一种星载固面可展开天线的制作方法

本发明涉及卫星天线结构设计技术领域，具体地说，涉及一种星载固面可展开天线。

背景技术：

天线作为一种无线通信设备，在航空航天、气象、通讯、军事诸多领域发挥着巨大的作用。目前，星载天线广泛应用于各类卫星系统中，随着航天技术的不断发展和航天应用的不断拓展，研发大口径、高精度、轻质量的星载天线已经成为一种发展趋势。但由于运载火箭有效容纳空间、运载能力的限制，要求天线在发射阶段以收拢状态固定在运载工具有效载荷舱内，待航天器进入轨道后，再由地面控制中心指令其在空间轨道按设计要求逐步完成展开过程，然后锁死并保持为工作状态，因而天线的可展开成为大型星载天线的一个显著特征，可从收纳率、型面精度、型面保持能力、展开及支撑刚度多方面来衡量星载天线的综合特性。

在各类星载天线中，对抛物面可展开天线的研究一直是一个重点。抛物面天线按照其反射面的形式可分为网状抛物面天线和固面抛物面天线。尽管反射面形式各有不同，但为尽可能的追求较高的收纳率，可展开抛物面天线一般采用类似雨伞的结构形式。现有的该类天线一般都有展开口径较小、展开精度低、支撑刚度差、反射面精度低、冲击响应敏感等缺陷，直接影响卫星的使用寿命和工作性能，难以满足大型星载天线系统的需求。

发明专利cn105896020a公开了“一种可展开固面天线”，该固面天线的特点是收纳率和反射面精度较高，但展开口径因自身结构而受到限制，无法应用到大型可展天线上，且支撑刚度和展开精度较差，难以保证天线的每块面板都能顺利展开。

发明专利cn103872422a提出了“一种伞状可展开天线系统”，该天线系统收纳率较高、质量轻，但展开口径较小，适用于小型可展天线；当展开口径增大时，天线反射器的展开过程在实际操作中有较大的难度；在太空中严酷的高低温环境下，天线反射器的型面容易发生变化，型面系统的稳定性不高，不具有较高的型面精度和型面保持能力，进而影响到天线反射器的性能。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种星载固面可展开天线；该天线的支撑及展开机构设置在天线的背面，能实现二次空间展开，具有展开口径大、展开支撑刚度强、型面精度高及型面保持能力强的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括固面反射器、可展机构、驱动组件；所述固面反射器包括下面板、上面板、第一扇形面板、第二扇形面板、第三扇形面板、第一环形面板、第二环形面板、第三环形面板和底面板，所述固面反射器由多块刚性薄板组成，刚性薄板相互铰接处设有矩形平面，且铰接处矩形平面位于同一平面内；所述底面板与下面板通过铰链铰接，铰链安装在面板内表面，所述下面板一侧与第一扇形面板通过铰链铰接、另一侧与第二扇形面板通过铰链铰接，铰链安装在面板内表面，所述第一扇形面板与第三扇形面板通过弹力储能元件铰接，弹力储能元件安装在面板外表面，所述下面板与上面板之间通过弹力储能元件铰接，弹力储能元件安装在面板外表面，所述上面板一侧与第一环形面板通过弹力储能元件铰接，另一侧与第二环形面板通过弹力储能元件铰接，弹力储能元件安装在面板内表面；固面反射器中相邻两块面板之间通过锁止机构锁紧；

所述可展机构由多个同步三杆可展单元、多个同步二杆可展单元、多根连接杆和多根支撑杆阵列组合而成，同步三杆可展单元、同步二杆可展单元、第一连接杆、第二连接杆和支撑杆连接组合成可展机构的基本单元；所述连接杆包括第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆，所述同步三杆可展单元包括第一锥齿轮副、第二锥齿轮副、第三锥齿轮副、大石墨轴承、第一t型转轴、第二t型转轴、第三t型转轴和连接节点主体，第一锥齿轮副、第二锥齿轮副、第三锥齿轮副分别由两个结构相同的锥齿轮组成，相互啮合且轴交角为60°，第一锥齿轮副与第二锥齿轮副、第二锥齿轮副与第三锥齿轮副、第三锥齿轮副与第一锥齿轮副分别通过第一t型转轴、第二t型转轴、第三t型转轴固定连接，且位于连接节点主体上，t型转轴两端与连接节点主体间安装有大石墨轴承；三对锥齿轮副依轴线中心呈正三角形分布在同一平面内，t型转轴另一端接头有螺纹，第一t型转轴的接头与第一连接杆连接，第二t型转轴的接头与第二连接杆连接，第三t型转轴的接头与支撑杆连接；

所述同步二杆可展单元包括不完全齿轮副、小石墨轴承、连接板、第一同步杆接头、第二同步杆接头，第一同步杆接头、第二同步杆接头通过转轴与小石墨轴承对称安装在连接板内，不完全齿轮副位于连接板外侧面，且与第一同步杆接头、第二同步杆接头同轴安装，同步杆接头设有螺纹，第一同步杆接头与第二连接杆螺纹连接、第二同步杆接头与第三连接杆螺纹连接，连接板侧端面设有限位挡板，同步二杆可展单元展开时，第一同步杆接头、第二同步杆接头位于限位挡板上面，且第一同步杆接头与第二同步杆接头之间夹角为180°；所述支撑杆、连接杆为空心圆柱杆，两端有螺纹，连接杆用于同步三杆可展单元和同步二杆可展单元连接，支撑杆用于同步三杆可展单元和下面板连接，实现可展机构与固面反射器的连接；

所述连接节点主体包括v型板、节点底座、下挡板和上挡板，所述v型板为多块结构相同的矩形板两两连接而成，每两块矩形板之间的夹角θ为120°，矩形板上分别设有轴孔，且轴孔中心位于同一平面内，v型板固定在节点底座上，每两对v型板之间的节点底座上均设有下挡板、上挡板，下挡板、上挡板用于限定t型转轴的转动角度为0～90°；

所述下面板背面沿轴向设有滑轨，万向铰链的滑块安装在滑轨上，滑轨两端有滑块挡板用于限制滑块的运动；所述万向铰链包括万向节、滑块，万向节位于滑块下面并通过转轴连接，万向节与支撑杆螺纹连接；

所述驱动组件包括驱动电机和弹力储能元件，驱动电机与同步三杆可展单元相连接；所述弹力储能元件包括弹力柔性件、转动件、压板、销轴、弹簧、锁止销，所述压板上表面为平面，压板下表面四角和侧边中间部位设有凸台，压板与转动件通过螺钉固连形成空腔，用于安装弹力柔性件；所述转动件为两个结构相同的部件,转动件的凸块中间有轴孔，轴孔附近处按展开角度设置有锁止孔，两个转动件通过销轴安装，两个转动件接触面的相同位置的锁止孔分别为深度不同、直径相同的盲孔，深孔用于安装弹簧和锁止销，浅孔用于锁紧时楔紧锁止销。

所述固面反射器中任意相邻两块面板铰接处均设有锁止机构。

所述固面反射器组成的刚性薄板采用碳纤维增强复合材料。

万向铰链、铰链、t型转轴、连接杆、支撑杆、锁止机构和连接节点主体均采用钛合金材料加工成型。

有益效果

本发明星载固面可展开天线与现有技术相比:

1.本发明的同步三杆可展单元基于锥齿轮的闭合传动原理，提出可确保三根杆件同步运动的三杆可展单元节点，并结合双齿轮传动平面型同步二杆可展单元节点，组成正六边形单元同步多杆对称可展机构。展开方式属于多节点同步展开，各转动轴所连接的杆件精确同步运动，进而使同步三杆可展单元以几何构型平稳通过运动奇异点；充分发挥同步多杆可展机构单自由度可动、无运动奇异点、收纳率高、展开精度高的优势，可应用于新型对称可展机构，尤其适用于由转动副、剪式铰单元构成的可展过约束体系。

2.本发明中按照可展机构的同步可展单元组合方式，可组成较大跨度的三维闭环可展体系，即基于正六边形单元的同步多杆阵列对称可展体系，在大型可展天线、太阳能帆板、开合屋盖结构等工程领域具有广阔的应用前景。

3.本发明对固面反射器面板分块时，进行了结构优化设计，避免了天线在展开和收拢过程中发生干涉；在电信号和驱动组件作用下，固面反射器由初始的收拢状态通过可展机构和弹力储能元件实现二次空间展开，展开完成后，固面反射器中任意相邻两块面板之间通过锁止机构铰接并锁紧，同时，可展机构也被锁紧，天线整体稳定在完全展开状态。

4.本发明星载固面可展天线的支撑及可展机构设置在天线的背面；可展机构不仅可实现可展部件的作业展开，而且不会影响反射面的有效面积，极大地提高了天线反射器的反射效果。

5.本发明的可展天线具有展开口径大、型面精度高、型面保持能力强、稳定性高、收纳率高、展开及支撑刚度大的特点，可用于太空或地面作为反射器或汇聚器。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种星载固面可展开天线作进一步详细说明。

图1为本发明星载固面可展开天线结构示意图。

图2为本发明星载固面可展开天线收拢状态示意图。

图3为本发明星载固面可展开天线展开状态仰视图。

图4为本发明星载固面可展开天线展开状态结构示意图。

图5为本发明的可展机构收拢状态结构示意图。

图6为本发明的连接节点主体结构示意图。

图7为本发明的t型转轴示意图。

图8为本发明的连接杆示意图。

图9为本发明的节点底座结构示意图。

图10为本发明的同步杆接头示意图。

图11为本发明的同步二杆可展单元示意图。

图12为本发明的下面板、滑块、滑轨安装部位示意图。

图13为本发明的万向铰链结构示意图。

图14为本发明的弹力储能元件结构示意图。

图15为本发明的转动件结构示意图。

图16为本发明的可展机构展开过程示意图。

图17为本发明的可展机构展开状态示意图。

图18为本发明基于正六边形单元的同步多杆阵列可展体系展开示意图。

图中:

1.同步三杆可展单元2.同步二杆可展单元3.底面板4.下面板5.上面板6.第一扇形面板6a.第二扇形面板6b.第三扇形面板7.第一环形面板7a.第二环形面板7b.第三环形面板8.万向铰链9.弹力储能元件10.铰链11.锁止机构12.第一锥齿轮副12a.第二锥齿轮副12b.第三锥齿轮副13.大石墨轴承14.第一t型转轴14a.第二t型转轴14b.第三t型转轴15.连接节点主体16.第一连接杆16a.第二连接杆16b.第三连接杆17.支撑杆18.不完全齿轮副19.小石墨轴承20.连接板21.滑轨22.滑块挡板23.万向节24.滑块25.弹力柔性件26.转动件27.压板28.销轴29.弹簧30.锁止销31.v型板32.节点底座33.下挡板34.可展机构35.固面反射器36.驱动电机37.上挡板38.第一同步杆接头38a.第二同步杆接头39.限位挡板

具体实施方式

本实施例是一种星载固面可展开天线。

参阅图1～图15，本实施例星载固面可展开天线，展开口径为12m；其中包括由多块刚性薄板组成的固面反射器35，用于支撑和控制固面天线展开及收拢状态切换的可展机构34及用于动力装置的驱动组件。驱动组件包括驱动电机36和弹力储能元件9；固面反射器35与可展机构34通过万向铰链8连接，驱动电机36与同步三杆可展单元1相连接；在电信号和驱动组件作用下，固面反射器35由初始的收拢状态通过可展机构34和弹力储能元件9实现二次空间展开，并在锁止机构11作用下，天线整体稳定在完全展开状态。

本实施例中，固面反射器35是由37块片状刚性薄板组成的抛物面天线面板，对称安装。固面反射器35包括六边形的底面板3、6块下面板4、6块上面板5、12块扇形面板、12块环形面板，其中扇形面板包括第一扇形面板6、第二扇形面板6a、第三扇形面板6b，环形面板包括第一环形面板7、第二环形面板7a、第三环形面板7b；在每块片状刚性薄板的铰接处，且在不影响型面精度的情况下将抛物面填充为平面，便于在铰接平面处安装铰链，使各面板之间铰接，避免天线面板在展开和收拢过程中发生干涉。每块面板铰接处设有矩形平面，且铰接处矩形平面位于同一平面内；底面板3与下面板4通过铰链10铰接，铰链10安装在面板内表面，且沿铰接轴线设置三处。下面板4的一侧与第一扇形面板6通过铰链10铰接，下面板4的另一侧与第二扇形面板6a通过铰链10铰接，铰链10安装在面板内表面，且沿铰接轴线设置三处。第一扇形面板6与第三扇形面板6b之间通过弹力储能元件9铰接，弹力储能元件9安装在面板外表面，且沿铰接轴线设置两处。下面板4与上面板5之间通过弹力储能元件9铰接，弹力储能元件9安装在面板外表面，且沿铰接轴线设置两处。上面板5的一侧与第一环形面板7通过弹力储能元件9铰接、另一侧与第二环形面板7a通过弹力储能元件9铰接，弹力储能元件9安装在面板内表面，且沿铰接轴线设置两处。固面反射器35中任意相邻两块面板铰接处均设有锁止机构11；天线在收拢状态和展开过程中，第一环形面板7与第三环形面板7b之间、第一扇形面板6与第一环形面板7之间是分离的，天线展开完成后，固面反射器35中任意相邻两块面板之间通过锁止机构11铰接并锁紧。

固面反射器35由不同形状的面板单元阵列组合连接而成。各面板单元在收拢和展开过程中沿直线铰接，对抛物面天线面板进行分块时，除扇形面板与环形面板之间的分割面外，其余各面板单元之间的分割面均为平面。

本实施例中，可展机构34是由6个同步三杆可展单元1、6个同步二杆可展单元2、12根连接杆和6根支撑杆17阵列组合而成的三维闭环正六边形单元同步多杆对称可展机构；其中，连接杆包括第一连接杆16、第二连接杆16a、第三连接杆16b，同步三杆可展单元1包括相互啮合的第一锥齿轮副12、第二锥齿轮副12a、第三锥齿轮副12b、大石墨轴承13、第一t型转轴14、第二t型转轴14a、第三t型转轴14b和连接节点主体15；相互啮合的锥齿轮副包括两个结构相同的锥齿轮，且其轴交角为60°。第一锥齿轮副12与第二锥齿轮副12a、第二锥齿轮副12a与第三锥齿轮副12b、第三锥齿轮副12b与第一锥齿轮副12分别通过第一t型转轴14、第二t型转轴14a、第三t型转轴14b固定连接，且安装在连接节点主体15上，t型转轴两端与连接节点主体15间有大石墨轴承。三对锥齿轮副依轴线中心呈正三角形分布在同一平面内。

装配时须保证同步三杆可展单元1在完全展开时，第一t型转轴14、第二t型转轴14a、第三t型转轴14b位于同一平面内；t型转轴的接头设有螺纹，第一t型转轴14的接头与第一连接杆16连接，第二t型转轴14a的接头与第二连接杆16a连接，第三t型转轴14b的接头与支撑杆17连接。同步二杆可展单元2包括不完全齿轮副18、小石墨轴承19、连接板20、第一同步杆接头38、第二同步杆接头38a、限位挡板39，第一同步杆接头38、第二同步杆接头38a通过转轴与小石墨轴承19对称安装在连接板20内，不完全齿轮副18位于连接板20外侧，且与第一同步杆接头38、第二同步杆接头38a同轴安装，同步杆接头设有螺纹，第一同步杆接头38与第二连接杆16a螺纹连接、第二同步杆接头38a与第三连接杆16b螺纹连接。连接板20侧端面设有限位挡板39，同步二杆可展单元2展开时，第一同步杆接头38、第二同步杆接头38a位于限位挡板39上面，第一同步杆接头38与第二同步杆接头38a之间夹角为180°。支撑杆17、连接杆为空心圆柱杆，两端有螺纹，连接杆用于同步三杆可展单元1和同步二杆可展单元2连接，支撑杆17用于同步三杆可展单元1和下面板4连接，实现可展机构34与固面反射器35的连接。

为保证第二连接杆16a、第三连接杆16b的转动角度为0～90°，且在转动过程中不完全齿轮副18完全啮合，本实施例中取不完全齿轮为圆齿轮的1/3。同步三杆可展单元1、同步二杆可展单元2、第一连接杆16、第二连接杆16a和支撑杆17连接组合成可展机构34的基本单元。

连接节点主体15包括v型板31、节点底座32、下挡板33和上挡板37，v型板31为多块结构相同的矩形板两两连接而成，每两块矩形板之间的夹角θ为120°，矩形板上分别设有轴孔，且轴孔位于同一平面内，轴孔用于安装大石墨轴承13；v型板固定在节点底座32上，每两对v型板之间节点底座32上均设有下挡板33和上挡板37，用于限定t型转轴的转动角度为0～90°。

可展机构34的展开方式属于多节点同步展开，可动自由度为1，故只需一个动力源进行驱动。正六边形单元同步多杆对称可展机构在完全展开状态下具有更大的覆盖面积，且刚度和收纳率更高；可展机构34在驱动电机36的驱动作用下，各连接杆和支撑杆17随同步三杆可展单元1、同步二杆可展单元2进行同步展开，从紧凑的圆捆折叠状态平稳运动至完全展开状态，且过程可逆。展开过程中，连接杆单元两端的同步节点分别位于两个运动平面上，并相互平行，所有同步节点沿正六边形辐向同步展开，直至完全展开时，所有同步节点位于同一平面。

下面板4背面沿轴向设有滑轨21，万向铰链的滑块24安装在滑轨上,滑轨21的两端设有滑块挡板22用于限制滑块24的运动。万向铰链8包括万向节23、滑块24，万向节23位于滑块24下面并通过转轴连接，万向节23与支撑杆17螺纹连接；万向铰链8用于连接滑轨21与支撑杆17，避免下面板4和支撑杆17在运动过程中发生干涉；通过可展机构34带动万向铰链8，下面板4在万向铰链8的牵引下展开，进而实现固面反射器35的第一次空间同步展开。

本实施例中，驱动组件包括驱动电机36和弹力储能元件9，驱动电机36与同步三杆可展单元1相连接。弹力储能元件9包括弹力柔性件25、转动件26、压板27、销轴28、弹簧29、锁止销30，压板27上表面为平面，压板27下表面的四角和侧边中间处分别有凸台，压板27和转动件26通过螺钉固连形成空腔，用于安装弹力柔性件25，弹力柔性件25在空腔内作微间隙的滑动。转动件26为两个结构相同的部件,转动件26的凸块中间有轴孔并通过销轴28安装，两个转动件26轴孔附近处按展开角度设有锁止孔。两个转动件26接触面的相同位置分别设有深度不同直径相同的盲孔，深孔用于安装弹簧29和锁止销30，浅孔用于锁紧时楔紧锁止销30。当两转动件26的夹角为180°时，弹力柔性件全部位于压板27和转动件26形成的空腔内，弹力柔性件没有发生弹性变形。当对弹力储能元件9施加扭矩时，两转动件26的夹角改变，此时弹力柔性件25的一部分被从空腔里拉出，被拉出部分的弹力柔性件25参与工作变形，在空腔内的弹力柔性件不发生弹性变形；当去除外力，转动件在弹力柔性件25的回复弹力力作用下，回到初始状态。天线在收拢状态和第一次空间展开时，弹力储能元件9的弹力柔性件25处于工作变形状态；天线面板经电信号控制，通过弹力储能元件9的回复弹力作用实现第二次空间展开；天线面板展开完成后通过弹力储能元件9铰接并锁紧。

弹力储能元件9作为部分天线面板第二次空间展开的动力源，同时也是具有锁止功能的恒扭矩柔性铰链，起着驱动和铰接双重作用；通过改变弹力柔性件25的材料、长度、宽度、厚度的要求可实现不同的驱动力矩。

本实施例中，正六边形单元同步多杆对称可展机构34由同步n1杆可展机构和同步n2杆可展机构阵列组合而成，其中，n1＝2、n2＝3。对于n1、n2的说明如下:

根据结构在完全收拢、展开状态下的几何位移协调条件，可知:

式中，不等式左边为n1杆连接节点处相邻单元所成夹角，不等式右边为正n2边形的内角。由于整数n1≥2、n2≥3，并考虑到节点处的对称性要求，求得满足式(1)的有限个可行解为:

考虑到天线面板需要多节点六杆机构同步展开，本实施例中取n1＝2、n2＝3，即采用由同步三杆可展单元1和同步二杆可展单元2阵列组合而成的正六边形单元同步多杆对称可展机构。

本实施例中，固面反射器35为刚性薄板，采用碳纤维增强复合材料制成，可减轻天线的质量。万向铰链8、铰链10、锁止机构11、t型转轴、连接节点主体15、连接杆、支撑杆17、连接板20均采用钛合金加工成型，进而在保证零件强度的前提下，减轻天线的质量。

本实施例中的可展机构34、固面反射器35均由基本单元阵列组合而成；其中，第一扇形面板6、第二扇形面板6a、第三扇形面板6b为结构相同的部件，第一环形面板7、第二环形面板7a、第三环形面板7b为结构相同的部件，第一锥齿轮副12、第二锥齿轮副12a、第三锥齿轮副12b为结构相同的部件，第一t型转轴14、第二t型转轴14a、第三t型转轴14b为结构相同的零部件，第一连接杆16、第二连接杆16a为结构相同的部件，第一同步杆接头38、第二同步杆接头38a为结构相同的零部件，各零部件只是安装位置和连接关系不同。

本实施例在正常展开时，驱动方式为:星载固面可展开天线通过电信号解锁锁紧绳，在驱动电机36的作用下，固面反射器35的下面板4通过万向铰链8随可展机构34进行展开；同时，扇形面板在弹力储能元件9和铰链10的作用下进行展开；完成天线的第一次空间同步展开。底面板3与下面板4之间、下面板4与第一扇形面板6之间、下面板4与第二扇形面板6a之间、第一扇形面板6与第三扇形面板6b之间通过锁止机构11锁紧，同时，可展机构34被锁紧。第一次展开完成后，解锁弹力储能元件9；固面反射器35的上面板5和环形面板在弹力储能元件9和压缩弹簧的作用下，实现第二次空间展开；展开完成后，固面反射器35中任意相邻两块面板之间通过锁止机构11铰接并锁紧，天线整体稳定在完全展开状态。

本实施例按照可展机构34的同步可展单元组合方式，可组成较大跨度的三维闭环可展体系。图18为基于正六边形单元的同步多杆阵列对称可展体系的完全展开状态，可展体系由多个正六边形单元同步多杆对称可展机构34沿节点所在平面方向衍生而成，具有较显著的空间群对称性；其可动自由度始终为1，与模块单元数量无关，整个可展体系只需一个动力源实现展开。基于正六边形单元的同步多杆阵列对称可展体系满足折叠状态下占用空间小、展开状态下覆盖面积大、无运动奇异点、单自由度同步可折叠-展开、展开精度高的要求，在大型可展天线、太阳能帆板、开合屋盖结构工程领域具有广阔的应用前景。