完全剪鉸式雙層環形桁架可展開天線機構的制作方法

本發明涉及一種可展開天線機構。

背景技術：

空間折展機構可以應用于通信衛星平臺、空間站、太空望遠鏡、航天飛行器等航天器上，具有良好的應用前景，已成為航天領域的研究熱點之一。大型空間折展機構在航天領域的一個重要應用是作為大口徑天線的展開與支撐機構，目前研制成功的大口徑空間可展開天線主要有展開肋式天線、構架式可展開天線、環柱形可展開天線和環形桁架式可展開天線。

環形桁架式可展開天線具有大折疊比、質量較小、質量不隨口徑的增大而成比例增加的特點，是空間幾十米到上百米大口徑可展開天線的理想結構形式，各國相關科研人員對其進行了深入的研究，并且取得了在軌應用，最典型的為美國于2000年發射的Astro Mesh折展天線，它是由多個平面對角線伸縮單元組成的單層環形桁架天線，口徑為12.25m，質量為55Kg，收攏時直徑和高度分別為1.3m和3.8m。

雖然各國科研人員在環形桁架天線機構方面做了大量研究，但是現有的環形桁架機構類型較少，并且隨著天線口徑的增大，天線剛度下降較為嚴重，一些環形桁架可展開天線采用張緊拉鎖實現天線機構整體剛度的提高，但是張緊拉鎖較為復雜，不易控制，也降低了整體結構的可靠性，在展開過程中極易發生纏繞現象，使環形桁架天線展開失敗，造成巨大的經濟損失。因此，亟需提出制造工藝性好、剛度高、折疊比大等性能優良的可展機構，以滿足不同航天任務的需求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種制造工藝性好、剛度高、折疊比大的完全剪鉸式雙層環形桁架可展開天線機構。

本發明主要包括內層環形桁架組件、外層環形桁架組件和N個內外層連接桁架組件；所述內層環形桁架組件包括N個內層折展單元，各折展單元結構完全相同，相鄰內層折展單元通過共用的兩個內層花盤連接，組成內層環形桁架組件，內層環形桁架組件展開及收攏后均為多面式環形桁架結構；所述外層環形桁架組件包括N個外層折展單元，各折展單元結構完全相同，相鄰外層折展單元通過共用的兩個外層花盤連接，組成外層環形桁架組件，外層環形桁架組件展開及收攏后均為多面式環形桁架結構；整個完全剪鉸式雙層環形桁架可展開天線機構內層環形桁架組件和外層環形桁架組件同心設置；內層折展單元每側的上下兩個內層花盤各通過一個內外層連接桁架組件與相對應的外層折展單元每側的上下兩個外層花盤相連組成雙層環形桁架。

所述內層折展單元，其主要包括兩個內層剪叉桿、四個內層連桿以及四個內層花盤(實際只包括一半)；所述兩個內層剪叉桿結構完全相同，兩個內層剪叉桿中部通過轉動副連接，組成內層剪叉折疊桿，每組內層剪叉折疊桿四個自由端分別與四個內層花盤連接；所述四個內層花盤結構完全相同，每個內層花盤均有三個支叉，其中一個支叉上設有一個兩側對稱的開口槽，即單槽口支叉，另外兩個支叉上各設兩個開口槽，即雙槽口支叉，并且兩雙槽口支叉也以單槽口支叉槽口的對稱面為對稱，兩雙槽口支叉每個槽口的對稱面與單槽口支叉槽口對稱面的夾角為(90+180/N)°；所述每組內層剪叉折疊桿自由端分別插入內層花盤四個遠離單槽口支叉的雙槽口支叉的開口槽內并通過轉動副連接，使四個內層花盤對稱分布在內層折展單元的四個頂點上；在該四個內層花盤同一側雙槽口支叉的另一開口槽內，各插有一根內層連桿的自由端，并通過轉動副連接，所述四個內層連桿結構完全相同，每兩個一端通過轉動副連接成一組，四個內層連桿共組成上下兩組內層折疊連桿；同一內層折展單元中的內層折疊連桿和內層剪叉折疊桿上的轉動副軸線均平行。每個內層折展單元四個花盤單槽口支叉的開口槽朝外，通過轉動副與插入的內外層連接桁架組件連接。

所述外層折展單元，其主要包括兩個外層剪叉桿，四個外層連桿以及四個外層花盤(實際只包括一半)；所述兩個外層剪叉桿結構完全相同，兩個外層剪叉桿中部通過轉動副連接，組成外層剪叉折疊桿；每組外層剪叉折疊桿四個自由端分別與四個外層花盤連接；所述四個外層花盤結構完全相同，每個外層花盤均有三個支叉，其中一個支叉上設有一個兩側對稱的開口槽，即單槽口支叉，另外兩個支叉上各設兩個開口槽，即雙槽口支叉，并且兩雙槽口支叉也以單槽口支叉槽口的對稱面為對稱，兩雙槽口支叉每個槽口的對稱面與單槽口支叉槽口對稱面的夾角為(90-180/N)°；所述每組外層剪叉折疊桿自由端分別插入外層花盤四個遠離單槽口支叉的雙槽口支叉的開口槽內并通過轉動副連接，使四個外層花盤對稱分布在外層折展單元的四個頂點上；在該四個外層花盤同一側雙槽口支叉的另一開口槽內，各插有一根外層連桿的自由端，并通過轉動副連接，所述四個外層連桿結構完全相同，每兩個一端通過轉動副連接成一組，四個外層連桿共組成上下兩組外層折疊連桿；同一外層折展單元中的外層折疊連桿和外層剪叉折疊桿上的轉動副軸線均平行。每個外層折展單元四個花盤單槽口支叉的開口槽朝內，通過轉動副與插入的內外層連接桁架組件連接。

所述內外層連接桁架組件，其主要包括兩個連接剪叉桿，所述兩個連接剪叉桿結構完全相同，兩個連接剪叉桿通過轉動副連接組成連接剪叉折疊桿，但連接兩連接剪叉桿的轉動副將其分為兩段，兩段長度之比為(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，較短的一段與內層剪叉桿長度的一半等長，較長的一段與外層剪叉桿長度的一半等長；該連接剪叉折疊桿距中間連接轉動副距離較短的兩端分別插入某一內層折展單元同一側上下兩個內層花盤的單槽口支叉的開口槽中并通過兩個轉動副連接，連接剪叉折疊桿上距中間連接轉動副距離較長的兩端分別插入某一外層折展單元同一側上下兩個外層花盤的單槽口支叉的開口槽中并通過兩個轉動副連接，連接剪叉折疊桿上的五個轉動副軸線均平行。

所述內層折展單元和外層折展單元結構形式及連接方式相似，但是構件尺寸不同，內層折展單元和外層折展單元中的相應桿件均滿足特定比例關系，所述內層折展單元中的內層剪叉桿和所述外層折展單元中的外層剪叉桿的長度比以及所述內層折展單元中的內層連桿和所述外層折展單元中的外層連桿長度比均為(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))。

所述內層花盤和外層花盤，其各轉動副軸線與各自花盤中心軸線之間距離滿足特定比例關系，內層花盤單槽口支叉轉動副軸線與內層花盤中心軸線之間的距離和外層花盤單槽口支叉轉動副軸線與外層花盤中心軸線之間的距離之比為(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，內層花盤雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口上的轉動副軸線與內層花盤中心軸線之間的距離和外層花盤雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口上的轉動副軸線與外層花盤中心軸線之間的距離之比也為(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，內層花盤和外層花盤上雙槽口支叉中靠近單槽口支叉的槽口中的轉動副軸線均與本花盤上雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口中的轉動副軸線重合。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明的剛度較高，可完全滿足空間大口徑可展開天線的使用剛度要求；

2、本發明具有運動靈活、折疊比較大的優點。

3、本發明結構簡單，所含運動副均為轉動副，易于實現工程制造。

4、本發明采用了模塊化的設計思想，模塊數量可以根據天線口徑和單元大小的需求而隨意改變，模塊擴展性強，可實現模塊化生產，從而有效降低制造成本和難度。

5、本發明實施方式簡單，可靠性高，可應用于通訊衛星、空間站和空間探測器上。

附圖說明

圖1是本發明完全展開立體示意簡圖；

圖2是本發明半展開立體示意簡圖；

圖3是本發明完全收攏立體示意簡圖；

圖4是本發明的內層環形桁架組件立體示意簡圖；

圖5是本發明的外層環形桁架組件立體示意簡圖；

圖6是本發明的內層折展單元展開立體示意簡圖；

圖7是本發明的內層折展單元收攏立體示意簡圖；

圖8是本發明的外層折展單元展開立體示意簡圖；

圖9是本發明的內外層連接桁架組件立體示意簡圖；

圖10是本發明的內層花盤的立體示意簡圖。

圖11是本發明的外層花盤的立體示意簡圖。

圖中：A：內層環形桁架組件，B：外層環形桁架組件，C：內外層連接桁架組件，D：內層折展單元，E：外層折展單元；1、內層剪叉桿，2、內層連桿，3、內層花盤，4、外層剪叉桿，5、外層連桿，6、外層花盤，7、連接剪叉桿。

具體實施方式

在圖1、圖2和圖3所示的完全剪鉸式雙層環形桁架可展開天線機構完全展開、半展開及完全收攏立體示意簡圖中，其包括內層環形桁架組件A、外層環形桁架組件B和12個內外層連接桁架組件C。在圖4所示的本發明的內層環形桁架組件立體示意簡圖中，該內層環形桁架組件包括12個內層折展單元D，各折展單元結構完全相同，相鄰內層折展單元通過共用的兩個內層花盤連接，組成內層環形桁架組件，內層環形桁架組件展開及收攏后均為多面式環形桁架結構。在圖5所示的本發明的外層環形桁架組件立體示意簡圖中，該外層環形桁架組件包括12個外層折展單元E，各折展單元結構完全相同，相鄰外層折展單元通過共用的兩個外層花盤連接，組成外層環形桁架組件，外層環形桁架組件展開及收攏后均為多面式環形桁架結構。又在圖1、圖2和圖3中，整個完全剪鉸式雙層環形桁架可展開天線機構內層環形桁架組件和外層環形桁架組件同心設置；內層折展單元每側的上下兩個內層花盤各通過一個內外層連接桁架組件C與相對應的外層折展單元每側的上下兩個外層花盤相連組成雙層環形桁架。

在圖6和圖7所述的本發明的內層折展單元展開立體示意簡圖中，所述內層折展單元D，其主要包括兩個內層剪叉桿1、四個內層連桿2以及四個內層花盤3的各一半；所述兩個內層剪叉桿結構完全相同，兩個內層剪叉桿中部通過轉動副連接，組成內層剪叉折疊桿，每組內層剪叉折疊桿四個自由端分別與四個內層花盤連接；所述四個內層花盤結構完全相同，如圖10所示，每個內層花盤均有三個支叉，其中一個支叉上設有一個兩側對稱的開口槽，即單槽口支叉，另外兩個支叉上各設兩個開口槽，即雙槽口支叉，并且兩雙槽口支叉也以單槽口支叉槽口的對稱面為對稱，兩雙槽口支叉每個槽口的對稱面與單槽口支叉槽口對稱面的夾角為105°(90°+180°/12＝105°)；所述每組內層剪叉折疊桿自由端分別插入內層花盤四個遠離單槽口支叉的雙槽口支叉的開口槽內并通過轉動副連接，使四個內層花盤對稱分布在內層折展單元的四個頂點上；在該四個內層花盤同一側雙槽口支叉的另一開口槽內，各插有一根內層連桿的自由端，并通過轉動副連接，所述四個內層連桿結構完全相同，每兩個一端通過轉動副連接成一組，四個內層連桿共組成上下兩組內層折疊連桿；同一內層折展單元中的內層折疊連桿和內層剪叉折疊桿上的轉動副軸線均平行。每個內層折展單元四個花盤單槽口支叉的開口槽朝外，通過轉動副與插入的內外層連接桁架組件連接。

在圖8所示的本發明的外層折展單元展開立體示意簡圖中，所述外層折展單元E，其主要包括兩個外層剪叉桿4，四個外層連桿5以及四個外層花盤6；所述兩個外層剪叉桿結構完全相同，兩個外層剪叉桿中部通過轉動副連接，組成外層剪叉折疊桿；每組外層剪叉折疊桿四個自由端分別與四個外層花盤連接；所述四個外層花盤結構完全相同，如圖11所示，每個外層花盤均有三個支叉，其中一個支叉上設有一個兩側對稱的開口槽，即單槽口支叉，另外兩個支叉上各設兩個開口槽，即雙槽口支叉，并且兩雙槽口支叉也以單槽口支叉槽口的對稱面為對稱，兩雙槽口支叉每個槽口的對稱面與單槽口支叉槽口對稱面的夾角為75°(90°-180°/12＝75°)；所述每組外層剪叉折疊桿自由端分別插入外層花盤四個遠離單槽口支叉的雙槽口支叉的開口槽內并通過轉動副連接，使四個外層花盤對稱分布在外層折展單元的四個頂點上；在該四個外層花盤同一側雙槽口支叉的另一開口槽內，各插有一根外層連桿的自由端，并通過轉動副連接，所述四個外層連桿結構完全相同，每兩個一端通過轉動副連接成一組，四個外層連桿共組成上下兩組外層折疊連桿；同一外層折展單元中的外層折疊連桿和外層剪叉折疊桿上的轉動副軸線均平行。每個外層折展單元四個花盤單槽口支叉的開口槽朝內，通過轉動副與插入的內外層連接桁架組件連接。

在圖9所示本發明的內外層連接桁架組件立體示意簡圖中，所述內外層連接桁架組件，其主要包括兩個連接剪叉桿7，所述兩個連接剪叉桿結構完全相同，兩個連接剪叉桿通過轉動副連接組成連接剪叉折疊桿，但連接兩連接剪叉桿的轉動副將其分為兩段，兩段長度之比為l/L＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，較短的一段與內層剪叉桿長度的一半等長，較長的一段與外層剪叉桿長度的一半等長；該連接剪叉折疊桿距中間連接轉動副距離較短的兩端分別插入某一內層折展單元同一側上下兩個內層花盤的單槽口支叉的開口槽中并通過兩個轉動副連接，連接剪叉折疊桿上距中間連接轉動副距離較長的兩端分別插入某一外層折展單元同一側上下兩個外層花盤的單槽口支叉的開口槽中并通過兩個轉動副連接，連接剪叉折疊桿上的五個轉動副軸線均平行。

所述內層折展單元和外層折展單元結構形式及連接方式相似，但是構件尺寸不同，所述內層折展單元中的內層剪叉桿和所述外層折展單元中的外層剪叉桿的長度比以及所述內層折展單元中的內層連桿和所述外層折展單元中的外層連桿長度比均為(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))。

在圖10和圖11所示的本發明的內層花盤和外層花盤立體示意簡圖中，所述內層花盤和外層花盤，其各轉動副軸線與各自花盤中心軸線之間距離滿足特定比例關系，內層花盤單槽口支叉轉動副軸線與內層花盤中心軸線之間的距離p和外層花盤單槽口支叉轉動副軸線與外層花盤中心軸線之間的距離q之比為p/q＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，內層花盤雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口上的轉動副軸線與內層花盤中心軸線之間的距離m和外層花盤雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口上的轉動副軸線與外層花盤中心軸線之間的距離n之比為m/n＝(1-sin(180/N))/(1+sin(180/N))，內層花盤和外層花盤上雙槽口支叉中靠近單槽口支叉的槽口中的轉動副軸線均與本花盤上雙槽口支叉中遠離單槽口支叉的槽口中的轉動副軸線重合。