宇航折展天线反射器及设置有该种反射器的卫星系统的制作方法

1.本发明属于宇航空间技术领域，具体提供一种宇航折展天线反射器及设置有该种反射器的卫星系统。


背景技术：

2.宇航折展天线反射器是卫星系统的重要组成部分，是人们进行卫星通信、深空探测、空间科学、射电天文等通信与科研必不可少的一种重要宇宙航行装备。折展天线反射器具有折叠与展开功能，在火箭发射时，收拢后的反射器安装在卫星系统的侧面；当卫星进入预定轨道后，折展天线反射器按指令要求执行解锁、展开、锁定等一系列操作，最后开始工作。由于这种反射器具有较大的收纳率，因而在卫星系统、宇宙飞船、空间站等宇航器上具有较为广泛的应用。随着宇航空间技术的不断发展，宇航器的结构和功能也越来越复杂和多样，这就对具有大口径、高精度、轻质量特征的折展天线反射器提出了迫切需求。折展天线反射器按工作表面的结构形式可以分为固面式、充气式和网面式三种类型，其中，网面式折展天线反射器应用最为广泛，其结构组成通常是将柔性金属反射网面结构铺设在具有折展功能的刚性支撑结构上，支撑结构对网面起展开、支撑和保形等作用。现有的以环形桁架式为代表的网面式折展天线反射器具有结构质量不随天线口径的增大而成倍增加的优点，但随着天线口径的进一步增大，其结构表现出稳定性差、刚度不足、形面精度难以保证等问题；同时由于环形桁架式折展天线反射器安装在卫星系统上，其低稳定性和低刚度的缺点也会对整个卫星系统的稳定性和安全性产生不利的影响。


技术实现要素：

3.针对现有网面式折展天线反射器随着展开口径增大而表现出的刚度低、结构稳定性差和形面精度低以及影响卫星系统稳定性和安全性的问题，本发明提供一种宇航折展天线反射器及设置有该种反射器的卫星系统，具有收纳率高、展开刚度大、稳定性好、形面精度高等优点。
4.本发明是这样实现的，提供一种宇航折展天线反射器，包括中心杆组件和多个肋单元，中心杆组件包括中心杆，多个肋单元以中心杆为中心，呈辐射状均匀分布，每个肋单元包括可展开单元和y形机构，可展开单元一端与中心杆转动连接，另一端与y形机构转动连接，将索网的边沿与各个y形机构连接。
5.优选地，所述中心杆组件还包括中心杆上连接块和中心杆下连接块，中心杆上连接块固定连接在所述中心杆的上端，中心杆下连接块固定连接在中心杆的下端，中心杆上连接块和中心杆下连接块均为花瓣状结构，中心杆上连接块的外侧与各个所述可展开单元的上端一侧转动连接，中心杆下连接块的外侧与各个可展开单元的下端一侧转动连接。
6.进一步优选，所述可展开单元包括上弦杆、下弦杆、竖杆、大斜腹杆和小斜腹杆，竖杆的上端两侧分别转动连接一个上弦杆，两个上弦杆下侧的竖杆上分别转动连接两个小斜腹杆，竖杆的下端两侧分别转动连接两个下弦杆，在竖杆上套接一个竖杆滑块和一个竖杆
弹簧，竖杆弹簧的两端分别顶在竖杆滑块与竖杆的下端，竖杆滑块的两端分别转动连接一个支撑杆，两个支撑杆的另一端分别转动连接在同侧的小斜腹杆上，两个小斜腹杆远离竖杆的一端分别与同侧的大斜腹杆转动连接，两个大斜腹杆远离小斜腹杆的一端分别与同侧的下弦杆远离竖杆的一端转动连接，一个上弦杆远离竖杆的一端与所述中心杆的上端转动连接，另一个上弦杆远离竖杆的一端与所述y形机构的上端一侧转动连接，一个下弦杆远离竖杆的一端与中心杆的下端转动连接，另一个下弦杆远离竖杆的一端与y形机构的下端一侧转动连接。
7.进一步优选，所述可展开单元还包括竖杆上连接块和竖杆下连接块，竖杆上连接块固定连接在所述竖杆的上端，竖杆下连接块固定连接在竖杆的下端，竖杆上连接块为工字型结构，竖杆上连接块的上端两侧分别与所述上弦杆转动连接，竖杆上连接块的下端两侧分别与所述小斜腹杆转动连接，竖杆下连接块远离竖杆的两端分别与所述下弦杆转动连接。
8.进一步优选，所述y形机构包括y形机构中心杆、y形机构上弦杆、y形机构大斜腹杆和y形机构小斜腹杆，y形机构中心杆的上端转动连接两个y形机构上弦杆，y形机构中心杆的下端转动连接两个y形机构大斜腹杆，两个y形机构大斜腹杆的另一端分别转动连接一个y形机构小斜腹杆，两个y形机构小斜腹杆的另一端分别转动连接在对应侧的y形机构上弦杆上，在y形机构中心杆上套接一个y形机构滑块和一个y形机构弹簧，y形机构弹簧的两端分别顶在y形机构中心杆的上端和y形机构滑块上，y形机构滑块的侧面转动连接两个y形机构支撑杆，两个y形机构支撑杆的另一端分别转动连接在对应侧的两个y形机构大斜腹杆上。
9.进一步优选，所述y形机构还包括y形机构上连接块和y形机构下连接块，y形机构上连接块固定连接在所述y形机构中心杆的上端，通过y形机构上连接块与两个所述y形机构上弦杆转动连接，y形机构下连接块固定连接在y形机构中心杆的下端，通过y形机构下连接块与两个所述y形机构大斜腹杆转动连接，通过y形机构上连接块和y形机构下连接块与所述可展开单元转动连接。
10.进一步优选，在两个所述y形机构上弦杆与所述y形机构小斜腹杆连接的位置，分别设置一个连接构件，在连接构件上设长条孔，y形机构小斜腹杆转动连接在连接构件的长条孔内。
11.进一步优选，所述肋单元设有6个。
12.本发明还提供一种设有上述的宇航折展天线反射器的卫星系统，包括卫星本体，所述宇航折展天线反射器通过机械臂组件连接在卫星本体上，机械臂组件为开式多连杆机构，机械臂组件一端转动连接在卫星本体上，另一端与宇航折展天线反射器固定连接，在机械臂组件连接宇航折展天线反射器的一端还设有锁紧释放装置。
13.优选地，在所述卫星本体的侧面上，还对称设有两个太阳翼。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于：一、本发明提供的宇航折展天线反射器由若干个具有模块化结构特征的可展开单元、y形机构组成，减少了零件的种类和数量，在互换性、研制周期、加工成本等方面具有较大的优势；二、本发明提供的宇航折展天线反射器完全展开后，依靠径向的可展开单元及周
向的y形机构，保证了在径向和周向均有结构对反射网面进行支撑，从而提高了结构的刚度、稳定性和形面精度；三、本发明提供的宇航折展天线反射器采用无源驱动方式，依靠压缩弹簧储存的弹性势能驱动机构展开，具有重量轻、可靠性高、安装占用空间小等优点；四、本发明提供的宇航折展天线反射器不仅适用于宇航空间技术领域，在地面车载天线、遮阳伞、遮阳亭、救援帐篷等相关领域同样具有较高的参考和借鉴价值；五、本发明提供的设置有这种反射器的卫星系统可以实现反射器机构与卫星本体的快速安装，具有结构简单，安装方便，稳定性好的优点。
附图说明
15.图1是本发明提供的宇航折展天线反射器完全展开状态示意图；图2是本发明提供的宇航折展天线反射器完全展开状态俯视图；图3是本发明提供的宇航折展天线反射器完全收拢状态示意图；图4是中心杆组件示意图；图5是肋单元结构示意图；图6是可展开单元结构示意图；图7是y形机构展开状态示意图；图8是y形机构收拢状态示意图；图9是上弦杆装配示意图；图10是下弦杆装配示意图；图11是大斜腹杆装配示意图；图12是y形机构上弦杆装配示意图；图13是y形机构小斜腹杆装配示意图；图14是本发明提供的宇航折展天线反射器连接在卫星本体上的收拢状态示意图；图15是本发明提供的宇航折展天线反射器连接在卫星本体上的机械臂展开状态示意图；图16是本发明提供的宇航折展天线反射器连接在卫星本体上的完全展开状态示意图。
16.附图中：1
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中心杆组件、2
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肋单元、3
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中心杆上连接块、4
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上弦杆、5
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大斜腹杆、6
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小斜腹杆、7
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竖杆上连接块、8
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第一直杆、9
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y形机构上连接块、10
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y形机构大斜腹杆、11
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y形机构小斜腹杆、12
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连接构件、13
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y形机构上弦杆、14
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第一接头、15
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y形机构下连接块、16
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y形机构滑块、17
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y形机构中心杆、18
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下弦杆、19
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竖杆下连接块、20
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竖杆、21
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竖杆滑块、22
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支撑杆、23
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中心杆下连接块、24
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中心杆、25
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竖杆弹簧、26
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y形机构弹簧、27
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第七接头、28
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第八接头、29
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第四接头、30
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第五接头、31
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第二接头、32
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第三接头、33
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y形机构支撑杆、34
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可展开单元、35
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y形机构、36
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第一固定孔、37
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第一通孔、38
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第二直杆、39
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第二固定孔、40
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第四通孔、41
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第三直杆、42
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第三固定孔、43
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第五通孔、44
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第五直杆、45
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第四直杆、46
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第六接头、47
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端面、48
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第六直杆、49
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第五固定孔、50
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第三通孔、51
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卫星本体、52
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宇航折展天线反射器、53
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机械臂组件、54
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太阳翼、55
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锁紧释放装置、56
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第四固定孔、57
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第二通孔。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例1、参考图1、图2和图3，本实施例提供一种宇航折展天线反射器，包括中心杆组件1和多个肋单元2，中心杆组件1包括中心杆24，多个肋单元2以中心杆24为中心，呈辐射状均匀分布，每个肋单元2包括可展开单元34和y形机构35，可展开单元34一端与中心杆24转动连接，另一端与y形机构35转动连接，将索网的边沿与各个y形机构35连接。
19.展开过程中，可展开单元34和y形机构35以中心杆24为中心，呈辐射状向外展开，使索网被可展开单元34和y形机构35支撑开。
20.参考图4，所述中心杆组件还包括中心杆上连接块3和中心杆下连接块23，中心杆上连接块3固定连接在所述中心杆24的上端，中心杆下连接块23固定连接在中心杆24的下端，中心杆上连接块3和中心杆下连接块23均为花瓣状结构，中心杆上连接块3的外侧设有多个预留孔，通过预留孔与各个所述可展开单元34的上端一侧转动连接，中心杆下连接块23的外侧也设有多个预留孔，通过预留孔与各个可展开单元34的下端一侧转动连接。
21.具体的，中心杆上连接块3通过过盈配合的方式与中心杆24的上端连接，中心杆下连接块23通过螺栓连接的方式与中心杆24的下端连接。
22.参考图5和图6，所述可展开单元34包括上弦杆4、下弦杆18、竖杆20、大斜腹杆5和小斜腹杆6，竖杆20的上端两侧分别转动连接一个上弦杆4，两个上弦杆4下侧的竖杆20上分别转动连接两个小斜腹杆6，竖杆20的下端两侧分别转动连接两个下弦杆18，在竖杆20上套接一个竖杆滑块21和一个竖杆弹簧25，竖杆弹簧25的两端分别顶在竖杆滑块21与竖杆20的下端，竖杆滑块21的两端分别转动连接一个支撑杆22，两个支撑杆22的另一端分别转动连接在同侧的小斜腹杆6上，两个小斜腹杆6远离竖杆20的一端分别与同侧的大斜腹杆5转动连接，两个大斜腹杆5远离小斜腹杆6的一端分别与同侧的下弦杆18远离竖杆20的一端转动连接，一个上弦杆4远离竖杆20的一端与所述中心杆24的上端转动连接，另一个上弦杆4远离竖杆20的一端与所述y形机构35的上端一侧转动连接，一个下弦杆18远离竖杆20的一端与中心杆24的下端转动连接，另一个下弦杆18远离竖杆20的一端与y形机构35的下端一侧转动连接。
23.在收拢状态时，竖杆弹簧25是压缩状态，展开过程中，竖杆弹簧25伸长，推动竖杆滑块21向竖杆20的上端移动，竖杆滑块21通过两个支撑杆22推动两个小斜腹杆6打开，两个小斜腹杆6给两个大斜腹杆5力的作用，使大斜腹杆5的另外两端牵引两个下弦杆18呈平直状态，从而带动两个上弦杆4呈平直状态，至此，可展开单元实现从收拢到展开。
24.参考图9，上弦杆4为一组合件，主要由第一直杆8和第一接头14组成，第一直杆8为一空心圆杆，其两端分别插接一个第一接头14，并采用销钉进行固定。根据机构学原理，为了保证机构中各构件能够准确连接并具有确定的运动规律，每个构件的运动副之间的距离要保持不变，就本发明的上弦杆4而言，则需要保证第一支杆8两端的第一通孔37之间的距离不变。故在实际的加工制造过程中，需要设计必要的工装，对上弦杆4组件进行组合加工，即将第一接头14插入第一直杆8后，在工装上钻第一固定孔36，然后打入销钉，从而可以保
证上弦杆4组件安装的准确性。
25.参考图10，下弦杆18为一组合件，主要由第二接头31、第三接头32和第二直杆38组成，第二直杆38为一空心圆杆，其两端分别插接第二接头31和第三接头32，并采用销钉在第二固定孔39处进行固定。如此设计，有利于保证下弦杆18的结构尺寸的准确性，保证了两个第四通孔40之间距离的不变。
26.参考图11，大斜腹杆5为一组合件，主要由第四接头29、第五接头30和第三直杆41组成，第三直杆41为一空心圆杆，其两端分别插接第四接头29和第五接头30，并采用销钉在第三固定孔42进行固定。如此设计，有利于保证大斜腹杆5的结构尺寸的准确性，保证两个第五通孔43之间距离的不变。
27.为了方便连接，作为改进，所述可展开单元34还包括竖杆上连接块7和竖杆下连接块19，竖杆上连接块7固定连接在所述竖杆20的上端，竖杆下连接块19固定连接在竖杆20的下端，竖杆上连接块7为工字型结构，竖杆上连接块7的上端两侧分别与所述上弦杆4转动连接，竖杆上连接块7的下端两侧分别与所述小斜腹杆6转动连接，竖杆下连接块19远离竖杆20的两端分别与所述下弦杆18转动连接。
28.具体的，竖杆上连接块7与竖杆20的上端通过过盈配合形成固定连接，竖杆下连接块19通过两个螺栓与竖杆20的下端固定连接。
29.参考图5、图7和图8，所述y形机构35包括y形机构中心杆17、y形机构上弦杆13、y形机构大斜腹杆10和y形机构小斜腹杆11，y形机构中心杆17的上端转动连接两个y形机构上弦杆13，y形机构中心杆17的下端转动连接两个y形机构大斜腹杆10，两个y形机构大斜腹杆10的另一端分别转动连接一个y形机构小斜腹杆11，两个y形机构小斜腹杆11的另一端分别转动连接在对应侧的y形机构上弦杆13上，在y形机构中心杆17上套接一个y形机构滑块16和一个y形机构弹簧26，y形机构弹簧26的两端分别顶在y形机构中心杆17的上端和y形机构滑块16上，y形机构滑块16的侧面转动连接两个y形机构支撑杆33，两个y形机构支撑杆33的另一端分别转动连接在对应侧的两个y形机构大斜腹杆10上。
30.y形机构35在收拢状态时，y形机构弹簧26是压缩状态，展开过程中，y形机构弹簧26伸长，推动y形机构滑块16向y形机构中心杆17的下端移动，推动两个y形机构支撑杆33向外展开，y形机构支撑杆33推动两个y形机构大斜腹杆10向外展开，y形机构大斜腹杆10通过连接结构力的作用推动两个y形机构小斜腹杆11向外展开，y形机构小斜腹杆11则推动两个y形机构上弦杆13向外展开，形成y形的打开结构。
31.参考图12，y形机构上弦杆13为一组合件，主要由第六接头46、第四直杆45、连接构件12、第五直杆44组成，对于该上弦杆13，主要是保证第六接头46上的第二通孔57的中心到第五直杆44的端面47之间的距离，并在第四固定孔56处对结构进行组合加工。如此设计，有利于保证y形机构上弦杆13结构尺寸的准确性。在连接构件12上设长条孔，y形机构小斜腹杆11转动连接在连接构件12的长条孔内。
32.参考图13，y形机构小斜腹杆11为一组合件，主要由第七接头27、第八接头28和第六直杆48组成。第六直杆48为一空心圆杆，其两端分别插接第七接头27和第八接头28，对于该y形机构小斜腹杆11，主要是保证第七接头27和第八接头28上的两个第三通孔50中心之间的距离，并在第五固定孔49处对结构进行组合加工。如此设计，有利于保证y形机构小斜腹杆11结构尺寸的准确性。
33.为了方便连接，所述y形机构35还包括y形机构上连接块9和y形机构下连接块15，y形机构上连接块9固定连接在所述y形机构中心杆17的上端，通过y形机构上连接块9与两个所述y形机构上弦杆13转动连接，y形机构下连接块15固定连接在y形机构中心杆17的下端，通过y形机构下连接块15与两个所述y形机构大斜腹杆10转动连接，通过y形机构上连接块9和y形机构下连接块15与所述可展开单元34转动连接。
34.具体的，y形机构上连接块9与y形机构中心杆17的上端通过过盈配合固接，y形机构下连接块15与y形机构中心杆17的下端通过螺栓进行连接。
35.优选地，所述肋单元2设有6个。
36.宇航星载折展天线反射器在火箭发射时收纳在火箭的有效载荷舱内，肋单元2呈完全收拢状态，竖杆弹簧25和y形机构弹簧26被压缩，并储存一定的弹性势能，此时机构的总体体积最小；待卫星进入轨道后，星载折展天线反射器根据任务指令执行解锁，然后竖杆弹簧25和y形机构弹簧26同时分别推动竖杆滑块21和y形机构滑块16沿竖杆20和y形机构中心杆17运动，进而带动基本可展开单元34和y形机构35展开；机构在小斜腹杆6与大斜腹杆5的连接处、y形机构大斜腹杆10和y形机构小斜腹杆11的连接处均设计有限位结构，当小斜腹杆6与大斜腹杆5、y形机构大斜腹杆10和y形机构小斜腹杆11分别展成一条直线后，机构到达极限位置并锁定，由此机构转变成一个稳定的结构。
37.在本实施例中，宇航星载折展天线反射器在采用可展开单元34作为径向延伸结构的基础上，又引入了另一种结构形式，即y形机构35；此种设计的目的主要是考虑到对于这种辐射式可展开天线反射器而言，若只单一采用可展开单元34这种结构形式，随着天线口径的增加，天线边缘处的有效结构将变得相对稀疏，进而不利于对反射网的连接与张紧，天线的形面精度也难以保证；在可展开单元34的外侧安装y形机构35后，可以大大提高结构的覆盖面，同时也能有效降低结构的重量。另外为了满足对于更大口径天线的需求，还可以通过在y形机构35的基础上增加分支数量，或增加基本可展开单元34的周向数量，或为其两者的结合等方式，这样能更好的满足要求。
38.在本实施例中，肋单元2是折展天线反射器实现展开的关键结构，其主要由可展开单元34和y形机构35两个装配体组成，每个装配体相对独立，并均具有展开功能，因此可展开单元34和y形机构35各需要1个动力源驱动其展开；考虑宇航任务对结构质量的苛刻要求，在本发明中采用了压缩弹簧这种无源驱动形式，以尽可能降低结构的质量，同时这种驱动方式避免了传统采用电机结合丝杠驱动的复杂结构，具有可靠性高，展开同步性好等优点。
39.在本实施例中，中心杆组件1和六个肋单元2在材料的选择上均由钛合金、镁合金或碳纤维制成，如此设置，有利于降低天线反射器机构的重量，满足实际卫星任务的需要。
40.在本实施例中，每个y形机构35由两个y形机构上弦杆13组成，如此设置，可满足多数任务情况的需要。在此基础上，还可根据任务的变化，通过调整y形机构上弦杆13的数量进行适应性增减，以达到更广泛的使用效果。
41.实施例2、参考图14、图15和图16，本实施例提供一种设有实施例1所述的宇航折展天线反射器的卫星系统，包括卫星本体51，所述宇航折展天线反射器52通过机械臂组件53连接在卫星本体51上，机械臂组件53为开式多连杆机构，机械臂组件53一端转动连接在卫星本体51
上，另一端与宇航折展天线反射器52固定连接，在机械臂组件53连接宇航折展天线反射器52的一端还设有锁紧释放装置55。在所述卫星本体51的侧面上，还对称设有两个太阳翼54。
42.卫星本体51的外轮廓为长方体形状，其中一个侧面与机械臂组件53的一端相连，另外有两个侧面分别与一个太阳翼54相连；所述机械臂组件53为开式多连杆机构，其一端与卫星本体51相连，并形成转动副；另一端与折展天线反射器机构52相连，并形成固接；所述锁紧释放装置55将折展天线反射器机构52捆绑锁紧或解除锁紧。
43.本发明的折展天线反射器机构52在宇航空间的展开过程可以分为两个阶段：第一个阶段：当卫星系统进入轨道后，机械臂组件53在电机的驱动下，机械臂组件53的各个构件顺次打开，将收拢状态的折展天线反射器机构52支撑到工作位置；第二个阶段：锁紧释放装置55工作，将捆绑锁紧的收拢状态的折展天线反射器机构52进行释放，折展天线反射器机构52在弹簧驱动力的作用下展开，完全展开后，机构实现刚化锁定，由机构转变成一个稳定的结构。
44.以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。
45.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。