所述三根右连杆，按照所述三角形中心处每旋转120
°
设置一根右连杆，所述三根右连杆分为第一平面三角形收拢右连杆a213、第一平面四棱锥右连杆c3162和第六平面四棱锥右连杆b3661；所述三个连接盖按照所述三角形中心处每旋转120
°
设置一根连接盖，所述三个连接盖分为第一平面三角形收拢连接盖a212、第一平面四棱锥连接盖c3152和第六平面四棱锥连接盖b3651。
[0059]
上述三角形收拢结构各个连杆、连接盖、花盘和腹杆之间均通过轴销进行连接，相互之间组成转动连接关系。
[0060]
如图6所示，本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构单元由一个六棱锥可展天线机构基本单元、六个四棱锥可展天线机构基本单元、六个三角形收拢结构以及顶面六边形收拢结构组合而成。
[0061]
如图6、图7所示，该顶面六边形收拢结构平面上划分成六个顶面三角形收拢结构；所述六个顶面三角形收拢结构相同，分为第一平面顶面三角形收拢结构41、第二平面顶面三角形收拢结构42、第三平面顶面三角形收拢结构43、第四平面顶面三角形收拢结构44、第五平面顶面三角形收拢结构45、第六平面顶面三角形收拢结构46；所述顶面六边形收拢结构由一个六棱锥顶花盘、六个正面六边形收拢左连杆、六个正面六边形收拢连接盖、六个正面六边形收拢右连杆、六个正面六边形收拢右连杆和六个四棱锥顶花盘组成。
[0062]
如图8所示，该第一平面顶面三角形收拢结构41由一个六棱锥顶花盘、两个正面六边形收拢左连杆、两个正面六边形收拢连接盖、两个正面六边形收拢右连杆、一个正面六边形收拢右连杆、一个侧面六边形收拢连接盖、一个侧面六边形收拢右连杆、和两个四棱锥顶花盘组成；所述顶面六边形收拢结构顶面中心处放置一个六棱锥顶花盘；所述六棱锥顶花盘为第一平面六棱锥顶花盘a11；所述六个正面六边形收拢左连杆，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个正面六边形收拢左连杆；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的两个正面六边形收拢左连杆分为第一平面正面六边形收拢左连杆a411和第二平面正面六边形收拢左连杆a421；所述六个正面六边形收拢连接盖，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个正面六边形收拢连接盖；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的两个正面六边形收拢连接盖分为第一平面正面六边形收拢连接盖a412和第二平面正面六边形收拢连接盖a422；所述六个正面六边形收拢右连杆，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置
一个正面六边形收拢右连杆；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的两个正面六边形收拢右连杆分为第一平面正面六边形收拢右连杆a413和第二平面正面六边形收拢右连杆a423。
[0063]
所述六个侧面六边形收拢左连杆，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个侧面六边形收拢左连杆；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的一个侧面六边形收拢左连杆为第一平面侧面六边形收拢左连杆a414；所述六个侧面六边形收拢连接盖，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个侧面六边形收拢连接盖；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的一个侧面六边形收拢连接盖为第一平面侧面六边形收拢连接盖a415；所述六个侧面六边形收拢右连杆，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个侧面六边形收拢右连杆；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的一个侧面六边形收拢右连杆为第一平面侧面六边形收拢右连杆a416；所述六个四棱锥顶花盘，按照所述平面六边形中心处每旋转60
°
设置一个四棱锥顶花盘；所述第一平面顶面三角形收拢结构41的两个四棱锥顶花盘分为第一平面四棱锥顶花盘a314和第六平面四棱锥顶花盘a364。
[0064]
如图9、10、11、12所示，d1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态上表面的外接圆直径，d1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态下表面外接圆直径，h1为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态上下表面垂直距离，d1＝85.5mm，d1＝85.5mm，h1＝91.4mm。异构棱锥模块的可展天线机构单元完全收拢位型状态所占空间体积v1为：
[0065][0066]
如图13、14、15所示，d
21
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11上表面的外接圆直径，d
21
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11下表面的外接圆直径，h
21
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11上下表面之间的垂直距离，d
22
为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开位型状态上表面的外接圆直径，d
22
为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开位型状态下表面外接圆直径，h
22
为异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开位型状态上下表面之间的垂直距离，d
21
＝68mm，d
21
＝68mm，h
21
＝2.0mm，d
22
＝288.2mm，d
22
＝401.4mm，h
22
＝55.0mm。
[0067]
基于异构棱锥模块的可展天线机构单元完全展开位型状态所占空间体积v2为：
[0068][0069][0070]v2
＝v
21
+v
22
＝1651692.783πmm
[0071]
在基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的完全收拢位型和完全展开位型状态下，可展天线机构单元所占空间体积的比值称为收拢率，即异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态所占空间体积v2和异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态所占空间体积v1之比，经计算基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的收拢率λ1为：
[0072]
[0073]
如图16、17、18所示，基于异构棱锥模块的可展天线机构，在三维软件中建立基于异构棱锥模块的可展天线机构单元的三维模型后，将基于异构棱锥模块的可展天线机构单元中心处为旋转中心，沿周向阵列，即得到基于异构棱锥模块的可展天线机构；具体为，在一个基于异构棱锥模块的可展天线机构单元上向外组合六个基于异构棱锥模块的可展天线机构模块，并按照60度圆周阵列组网规律组合形成。
[0074]
本发明基于异构棱锥模块的可展天线机构分为基于异构棱锥模块的可展天线机构单元ⅰ、基于异构棱锥模块的可展天线机构一模块ⅱ、基于异构棱锥模块的可展天线机构二模块ⅲ、基于异构棱锥模块的可展天线机构三模块ⅳ、基于异构棱锥模块的可展天线机构四模块
ⅴ
、基于异构棱锥模块的可展天线机构五模块ⅵ、基于异构棱锥模块的可展天线机构六模块ⅶ。
[0075]
在基于异构棱锥模块的可展天线机构的收拢原理基础上，由于相邻的基于异构棱锥模块的可展天线机构单元之间收拢辅助杆的存在，使得基于异构棱锥模块的可展天线机构形成闭环，带动相邻基于异构棱锥模块的可展天线机构单元向中心联动收拢，最终实现基于异构棱锥模块的可展天线机构的收拢。
[0076]
如图19、图20、图21、图22所示，d3为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态上表面的外接圆直径，d3为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态下表面外接圆直径，h3为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态上下表面垂直距离，d3＝213.26mm，d3＝213.26mm，h3＝91.4mm。基于异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态所占空间体积v3为：
[0077][0078]
如图23、图24、图25所示，d
41
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11上表面的外接圆直径，d
41
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11下表面的外接圆直径，h
41
为所述第一平面六棱锥顶花盘a11上下表面之间的垂直距离，d
42
为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态上表面的外接圆直径，d
42
为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态下表面外接圆直径，h
42
为基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态上下表面之间的垂直距离，d
41
＝68mm，d
41
＝68mm，h
41
＝2.0mm，d
42
＝834.62mm，d
42
＝940.04mm，h
42
＝55.0mm。
[0079]
基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态所占空间体积v2为：
[0080][0081][0082]v4
＝7v
41
+v
42
＝10855042.8495πmm
[0083]
在基于异构棱锥模块的可展天线机构的完全收拢位型和完全展开位型状态下，可展天线机构所占空间体积的比值称为收拢率，即基于异构棱锥模块的可展天线机构完全展开位型状态所占空间体积v4和基于异构棱锥模块的可展天线机构完全收拢位型状态所占
空间体积v3之比,经计算基于异构棱锥模块的可展天线机构的收拢率λ2为：
[0084]