基于平行四边形单元的Y型肋可展开天线

基于平行四边形单元的y型肋可展开天线
技术领域
1.本发明涉及可展开天线技术领域，特别涉及一种基于平行四边形单元的y 型肋可展开天线。


背景技术：

2.随着航天事业对卫星天线捕获微弱信号并进行高质量传输的要求不断提升，迫使卫星天线朝着大口径、高精度方向发展。受发射成本和火箭仓有效空间的限制，要求卫星天线质量轻且能以包络空间较小的收拢态放置火箭仓内进行发射，待卫星入轨后再控制天线展开成大口径的工作状态。
3.目前，主要采用可展开机构与索网组合的方式来满足上述需求。然而，现有大部分构型的可展开机构中杆件的数目随着天线口径的增大而急剧增加，致使天线的面密度过大、收纳比相对较低，限制了卫星天线向更大口径方向发展；而少部分具备低面密度、高收纳比的可展开天线，则采用的是单杆折叠的方式构造可展开机构，该可展开机构展开后依靠铰接关节的限位结构锁定，导致相应的可展开机构的刚度较小，不利于卫星天线的精度保持和稳定运行。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的是提供一种基于平行四边形单元的y型肋可展开天线，通过将平行四边形结构的易于折叠且展开后刚度大的特性，以及三角形结构的自锁特性应用于y型单肋中，从而改善y型单肋的刚度和稳定性。
5.一种基于平行四边形单元的y型肋可展开天线，包括可展开的y型总肋，位于所述y型总肋上方的反射网，以及位于所述y型总肋下方的拉索网；
6.所述y型总肋包括中心支撑柱，以及阵列设于所述中心支撑柱周围的至少三个y型单肋，所述中心支撑柱上依序固定有上铰接盘、中铰接盘和下铰接盘，以及套设有弹性元件，所述弹性元件的顶端与所述中铰接盘的底部固定；
7.所述y型单肋包括依序设置的曲柄滑块机构，第一上斜撑杆，第二上斜撑杆，依序首尾错位连接的多个平行四边形连杆机构，多个平行四边形连杆机构形成可折叠的连续z字型结构；
8.所述曲柄滑块机构中的滑块滑动设于所述中心支撑柱上且与所述弹性元件的底端固定，曲柄的一端与所述下铰接盘铰接，另一端与所述第一上斜支撑杆的首端连接，连杆的一端与所述滑块铰接，另一端与所述第一上斜支撑杆的杆身铰接，所述第一上斜支撑杆的末端与所述第二上斜撑杆的杆身铰接，所述第二上斜撑杆的首端与所述中铰接盘铰接，末端与第一个的平行四边形连杆机构的首端铰接，第一个的平行四边形连杆机构的首端同时还与上铰接盘铰接；
9.最后一个的平行四边形连杆机构的末端杆，由铰接处向外延伸形成第三上斜支撑杆，另一个铰接处与第四上斜支撑杆铰接；
10.所述反射网的中心与所述中心支撑柱的顶部固定、外边缘与多个第四上斜支撑杆的末端连接，所述拉索网的中心与所述中心支撑柱的底部固定、外边缘与多个第三上斜支撑杆的末端连接，所述反射网与所述拉索网之间相互牵拉；
11.在所述弹性元件的带动下，所述滑块沿着所述中心支撑杆向下滑动，以使各个y型单肋同步展开，当所述曲柄与所述第一上斜支撑杆共线时，所述曲柄、第一上斜支撑杆、第二上斜撑杆和中心支撑杆之间构成自锁三角形。
12.进一步地，所述滑块包括套设于所述中心支撑杆上的滑筒，以及阵列设于所述滑筒外壁上的多个铰接块，每个所述铰接块与一个连杆铰接。
13.进一步地，所述曲柄的活动端包括两个平行设置的柄杆，两个所述柄杆的末端通过限位块连接；
14.所述连杆的活动端连接在两个所述柄杆之间，所述第一上斜支撑杆的首端连接在两个所述柄杆的末端，当所述曲柄与所述第一上斜支撑杆共线时，所述第一上斜支撑杆抵靠在所述限位块上。
15.进一步地，所述第一上斜支撑杆的杆壁上外凸形成阻挡块，所述阻挡块的宽度大于两个所述柄杆之间的间距。
16.进一步地，相邻的两个平行四边形连杆机构之间共用两根公共杆。
17.进一步地，第一个的平行四边形连杆机构包括一号杆、二号杆、三号杆和四号杆；
18.所述一号杆的首端与所述第二上斜撑杆的末端铰接，末端与所述四号杆的杆身铰接；
19.所述二号杆的首端与所述上铰接盘铰接，末端与所述一号杆的杆身铰接；
20.所述三号杆的首端与所述二号杆的杆身铰接，末端与所述四号杆的首端铰接；
21.所述一号杆和四号杆为公共杆，且四号杆同时由后续两个平行四边形连杆机构共用。
22.进一步地，中间的平行四边形连杆机构包括一号杆、四号杆、五号杆和六号杆；
23.所述五号杆的首端与所述一号杆的杆身铰接，末端与所述六号杆的首端铰接；
24.所述四号杆的末端与所述六号杆的杆身铰接，所述四号杆和六号杆为共用杆，且所述六号杆同时由后续两个平行四边形连杆机构共用。
25.进一步地，最后一个的平行四边形连杆机构包括四号杆、六号杆、七号杆和第三上斜支撑杆；
26.所述七号杆的首端与所述四号杆的杆身铰接，末端与所述第三上斜支撑杆的首端铰接；
27.所述六号杆的末端与所述第三上斜支撑杆的杆身铰接。
28.进一步地，所述第三上斜支撑杆的首端延伸形成y型连接部，所述y型连接部同时与七号杆和第四上斜支撑杆铰接，所述七号杆位于所述y型连接部的外侧，所述第四上斜支撑杆位于所述y型连接部的内侧；
29.所述y型连接部的末端形成弧形的限位凸台，所述第三上斜支撑杆的外壁上设有弧形的限位挡块，所述限位挡块的内弧面与所述限位凸台的外面贴合。
30.进一步地，所述y型单肋和y型总肋的自由度均为1。
31.本发明具有以下优点：
32.(1)利用平行四边形易于折叠，展开后刚度大的特性，将其应用于构造可展开天线的y型单肋中，增强了可展开天线的刚度；
33.(2)y型单肋在完全展开态下，受曲柄末端的机械限位，曲柄与第一上斜支撑杆共线，形成了死点，并与第二上斜撑杆和中心支撑杆之间构成自锁三角形，使y型单肋获得了稳定的自锁结构，增强了可展开天线的稳定性；
34.(3)y型总肋收纳比高，构成其结构所需的杆件少，将其与反射网和拉索网组合，有益于构造质量小、收纳比高的可展开卫星天线。
附图说明
35.图1为本发明中基于平行四边形单元的y型肋可展开天线在完全展开态的等轴测图；
36.图2为图1中去除反射网和拉索后的完全展开态等轴测图；
37.图3为图1中去除反射网和拉索后的展开中间态等轴测图；
38.图4为图1中去除反射网和拉索后的收拢态等轴测图；
39.图5为图1中y型单肋和中心支撑柱连接的主视图；
40.图6为图1中y型单肋和中心支撑柱连接的等轴测图；
41.图7为图6中a处的放大图；
42.图8为图6中b处的放大图；
43.图9为本发明中y型单肋的机构原理图。
44.主要元件符号说明：
45.[0046][0047]
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0048]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0049]
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0050]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0051]
请参阅图1至图6，本发明一实施例中一种基于平行四边形单元的y型肋可展开天线，包括可展开的y型总肋10，位于所述y型总肋10上方的反射网 20，以及位于所述y型总肋10下方的拉索网30；
[0052]
所述y型总肋10包括中心支撑柱101，以及阵列设于所述中心支撑柱101 周围的至少三个y型单肋102，所述中心支撑柱101上依序固定有上铰接盘103、中铰接盘104和下铰接盘105，以及套设有弹性元件106，所述弹性元件106的顶端与所述中铰接盘104的底部固定；
[0053]
所述y型单肋102包括依序设置的曲柄滑块机构1021，第一上斜撑杆1022，第二上斜撑杆1023，依序首尾错位连接的多个平行四边形连杆机构，多个平行四边形连杆机构形成可折叠的连续z字型结构；
[0054]
所述曲柄滑块机构1021中的滑块10211滑动设于所述中心支撑柱101上且与所述弹性元件106的底端固定，曲柄10212的一端与所述下铰接盘105铰接，另一端与所述第一上斜支撑杆1022的首端连接，连杆10213的一端与所述滑块 10211铰接，另一端与所述第一上斜支撑杆1022的杆身铰接，所述第一上斜支撑杆1022的末端与所述第二上斜撑杆1023的杆身铰接，所述第二上斜撑杆1023 的首端与所述中铰接盘104铰接，末端与第一个的平行四边形连杆机构的首端铰接，第一个的平行四边形连杆机构的首端同时还与上铰接盘103铰接；
[0055]
最后一个的平行四边形连杆机构的末端杆，由铰接处向外延伸形成第三上斜支撑
杆1024，另一个铰接处与第四上斜支撑杆1025铰接；
[0056]
所述反射网20的中心与所述中心支撑柱101的顶部固定、外边缘与多个第四上斜支撑杆1025的末端连接，所述拉索网30的中心与所述中心支撑柱101 的底部固定、外边缘与多个第三上斜支撑杆1024的末端连接，所述反射网20与所述拉索网30之间相互牵拉；
[0057]
在所述弹性元件106的带动下，所述滑块10211沿着所述中心支撑杆101向下滑动，以使各个y型单肋102同步展开，当所述曲柄10212与所述第一上斜支撑杆1022共线时，所述曲柄10212、第一上斜支撑杆1022、第二上斜撑杆1023 和中心支撑杆101之间构成自锁三角形。
[0058]
需要说明的是，本发明中，所述弹性元件106优选为弹簧，但并不局限于此。并且各个y型单肋102共用中心支撑柱101、上铰接盘103、中铰接盘104、下铰接盘105、弹性元件106，以及同一个滑块10211，使得各个y型单肋102 同步进行展开和收拢。
[0059]
具体的，在所述弹性元件106的带动下，所述滑块10211沿着所述中心支撑杆101向下滑动，以使各个y型单肋102同步展开，即使得天线逐步展开，在展开过程中，反射网20与拉索网30受固定于y型单肋上的连接点，以及反射网20与拉索网30之间的连接点的共同牵拉作用逐步张紧；同时，在反射网 20和拉索网30的张紧力作用下，所述曲柄10212相对于所述连杆10213逐步张开一定角度，当所述曲柄10212与所述第一上斜支撑杆1022共线时，反射网20 与拉索网30均被张紧，天线停止运动，变为完全开展态。当需要收拢时，将所述滑块10212沿着所述中心支撑杆101向上滑动即可。本发明得益于所述曲柄 10212与所述第一上斜支撑杆1022共线以形成的死点，以及所述曲柄10212、第一上斜支撑杆1022、第二上斜撑杆1023和中心支撑杆101之间构成自锁三角形，使y型单肋102在完全展开态获得了稳定的自锁状态，保障了天线的稳定性；同时，得益于y型单肋102的机构杆件少、折叠后形态规整、展开后刚度高等特性，保障了天线的低面密度、高收纳比和高刚度。
[0060]
请参阅图5和图6，所述滑块10211包括套设于所述中心支撑杆101上的滑筒，以及阵列设于所述滑筒外壁上的多个铰接块，每个所述铰接块与一个连杆 10213铰接，以确保各个y型单肋102的驱动同步性。
[0061]
请参阅图5、图6和图7，在本发明一优选实施例中，所述曲柄10212 的活动端包括两个平行设置的柄杆10214，两个所述柄杆10214的末端通过限位块10215连接；
[0062]
所述连杆10213的活动端连接在两个所述柄杆10214之间，所述第一上斜支撑杆1022的首端连接在两个所述柄杆10214的末端，当所述曲柄10212与所述第一上斜支撑杆1022共线时，所述第一上斜支撑杆1022抵靠在所述限位块 10215上，避免所述第一上斜支撑杆1022越过所述曲柄10212的末端，导致所述y型单肋102的支撑不稳。
[0063]
在本发明一优选实施例中，所述第一上斜支撑杆1022的杆壁上外凸形成阻挡块10221，所述阻挡块10221的宽度大于两个所述柄杆10214之间的间距，避免在收拢的过程中，所述第一上斜支撑杆1022会陷入两个所述柄杆10214 之间，产生摩擦力，从而导致在所述y型单肋102展开的过程中，需要较大的驱动力。
[0064]
请参阅图5和图6，在本发明另一优选实施例中，相邻的两个平行四边形连杆机构之间共用两根公共杆，以使得多个平行四边形连杆机构形成可折叠的连续z字型结构。
[0065]
请参阅图5和图6，第一个的平行四边形连杆机构包括一号杆41、二号杆42、三号杆43和四号杆44；
[0066]
所述一号杆41的首端与所述第二上斜撑杆1023的末端铰接，末端与所述四号杆44的杆身铰接；
[0067]
所述二号杆42的首端与所述上铰接盘103铰接，末端与所述一号杆41的杆身铰接；
[0068]
所述三号杆43的首端与所述二号杆42的杆身铰接，末端与所述四号杆44 的首端铰接；
[0069]
所述一号杆41和四号杆44为公共杆，且四号杆44同时由后续两个平行四边形连杆机构共用。
[0070]
请参阅图5和图6，中间的平行四边形连杆机构包括一号杆41、四号杆44、五号杆45和六号杆46；
[0071]
所述五号杆45的首端与所述一号杆41的杆身铰接，末端与所述六号杆46 的首端铰接；
[0072]
所述四号杆44的末端与所述六号杆46的杆身铰接，所述四号杆44和六号杆46为共用杆，且所述六号杆46同时由后续两个平行四边形连杆机构共用。
[0073]
请参阅图5和图6，最后一个的平行四边形连杆机构包括四号杆44、六号杆46、七号杆47和第三上斜支撑杆1024；
[0074]
所述七号杆47的首端与所述四号杆44的杆身铰接，末端与所述第三上斜支撑杆1024的首端铰接；
[0075]
所述六号杆46的末端与所述第三上斜支撑杆1024的杆身铰接。
[0076]
需要说明的是，在本发明一优选实施例中，所述一号杆41、四号杆44、六号杆46的两端铰接中心连线的长度相同，所述二号杆42、三号杆43、五号杆 45、七号杆47的两端铰接中心连线的长度相同；所述一号杆41、四号杆44、六号杆46的杆身上的铰接中心相对各杆自身的杆端铰接中心的位置相同；所述二号杆42的杆身上的铰接中心相对其下端铰接中心的位置与四号杆44上端铰接中心相对其杆身铰接中心的位置相同。只有这样连接，才能保证连杆组(一号杆 41、二号杆42、三号杆43和四号杆44)、(一号杆41、四号杆44、五号杆45和六号杆46)、(四号杆44、六号杆46、七号杆47和第三上斜支撑杆1024)连接构成的机构为平行四边形机构，只有他们构成四边形机构，采能保证收拢后各个连杆之间是紧密贴合的，进而使收拢态的包络空间达到最小，结构最为紧凑，进而使收纳比做到更高。
[0077]
请参阅图5、图6和图8，在发明一优选实施例中，所述第三上斜支撑杆1024 的首端延伸形成y型连接部10241，所述y型连接部10241同时与七号杆47和第四上斜支撑杆1025铰接，所述七号杆47位于所述y型连接部10241的外侧；
[0078]
所述y型连接部10241的末端形成弧形的限位凸台10242，所述第三上斜支撑杆1025的外壁上设有弧形的限位挡块10251，所述限位挡块10251的内弧面与所述限位凸台10242的外面贴合。
[0079]
需要说明的是，本实施例中，将所述第四上斜支撑杆1025设于所述y型连接部10241的内侧，使得所述第四上斜支撑杆1025和所述第三上斜支撑杆1024 处于同一平面内，便于与反射网20与拉索网30连接。所述限位凸台10242的一端对应为收拢状态的极限位置，另一端对应为展开状态的极限位置，使得所述第四上斜支撑杆1025和所述第三上斜支撑杆1024之间呈锐角状，以便于反射网20与拉索网30的张开。
[0080]
请参阅图5、图6和图9，需要明确的是，所述y型单肋102和y型总肋 10的自由度均
为1。具体的，y型单肋102中不存在空间交错的运动副轴线，为图9中所示的平面机构。平面机构自由度计算公式为：f＝3n-2p
l-ph，其中，n为活动构件的数目，p
l
为低副的数目，ph为高副的数目；因此，y型单肋102在去除第四上斜支撑杆10245后，其自由度为：f＝3x13-2x19-0＝1；而所有y型单肋 102均公用中心支撑柱101、上铰接盘103、中铰接盘104、下铰接盘105、弹性元件106和滑块10211，在去除所有y型单肋102中的第四上斜支撑杆10245 后，其自由度仍为1，为此，天线在展开过程中，各y型单肋102的运动是同步的。
[0081]
请参阅图1、图4、图5和图6，进一步地需要说明的是，本发明中，收拢状态的包络尺寸为上交接盘103的直径加上两倍的杆(42 44 1024 1025)的直径，展开状态的口径由上交接盘103的直径 杆(42 43 44 46 1025)的杆长及相互间的夹角(一般大于90
°
)决定，由于杆的直径远大于其杆长，因此收拢态的包络空间远小于其展开口径，所以收纳比高。
[0082]
具体的，本发明中，收拢状态的包络直径为1.050m，展开状态的口径为20m，收纳比达到了19倍。
[0083]
综上，本发明具有以下优点：
[0084]
(1)利用平行四边形易于折叠，展开后刚度大的特性，将其应用于构造可展开天线的y型单肋102中，增强了可展开天线的刚度；
[0085]
(2)y型单肋102在完全展开态下，受曲柄10212末端的机械限位，曲柄 10212与第一上斜支撑杆1022共线，形成了死点，并与第二上斜撑杆1023和中心支撑杆101之间构成自锁三角形，使y型单肋102获得了稳定的自锁结构，增强了可展开天线的稳定性；
[0086]
(3)y型总肋10收纳比高，构成其结构所需的杆件少，将其与反射网20 和拉索网30组合，有益于构造质量小、收纳比高的可展开卫星天线。
[0087]
本说明书中，各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。且以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。