一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构论文和设计-赵永生

全文摘要

本实用新型公开一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，包含N个梯形截面剪式单元和N个三角形截面剪式单元，其主要由内层节点连接件、外层节点连接件、内层连杆、中间连杆、外层剪式杆以及外层连杆通过转动副连接组成，两类剪式单元相互穿插并阵列布置，通过共用两个中间连杆、两个内层节点连接件以及两个外层节点连接件相连接，共同组成多面式周边桁架机构；整体机构具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

主设计要求

1.一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：包括相互穿插阵列布置且数量相同的梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元；所述梯形截面剪式单元包括四个内层节点连接件和四个外层节点连接件；所述内层节点连接件包括均分别开设有槽口的两个外侧支叉和两个内侧支叉，两个所述外侧支叉分别铰接有内层连杆，相邻两个内层连杆之间铰接；两个所述内侧支叉分别铰接有中间连杆；所述外层节点连接件包括均分别开设有槽口的三个外层支叉，所述中间连杆末端与所述外层节点连接件中间的外层支叉铰接，所述外层节点连接件一端的外层支叉铰接有外层剪式杆；位于同一侧的两个中间连杆分别通过第一转动副铰接，位于同一侧的两个所述外层剪式杆分别通过第二转动副铰接；所述三角形截面剪式单元包括两个内层节点连接件、四个外层节点连接件、四个中间连杆以及四个外层连杆；四个外层连杆两两一组，每组的两个外层连杆一端铰接，另两端分别与各自相邻外层节点连接件一端的外层支叉铰接；三角形截面剪式单元中的中间连杆的连接方式与梯形截面剪式单元中的中间连杆的连接方式相同；相邻两个所述梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元共用两个中间连杆、两个内层节点连接件以及两个外层节点连接件。

设计方案

2.根据权利要求1所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层节点连接件的两个外侧支叉通过一个对称面对称设置，两个内侧支叉通过一个对称面对称设置，且所述外侧支叉和内侧支叉的对称面相同。

3.根据权利要求2所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层节点连接件的内侧支叉与外侧支叉之间的夹角为锐角α；所述内层节点连接件的两个外侧支叉之间的夹角为(180-360\/N)°，N为所述梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元的数量。

4.根据权利要求3所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述外层节点连接件端部的两个外层支叉之间的夹角为(180-180\/N)°，位于所述外层节点连接件端部的两个外层支叉分别铰接有外层连杆和外层剪式杆，位于所述外层节点连接件中间的外层支叉与铰接有外层剪式杆的外层支叉之间的夹角为(180°-α)。

5.根据权利要求3所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述外层节点连接件中各个支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件的中心轴线的距离均为m；所述内层节点连接件中各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件的中心轴线的距离均为n；m\/n＝((1-cosα)\/(1+cosα))。

6.根据权利要求3所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述中间连杆上和外层节点连接件相连的一端与第一转动副处的距离为l，所述外层剪式杆的长度为2l，所述中间连杆上和内层节点连接件相连的一端与第一转动副处的距离为L，且l\/L＝((1-cosα)\/(1+cosα))。

7.根据权利要求6所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内层连杆的长度为q，且q小于与内层连杆通过同一个内层节点连接件连接的中间连杆的L；外层连杆的长度为p，且p\/q＝(2cos(α-180\/N)\/(1+cosα))。

8.根据权利要求1所述的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：通过第二转动副铰接的两个外层剪式杆上的各个铰接点的轴线均平行；通过第一转动副铰接的两个中间连杆上的各个铰接点处的轴线均平行；位于同一平面的四个内层连杆上的各个铰接点处的轴线均平行；位于同一平面的四个外层连杆上的各个铰接点处的轴线均平行。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及可展开天线机构技术领域，特别是涉及一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构。

背景技术

在先进的卫星通信、无线广播系统、地球观测、陆地遥感、深空探测和深空通信等领域，大型可展开天线是必不可少的关键设备之一，可展开天线具有收拢和展开两种状态，在卫星发射过程中处于收拢状态，进入轨道后，可以展开进入工作状态，相关科研机构已经研制出了许多可展开天线的原理样机，包括构架式、周边桁架式、径向肋式以及折叠肋式等等，这些结构各具特点，同时也有数种型号已经发射入轨。与其他天线结构形式相比，周边桁架式可展开天线结构具有折叠比大以及质量较小的特点，且结构形式简单，在一定范围内口径的增大不会改变天线的结构形式，质量也不会成比例的增加，是目前大型可展开天线理想的结构形式。

美国NGST公司制造的周边桁架式可展开天线又称为AstroMesh天线，由多个平面对角伸缩单元相互连接而成，其最早是为北美移动通信卫星MAST所研制，该类天线从最初的2.5米到现在运用较多的12.5米口径天线经历了七代产品升级，进行了350次以上的连续无故障地面展开试验，先后在Inmarsat-4系列、Thuraya系列和MBSAT等通信广播卫星上成功运用。

由于周边桁架可展开天线在空间大口径以及超大口径可展开天线领域良好的性能优势，各国相关科研人员在周边桁架可展开天线的展开机构、索网成形以及展开控制等方面做了大量的研究，但是整体而言，目前在轨运行的周边桁架可展开天线机构类型仍然较少，并且随着天线口径的增大，整体结构刚度下降较为严重。因此，亟需提出结构简单、刚度较高、折叠比较大以及制造工艺性较好等性能优良的周边桁架式可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单、刚度高、折叠比大、制造工艺性较好，从而能够满足不同航天任务的需求。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，包括相互穿插阵列布置且数量相同的梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元；所述梯形截面剪式单元包括四个内层节点连接件和四个外层节点连接件；所述内层节点连接件包括均分别开设有槽口的两个外侧支叉和两个内侧支叉，两个所述外侧支叉分别铰接有内层连杆，相邻两个内层连杆之间铰接；两个所述内侧支叉分别铰接有中间连杆；所述外层节点连接件包括均分别开设有槽口的三个外层支叉，所述中间连杆末端与所述外层节点连接件中间的外层支叉铰接，所述外层节点连接件一端的外层支叉铰接有外层剪式杆；位于同一侧的两个中间连杆分别通过第一转动副铰接，位于同一侧的两个所述外层剪式杆分别通过第二转动副铰接；所述三角形截面剪式单元包括两个内层节点连接件、四个外层节点连接件、四个中间连杆以及四个外层连杆；四个外层连杆两两一组，每组的两个外层连杆一端铰接，另两端分别与各自相邻外层节点连接件一端的外层支叉铰接；三角形截面剪式单元中的中间连杆的连接方式与梯形截面剪式单元中的中间连杆的连接方式相同；相邻两个所述梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元共用两个中间连杆、两个内层节点连接件以及两个外层节点连接件。

可选的，所述内层节点连接件的两个外侧支叉通过一个对称面对称设置，两个内侧支叉通过一个对称面对称设置，且所述外侧支叉和内侧支叉的对称面相同。

可选的，所述内层节点连接件的内侧支叉与外侧支叉之间的夹角为锐角α；所述内层节点连接件的两个外侧支叉之间的夹角为(180-360\/N)°，N为所述梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元的数量。

可选的，所述外层节点连接件端部的两个外层支叉之间的夹角为(180-180\/N)°，位于所述外层节点连接件端部的两个外层支叉分别铰接有外层连杆和外层剪式杆，位于所述外层节点连接件中间的外层支叉与铰接有外层剪式杆的外层支叉之间的夹角为(180°-α)。

可选的，所述外层节点连接件中各个支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件的中心轴线的距离均为m；所述内层节点连接件中各支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件的中心轴线的距离均为n；m\/n＝((1-cosα)\/(1+cosα))。

可选的，所述中间连杆上和外层节点连接件相连的一端与第一转动副处的距离为l，所述外层剪式杆的长度为2l，所述中间连杆上和内层节点连接件相连的一端与第一转动副处的距离为L，且l\/L＝((1-cosα)\/(1+cosα))。

可选的，所述内层连杆的长度为q，且q小于与内层连杆通过同一个内层节点连接件连接的中间连杆的L；外层连杆的长度为p，且p\/q＝(2cos(α-180\/N)\/(1+cosα))。

可选的，通过第二转动副铰接的两个外层剪式杆上的各个铰接点的轴线均平行；通过第一转动副铰接的两个中间连杆上的各个铰接点处的轴线均平行；位于同一平面的四个内层连杆上的各个铰接点处的轴线均平行；位于同一平面的四个外层连杆上的各个铰接点处的轴线均平行。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，结构简单，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开；所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好且可靠性较高；运动灵活且整体折叠比较大。具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的周边桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于大口径星载天线中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型完全展开立体示意简图；

图2是本实用新型半展开立体示意简图；

图3是本实用新型完全收拢立体示意简图；

图4是本实用新型的梯形截面剪式单元完全展开立体示意简图；

图5是本实用新型的梯形截面剪式单元半展开立体示意简图；

图6是本实用新型的三角形截面剪式单元完全展开立体示意简图；

图7是本实用新型的三角形截面剪式单元半展开立体示意简图；

图8是本实用新型的一组中间连杆及其所连接的内、外层节点连接件立体示意简图；

图9是本实用新型的内层节点连接件立体示意简图；

图10是本实用新型的外层节点连接件立体示意简图。

图中：1为内层节点连接件、1-1为外侧支叉、1-2为内侧支叉、2为中间连杆、2-1为第一转动副、3为内层连杆、4为外层剪式杆、4-1为第二转动副、5为外层节点连接件、6为外层连杆、7为梯形截面剪式单元、8为三角形截面剪式单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构，如图1-图10所示，包括相互穿插阵列布置且数量相同的梯形截面剪式单元7和三角形截面剪式单元8；梯形截面剪式单元7包括四个内层节点连接件1和四个外层节点连接件5，还包括其他连接杆件；内层节点连接件1包括均分别开设有槽口的两个外侧支叉1-1和两个内侧支叉1-2，两个外侧支叉1-1分别铰接有内层连杆3，相邻两个内层连杆3之间铰接；两个内侧支叉1-2分别铰接有中间连杆2；外层节点连接件5包括均分别开设有槽口的三个外层支叉，中间连杆2末端与外层节点连接件5中间的外层支叉铰接，外层节点连接件5一端的外层支叉分别铰接有外层剪式杆4；位于同一侧的两个中间连杆2分别通过第一转动副2-1铰接，位于同一侧的两个外层剪式杆4分别通过第二转动副4-1铰接；三角形截面剪式单元8包括两个内层节点连接件1、四个外层节点连接件5、四个中间连杆2以及四个外层连杆6；四个外层连杆6两两一组，每组的两个外层连杆6一端彼此铰接，另两端分别与各自相邻外层节点连接件5一端的外层支叉铰接；三角形截面剪式单元8中的中间连杆2的连接方式与梯形截面剪式单元7中的中间连杆2的连接方式相同；相邻两个梯形截面剪式单元7和三角形截面剪式单元8共用两个中间连杆2、两个内层节点连接件1以及两个外层节点连接件5。

实施例一

本实施例中，其包含12(N＝12)个梯形截面剪式单元7和12个三角形截面剪式单元8，两类剪式单元相互穿插并阵列布置，通过共用两个中间连杆2、两个内层节点连接件1以及两个外层节点连接件5相连接，共同组成多面式周边桁架机构。

如图4、图5以及图9和图10所示，梯形截面剪式单元7，其主要包括四个内层节点连接件1、四个外层节点连接件5、四个内层连杆3、四个中间连杆2以及两个外层剪式杆4；四个内层节点连接件1结构完全相同，每个内层节点连接件均有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，两个外侧支叉1-1用来插入内层连杆3并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个内侧支叉1-2用来插入中间连杆2并通过转动副连接，各个支叉槽口上转动副轴线与内层节点连接件中心轴线距离均相同，两个外侧支叉1-1槽口对称面之间的夹角为150°(180°-360°\/12＝150°)，内侧支叉1-2的槽口对称面与相邻的外侧支叉1-1的槽口对称面之间的夹角可以人为设定，其夹角为锐角，这里设其夹角为80°(α＝80°)；四个外层节点连接件5结构完全相同，每个外层节点连接件5均含有三个外层支叉，每个外层支叉上均开有一个槽口，位于两端的两个外层支叉槽口对称面夹角为165°(180°-180°\/12＝165°)，这两个外层支叉分别用来插入外层连杆6和外层剪式杆4并通过转动副连接，位于中间的外层支叉的槽口对称面与插入外层剪式杆4的外层支叉的槽口对称面之间的夹角为100°(180°-60°＝100°)，中间的外层支叉用来插入中间连杆2并通过转动副连接，外层节点连接件5上各个支叉槽口上转动副轴线与外层节点连接件中心轴线距离均相同；四个内层连杆3结构完全相同，四个内层连杆3两两一组，每组均通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入内层节点连接件1的外侧支叉1-1中并通过转动副连接；四个中间连杆2结构完全相同，两两一组通过转动副连接，连接两个中间连杆2的转动副将中间连杆分为两段，其中四端插入四个外层节点连接件5的外侧支叉中并通过转动副连接，另外四端插入四个内层节点连接件1的靠近中间对称平面的内侧支叉1-2中并通过转动副连接；两个外层剪式杆4结构完全相同，中间通过转动副连接，四个自由端分别插入四个外层节点连接件5的支叉中并通过转动副连接。

如图6、图7以及图9和图10所示，三角形截面剪式单元8，其主要包括两个内层节点连接件1、四个外层节点连接件5、四个中间连杆2以及四个外层连杆6；四个外层连杆6结构完全相同，两两一组，端部通过转动副连接，另外四端分别插入外层节点连接件5的外层支叉中并通过转动副连接；三角形截面剪式单元8中的中间连杆2与内层节点连接件1以及外层节点连接件5的连接方式与梯形截面剪式单元7中的连接方式均相同。

在图9和图10所示的内层节点连接件和外层节点连接件立体示意简图中，外层节点连接件5中各支叉槽口上转动副轴线与中心轴线的距离与内层节点连接件1中各支叉槽口上转动副轴线与中心轴线的距离之比为m\/n＝0.70((1-cos80)\/(1+cos80)＝0.70)。

在图8所示的一组中间连杆及其所连接的内、外层节点连接件立体示意简图中，中间连杆2上被转动副分开的两段中与外层节点连接件5相连的一段和外层剪式杆4的长度的一半相同，中间连杆杆2上与外层剪式杆4的长度的一半相同的这段长度与另一段长度之比为l\/L＝0.70((1-cos80)\/(1+cos80)＝0.70)。

在图4-图7所示的梯形截面剪式单元和三角形截面剪式单元立体示意简图中，内层连杆3的长度可以人为设定，但是要小于与其通过同一个内层节点连接件1连接的中间连杆2上靠近内层节点连接件的一段的长度；外层连杆6的长度与内层连杆3的长度之比为p\/q＝0.72(2cos(80-180\/12)\/(1+cos80)＝0.72)。

在图1-图3所示的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构立体示意简图中，通过转动副相连的两个外层剪式杆4上所连接的各个转动副轴线均平行；通过转动副相连的两个中间连杆2上所连接的各个转动副轴线均平行；位于同一平面的四个内层连杆3上所连接的转动副轴线均平行；位于同一平面的四个外层连杆6上所连接的转动副轴线均平行。

在图1-图3所示的剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构立体示意简图中，通过改变整体机构中梯形截面剪式单元7和三角形截面剪式单元8的数量以及其中杆件的长度，可以改变整体剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小；当通过转动副相连的两个内层连杆3以及两个外层连杆6共线时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体具有较好的结构刚度和力学性能。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

设计图

一种剪式单元混合阵列式周边桁架可展开天线机构论文和设计

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