一种环形可展开反射器的制作方法

1.本发明属于星载大型可展开网状天线技术领域，涉及一种环形可展开反射器。


背景技术：

2.目前现有的反射器存在多种结构形式，但结构均很负载，展开可靠性较低，在收拢状态时，收纳比较低，不能满足日益增加的小型收纳的需求。具体为：
3.从资料查阅可得，美国诺斯洛普格鲁曼公司的astromesh
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1(专利：us5680145)作为环形展开反射器较早的结构形式，利用斜管可伸缩方式进行展开和收拢，收拢高度为横管和竖管之和。随后美国诺斯洛普格鲁曼公司提出的astromesh
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2(专利：us6323827)，利用横管接头在竖管上滑动的方式进行展开，但是存在大量的驱动绳索和同步绳索位于管件外部，展开过程中容易产生钩挂缠绕等影响展开可靠性风险，且存在滑动副，星载空间机构实现难度大。美国哈里斯公司研制了剪刀式环形天线和四边形高收纳比环形天线，其公布了产品照片，未为展开形式和驱动方式进行详细介绍，但其四边形高收纳比环形天线的收拢高度为竖管高度，因此可以判断其展开方式、基本构型与本专利不同。同时，在《星载环形天线结构及其应用综述》一文中对星载环形天线反射器的结构展开形式进行总结，均没有竖管可伸缩的四边形单元展开方式。近年来国内众多学者提出了新型环形展开反射器展开方式。专利《一种高收纳比环形可展开网状天线专利》和《一种网状环形可展开天线以及天线桁架》提出了一种采用横杆滑移运动副和横杆沿竖杆滑动运动副实现四边形单元展开方式，但是未给出单元之间的同步方式以及驱动方式。专利《一种扭簧驱动的锥式单层环形桁架可展开天线机构》、《棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构》、《基于3r
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rrp机构单元的环形桁架式可展开天线机构》、《棱锥单元阵列式环形桁架可展开天线机构》均为四边形单元，但在单元同步性上缺少详细介绍。专利《基于锥形剪叉机构单元的周边桁架可展开天线机构》、《基于v型剪式单元体的周边桁架可展开天线机构》和《一种新型网状环形可展开天线桁架结构》提出了非四边形单元的展开方式，展开方式复杂。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种环形可展开反射器，提出了竖管可伸缩和横管可折叠的基本四边形单元及其驱动展开方式，结构简单，展开可靠性高。在收拢状态，环形桁架收拢高度为斜管高度，具有较高的收纳比。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种环形可展开反射器，包括展开桁架结构和索网系统；其中，索网系统为柱状结构；展开桁架结构为环状结构；展开桁架结构固定套装在索网系统的周向侧壁；通过驱动展开桁架结构进行轴向长度变短且径向直径扩张的运动，带动索网系统实现对应轴向长度变短且径向直径扩张的变形，完成反射器的展开。
7.在上述的一种环形可展开反射器，所述展开桁架结构包括驱动绳索、电动展开机构、n个可伸缩竖管、n个展开管组和2n个五接头铰链；其中，n个可伸缩竖管轴向竖直呈环形
均匀分布；相邻2个可伸缩竖管之间通过1个展开管组连接；每个可伸缩竖管的轴向两端各安装1个五接头铰链；展开管组的轴向2端通过五接头铰链与对应的可伸缩竖管连接；任意选取其中1个可伸缩竖管作为主管，电动展开机构位于该主管的轴向底端，且与该主管同轴对应；驱动绳索的一端与电动展开机构连接，驱动绳索的另一端在该主管内部沿轴向上升至主管顶端，沿顺时针方向依次穿过展开管组、与主管相邻的可伸缩竖管、展开管组
……
直至驱动绳索的另一端环绕一周回到主管顶端；驱动绳索的另一端在主管内部沿轴向下降至主管底端，与电动展开机构连接；通过电动展开机构驱动驱动绳索的收紧，实现展开桁架结构进行轴向变短且径向扩张的运动；n为不小于5的正整数。
8.在上述的一种环形可展开反射器，所述五接头铰链包括铰链架、竖管接头、2个斜杆接头和2个横管接头；其中，铰链架为水平放置的长方体结构；竖管接头轴向竖直固定安装在铰链架上表面的中心位置；通过竖管接头实现五接头铰链与对应可伸缩竖管的对接；2个斜杆接头和2个横管接头均与铰链架旋转连接，且2个斜杆接头对称设置在竖管接头的两侧；2个横管接头对称设置在竖管接头的两侧；通过斜杆接头和横管接头实现五接头铰链与展开管组的对接。
9.在上述的一种环形可展开反射器，所述展开管组包括2个可折叠横管组件和2个斜支撑管件；其中1个可折叠横管组件的轴向两端分别与相邻2个可伸缩竖管顶端的2个五接头铰链对接，且该可折叠横管组件的两端分别与对应2个五接头铰链的横管接头对接；另1个可折叠横管组件的轴向两端分别与该相邻2个可伸缩竖管底端的2个五接头铰链对接，且该可折叠横管组件的两端分别与对应2个五接头铰链的横管接头对接；2个斜支撑管件相互交叉铰接呈x字形，2个斜支撑管件的铰接位置为中心，且2个斜支撑管件实现绕铰接位置旋转；每个斜支撑管件的一端与其中1个可伸缩竖管顶端五接头铰链的斜杆接头对接，该斜支撑管件另一端与相邻可伸缩竖管底端五接头铰链的斜杆接头对接。
10.在上述的一种环形可展开反射器，所述驱动绳索在主管内部沿轴向上升至主管顶端后，沿展开管组其中1个斜支撑管件移动至相邻可伸缩竖管的轴向底端，沿该可伸缩竖管轴向移动至该可伸缩竖管的顶端，再沿展开管组其中1个斜支撑管件移动至相邻可伸缩竖管的轴向底端，如此反复，直至环绕一周后与电动展开机构连接。
11.在上述的一种环形可展开反射器，所述驱动绳索呈z字型环绕在展开桁架结构内部。
12.在上述的一种环形可展开反射器，所述反射器还包括n组过线轮；每组过线轮对应1个展开管组；每组过线轮包括2个过线轮；过线轮固安装在可伸缩竖管的轴向段处；且每组的2个过线轮对应设置在z字型驱动绳索的内侧2个拐角处；当电动展开机构驱动驱动绳索的收紧时，驱动绳索通过n组过线轮实现转向及滑动。
13.在上述的一种环形可展开反射器，所述可折叠横管组件包括2个横管和折叠铰链；横管为管状结构；折叠铰链的轴向两端分别与2个横管轴端面固连；初始状态折叠铰链为弯曲状态，当电动展开机构驱动驱动绳索的收紧时，驱动绳索沿轴向拉动可伸缩竖管收缩，实现展开桁架结构轴向长度变短；同时驱动绳索拉动斜支撑管件，增大相邻2个可伸缩竖管的间距，带动2个横管和折叠铰链呈水平直线状态。
14.在上述的一种环形可展开反射器，所述折叠铰链采用卷尺弹簧铰链或转动副铰链，折叠铰链的力矩弹性与反射器展开过程的阻力特性匹配。
15.本发明与现有技术相比的有益效果是：
16.(1)本发明提出了竖管可伸缩和横管可折叠的基本四边形单元及其驱动展开方式，结构简单，展开可靠性高。在收拢状态，环形桁架收拢高度为斜管高度，具有较高的收纳比；
17.(2)本发明提出的可伸缩竖管和可折叠横管的绳索驱动式基本四边形单元，驱动绳索位于管件内部，相比较传统的大量驱动绳索和同步绳索在管件外部，避免了驱动绳索的缠绕和钩挂风险；
18.(3)本发明环形可展开反射器各单元在管件刚度足够情况下，原理上各单元自动同步，无需各单元之间的同步齿轮等同步机构，结构形式简单；
19.(4)本发明提出了横管折叠铰链采用卷尺弹簧铰链，利用卷尺弹簧的力矩弹性，可以匹配环形可展开反射器展开过程中的阻力特性；
附图说明
20.图1为本发明环形可展开反射器示意图；
21.图2为本发明展开桁架结构细节示意图；
22.图3为本发明五接头铰链结构示意图；
23.图4为本发明可折叠横管组件弯曲展开示意图；
24.图5为本发明横管铰链输出力矩图与展开阻力图。
具体实施方式
25.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
26.本发明针对四边形展开单元进行自主创新，提出了一种竖管可伸缩和横杆可折叠的绳索驱动式环形可展开反射器的展开方式，可实现环形展开反射器重复展开和收拢功能、展开过程各单元同步功能和形成特定反射面功能，结构形式和展开方式简单，展开可靠性高。
27.环形可展开反射器，如图1所示，具体包括展开桁架结构1和索网系统2；其中，索网系统2为柱状结构；展开桁架结构1为环状结构；展开桁架结构1固定套装在索网系统2的周向侧壁；通过驱动展开桁架结构1进行轴向长度变短且径向直径扩张的运动，带动索网系统2实现对应轴向长度变短且径向直径扩张的变形，完成反射器的展开。环形展开桁架结构1的结构形式和展开方式决定了环形可展开反射器的结构形式和展开方式。
28.如图2所示，展开桁架结构1包括驱动绳索3、电动展开机构4、n个可伸缩竖管5、n个展开管组和2n个五接头铰链8；其中，n个可伸缩竖管5轴向竖直呈环形均匀分布；相邻2个可伸缩竖管5之间通过1个展开管组连接；每个可伸缩竖管5的轴向两端各安装1个五接头铰链8；展开管组的轴向2端通过五接头铰链8与对应的可伸缩竖管5连接；任意选取其中1个可伸缩竖管5作为主管，电动展开机构4位于该主管的轴向底端，且与该主管同轴对应；驱动绳索3的一端与电动展开机构4连接，驱动绳索3的另一端在该主管内部沿轴向上升至主管顶端，沿顺时针方向依次穿过展开管组、与主管相邻的可伸缩竖管5、展开管组
……
直至驱动绳索3的另一端环绕一周回到主管顶端；驱动绳索3的另一端在主管内部沿轴向下降至主管底端，与电动展开机构4连接；通过电动展开机构4驱动驱动绳索3的收紧，实现展开桁架结构1
进行轴向变短且径向扩张的运动；n为不小于5的正整数。
29.如图3所示，五接头铰链8包括铰链架81、竖管接头82、2个斜杆接头83和2个横管接头84；其中，铰链架81为水平放置的长方体结构；竖管接头82轴向竖直固定安装在铰链架81上表面的中心位置；通过竖管接头82实现五接头铰链8与对应可伸缩竖管5的对接；2个斜杆接头83和2个横管接头84均与铰链架81旋转连接，且2个斜杆接头83对称设置在竖管接头82的两侧；2个横管接头84对称设置在竖管接头82的两侧；通过斜杆接头83和横管接头84实现五接头铰链8与展开管组的对接。
30.如图2所示，展开管组包括2个可折叠横管组件6和2个斜支撑管件7；其中1个可折叠横管组件6的轴向两端分别与相邻2个可伸缩竖管5顶端的2个五接头铰链8对接，且该可折叠横管组件6的两端分别与对应2个五接头铰链8的横管接头84对接；另1个可折叠横管组件6的轴向两端分别与该相邻2个可伸缩竖管5底端的2个五接头铰链8对接，且该可折叠横管组件6的两端分别与对应2个五接头铰链8的横管接头84对接；2个斜支撑管件7相互交叉铰接呈x字形，2个斜支撑管件7的铰接位置为中心，且2个斜支撑管件7实现绕铰接位置旋转；每个斜支撑管件7的一端与其中1个可伸缩竖管5顶端五接头铰链8的斜杆接头83对接，该斜支撑管件7另一端与相邻可伸缩竖管5底端五接头铰链8的斜杆接头83对接。
31.驱动绳索3在主管内部沿轴向上升至主管顶端后，沿展开管组其中1个斜支撑管件7移动至相邻可伸缩竖管5的轴向底端，沿该可伸缩竖管5轴向移动至该可伸缩竖管5的顶端，再沿展开管组其中1个斜支撑管件7移动至相邻可伸缩竖管5的轴向底端，如此反复，直至环绕一周后与电动展开机构4连接。驱动绳索3呈z字型环绕在展开桁架结构1内部，如图2所示。
32.反射器还包括n组过线轮9；每组过线轮9对应1个展开管组；每组过线轮9包括2个过线轮9；过线轮9固安装在可伸缩竖管5的轴向段处；且每组的2个过线轮9对应设置在z字型驱动绳索3的内侧2个拐角处；当电动展开机构4驱动驱动绳索3的收紧时，驱动绳索3通过n组过线轮9实现转向及滑动。
33.如图4所示，可折叠横管组件6包括2个横管61和折叠铰链62；横管61为管状结构；折叠铰链62的轴向两端分别与2个横管61轴端面固连；初始状态折叠铰链62为弯曲状态，当电动展开机构4驱动驱动绳索3的收紧时，驱动绳索3沿轴向拉动可伸缩竖管5收缩，实现展开桁架结构1轴向长度变短；同时驱动绳索3拉动斜支撑管件7，增大相邻2个可伸缩竖管5的间距，带动2个横管61和折叠铰链62呈水平直线状态。折叠铰链62采用卷尺弹簧铰链或转动副铰链，折叠铰链62的力矩弹性与反射器展开过程的阻力特性匹配。
34.折叠铰链62可以采用金属卷尺弹簧铰链，结构形式简单。环形可展开反射器展开初期索网处于松弛状态，展开阻力为各铰链关节处的静摩擦力和各部件惯性力矩阻力，约为最大展开阻力的20％；一旦各部件运动起来，展开阻力即为各铰链关节处的转动动摩擦力，约为最大展开阻力的10％；展开末期，展开阻力主要来自网面系统张力，展开阻力最大。卷尺弹簧铰链输出力矩特性为初期收拢驱动力矩为最大力矩的50％左右，展开约20
°
后，驱动力为最大驱动力矩的10％；展开至120
°
以后，驱动力矩随着展开角度的增大而增大。卷尺弹簧铰链输出力矩特性与环形可展开反射器展开阻力特性基本相同，如图5所示。可以设计卷尺弹簧尺寸，使得卷尺弹簧铰链输出力矩在大小上与环形可展开反射器展开阻力匹配。折叠铰链62也可以采用复材卷尺弹簧铰链，将复材卷尺弹簧铰链和横管61一体化设计，形
式更加简单。也可以采用普通铰链，实现横管折叠转动功能。
35.环形展开桁架结构1由一根驱动绳索3、一个电动展开机构4和n个展开管组组成。通过一根驱动绳索3和电动卷绳机构4驱动环形桁架展开结构展开。
36.所述可伸缩竖管5和可折叠横管6的绳索驱动式组成基本四边形单元，每个单元包含一个粗竖管和细竖管组成的可伸缩竖管5、两个由横管61和折叠铰链62组成的可折叠横管组件6、两个相互交叉可转动的斜支撑管件7和两个可供横管和斜管转动的五接头铰链8。驱动绳索3贯穿于竖管组件和斜支撑杆件中，并在竖杆组件和斜杆组件连接固定的五接头铰链内设置过线轮9，实现驱动绳索3的转向。
37.可伸缩竖管5由一根粗管件和一根细管件组成，两个管件相互嵌套，在展开和收拢过程实现可伸缩功能。可折叠横管组件6由2个横管61和折叠铰链62组成，在展开和收拢过程实现折叠和展平功能。
38.环形可展开发射器展开过程利用此四边形单元的竖杆可以伸缩的原理，由驱动绳索3和可折叠横管组件6中部折叠铰链62共同相互备份驱动可伸缩竖管5变短、可折叠横管组件6由折叠状态伸展至平直状态。在展开初期，展开主要克服环形展开桁架结构1中各铰链处的静摩擦，使得环形展开桁架结构1由静态收拢状态开展预展，依靠可折叠横管组件6中部折叠铰链62提供初始驱动力矩驱动环形展开桁架进行预展；在展开后期，依靠电展开机构4收卷驱动绳索3，使得可伸缩竖管5两端的距离缩短，使得可伸缩竖管5的细竖管缩进粗竖管中，实现展开桁架结构1的展开，在此过程中，可折叠横管组件6由折叠状态逐渐变化为平直状态，可折叠横管组件6中部折叠铰链62提供一定驱动力矩，两者共同作用，实现环形展开桁架结构1展开带动索网系统2形成预应力的特性型面结构。如果可折叠横管组件6中部折叠铰链62设计驱动力矩足够大，则也可以单独驱动环形展开反射器展开，实现折叠铰链62驱动力和驱动绳索3的相互备份。
39.进一步地，在四边形单元展开过程中，假设所有管件均为刚性支撑，则2个斜支撑管件7在交叉处形成两对对顶角，根据对顶角相等原理，则两个对顶角所有在两个三角形全等，则一个单元两侧的竖管组件长度相等，依次类推，则环形展开桁架各四边形单元展开同步。因此，本专利原理上各单元展开同步，不用引入专门的同步齿轮等同步机构，结构形式简单。
40.进一步地，所述环形桁架为单自由度机构，展开过程唯一，收拢状态高度为斜支撑管件的长度。
41.两侧斜管接头83和横管接头84与铰链架81绕转轴在展开过程中分别转动。同时进行杆件布局设计，一个竖管接头82、两个斜管接头83位于内侧，两个横管接头84位于外侧。展开状态和收拢状态下，两个斜支撑管件和可伸缩竖管组件位于桁架结构内层，上下两个横管组件位于桁架结构外层。
42.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。