一种抛物柱面可展开天线系统、控制方法及应用

1.本发明属于星载天线技术领域，尤其涉及一种抛物柱面可展开天线系统、控制方法及应用。


背景技术：

2.目前，随着航天科技事业的迅速发展，大型乃至超大型星载天线的需求愈发迫切，抛物柱面天线由于其反射面独特的成型方式，能够实现光束自动扫描和多频段的信号传输，同时，相较与传统的固面反射面天线，可展开天线质量和收纳比上具有突出优势，所以抛物柱面展开天线在国内外各大航天研究机构皆成为了重点研究对象。在抛物柱面展开天线的结构中，天线模块是抛物柱面展开天线完成任务指标的主要行动对象。具有高收纳比和轻质量的天线模块是抛物柱面展开天线精准接收和传输信号的前提，其运动结构的设计影响了天线展开的可靠性。
3.2016年，中科院国家空间科学中心设计了一种固面可展开抛物柱面天线(管晓栋.可展开抛物柱面天线与分离载荷结构总体设计与分析[d].中国科学院国家空间科学中心,2016.)，并围绕结构展开动力学问题进行了详细分析。该固面可展开抛物柱面天线虽然具有较高的型面精度，但由于其各块反射面为固面，发射时须固定在星体四周，成功入轨后再展开，导致其收拢体积和重量都比较大，会对卫星的发射增加较大的负担，所以不适用于大型抛物柱面展开天线。2018 年，南京航空航天大学针对构架式可展开抛物柱面天线结构进行了深入研究，提出了一种模块化可展开抛物柱面天线(董自瑞.模块化可展开抛物柱面天线展开机构设计与仿真[j].机械制造与自动化,2018,47(06):119-123.)。该天线的可展开支撑机构主要由可展开肋单元沿着基线方向和抛物线方向阵列装配形成，针对不同口径和焦距的抛物柱面天线，只需调整可展开单元数目和单元斜杆尺寸即可实现目标抛物线的拟合。网状抛物柱面可展开天线具有质量低的优点，但面形精度不能满足高频段要求。
[0004]
因此，需要解决上述问题，提出了轻质量、高精度的抛物柱面可展开天线。
[0005]
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：固面展开天线虽然具有较高的型面精度，但重量比较大，从而加重卫星的负载。网状可展开天线虽然解决了重量的问题，但是信号精度达不到高频段要求。
[0006]
解决以上问题及缺陷的难度为：既要兼顾精度，又要保证轻质量。
[0007]
解决以上问题及缺陷的意义为：在保证轻质量以及高精度的情况下，保证了天线性能，进而降低发射成本。


技术实现要素：

[0008]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种抛物柱面可展开天线系统、控制方法及应用。
[0009]
本发明是这样实现的，一种抛物柱面可展开天线系统包括：
[0010]
星体、馈源、天线模块和导轨模块；
[0011]
所述馈源为相控阵体制，布置在天线抛物柱面焦线位置；
[0012]
所述天线模块包括基线肋、抛物线肋、同步齿轮模组和金属丝网，所述基线肋与抛物线肋底端通过旋转销轴连接，所述同步齿轮模组通过旋转销轴与抛物线肋中的中心接头连接，两根抛物线肋之间通过基线肋和同步齿轮模组连接；
[0013]
所述导轨模块包括固定支座和导轨，所述固定支座通过圆孔与导轨同轴心滑动连接；固定支座上端开孔，通过紧定螺钉与星体相接；固定支座远卫星端开孔，通过紧定螺钉与天线模块中的固定肋部分相接。
[0014]
进一步，所述天线模块的抛物线肋由固定肋、折叠肋、中心接头和展开肋组成，所述中心接头与同步滑块同轴心滑动相连，所述中心接头下端设置弹簧，利用弹簧控制同步滑块的往复运动。
[0015]
进一步，所述天线模块中的基线肋、固定肋、折叠肋、展开肋皆通过紧定螺钉与旋转接头部分相连。
[0016]
进一步，所述天线模块中的固定肋、折叠肋、展开肋上表面皆为由同一抛物线形成的抛物柱面。
[0017]
进一步，所述天线模块的基线肋末端的基线板接头通过旋转销轴和固定肋上的固定铰支座相连，保证天线模块横向展开；
[0018]
所述天线模块的固定肋和折叠肋之间的旋转接头设置扭簧，利用扭簧控制天线的展开与折叠。
[0019]
进一步，所述天线模块的同步齿轮模组由中心杆、基线斜杆、副齿轮斜杆组成，所述基线斜杆和同步杆两端均通过紧定螺钉与滑块接头相连；
[0020]
所述中心杆设置有通过齿轮进行配合的左右两个，中心杆和副齿轮斜杆通过紧定螺钉分别与主齿轮接头和副齿轮接头相接；中心杆末端通过旋转销轴和中心接头相接，所述基线斜杆通过旋转销轴与同步滑块相接。
[0021]
进一步，所述天线模块的同步齿轮模组中的中心杆和基线斜杆都设置有偏移接头，所述偏移接头通过紧定螺钉与杆件相接。
[0022]
进一步，所述天线模块的同步齿轮模组内设有同步杆，同步杆末端通过旋转销轴与基线斜杆相接，前端通过旋转销轴与副齿轮斜杆相接。
[0023]
本发明的另一目的在于提供一种抛物柱面可展开天线系统的控制方法，所述抛物柱面可展开天线系统的控制方法包括：
[0024]
步骤一，星体成功入轨后，由固定肋与折叠肋之间的旋转接头处的扭簧施加扭矩，将折叠肋由收拢状态弹开。
[0025]
步骤二，折叠肋由收拢状态弹开完毕后，由中心接头处的滑块控制纵向方向上的展开，并通过同步齿轮模组，将纵向方向上的展开动作同步到横向方向上，当滑块运动规定行程后，天线完全展开。
[0026]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中的天线部分包含基线肋、固定肋、折叠肋、中心接头、展开肋、同步齿轮模组和金属丝网。肋部分皆通过紧定螺钉与旋转接头相接；基线肋通过基线板接头和固定铰支座通过旋转销轴相接，保证横向展开时天线部分不会出现水平晃动；固定肋与折叠肋通过固定肋旋转接头形成转动副，完成折叠动作；折叠肋前端通过接头和旋转销轴与中心接头相接，下端通过推杆与同
步滑块相接；展开肋后端通过接头和旋转销轴与中心接头相接，下端通过推杆与同步滑块相接，展开肋旋转接头与中心接头形成转动副，完成天线的展开动作；同步齿轮模组下端的基线斜杆通过旋转销轴与同步滑块相接，保证同步滑块的滑动和横向展开的同步性；同步齿轮模组内的中心杆通过紧定螺钉与主齿轮接头连接，主齿轮接头通过紧定螺钉与主齿轮连接，两中心杆通过齿轮配合确定位置，运用齿轮配合可以提高运动精度，在一定程度上防止运动构件中的某一部分出现运动过快或过慢的情况；同步齿轮模组同步杆前端通过紧定螺钉和副齿轮斜杆相接，后端通过紧定螺钉和基线斜杆相接；同步齿轮模组通过同步杆与中心杆的同步运动保证了天线部分横向展开的运动稳定性。
[0027]
本发明将天线的纵向展开和横向展开通过同步齿轮模组联动，并在底端添加基线肋，减少天线横向展开时的水平晃动；肋条采用矩形封闭梁并且开孔减重，目的是为了减少天线总体重量；同步齿轮模组上端与中心接头相接，下端与同步滑块相接，有效地将纵向展开同横向展开联动起来，并且保证了运动的稳定性。天线肋部分上表面都为同一抛物线形成的柱面，有效的将信号汇于馈源，提高了天线的信号精度。与现有技术相比还具有以下优点：
[0028]
1)本发明在横向上使用基线肋，纵向上使用抛物线肋，保证抛物柱面天线的精度。
[0029]
2)本发明在同步齿轮模组的安装中，所采用的杆件皆为碳纤维结构，在保证机构可靠性的基础上，进一步减少了卫星的总重量，具有较好的经济性。
[0030]
3)本发明在天线部分的安装中，各部分肋与对应的旋转接头采用紧定螺钉连接，并通过旋转接头形成的转动副进行折叠、展开、收拢等动作。
[0031]
4)本发明在同步齿轮模组的安装中，设置了齿轮配合，提高了同步齿轮运动的稳定性，一定程度上保证了纵向展开和横向展开的同步。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，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他的附图。
[0033]
图1是本发明实施例提供的抛物柱面可展开天线系统的结构示意图。
[0034]
图2是本发明实施例提供的抛物柱面可展开天线系统的天线模块收拢状态的结构示意图。
[0035]
图3是本发明实施例提供的天线模块中的单根肋部分的结构示意图。
[0036]
图4是本发明实施例提供的天线模块中的同步齿轮模组的结构示意图。
[0037]
图5是本发明实施例提供的天线模块中的中心接头的结构示意图。
[0038]
图6是本发明实施例提供的天线模块中的基线肋的结构示意图。
[0039]
图7是本发明实施例提供的导轨部分的结构示意图。
[0040]
图8是本发明实施例提供的同步齿轮模组的结构示意图。
[0041]
图9、图10、图11是本发明实施例提供的机构仿真实验图；图9为卫星收拢态，图10(a)和图10(b)为卫星中间态，图11为卫星展开态。
[0042]
图中：1、星体；2、馈源；3、天线模块；3-1、单根肋部分；3-1-1、固定肋；3-1-2、折叠
肋；3-1-3、展开肋；3-1-4、中心接头部分；3-1-4-1、肋接头； 3-1-4-2、推杆；3-1-4-3、同步滑块；3-1-4-4、中心接头；3-2、同步齿轮模组； 3-2-1、基线斜杆；3-2-2、同步杆；3-2-3、主齿轮组；3-2-4、副齿轮斜杆；
[0043]
3-2-5、中心杆；3-3、金属丝网；3-4、基线肋部分；3-4-1、基线肋；3-4-2、基线板接
[0044]
头；3-4-3基线肋旋转接头；4、导轨部分；4-1、固定支座；4-2、导轨；4-3、卫星支座。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种抛物柱面可展开天线系统、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0047]
如图1至图8所示，本发明实施例提供的基于肋和同步齿轮模组的抛物柱面可展开天线系统的星体1和馈源2与导轨部分4连接，导轨部分4前段有螺孔，通过紧定螺钉与天线模块3连接。基线肋部分3-4两端通过旋转销轴与单根肋部分连接，同步齿轮模组3-2两端通过旋转销轴与单根肋部分连接。由基线肋部分和同步齿轮模组保证多根肋条横向展开与纵向展开的同步。单根肋3-1肋部分上方设置有肋条，用于固定金属丝网3-3与天线贴合，保证天线收发信号的精度。固定肋3-1-1通过旋转销轴与折叠肋3-1-2连接，旋转销轴处设有扭簧，用于控制折叠肋的展开动作。中心接头3-1-4下方设置有弹簧，折叠肋3-1-2和展开肋3-1-3皆通过接头和推杆与中心接头3-1-4连接，这样可以保证滑块向上移动时，折叠肋和展开肋同时向中展开，固定肋3-1-1、折叠肋3-1-2、展开肋3-1-3 上表面皆为由同一抛物线形成的柱面，目的是为了更好与金属丝网结合，将焦点设置于馈源处，提高天线的精度。在中心接头3-1-4中，旋转接头3-1-4-1通过旋转销轴与推杆3-1-4-2和同中心板3-1-4-4连接，同步滑块3-1-4-3与中心板 3-1-4-4同轴心滑动连接，通过中心板将天线横向展开和纵向展开统一化，保证了天线的同步性。同步齿轮模组3-2部分中，基线斜杆3-2-1和同步杆3-2-2两端通过紧定螺钉与滑块接头连接，中心杆3-2-5前端和后端通过紧定螺钉分别与主齿轮接头和滑块接头连接，副齿轮斜杆3-2-4前端和后端通过紧定螺钉分别与副齿轮接头和滑块街头连接。两中心杆之间由齿轮进行配合，以增加运动的稳定性。同步杆3-2-2两端通过旋转销轴与基线斜杆3-2-1和副齿轮斜杆3-2-4相接，将中心杆的展开动作同步到同步滑块的向下滑动，从而使得天线模块纵向展开和横向展开统一起来。基线肋3-4-1通过紧定螺钉与基线肋旋转接头3-4-3 和基线版接头3-4-2连接。基线肋之间通过基线肋旋转接头3-4-3形成转动副进而完成横向收拢动作。导轨部分4由固定支座4-1、导轨4-2、卫星支座4-3组成。卫星支座4-3中开有小孔，与导轨同轴心滑动连接。
[0048]
所示图9、图10、图11为机构仿真实验图，图9为卫星收拢态，图10(a)和图10(b)为卫星中间态，图11为卫星展开态。
[0049]
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0050]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。