基于剪式单元的太阳花形环形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基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其整体呈太阳花形，包含N个剪式单元，剪式单元由四个内部节点花盘、四个外部节点花盘、两个中间节点花盘、四个连杆、四个中间剪叉杆和四个外部剪叉杆通过转动副连接组成；多个剪式单元阵列布置，相邻剪式单元间通过共用两个内部节点花盘、两个外部节点花盘和两个中间剪式杆连接，多个剪式单元阵列布置，共同组成太阳花形环形桁架机构。本实用新型整体机构具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中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环形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

1.一种基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个剪式单元，其中，N为大于等于3的正整数，所述剪式单元由四个内部节点花盘、四个外部节点花盘、两个中间节点花盘、四个连杆、四个中间剪叉杆和四个外部剪叉杆通过转动副连接组成；多个剪式单元阵列布置，相邻剪式单元间通过共用两个内部节点花盘、两个外部节点花盘和两个中间剪式杆连接，多个剪式单元阵列布置，共同组成太阳花形环形桁架机构。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其特征在于：每个内部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，内部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入连杆并通过转动副连接；每个外部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；每个中间节点花盘均含有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；四个连杆两两一组，端部通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入四个内部节点花盘的侧面支叉中并通过转动副连接；四个中间剪叉杆两两一组通过转动副连接，连接中间剪叉杆的转动副将其分为两段，其中四端插入四个内部节点花盘的中间支叉中并通过转动副连接，另外四端插入四个外部节点花盘的中间支叉中并通过转动副连接；四个外部剪叉杆两两一组通过转动副连接，连接外部剪叉杆的转动副将其分为两段，其中四端插入四个外部节点花盘的侧面支叉中并通过转动副连接，另外四端插入两个中间节点花盘的支叉中并通过转动副连接。

3.根据权利要求2所述的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内部节点花盘中间支叉与侧面支叉之间的夹角为(90+180\/N)°，内部节点花盘各个支叉上转动副轴线与内部节点花盘中心轴线之间的距离均相同；所述中间节点花盘的两个支叉的夹角根据需要设定，设其夹角为α，中间节点花盘两个支叉上转动副轴线与中间节点花盘中心轴线之间的距离相同；所述外部节点花盘中间支叉与侧面支叉之间的夹角为(180-180\/N-α\/2)°，外部节点花盘各个支叉上转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离均相同；所述内部节点花盘各支叉转动副轴线与内部节点花盘中心轴线之间的距离和外部节点花盘各支叉转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离之比为((1-sin(180\/N))\/(1+sin(180\/N)))；所述外部节点花盘各支叉转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离和中间节点花盘各支叉转动副轴线与中间节点花盘中心轴线之间的距离之比为(cos(90-α\/2)\/(1-cos(90-α\/2)))。

4.根据权利要求2所述的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其特征在于：所述中间剪叉杆中与内部节点花盘相连的一段的长度和与外部节点花盘相连的一段的长度之比为((1-sin(180\/N))\/(1+sin(180\/N)))；所述外部剪叉杆中与外部节点花盘相连的一段的长度和与中间节点花盘相连的一段的长度之比为(cos(90-α\/2)\/(1-cos(90-α\/2)))；所述外部剪叉杆中和外部节点花盘相连的一段的长度与所述中间剪叉杆中和外部节点花盘相连的一段的长度相同；所述连杆的长度小于所述中间剪叉杆中与内部节点花盘相连的一段的长度。

5.根据权利要求2所述的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构，其特征在于：位于同一平面上的四个连杆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剪叉杆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外部剪叉杆上所连接的各个转动副轴线均平行。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种可展开天线机构，尤其涉及到一种基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构。

背景技术

随着航天技术的迅速发展以及通信、导航、遥感等领域需求的不断增大，航天工程中对大口径空间天线的需求也越来越大。空间大口径天线的应用可以大大提高对地观测分辨率水平、卫星通信距离与收发数据容量、空间发电能力、空间侦察和精确打击能力等，其研制历来受到世界各国高度重视。大型空间折展机构在航天领域的一个重要应用是作为大口径天线的展开与支撑机构，目前研制成功的大口径空间可展开天线主要有展开肋式天线、构架式可展开天线、环柱形可展开天线和环形桁架式可展开天线。

环形桁架式可展开天线由金属索网与环形展开支撑机构组成，与其他结构形式相比,具有应用范围广、天线口径大、拓扑结构简单、在一定范围内口径增大不改变结构的拓扑构型，质量也不会成比例增加等优点，此外，相比于其他星载可展开天线,环形桁架式可展开天线在展开状态下具有更好的精度和热稳定性，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。

由于环形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具有良好的性能优势，各国相关科研人员在环形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，并取得了成功应用，美国NGST公司制造的环形桁架式可展开天线已经先后在Inmarsat-4系列、Thuraya系列和MBSAT等通信广播卫星上成功运用。

整体而言，目前在轨运行的环形桁架可展开天线机构类型较少，并且随着天线口径的增大，整体结构刚度下降较为严重，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，使环形桁架天线展开失败。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。

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、结构简单以及折叠比较大的基于剪式单元的太阳花形环形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：

一种基于剪式单元的太阳花型环形桁架可展开天线机构，其特征在于：包含N个剪式单元，其中，N为大于等于3的正整数，所述剪式单元由四个内部节点花盘、四个外部节点花盘、两个中间节点花盘、四个连杆、四个中间剪叉杆和四个外部剪叉杆通过转动副连接组成；多个剪式单元阵列布置，相邻剪式单元间通过共用两个内部节点花盘、两个外部节点花盘和两个中间剪式杆连接，多个剪式单元阵列布置，共同组成太阳花形环形桁架机构。

上述技术方案中，每个内部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，内部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入连杆并通过转动副连接；每个外部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；每个中间节点花盘均含有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；四个连杆两两一组，端部通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入四个内部节点花盘的侧面支叉中并通过转动副连接；四个中间剪叉杆两两一组通过转动副连接，连接中间剪叉杆的转动副将其分为两段，其中四端插入四个内部节点花盘的中间支叉中并通过转动副连接，另外四端插入四个外部节点花盘的中间支叉中并通过转动副连接；四个外部剪叉杆两两一组通过转动副连接，连接外部剪叉杆的转动副将其分为两段，其中四端插入四个外部节点花盘的侧面支叉中并通过转动副连接，另外四端插入两个中间节点花盘的支叉中并通过转动副连接。

上述技术方案中，所述内部节点花盘中间支叉与侧面支叉之间的夹角为(90+180\/N)°，内部节点花盘各个支叉上转动副轴线与内部节点花盘中心轴线之间的距离均相同；所述中间节点花盘的两个支叉的夹角根据需要设定，设其夹角为α，中间节点花盘两个支叉上转动副轴线与中间节点花盘中心轴线之间的距离相同；所述外部节点花盘中间支叉与侧面支叉之间的夹角为(180-180\/N-α\/2)°，外部节点花盘各个支叉上转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离均相同；所述内部节点花盘各支叉转动副轴线与内部节点花盘中心轴线之间的距离和外部节点花盘各支叉转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离之比为((1-sin(180\/N))\/(1+sin(180\/N)))；所述外部节点花盘各支叉转动副轴线与外部节点花盘中心轴线之间的距离和中间节点花盘各支叉转动副轴线与中间节点花盘中心轴线之间的距离之比为(cos(90-α\/2)\/(1-cos(90-α\/2)))。

上述技术方案中，所述中间剪叉杆中与内部节点花盘相连的一段的长度和与外部节点花盘相连的一段的长度之比为((1-sin(180\/N))\/(1+sin(180\/N)))；所述外部剪叉杆中与外部节点花盘相连的一段的长度和与中间节点花盘相连的一段的长度之比为(cos(90-α\/2)\/(1-cos(90-α\/2)))；所述外部剪叉杆中和外部节点花盘相连的一段的长度与所述中间剪叉杆中和外部节点花盘相连的一段的长度相同；所述连杆的长度小于所述中间剪叉杆中与内部节点花盘相连的一段的长度。

上述技术方案中，位于同一平面上的四个连杆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剪叉杆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外部剪叉杆上所连接的各个转动副轴线均平行。

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，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开。

2、本发明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。

3、本发明运动灵活且整体折叠比较大。

4、本发明具有较高的结构对称性，通过改变整体机构中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环形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是本发明完全展开立俯视图；

图3是本发明半展开立体示意图；

图4是本发明完全收拢立体示意图；

图5是本发明的剪式单元完全展开立体示意图；

图6是本发明的剪式单元半展开立体示意图；

图7是本发明的一组中间剪叉杆及所连接的内部节点花盘和外部节点花盘立体示意图；

图8是本发明的一组外部剪叉杆及所连接的中间节点花盘和外部节点花盘立体示意图；

图9是本发明的内部节点花盘立体示意图；

图10是本发明的外部节点花盘立体示意图；

图11是本发明的中间节点花盘立体示意图。

图中：A：剪式单元；1：外部节点花盘、2：内部节点花盘、3：中间剪叉杆、4：连杆、5：中间节点花盘、6：外部剪叉杆。

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4所示的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构立体示意图中，其整体呈太阳花形，包含12(N＝12)个剪式单元A，相邻剪式单元A之间通过共用两个内部节点花盘2、两个外部花盘1和两个中间剪式杆3连接，多个剪式单元A阵列布置，共同组成多面式环形桁架机构。

在图5和图6所示的剪式单元A的立体示意图中，其主要包括四个内部节点花盘2、四个外部节点花盘1、两个中间节点花盘5、四个连杆4、四个中间剪叉杆3和四个外部剪叉杆6；四个内部节点花盘2结构完全相同，每个内部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，内部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入连杆并通过转动副连接；四个外部节点花盘1结构完全相同，每个外部节点花盘均含有三个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，外部节点花盘整体为面对称结构，关于中间支叉的槽口对称面对称，中间支叉用来插入中间剪叉杆并通过转动副连接，两侧的支叉用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；两个中间节点花盘5结构完全相同，每个中间节点花盘均含有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口，用来插入外部剪叉杆并通过转动副连接；四个连杆4结构完全相同，两两一组，端部通过转动副连接，连接后的四个自由端分别插入四个内部节点花盘2的侧面支叉中并通过转动副连接；四个中间剪叉杆3结构完全相同，两两一组通过转动副连接，连接中间剪叉杆3的转动副将其分为两段，其中四端插入四个内部节点花盘2的中间支叉中并通过转动副连接，另外四端插入四个外部节点花盘1的中间支叉中并通过转动副连接；四个外部剪叉杆6结构完全形同，两两一组通过转动副连接，连接外部剪叉杆6的转动副将其分为两段，其中四端插入四个外部节点花盘1的侧面支叉中并通过转动副连接，另外四端插入两个中间节点花盘5的支叉中并通过转动副连接。

在图9-图11所示的内部节点花盘2、外部节点花盘1和中间节点花盘5的立体示意图中，内部节点花盘2中间支叉与侧面支叉之间的夹角为105°(90°+180°\/12＝105°)，内部节点花盘2各个支叉上转动副轴线与内部节点花盘2中心轴线之间的距离均相同；中间节点花盘5的两个支叉的夹角可以人为设定，这里设其夹角为100°(α＝100°)，中间节点花盘5两个支叉上转动副轴线与中间节点花盘5中心轴线之间的距离相同；外部节点花盘1中间支叉与侧面支叉之间的夹角为115°(180°-180°\/12-100°\/2＝115°)，外部节点花盘1各个支叉上转动副轴线与外部节点花盘1中心轴线之间的距离均相同；内部节点花盘2各支叉转动副轴线与内部节点花盘2中心轴线之间的距离和外部节点花盘1各支叉转动副轴线与外部节点花盘1中心轴线之间的距离之比为l\/m＝0.59((1-sin(180\/12))\/(1+sin(180\/12))＝0.59)；外部节点花盘1各支叉转动副轴线与外部节点花盘1中心轴线之间的距离和中间节点花盘5各支叉转动副轴线与中间节点花盘5中心轴线之间的距离之比为m\/n＝3.27(cos(90-100\/2)\/(1-cos(90-100\/2))＝3.27)。

如图7和图8所示，中间剪叉杆3中与内部节点花盘2相连的一段的长度和与外部节点花盘1相连的一段的长度之比为p\/q＝0.59((1-sin(180\/12))\/(1+sin(180\/12))＝0.59)；外部剪叉杆6中与外部节点花盘1相连的一段的长度和与中间节点花盘5相连的一段的长度之比为q\/r＝3.27(cos(90-100\/2)\/(1-cos(90-100\/2))＝3.27)；外部剪叉杆6中和外部节点花盘1相连的一段的长度与中间剪叉杆3中和外部节点花盘1相连的一段的长度相同；连杆4的长度小于中间剪叉杆3中与内部节点花盘2相连的一段的长度(h<l)。

如图1-图11所示，在本发明基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构中，位于同一平面上的四个连杆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剪叉杆3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外部剪叉杆6上所连接的各个转动副轴线均平行。

在图1-图4所示的基于剪式单元的太阳花形环形桁架可展开天线机构立体示意图中，通过改变整体机构中剪式单元A的数量以及其中杆件的长度，可以改变整体基于剪式单元的太阳花形环形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连杆4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，整体机构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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