复合剪铰式周边桁架可展开天线机构论文和设计-赵永生

全文摘要

本实用新型公开了一种复合剪铰式周边桁架可展开天线机构，包含N个结构相同的可展开机构单元，相邻可展开机构单元间通过共用两个上下层节点连接件以及一个中间层节点连接件连接，共同组成多面式周边桁架机构；每个可展开机构单元包括两个剪叉杆、四个连杆、四个加强杆、四个上下层节点连接件以及两个中间层节点连接件，其同一可展开机构单元中的剪叉杆、连杆以及加强杆上所连接的所有转动副轴线均平行；整体机构中运动副均为转动副，装配制造工艺性好，且具有高度的结构对称性，通过改变可展开机构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机构，可以作为支撑机构较好的应用于星载周边桁架式可展开天线上。

主设计要求

1.一种复合剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个结构相同的可展开机构单元，其中，N为大于等于3的正整数，相邻可展开机构单元间通过共用的两个上下层节点连接件以及一个中间层节点连接件连接，共同组成多面式周边桁架机构，其中所述可展开机构单元包括两个剪叉杆、四个连杆、四个加强杆、四个上下层节点连接件以及两个中间层节点连接件；其中两个剪叉杆中间通过转动副连接，另外四端通过转动副与上下层节点连接件连接；四个连杆首尾依次通过转动副连接组成菱形框架，菱形框架中处于中间位置的两个铰接点通过转动副与中间层节点连接件连接，同时各个连杆的中间位置与剪叉杆四分之一长度处通过转动副连接；四根加强杆两两一组，端部通过转动副连接，另外两端通过转动副与上下层节点连接件连接；上下层节点连接件和中间层节点连接件都分别含有两个支叉，上下层节点连接件和中间层节点连接件的两个支叉都以过折弯处的平面为对称，上下层节点连接件的两个支叉上各开有两个开口槽，中间层节点连接件的两个支叉上各开有一个开口槽，上下层节点连接件和中间层节点连接件的开口槽的开口端均设在支叉的两自由端，两个支叉上开口槽中心面之间的夹角为(180-360\/N)°，上下层节点连接件的两个支叉内侧的开口槽用于插入加强杆的一端并通过转动副连接，两个支叉外侧的开口槽用于插入剪叉杆的一端并通过转动副连接，四个上下层节点连接件对称的分布在四个顶点上；中间层节点连接件的两个支叉的开口槽用于插入菱形框架中处于中间位置的两个铰接点并通过转动副连接，两个中间层节点连接件对称的分布在可展开机构单元侧边的中间位置处。

设计方案

2.根据权利要求1所述的复合剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：同一个可展开机构单元中的剪叉杆、连杆以及加强杆上所连接的所有转动副轴线均平行。

3.根据权利要求1所述的复合剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：加强杆控制可展开机构单元的展开程度，当相互连接的两个加强杆共线时，可展开机构单元到达完全展开位置；在可展开机构单元构件尺寸确定后，通过改变加强杆的长度改变可展开机构单元完全展开后的大小，进而改变整体复合剪铰式周边桁架可展开天线机构完全展开后的口径的大小。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种可展开天线机构，尤其涉及到一种复合剪铰式周边桁架可展开天线机构。

背景技术

空间可展机构是指能够从收拢状态展开到预定的或期望的结构形式，并且能够承受特定载荷的一类机构，其广泛应用于通信卫星平台、空间站、航天飞行器等航天器上，是航天领域的研究热点之一。随着空间技术的发展和国防建设的需要，各国对于大型空间天线的需求愈加迫切，但是由于受到航天载运工具的空间限制，宇航空间机构在发射阶段必须折叠起来并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后再自行展开到工作状态，因此其折叠比以及质量等都是较为关键的设计参数。

周边桁架可展开天线具有大折叠比、质量较小、质量不随口径增大而大幅增大的特点，是空间几十米到上百米大口径可展开天线的理想结构形式，此类天线一般是由周边可展开支撑桁架和索网系统组成，其周边可展开支撑桁架一般为多边形结构，通过周期性重复相互连接形成一个封闭的环状结构，各国相关科研人员对该类可展开天线进行了深入的研究，并且成功在轨应用。

虽然现有周边桁架式可展开天线的研究取得了一系列的成果，但是仍然存在此类天线在轨运行机构种类较少，口径增大后天线刚度下降较为严重等问题，一些环形桁架可展开天线采用张紧拉锁实现天线机构整体刚度的提高，但是张紧拉锁较为复杂，不易控制，也降低了整体结构的可靠性，这些问题均会导致天线展开失败，造成巨大的经济损失。因此，亟需提出一些制造工艺好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种自由度少、结构简单、刚度较高、易于控制的复合剪铰式周边桁架可展开天线机构。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种复合剪铰式周边桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个结构相同的可展开机构单元，其中，N为大于等于3的正整数，相邻可展开机构单元间通过共用的两个上下层节点连接件以及一个中间层节点连接件连接，共同组成多面式周边桁架机构，其中所述可展开机构单元包括两个剪叉杆、四个连杆、四个加强杆、四个上下层节点连接件以及两个中间层节点连接件；其中两个剪叉杆中间通过转动副连接，另外四端通过转动副与上下层节点连接件连接；四个连杆首尾依次通过转动副连接组成菱形框架，菱形框架中处于中间位置的两个铰接点通过转动副与中间层节点连接件连接，同时各个连杆的中间位置与剪叉杆四分之一长度处通过转动副连接；四根加强杆两两一组，端部通过转动副连接，另外两端通过转动副与上下层节点连接件连接；上下层节点连接件和中间层节点连接件都分别含有两个支叉，上下层节点连接件和中间层节点连接件的两个支叉都以过折弯处的平面为对称，上下层节点连接件的两个支叉上各开有两个开口槽，中间层节点连接件的两个支叉上各开有一个开口槽，上下层节点连接件和中间层节点连接件的开口槽的开口端均设在支叉的两自由端，两个支叉上开口槽中心面之间的夹角为(180-360\/N)°，上下层节点连接件的两个支叉内侧的开口槽用于插入加强杆的一端并通过转动副连接，两个支叉外侧的开口槽用于插入剪叉杆的一端并通过转动副连接，四个上下层节点连接件对称的分布在四个顶点上；中间层节点连接件的两个支叉的开口槽用于插入菱形框架中处于中间位置的两个铰接点并通过转动副连接，两个中间层节点连接件对称的分布在可展开机构单元侧边的中间位置处。

上述技术方案中，同一个可展开机构单元中的剪叉杆、连杆以及加强杆上所连接的所有转动副轴线均平行。

上述技术方案中，加强杆控制可展开机构单元的展开程度，当相互连接的两个加强杆共线时，可展开机构单元到达完全展开位置；在可展开机构单元构件尺寸确定后，通过改变加强杆的长度改变可展开机构单元完全展开后的大小，进而改变整体复合剪铰式周边桁架可展开天线机构完全展开后的口径的大小。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明结构简单，所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好。

2、本发明具有运动灵活、折叠比较大的特点，且整体结构刚度较高。

3、本发明中的可展开机构单元以及整个复合剪铰式周边桁架可展开天线机构均为单自由度机构，只需一个驱动就能实现其整体的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高。

4、本发明具有高度的结构对称性，通过改变可展开机构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机构，可以作为支撑机构较好的应用于星载周边桁架式可展开天线上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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它附图。

图1是本发明完全展开立体示意图；

图2是本发明半展开立体示意图；

图3是本发明完全收拢立体示意图；

图4是本发明的可展开机构单元完全展开立体示意图；

图5是本发明的可展开机构单元半展开立体示意图；

图6是本发明的可展开机构单元完全收拢立体示意图；

图7是本发明的上下层节点连接件立体示意图；

图8是本发明的中间层节点连接件立体示意图。

图中：A：可展开机构单元；1：中间层节点连接件、2：加强杆、3：连杆、4：剪叉杆、5：上下层节点连接件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在图1、图2和图3所示的复合剪铰式周边桁架可展开天线机构立体示意图中，其包括12个可展开机构单元A，相邻可展开机构单元间通过共用两个上下层节点连接件以及一个中间层节点连接件连接，共同组成多面式周边桁架机构。

在图4-图6所示的可展开机构单元A的立体示意图中，可展开机构单元A主要包括两个剪叉杆4、四个连杆3、四个加强杆2、四个上下层节点连接件5以及两个中间层节点连接件1。两个剪叉杆4结构完全相同，中间通过转动副连接，另外四端通过转动副与上下层节点连接件5连接；四个连杆3结构完全相同，首尾依次通过转动副连接组成菱形框架，菱形框架中处于中间位置的两个铰接点通过转动副与中间层节点连接件1连接，同时各个连杆3的中间位置与剪叉杆4的四分之一长度处通过转动副连接；四根加强杆2结构完全相同，两两一组，端部通过转动副连接，另外两端通过转动副与上下层节点连接件5连接；四个上下层节点连接件5结构完全相同，两个支叉上开口槽中心面之间的夹角为150°，两个支叉内侧的开口槽插入加强杆2的一端并通过转动副连接，两个支叉外侧的开口槽插入剪叉杆4的一端并通过转动副连接，四个上下层节点连接件5对称的分布在可展开机构单元A的四个顶点上；两个中间层节点连接件1结构完全相同，两个支叉上开口槽中心面之间的夹角为150°，两个支叉的开口槽插入菱形框架中处于中间位置的两个铰接点并通过转动副连接，两个中间层节点连接件1对称的分布在可展开机构单元A的侧边中间位置处。

在图4-图6所示的可展开机构单元A中，剪叉杆4、连杆3以及加强杆2上所连接的所有转动副轴线均平行，且加强杆2可以控制可展开机构单元A的展开程度，当相互连接的两个加强杆2共线时，可展开机构单元A到达完全展开位置，当可展开机构单元A的构件尺寸确定后，通过改变加强杆2的长度，可以改变可展开机构单元A完全展开后的大小，进而可以改变整体复合剪铰式周边桁架可展开天线机构完全展开后的口径的大小。

在图1-图3所示的复合剪铰式周边桁架可展开天线机构立体示意图中，当整个复合剪铰式周边桁架可展开天线机构完全展开时，其处于边界奇异位形状态，整体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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

设计图

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