一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置。


背景技术：

2.可展开天线是解决星载大口径天线需求和运载工具承载限制这一典型矛盾的有效措施。对于空间可展开反射面天线，根据折展结构的形式不同，可大致分为固面可展开天线、网状可展开天线、充气可展开天线以及两种或多种方式组合可展开天线等类型。其中，采用金属丝网的网状可展开天线具有尺寸可扩展能力强、收纳效率高、重量轻等优势，该类型反射面天线已具有较多应用，口径从数米到近百米不等。由于金属丝网面不具备局部抗压能力，需要预张力成型。为提高金属丝网面可展开天线的形面精度，目前主要采用两种方法，其一是增加背部支撑肋的数量，如美国cubesat搭载的0.5m口径可展开天线，为实现ka频段应用，采用了30条支撑肋的设计方案；第二种方法是增加背部张力调控绳索数量，如大型周边桁架可展开天线，通过增加张力索网节点数量提高形面精度等。高精度金属丝网面可展开天线具有整体天线结构复杂，张力调控工作量大等特点，限制了其在实际中的应用。为降低展开天线的复杂程度，提高展开后的形面精度，采用具有弹性记忆性能的薄壁柔性复合材料壳面是一种有效的解决方法。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决金属丝网状可展开天线精度提升的问题，提供一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，引入柔性复合材料壳面作为天线的反射面，采用柔性复合材料壳面的弹性记忆性能，实现展开后的形面保持，在相同形面精度要求下，相比同尺寸金属丝网反射面天线，无需张力索系，并降低了背部支撑肋的数量。收纳时，柔性复合材料壳面在弹性范围内弯曲收纳，提高了折叠效率；锁定绳系连后，通过调整锁定螺母实现锁定绳张力的调整。展开时，切割器切断锁定绳，变截面径向支撑肋在恒力矩铰链和展开同步装置的共同作用下可靠展开，柔性复合材料壳面随变截面径向支撑肋的展开逐渐展开，并最终恢复到初始高精度形面状态。本发明为星载天线载荷提供了新的技术途径，具有装置收纳体积小、展开过程可靠、展开形面精度高等优点，适用于星载天线不同频段通信等。
4.本发明提供一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，包括柔性复合材料壳面、等角度径向设置在柔性复合材料壳面背面的n个变截面径向支撑肋、设置在变截面径向支撑肋起始端的恒力矩铰链、设置在变截面径向支撑肋中部的展开同步装置、设置在每个变截面径向支撑肋起始端的展开限位调整装置、设置在变截面径向支撑肋接近末端位置的锁定与解锁装置和与每个变截面径向支撑肋起始端均相连的圆环状的中心体；展开同步装置和锁定与解锁装置均位于柔性复合材料壳面背面；
5.柔性复合材料壳面在变截面径向支撑肋的支撑下展开成中心开孔的旋转抛物面，中心体位于柔性复合材料壳面的中心开孔处，n为偶数；
6.柔性复合材料壳面的正面为天线装置的反射面、用于反射电磁波，变截面径向支撑肋用于在锁定与解锁装置的锁定下将柔性复合材料壳面固定于收纳状态，变截面支撑肋用于在恒力矩铰链的驱动下转动并带动柔性复合材料壳面展开，展开同步装置用于限制变截面支撑肋的展开速度，展开限位调整装置用于在变截面径向支撑肋展开到位后调整到位精度。
7.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，柔性复合材料壳面为碳纤维织物复合材料，柔性复合材料壳面在变截面径向支撑肋的支撑下完全展开到初始高精度构型。
8.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，碳纤维织物复合材料包括碳纤维织物和基体树脂，碳纤维织物为双层三轴向织物或平纹织物。
9.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，柔性复合材料壳面由与变截面径向支撑肋数量相同的扇形面胶接而成，每个扇形面形状相同，相邻两个扇形面胶接边界设置在变截面径向支撑肋的背部。
10.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，恒力矩铰链包括通过机械接口固定在中心体侧面的固定侧、胶接在变截面径向支撑肋上的转动侧和通过轴承连接固定侧、转动侧的转动轴；转动轴带动转动侧及变截面径向支撑肋以恒力矩转动以带动柔性复合材料壳面展开。
11.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，展开同步装置包括固定在变截面径向支撑肋中部的阻尼器、固定在阻尼器上且与阻尼器的输出轴同轴的绕线轮、一端缠绕到绕线轮上的阻尼绳和固定在变截面径向支撑肋上的若干个牵引块体，牵引块体设置在阻尼器所在的变截面径向支撑肋的侧面和末端，牵引块体设置在其他变截面径向支撑肋的末端，阻尼绳穿过牵引块体绕过全部变截面径向支撑肋的末端；
12.阻尼绳随着变截面径向支撑肋的展开逐渐伸长带动绕线轮转动，通过阻尼器控制阻尼绳的张力以使各个变截面径向支撑肋同步展开。
13.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，展开同步装置的数量为2个，展开同步装置设置在夹角为180
°
的两个变截面径向支撑肋上。
14.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，展开限位调整装置包括固定在变截面径向支撑肋起始端的支撑块体、通过螺纹与支撑块体连接并伸向固定侧的调整凸台和固定在固定侧的限位凹台；
15.调整凸台包括螺杆和固定在螺杆末端的凸台，支撑块体设置内螺纹，螺杆设置外螺纹，螺杆调整螺纹连接的长度以调整凸台与支撑块体的距离，变截面径向支撑肋展开时，凸台与限位凹台接触。
16.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，展开限位调整装置通过恒力矩铰链保持变截面径向支撑肋的展开位置。
17.本发明所述的一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，作为优选方式，锁定与解锁装置包括设置在变截面径向支撑肋接近末端的锁定绳张力调整支架、通过机械接口安装在锁定绳张力调整支架一侧的切割器、固定在锁定绳张力调整支架外侧的锁定螺母、固定在锁定绳张力调整支架外侧与锁定螺母连接的锁定绳张力调整螺杆、固定在其他变截面径向支撑肋接近末端的n1个锁定绳块体和穿过锁定螺母、锁定绳块体的锁定绳；
18.锁定绳穿过锁定绳张力调整螺杆和锁定绳块体将变截面径向支撑肋系连在一起；
19.锁定绳张力调整螺杆通过调整螺纹进而调整锁定绳的松紧从而调整锁定与解锁装置的张力。
20.本发明的技术方案为：星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，其特征在于：由柔性复合材料壳面、变截面径向支撑肋、恒力矩铰链、展开同步装置、展开限位调整装置、锁定与解锁装置、中心体构成。柔性复合材料壳面在专用模具上成型，为整个旋转抛物面或旋转抛物面的一部分，固化成型后的柔性复合材料壳面和等角度布置的多个变截面径向支撑肋通过胶接连接形成一个高精度的旋转抛物面反射面。每个变截面径向支撑肋的根部通过恒力矩铰链安装到中心体上。中心体和恒力矩铰链的转动侧上分别布置有展开限位调整装置的限位凹台和调整凸台。每个变截面径向支撑肋的顶部布置有展开同步装置的阻尼绳块体和锁定与解锁装置的锁定绳索块体。展开同步装置通过2组阻尼器和两条阻尼绳索实现各变截面径向支撑肋的同步展开，保证展开的可靠性。锁定解锁装置采用切割器和锁定绳索实现收纳状态的锁定。展开时，切割器切断锁定绳索，变截面径向支撑肋在恒力矩铰链和展开同步装置共同作用下可靠展开，调整凸台和限位凹台匹配，实现展开到位精度，柔性复合材料壳面处于高精度构型。
21.上述方案的原理是：采用单层或双层织物复合材料沿一定角度铺设固化成型后的薄壁复合材料壳面具有较小的弹性弯曲曲率半径，可以实现壳面的高效率收纳。柔性壳面正面为天线的反射面，可以反射电磁波；柔性壳面的背部等角度间隔布置径向支撑肋。收纳状态，阻尼绳卷绕到机械阻尼器的绕线轮上，锁定绳索将变截面径向支撑肋的顶部系连压紧在一起。展开时，切割器切割锁定绳索，变截面径向支撑肋在根部恒力矩铰链和展开同步装置联合作用下沿恒力矩铰链的转轴转动，柔性复合材料壳面随变截面径向支撑肋的展开而逐渐恢复到初始无应力状态。展开完成后，限位调整装置的凹台和凸台配合，并通过恒力矩铰链实现展开到位后的压紧锁定。
22.柔性复合材料由增强纤维和基体树脂构成，在具备局部自支撑刚度的同时，具有较小的弯曲曲率半径。
23.本发明具有以下优点：
24.(1)本发明由于采用柔性复合材料壳面，可以弹性折叠，展开后具有局部抗压承载能力，相比金属丝网面，无需施加张力成型，具有在较少支撑肋情况下的高精度保形能力，且热稳定性能好；收纳时，柔性复合材料壳面在弹性范围内弯曲收纳，提高了折叠效率；锁定绳系连后，通过调整锁定螺母实现锁定绳张力的调整。展开时，切割器切断锁定绳，变截面径向支撑肋在恒力矩铰链和展开同步装置的共同作用下可靠展开，柔性复合材料壳面随变截面径向支撑肋的展开逐渐展开，并最终恢复到初始高精度形面状态。
25.(2)本发明为星载天线载荷提供了新的技术途径，具有装置收纳体积小、展开过程可靠、展开形面精度高等优点，同时各径向支撑肋通过恒力矩铰链联合展开同步装置展开，展开驱动与展开过程可靠，适用于星载天线不同频段通信等，可为各类星载天线载荷应用提供新的解决途径。
附图说明
26.图1为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置工作状态示意图；
27.图2为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置收纳状态示意图；
28.图3为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置壳面收纳示意图；
29.图4为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置恒力矩铰链与展开限位调整装置示意图；
30.图5为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置展开同步装置示意图；
31.图6为一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置锁定与解锁装置示意图。
32.附图标记：
33.1、柔性复合材料壳面；2、变截面径向支撑肋；3、恒力矩铰链；31、固定侧；32、转动侧；33、转动轴；4、展开同步装置；41、阻尼器；42、绕线轮；43、阻尼绳；44、牵引块体；5、展开限位调整装置；51、支撑块体；52、调整凸台；53、限位凹台；6、锁定与解锁装置；61、锁定绳张力调整支架；62、切割器；63、锁定螺母；64、锁定绳张力调整螺杆；65、锁定绳块体；66、锁定绳。
具体实施方式
34.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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.实施例1
36.如图1所示，一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，包括柔性复合材料壳面1、等角度径向设置在柔性复合材料壳面1背面的n个变截面径向支撑肋2、设置在变截面径向支撑肋2起始端的恒力矩铰链3、设置在变截面径向支撑肋2中部的展开同步装置4、设置在每个变截面径向支撑肋2起始端的展开限位调整装置5、设置在变截面径向支撑肋2接近末端位置的锁定与解锁装置6和与每个变截面径向支撑肋2起始端均相连的圆环状的中心体7；展开同步装置4和锁定与解锁装置6均位于柔性复合材料壳面1背面；
37.柔性复合材料壳面1在变截面径向支撑肋2的支撑下展开成中心开孔的旋转抛物面，中心体7位于柔性复合材料壳面1的中心开孔处，n为偶数；
38.柔性复合材料壳面1的正面为天线装置的反射面、用于反射电磁波，变截面径向支撑肋2用于在锁定与解锁装置6的锁定下将柔性复合材料壳面1固定于收纳状态，变截面支撑肋2用于在恒力矩铰链3的驱动下转动并带动柔性复合材料壳面1展开，展开同步装置4用于限制变截面支撑肋2的展开速度，展开限位调整装置5用于在变截面径向支撑肋2展开到位后调整到位精度。
39.实施例2
40.如图1所示，一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置，包括柔性复合材料壳面1、等角度径向设置在柔性复合材料壳面1背面的n个变截面径向支撑肋2、设置在变截面径向支撑肋2起始端的恒力矩铰链3、设置在变截面径向支撑肋2中部的展开同步装置4、设置在每个变截面径向支撑肋2起始端的展开限位调整装置5、设置在变截面径向支撑肋2接近末端位置的锁定与解锁装置6和与每个变截面径向支撑肋2起始端均相连的圆环状的中心体7；展开同步装置4和锁定与解锁装置6均位于柔性复合材料壳面1背面；
41.柔性复合材料壳面1在变截面径向支撑肋2的支撑下展开成中心开孔的旋转抛物面，中心体7位于柔性复合材料壳面1的中心开孔处，n为偶数；
42.柔性复合材料壳面1的正面为天线装置的反射面、用于反射电磁波，如图2所示，变截面径向支撑肋2用于在锁定与解锁装置6的锁定下将柔性复合材料壳面1固定于收纳状态，变截面支撑肋2用于在恒力矩铰链3的驱动下转动并带动柔性复合材料壳面1展开，展开同步装置4用于限制变截面支撑肋2的展开速度，展开限位调整装置5用于在变截面径向支撑肋2展开到位后调整到位精度；
43.如图3所示，柔性复合材料壳面1为碳纤维织物复合材料，柔性复合材料壳面1在变截面径向支撑肋2的支撑下完全展开到初始高精度构型；碳纤维织物复合材料包括碳纤维织物和基体树脂，碳纤维织物为双层三轴向织物或平纹织物；柔性复合材料壳面1由与变截面径向支撑肋2数量相同的扇形面11胶接而成，每个扇形面11形状相同，相邻两个扇形面11胶接边界设置在变截面径向支撑肋2的背部；
44.如图1、2、4所示，恒力矩铰链3包括通过机械接口固定在中心体7侧面的固定侧31、胶接在变截面径向支撑肋2上的转动侧32和通过轴承连接固定侧31、转动侧32的转动轴33；转动轴33带动转动侧32及变截面径向支撑肋2以恒力矩转动以带动柔性复合材料壳面1展开；
45.如图1、2、5所示，展开同步装置4包括固定在变截面径向支撑肋2中部的阻尼器41、固定在阻尼器41上上且与阻尼器41的输出轴同轴的绕线轮42、一端缠绕到绕线轮42上的阻尼绳43和固定在变截面径向支撑肋2上的若干个牵引块体44，牵引块体44设置在阻尼器41所在的变截面径向支撑肋2的侧面和末端，牵引块体44设置在其他变截面径向支撑肋2的末端，阻尼绳43穿过牵引块体44绕过全部变截面径向支撑肋2的末端；
46.阻尼绳43随着变截面径向支撑肋2的展开逐渐伸长带动绕线轮42转动，通过阻尼器41控制阻尼绳43的张力以使各个变截面径向支撑肋2同步展开；
47.展开同步装置4的数量为2个，展开同步装置4设置在夹角为180
°
的两个变截面径向支撑肋2上；
48.如图1、2、4所示，展开限位调整装置5包括固定在变截面径向支撑肋2起始端的支撑块体51、通过螺纹与支撑块体51连接并伸向固定侧31的调整凸台52和固定在固定侧31的限位凹台53；
49.调整凸台52包括螺杆和固定在螺杆末端的凸台，支撑块体51设置内螺纹，螺杆设置外螺纹，螺杆调整螺纹连接的长度以调整凸台与支撑块体51的距离，变截面径向支撑肋2展开时，凸台与限位凹台53接触；
50.展开限位调整装置5通过恒力矩铰链3保持变截面径向支撑肋2的展开位置；
51.如图1、2、6所示，锁定与解锁装置6包括设置在变截面径向支撑肋2接近末端的锁定绳张力调整支架61、通过机械接口安装在锁定绳张力调整支架61一侧的切割器62、固定在锁定绳张力调整支架61外侧的锁定螺母63、固定在锁定绳张力调整支架61外侧与锁定螺母63连接的锁定绳张力调整螺杆64、固定在其他变截面径向支撑肋2接近末端的n1个锁定绳块体65和穿过锁定螺母63、锁定绳块体65的锁定绳66；
52.锁定绳66穿过锁定绳张力调整螺杆64和锁定绳块体65将变截面径向支撑肋2系连在一起；
53.锁定绳张力调整螺杆64通过调整螺纹进而调整锁定绳66的松紧从而调整锁定与解锁装置6的张力。
54.实施例3
55.如图1所示，一种星载柔性复合材料壳面可展开天线装置工作状态形式，即本发明的基本形式，它由柔性复合材料壳面1、变截面径向支撑肋2、恒力矩铰链3、展开同步装置4、展开限位调整装置5、锁定与解锁装置6、中心体7构成。变截面径向支撑肋2的数量根据展开完成后的形面精度要求和收纳体积确定。展开完成后，柔性复合材料壳面1处于初始无应力状态，通过胶接方式固定到变截面径向支撑肋2上。变截面径向支撑肋2上提供展开恒力矩铰链3、同步装置4、展开限位调整装置5、锁定与解锁装置6的机械接口。变截面径向支撑肋2在恒力矩铰链3和展开限位调整装置5的作用下处于展开状态。中心体7上提供恒力矩铰链3、展开限位装置5的机械接口。
56.如图2所示，为本发明的星载柔性复合材料壳面可展开天线装置收纳状态形式，变截面径向支撑肋2转动后，采用锁定与解锁装置6锁定，此时柔性复合材料壳面采用卷绕弯曲的方式收纳到变截面径向支撑肋2的内侧。
57.如图3所示，为本发明的星载柔性复合材料壳面可展开天线装置的柔性复合材料壳面1的一个代表性区域收纳状态形式，柔性复合材料壳面的两侧边和分别胶接固定到相临的两个变截面径向支撑肋2上。弯曲收纳时，需要保证柔性复合材料壳面的收纳曲率半径不小于最小弹性曲率半径。
58.如图1、2、4所示，恒力矩铰链3由固定侧31、转动侧32、转动轴33构成，其中，固定侧31通过机械接口固定到中心体7上，转动轴33通过轴承连接固定侧31和转动侧32，转动侧32通过胶接固定到变截面径向支撑肋2上。
59.如图1、2、4所示，展开限位调整装置5由支撑块体51、调整凸台52、限位凹台53构成，支撑块体51上预制内螺纹，调整凸台52上预制外螺纹，调整凸台52可以在支撑块体51上调整位置，调整凸台52和限位凹台53采用球台实现限位配合。收纳状态时，调整凸台52与限位凹台53脱离接触，展开状态时调整凸台52和限位凹台53接触，通过恒力矩铰链3实现展开位置的保持。
60.如图1、2、5所示，展开同步装置4由阻尼器41、绕线轮42、阻尼绳43和牵引块体44构成。阻尼器41固定到变截面径向支撑肋2上，绕线轮42与阻尼器41的输出轴同轴。收纳状态，阻尼绳43缠绕到绕线轮42上，展开时，随着变截面径向支撑肋2的运动，阻尼绳43通过牵引块体44逐渐伸长，绕线轮42转动，并通过阻尼器41实现对阻尼绳43张力的控制，实现各变截面径向支撑肋2的同步可靠展开。
61.如图1、2、6所示，锁定与解锁装置6由锁定绳张力调整支架61、切割器62、锁定螺母63、锁定绳张力调整螺杆64、锁定绳块体65和锁定绳66构成。锁定绳张力调整支架61固定到变截面径向支撑肋2上，切割器62通过机械接口安装固定到锁定绳张力调整支架61上，锁定绳66穿过锁定绳张力调整螺杆64和锁定绳块体65，将变截面径向支撑肋2系连在一起。通过调整锁定螺母63，实现锁定绳张力调整螺杆64的位置变化，从而实现锁定绳66的张力的调整控制。
62.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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。