本發(fā)明涉及星載天線，具體涉及展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用，空間大型可展開桁架結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星天線、太陽(yáng)能帆板等方面，如星載大型可展開天線已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星等方面。而由于航天領(lǐng)域運(yùn)輸特性，如運(yùn)載火箭容納尺寸、運(yùn)載能力限制等，衛(wèi)星天線需做成可折疊式的，要求天線在發(fā)射階段折疊起來(lái)固定在運(yùn)載工具有效載荷艙內(nèi)，待航天器進(jìn)入軌道后，再由地面控制中心指令其在空間軌道按設(shè)計(jì)要求，逐步完成展開動(dòng)作，然后鎖定并保持為工作狀態(tài)。

2、傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線桁架多為單環(huán)結(jié)構(gòu)，在對(duì)天線進(jìn)行展開和收縮時(shí)，不具有具有高收納比和高剛度，嚴(yán)重影響末端定位和運(yùn)行精度，且傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線桁架導(dǎo)致衛(wèi)星天線體積龐大。

3、空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線作為星載天線的一種類型，具有收納率(收攏尺寸和展開尺寸的比值)高、精度高、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量不隨天線口徑增大而成倍增加的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大口徑空間可展開天線研究的重要課題，甚至有望朝著空間超大口徑星載天線研制的方向發(fā)展。因此，亟需設(shè)計(jì)展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法，包括十二個(gè)單胞機(jī)構(gòu)相互連接共同組成；

4、所述單胞機(jī)構(gòu)包括單胞固定座一、單胞固定座二、單胞固定座三、單胞固定座四和鄰胞連接座；

5、所述單胞機(jī)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)；

6、所述單胞固定座一和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒一，所述單胞固定座二和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒二，所述單胞固定座四和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒三，所述單胞固定座三和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒四；

7、所述單胞固定座一和單胞固定座四之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接有對(duì)折疊桿件一，所述單胞固定座二和單胞固定座三之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接有對(duì)折疊桿件二；

8、所述對(duì)折疊桿件一和對(duì)折疊桿件二轉(zhuǎn)動(dòng)連接有連桿。

9、優(yōu)選的，所述單胞固定座一、單胞固定座二、單胞固定座三、單胞固定座四的結(jié)構(gòu)相同，所述伸縮套筒一、伸縮套筒二、伸縮套筒三和伸縮套筒四的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度相同。

10、優(yōu)選的，所述單胞固定座一的外壁上固定設(shè)置有對(duì)稱分布的連接爪一和連接爪二。

11、優(yōu)選的，十二個(gè)所述單胞機(jī)構(gòu)為同一圓形軌跡分布，所述單胞固定座一和單胞固定座二分布在內(nèi)圓軌跡上，所述單胞固定座三和單胞固定座四分布在外圓軌跡上。

12、優(yōu)選的，

13、定義內(nèi)圓軌跡和外圓軌跡的半徑分別為r和r；伸縮套筒一的長(zhǎng)度為s；相鄰單胞機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)單胞固定座一之間的距離為l；單胞機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)單胞固定座三之間的距離為l，伸縮套筒為外環(huán)弦桿，對(duì)折疊桿件為內(nèi)環(huán)弦桿，內(nèi)環(huán)弦桿數(shù)量是外環(huán)弦桿數(shù)量的一半，內(nèi)環(huán)弦桿數(shù)量記為n；

14、

15、優(yōu)選的，當(dāng)n1和n9間的弦桿在垂直平面上圍繞n1旋轉(zhuǎn)1個(gè)角度θ時(shí)，其他弦桿和連接桿間旋轉(zhuǎn)相同的角度θ，可展開單元的高度記為h，即n3和n4間垂直構(gòu)件的長(zhǎng)度，當(dāng)單元折疊到角度θ時(shí)，其高度不變，n4的z坐標(biāo)等于桁架的高度h，因?yàn)閚1位于坐標(biāo)的原點(diǎn)，使用第1個(gè)路徑n4-n12-n8，n12的z坐標(biāo)可計(jì)算為h+ssinθ，n8的z坐標(biāo)為h+ssinθ，且n8＝n12＝n2，空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)在每1個(gè)折疊狀態(tài)下，3個(gè)節(jié)點(diǎn)同頻折疊、高度相同的條件下，不產(chǎn)生干涉。

16、優(yōu)選的，由前后拋物面索網(wǎng)組成，前后拋物面索網(wǎng)均由繞其軸線旋轉(zhuǎn)的拋物線組成，在xoy平面上，以點(diǎn)o為頂點(diǎn)，f為焦點(diǎn)的拋物線表示為：χ2＝4fz；

17、焦距f與大徑d間的比值f/d是拋物面的1個(gè)重要特征，當(dāng)f/d值較大時(shí)，制造拋物面比較簡(jiǎn)單，但隨著饋源與主反射面距離的增大，天線的抵抗能力減少，文中采用f/d的值，前表面取1.2，后表面取5，口徑d根據(jù)工程要求取5m；

18、a點(diǎn)和b點(diǎn)不僅在拋物線上，而且在可展開支撐桁架的邊緣上，通過(guò)代入式χ2＝4fz；可得到a點(diǎn)到b點(diǎn)的z坐標(biāo)，為保證天線的常規(guī)性能，整個(gè)天線的高度h必須大于前后拋物面電纜網(wǎng)的總高度za+zb；

19、hmin＝za+zb＝0.194+0.062＝0.256；

20、hmax＝h-l＝h-2rsin(π/2n)。

21、優(yōu)選的，空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)的高度在折疊過(guò)程中增加，折疊高度與在確定完全部署狀態(tài)下的原始桁架高度h由內(nèi)、外環(huán)連接桿s確定，可寫成：h1＝h2＝h3＝h+ssinθ；

22、s與小l的關(guān)系，s＝2lsin(π/n)；

23、可展開與可折疊天線的折疊比應(yīng)大于4，hmax≥hmin，可表示為：h-2rsin(π/2n)≥0.256；

24、其中n的下界可計(jì)算為：0.95-5sin(π/2n)≥0.256；

25、可得n≥11.28，因此，閉環(huán)可展開桁架的內(nèi)環(huán)邊數(shù)n必須大于或等于12；

26、固有頻率隨n值變化；對(duì)于不同截面的構(gòu)件，固有頻率f1的增加百分比始終小于5％。由于增加空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)外環(huán)橫桿的邊數(shù)會(huì)帶來(lái)更復(fù)雜的桁架，而固有頻率f1的增加很少小于5％，因此，選取內(nèi)環(huán)橫桿邊數(shù)n為12；再次證明n取12的合理性。

27、展開桁架機(jī)構(gòu)的控制方法，包括使用所述的展開桁架機(jī)構(gòu)得到的運(yùn)動(dòng)步驟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)桁架的展開和收縮。

28、在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法，本發(fā)明基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)得到的新型雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)展開原理，結(jié)構(gòu)具有收納率(收攏尺寸和展開尺寸的比值)高、精度高、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量不隨天線口徑增大而成倍增加的優(yōu)點(diǎn)；

29、雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最高，未來(lái)在應(yīng)用于環(huán)形天線中，具有抵抗由大范圍運(yùn)動(dòng)引起的彈性變形以及經(jīng)歷高溫日照區(qū)時(shí)導(dǎo)致的熱變形的能力。

技術(shù)特征：

1.展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括十二個(gè)單胞機(jī)構(gòu)(1)相互連接共同組成；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述單胞固定座一(2)、單胞固定座二(5)、單胞固定座三(6)、單胞固定座四(7)的結(jié)構(gòu)相同，所述伸縮套筒一(9)、伸縮套筒二(10)、伸縮套筒三(11)和伸縮套筒四(12)的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述單胞固定座一(2)的外壁上固定設(shè)置有對(duì)稱分布的連接爪一(3)和連接爪二(4)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，十二個(gè)所述單胞機(jī)構(gòu)(1)為同一圓形軌跡分布，所述單胞固定座一(2)和單胞固定座二(5)分布在內(nèi)圓軌跡上，所述單胞固定座三(6)和單胞固定座四(7)分布在外圓軌跡上。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)n1和n9間的弦桿在垂直平面上圍繞n1旋轉(zhuǎn)1個(gè)角度θ時(shí)，其他弦桿和連接桿間旋轉(zhuǎn)相同的角度θ，可展開單元的高度記為h，即n3和n4間垂直構(gòu)件的長(zhǎng)度，當(dāng)單元折疊到角度θ時(shí)，其高度不變，n4的z坐標(biāo)等于桁架的高度h，因?yàn)閚1位于坐標(biāo)的原點(diǎn)，使用第1個(gè)路徑n4-n12-n8，n12的z坐標(biāo)可計(jì)算為h+ssinθ，n8的z坐標(biāo)為h+ssinθ，且n8＝n12＝n2，空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)在每1個(gè)折疊狀態(tài)下，3個(gè)節(jié)點(diǎn)同頻折疊、高度相同的條件下，不產(chǎn)生干涉。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，由前后拋物面索網(wǎng)組成，前后拋物面索網(wǎng)均由繞其軸線旋轉(zhuǎn)的拋物線組成，在xoy平面上，以點(diǎn)o為頂點(diǎn)，f為焦點(diǎn)的拋物線表示為：χ2＝4fz；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的展開桁架機(jī)構(gòu)，其特征在于，空間剪叉式桁架衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)的高度在折疊過(guò)程中增加，折疊高度與在確定完全部署狀態(tài)下的原始桁架高度h由內(nèi)、外環(huán)連接桿s確定，可寫成：h1＝h2＝h3＝h+ssinθ；

9.展開桁架機(jī)構(gòu)的控制方法，其特征在于，包括使用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的展開桁架機(jī)構(gòu)得到的運(yùn)動(dòng)步驟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)桁架的展開和收縮。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了展開桁架機(jī)構(gòu)及控制方法，包括十二個(gè)單胞機(jī)構(gòu)相互連接共同組成；單胞機(jī)構(gòu)包括單胞固定座一、單胞固定座二、單胞固定座三、單胞固定座四和鄰胞連接座；單胞機(jī)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)；單胞固定座一和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒一，單胞固定座二和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒二，單胞固定座四和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒三，單胞固定座三和鄰胞連接座之間設(shè)置有伸縮套筒四。本發(fā)明基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)得到的新型雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)展開原理，結(jié)構(gòu)具有收納率高、精度高、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量不隨天線口徑增大而成倍增加的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：張磊,王國(guó)欽,董磊,岳之斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30