一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構的制作方法
【專利摘要】一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構。本發明涉及一種航天空間天線，具體涉及一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構。本發明為解決現有環形天線的結構復雜、重量大和剛性強度差的問題。一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構包括外環、內環和多個繩索，外環與內環之間均布設有繩索，外環包括多個外環機構，每個外環機構包括豎桿和兩個邊桿，豎桿設置在兩個邊桿之間，邊桿與豎桿之間、豎桿與豎桿之間和邊桿與邊桿之間均設有繩索，內環包括多個內環機構，每個內環機構包括剪叉和豎桿鉸鏈，剪叉通過豎桿鉸鏈與豎桿的中部連接，天線機構收攏時，外環和內環收縮成一個圓柱形，天線機構展開時，外環和內環伸展開成一個雙環形。本發明用于航天通信。
【專利說明】
一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構
技術領域
[0001]本發明涉及一種航天空間天線，具體涉及一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構。
【背景技術】
[0002]隨著通信、空間科學、地球觀測事業以及國防建設的需要，各國對于大型空間天線的需求越加迫切。當天線的尺寸超過運載火箭整流罩(或航天飛機)所能容納的范圍吋，必須采用可展開天線這種結構形式。在發射階段，這些大型天線必須折疊起來，航天器進入預定軌道后，再靠驅動器將其展開成為工作狀態。環形桁架可展開天線與其他結構形式的衛星可展開天線相比，具有應用范圍廣、天線口徑大(可達上百米)、拓撲結構簡單、在一定范圍內直徑増大不改變結構的拓撲構型等優點，目前應用最廣泛。
[0003]在此基礎之上，隨著技術的發展，對環形天線的要求也越來越高，如何能在保持結構剛度的條件下使天線的結構形式變得簡単、減少材料、減輕重量是現在研究的重點。本發明就是為滿足這種要求而設計的。
【發明內容】
[0004]本發明為解決現有環形天線的結構復雜、重量大和剛性強度差的問題，進而提出一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構。
[0005]本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是:本發明包括外環、內環和多個繩索，外環與內環之間均布設有繩索，外環包括多個外環機構，多個外環機構首尾依次連接，每個外環機構包括豎桿和兩個邊桿，兩個邊桿平行設置，豎桿設置在兩個邊桿之間，邊桿與豎桿之間、豎桿與豎桿之間和邊桿與邊桿之間均設有繩索，內環包括多個內環機構，多個內環機構首尾依次連接，每個內環機構包括剪叉和豎桿鉸鏈，剪叉通過豎桿鉸鏈與豎桿的中部連接，天線機構收攏時，外環和內環收縮成一個圓柱形，天線機構展開時，外環和內環伸展開成一個雙環形。
[0006]本發明的有益效果是:
[0007]1、本發明實現了環形展開天線機構的設計，發射時環形天線處于收攏狀態，以減少發射時所占的空間，入軌后再將它展開成工作狀態，從而實現了大直徑環形天線的升空發射。
[0008]2、本發明采用桿件連接，結構簡単，減少制作材料的用料。而桿件都是由航天常用的材料加工制造，材料資源豐富，加工工藝成熟，所用的材料密度小，剛強度大，可有效減輕機構的重量。
[0009]3、本發明環形天線的展開過程中，完全依靠彈性力驅動桿件的運功。相比于電動控制驅動，彈性力驅動的反應更快，在約束消失后可以快速實現展開的動作，無延遲。
[0010]4、本發明的運動依靠彈性鉸鏈和扭簧的彈力實現，無需外加動力源，可減輕整個機構的重量。
[0011]5、本發明的環形結構可以看作是由多個三角形結構單元連接組成，每個三角形結構由兩條邊桿和一條剪叉組成。與四邊形的單元結構相比，三角形單元的結構剛度更大、更穩定，而比四邊形結構少了一條邊，減少材料用量，可減少重量與材料成本。
[0012]6、本發明是由三角形單元結構連接而成，其周長是有三角形單元結構的尺寸與數量決定的，可根據對環形天線長度的具體要求，更改環形天線的周長，可滿足環形天線對于尺寸的要求。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明天線機構展開時的結構示意圖；
[0014]圖2是圖1的俯視圖；
[0015]圖3是本發明天線機構收攏時的結構示意圖；
[0016]圖4是本發明中邊桿5、豎桿4和剪叉6的結構示意圖；
[0017]圖5是圖4的主視圖；
[0018]圖6是圖5的俯視圖；
[0019]圖7是本發明中剪叉6的結構示意圖；
[0020]圖8是圖7中的K處放大剖視圖；
[0021 ]圖9是本發明中豎桿鉸鏈12和豎桿4的結構示意圖；
[0022]圖10是本發明中邊桿5收攏時的結構示意圖；
[0023]圖11是本發明中邊桿5展開時的結構示意圖；
[0024]圖12是本發明中邊桿鉸鏈7、邊連桿13、豎桿4和繩索3的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:結合圖1至圖12說明，本實施方式所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構包括外環1、內環2和多個繩索3，外環I與內環2之間均布設有繩索3，外環I包括多個外環機構，多個外環機構首尾依次連接，每個外環機構包括豎桿4和兩個邊桿5，兩個邊桿5平行設置，豎桿4設置在兩個邊桿5之間，邊桿5與豎桿4之間、豎桿4與豎桿4之間和邊桿5與邊桿5之間均設有繩索3，內環2包括多個內環機構，多個內環機構首尾依次連接，每個內環機構包括剪叉6和豎桿鉸鏈12，剪叉6通過豎桿鉸鏈12與豎桿4的中部連接，天線機構收攏時，外環I和內環2收縮成一個圓柱形，天線機構展開時，外環I和內環2伸展開成一個雙環形。
[0026]整個機構由外環1、內環2和繩索3組成。外環I與內環2組成環形天線的骨架結構，繩索3將二者拉住，防止出現結構出現散架崩潰的現象，增加結構的剛度。機構處于展開狀態時，邊桿5是伸直狀態，剪叉6處于伸展狀態，兩者的合力將豎桿4推開，撐起整個環形結構;機構處于收攏狀態時，邊桿5呈對折狀態，剪叉6收攏，整個機構形成一個圓柱體形態，邊桿5、剪叉6和豎桿4都在沿圓柱體軸線方向上。
[0027]環形天線展開、收攏形狀的直徑比大，所占的體積之比大，節省發射空間。
[0028]剪叉6與邊桿5進行聯動驅動，保證機構展開的同步性和運動過程中整體結構的形狀完整。
[0029]邊桿5與豎桿4之間、豎桿4與豎桿4之間和邊桿5與邊桿5之間均設有繩索3提高天線機構的整體剛度和可靠性。
[0030]【具體實施方式】二:結合圖1至圖6和圖10至圖12說明，本實施方式所述邊桿5包括邊桿鉸鏈7、彈性鉸鏈14和兩個邊連桿13，兩個邊連桿13通過彈性鉸鏈14連接，邊桿鉸鏈7設置在相鄰兩個外環機構之間，邊桿鉸鏈7的一端與一個外環機構中的一個邊連桿13轉動連接，邊桿鉸鏈7的另一端與相鄰外環機構中的另一個邊連桿13轉動連接，豎桿4分別與同一個外環機構中的兩個邊桿鉸鏈7垂直固接。其它組成和連接方式與【具體實施方式】一相同。
[0031]當邊桿5收攏后，彈性鉸鏈14發生彎曲，產生彈力，使邊連桿13有向外伸展轉動的趨勢，為機構的展開提供動力。邊桿展開后，邊連桿13完全張開伸平。彈性鉸鏈14恢復到原有的直線型，彈力消失，此時是彈性鉸鏈14最穩定的形態，可以防止邊連桿13由于運動慣性導致邊桿5向反方向彎曲，同時也防止邊桿5向回彎曲導致環形收縮，可以保持結構在展開完成后的形狀。
[0032]邊桿鉸鏈7與豎桿4固連，二者不會發生相對運動。邊連桿13與邊桿鉸鏈7之間是轉動連接。其作用一是保證彈性鉸鏈14驅動下的邊桿5變形運動能傳遞到豎桿4上，驅動豎桿4運動，二是限制邊連桿13的位置方向，保證環形的形狀牢固精準。同吋，使豎桿4始終沿圓柱體的軸線方向固定不變，這樣可以防止環形天線發生扭曲變形。
[0033]【具體實施方式】三:結合圖1至圖9說明，本實施方式所述剪叉6包括剪叉鉸鏈8、兩個長連桿10、兩個扭簧11和四個短連桿9，兩個長連桿10的中部通過剪叉鉸鏈8交叉設置，每個長連桿1的兩端分別連接有一個短連桿9，長連桿1與短連桿9之間轉動連接，其中一個長連桿1的兩端與短連桿9之間設有扭簧11，一側的兩個短連桿9分別與豎桿鉸鏈12轉動連接，另一側的短連桿9分別與相鄰的豎桿鉸鏈12轉動連接。其它組成和連接方式與【具體實施方式】一或二相同。
[0034]豎桿鉸鏈12與剪叉鉸鏈8始終在一條直線上，長連桿10和短連桿9可以繞著各自的轉動副轉動，可實現剪叉6的橫向長度變化，推動機構展開。在收攏狀態下，短連桿9和長連桿10平行，兩桿呈對折形狀，此時，扭簧11的變形量最大，彈力也是最大。展開過程中，扭簧11的回彈驅動短連桿9和長連桿10向外擴展，使剪叉6的橫向長度增加。剪叉6橫向伸展到極限位置后，短連桿9和長連桿10不再向外擴張，此時扭簧11仍保持有一定的彈力作用在兩根桿上，迫使兩根桿不能反向轉動，防止環形機構的回縮，使其持續保持張開狀態。
[0035]豎桿鉸鏈12與豎桿4固定連接，二者不會發生相對運動，剪叉6橫向伸展，使豎桿鉸鏈12運動，帶動豎桿4運動。
[0036]【具體實施方式】四:結合圖1至圖6和圖9說明，本實施方式豎桿鉸鏈12設置在第1、3、
5、7、9、……、2N+1個豎桿4上，其中N為自然數。其它組成和連接方式與【具體實施方式】三相同。
[0037]如此設計每個內環機構和兩個外環機構形成一個環形單元，利用剪叉6和邊桿5上的彈性鉸鏈14實現整個天線的展開和收攏。
[0038]【具體實施方式】五:結合圖1至圖6說明，本實施方式天線機構展開時，每個內環機構中的剪叉6與對應的兩個外環機構中的邊桿5成三角形，相鄰的兩個邊桿5之間為鈍角。其它組成和連接方式與【具體實施方式】四相同。
[0039]如此設計將每個環形單元設計成三角形，增強了整個天線機構的穩定性和剛度，減少材料用量，可減少重量與材料成本。
[0040]【具體實施方式】六:結合圖1至圖8說明，本實施方式所述短連桿9與長連桿10之間通過銷軸15轉動連接，短連桿9上設有第一定位銷16，長連桿10上設有第二定位銷17，扭簧11套裝在銷軸15上，扭簧11的兩個支腳卡裝在第一定位銷16和第二定位銷17之間。其它組成和連接方式與【具體實施方式】四或五相同。
[0041]扭簧11套裝在銷軸15上，扭簧11的兩個支腳卡裝在第一定位銷16和第二定位銷17之間，可以隨著短連桿9和長連桿10的轉動發生變形，為剪叉6的展開和收攏提供動能。
[0042]工作原理
[0043]環形天線的尺寸可以根據需求，通過三角形環形單元結構的尺寸與個數加以調整。初始時刻，環形天線處于收攏狀態，邊桿5處于折疊狀態，彈性鉸鏈14呈彎曲狀態，二者儲存彈性變形能;剪叉6處于收攏狀態，扭簧11受到兩側的短連桿9和長連桿10的壓力而壓縮變形，儲存彈性勢能。此時，整個機構收攏為一個圓柱體，所有桿件都是沿圓柱體軸線方形布置，繩索3處于松弛狀態，機構被容器約束收容成為一個體積較小的圓柱體，可以有效節省火箭的發射空間。
[0044]當到達天線的指定位置開始工作吋，約束力消失，彈性鉸鏈14與扭簧11儲存的彈性勢能釋放，邊連桿13在彈性鉸鏈14的彈力作用下，從原來的沿軸線方向轉過90°，整個邊桿5形成一條直線，成為外環圓周的一個支撐單元。此時，彈性鉸鏈14的彈力消失，邊桿5保持直線狀態。展開過程中，剪叉6受扭簧11的彈力作用，短連桿9和長連桿10向兩邊張開，剪叉6的橫向距離增大，剪叉6的橫向伸展與邊桿5的伸平動作的合成運動表現在豎桿鉸鏈12上，推動豎桿鉸鏈12和與其固連的豎桿4沿圓柱的徑向向外運動。張開的過程中，扭簧11的彈力逐漸減小，彈性鉸鏈14的彈性力逐漸増大，兩者彈力相互彌補，在展開的過程中持續地為桿件的運動提供足夠的彈性驅動力，使整個機構張開，同時繩索3繃緊，機構由一個圓柱體結構展開成一個圓環形。
[0045]實現完全張開以后，扭簧11依然保持一定的彈性張力，作用在短連桿9與長連桿10上，彈性鉸鏈14伸直以后很難再彎曲。這樣的特性可以保持機構的張開狀態而不回收，同時，使用繩索3拉緊，實現鎖定固化。
【主權項】
1.一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構包括外環(I)、內環(2)和多個繩索(3)，外環(I)與內環(2)之間均布設有繩索(3)，外環(I)包括多個外環機構，多個外環機構首尾依次連接，每個外環機構包括豎桿(4)和兩個邊桿(5)，兩個邊桿(5)平行設置，豎桿(4)設置在兩個邊桿(5)之間，邊桿(5)與豎桿⑷之間、豎桿⑷與豎桿⑷之間和邊桿(5)與邊桿(5)之間均設有繩索(3)，內環⑵包括多個內環機構，多個內環機構首尾依次連接，每個內環機構包括剪叉(6)和豎桿鉸鏈(12)，剪叉(6)通過豎桿鉸鏈(I2)與豎桿(4)的中部連接，天線機構收攏時，外環(I)和內環(2)收縮成一個圓柱形，天線機構展開時，外環(I)和內環(2)伸展開成一個雙環形。2.根據權利要求1所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:所述邊桿(5)包括邊桿鉸鏈(7)、彈性鉸鏈(14)和兩個邊連桿(13)，兩個邊連桿(13)通過彈性鉸鏈(14)連接，邊桿鉸鏈(7)設置在相鄰兩個外環機構之間，邊桿鉸鏈(7)的一端與一個外環機構中的一個邊連桿(13)轉動連接，邊桿鉸鏈(7)的另一端與相鄰外環機構中的另一個邊連桿(13)轉動連接，豎桿(4)分別與同一個外環機構中的兩個邊桿鉸鏈(7)垂直固接。3.根據權利要求1或2所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:所述剪叉(6)包括剪叉鉸鏈(8)、兩個長連桿(10)、兩個扭簧(11)和四個短連桿(9)，兩個長連桿(10)的中部通過剪叉鉸鏈(8)交叉設置，每個長連桿(10)的兩端分別連接有一個短連桿(9)，長連桿(1)與短連桿(9)之間轉動連接，其中一個長連桿(1)的兩端與短連桿(9)之間設有扭簧(U)，一側的兩個短連桿(9)分別與豎桿鉸鏈(12)轉動連接，另一側的短連桿(9)分別與相鄰的豎桿鉸鏈(12)轉動連接。4.根據權利要求3所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:豎桿鉸鏈(12)設置在第1、3、5、7、9、……、2N+1個豎桿(4)上，其中N為自然數。5.根據權利要求4所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:天線機構展開時，每個內環機構中的剪叉(6)與對應的兩個外環機構中的邊桿(5)成三角形，相鄰的兩個邊桿(5)之間為鈍角。6.根據權利要求4或5所述一種剪叉聯動式環形空間可展開天線機構，其特征在于:所述短連桿(9)與長連桿(10)之間通過銷軸(15)轉動連接，短連桿(9)上設有第一定位銷(16)，長連桿(10)上設有第二定位銷(17)，扭簧(11)套裝在銷軸(15)上，扭簧(11)的兩個支腳卡裝在第一定位銷(16)和第二定位銷(17)之間。
【文檔編號】H01Q15/18GK105977648SQ201610560746
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】郭宏偉, 鄧宗全, 劉榮強, 黃勇, 李冰巖
【申請人】哈爾濱工業大學