本发明涉及可展开天线结构设计领域,具体涉及一种扭簧驱动的新型固面可展开天线结构。
背景技术：
随着科技的发展，通讯、导航、遥感等领域需求的急剧增长对卫星的信息传播要求变得越来越高，而卫星的信息传播不仅需要天线采用高频段电磁波传输，还需要具备高带宽、高增益、高信噪比等优秀性能，这就要求天线需要具有较大的口径、较高的型面精度等。但由于受到航天运载工具整流罩容积的限制，卫星发射时较大口径的天线必须进行折叠才能存储于卫星罩内。可展开天线可在卫星发射时折叠，当卫星入轨到指定位置后，天线再依靠自带的动力源自动展开，可有效解决航天运载工具的空间限制问题。
反射面天线具有单个天线增益高、频带宽的特点，广泛应用于卫星通信、微波通信中继、移动通信基站、车载站等场合。反射面天线按照工作表面组成介质的不同可分为充气式反射面天线、网状反射面天线和固体反射面天线。固体反射面天线的展开口径和收纳率略差，但是面密度、型面精度和工作频率均比其余两种反射面天线高，更适用于工作频率要求高，型面精度要求高的卫星天线上。最早的固体反射面可展开天线是美国trw公司研制的sunflower天线，但整体收纳率尤其是高度方向收纳率不高。为提高高度方向的收纳率，日本的toshiba/nasda在sunflower天线的基础上采用更为复杂的双层折叠设计，这使得整个天线系统装置十分复杂。目前的固体反射面可展开天线一般拥有较高的直径方向收纳率，但在高度方向上的收纳率大都比较低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：为了解决现有的固面可展开天线结构装置复杂，高度方向收纳率不高，展开控制困难等问题，进而提出一种固面可展开天线结构，具有装置简单、装置重量较轻、天线收纳率尤其是高度方向的收纳率高、展开过程控制操作简单、可进行天线展开构型保持等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种固面可展开天线结构，其特征在于，包括：
中心盘基座，具有呈正多边形分布的n个边；
折叠单元，呈圆周分布在所述中心盘基座的周向，个数为n；铰接在中心盘基座的每个边上；由第一面板、第二面板和第三面板组成，所述第一面板与第二面板相交为第一峰线，第二面板与第三面板相交为谷线；相邻两折叠单元中一个折叠单元的第一面板与另一个折叠单元的第三面板相交成第二峰线；所述第一峰线、谷线和第二峰线的延长线均穿过所述中心盘基座正多边形的角上。
在所述中心盘基座相邻边的汇合处采用一多边形凸角进行过渡连接，该多边形凸角具有至少三个顶点，所述第一峰线、谷线和第二峰线分别位于一个顶点上。
所述多边形凸角还具有一个顶点，该顶点位于第一峰线的延长线上。
所述折叠单元内的第一面板、第二面板和第三面板之间分别采用驱动铰链铰接；折叠单元间采用驱动铰链铰接；折叠单元与中心盘基座的边之间也采用驱动铰链铰接。
所述驱动铰链包括转动轴、扭簧和两个连接部件，两个连接部件连接在所述转动轴上；所述扭簧设置在所述转动轴上，扭簧的两端分别固定在两侧的连接部件上，连接部件转动时带动扭簧端部转动蓄能，天线展开时扭簧恢复力可驱动两个所述连接部件绕所述转动轴转动。
在所述驱动铰链上还设置有使天线保持展开之后的构型状态的锁定装置。
所述锁定装置包括锁止孔和可伸缩的销轴，其中锁止孔和可伸缩的销轴分别位于不同的连接部件上，当天线展开后，所述销轴伸入所述锁止孔内。
在两侧连接部件的转动轴附近的位置均开设所述锁止孔，在一侧的锁止孔内放置弹簧，弹簧的外侧连接所述销轴；天线没有完全展开时，弹簧和销轴被压缩在一侧的锁止孔内，当天线完全展开之后，两侧连接部件上的锁止孔位置对齐，此时一侧锁止孔内连接弹簧的销轴的一端进入另一侧连接部件上的锁止孔内，对驱动铰链进行锁止固定，天线保持在完全展开状态。
本发明固面可展开天线结构，包括天线面板、中心盘基座、驱动铰链、锁定装置等部件。天线面板部分包括三种形状样式的天线面板，每种样式的天线面板有六个；中心盘基座位于可展开天线的中心位置，固定于卫星平台之上；驱动铰链包括扭簧、转动轴和连接部件部分，转动轴穿过扭簧，扭簧两端分别固定在两侧的连接部分；相邻天线面板与中心盘基座之间、相邻天线面板之间通过两个带驱动的铰链进行连接；驱动铰链两侧连接部件分别安装在相邻天线面板或者中心盘基座表面并进行固定；中心盘基座在与多个面板交界位置进行凸出处理；天线展开之后相邻两块天线面板之间通过锁定装置锁紧，锁定装置包括两侧连接部件上转动轴附近的锁止孔、弹簧和销轴。在固面可展开天线发射之前，将天线面板按照折痕图中折痕布置方式进行折叠，对天线进行收纳，此时驱动铰链发生转动，带动其中的扭簧发生弹性变形，扭簧中产生恢复原先形状的力。卫星发射到预定工作轨道之后，解除对固面可展天线折叠状态的约束，天线通过驱动铰链中的扭簧的恢复力驱动天线展开。天线展开完成后扭簧仍保持一定的预紧力，且锁定装置锁紧，使固面可展开天线在展开之后仍可保持展开之后的构型状态。固面可展开天线展开完成后固体反射面天线即可开始进入工作状态。
所述的天线面板采用固体反射面天线材料，天线面板形状按照折痕图进行加工，其中天线面板形状的部分相关参数可以根据天线参数进行优化调整。
所述的天线面板折叠收纳按照折痕图中的折痕布置方式进行，折痕图中虚线表示谷线，相邻两天线面板向内折叠，即相邻两天线面板的外法线方向向量夹角减小，实线表示峰线，相邻两天线面板向外折叠，即相邻两天线面板的外法线方向向量夹角增大。
所述的驱动铰链与天线面板和中心盘基座之间的固定采用焊接或者螺栓连接固定。
所述的折叠天线自我展开实现通过解除对折叠天线的约束之后，天线依靠驱动铰链中的扭簧的恢复力提供驱动动力实现自我展开。
所述的锁定装置为铰链两侧连接部件上转动轴附近分别开锁止孔，一侧装带有弹簧的销轴突出，折叠过程中，销轴被压在一侧锁止孔内，当天线展开完成之后，带弹簧的销轴突出进入另一侧锁止孔中，完成锁定装置的锁定即可保持天线展开构型的稳定。
所述的可展开天线展开之后保持展开构型通过驱动铰链中的扭簧的预紧力和锁定装置锁紧实现，扭簧的预紧力是在扭簧安装时预先施加。
所述的扭簧采用满足一定刚度需求的弹性材料，在外力作用下发生变形，外力撤除之后，扭簧材料可自行恢复到受力之前的形状。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
（1）本发明的固面可展开天线结构为可展开天线的实现提供了一种有效的解决方案，天线的面板分块经过了结构构型的优化设计，避免天线在展开和收拢过程中发生干涉，且天线在高度方向具有较高的收纳率，充分利用运载空间。
（2）本发明中可展开天线的展开驱动依靠驱动铰链中扭簧的恢复力实现，无需电机驱动控制，展开驱动简单，可靠性高。
（3）本发明中可展开天线在展开完成之后，通过扭簧的预紧力和锁定装置的锁定，保持天线展开之后的构型形状。
（4）本发明中可展开天线中的天线面板通过相邻两面板之间的驱动铰链连接，运动过程中绕相邻面板进行相对转动，无需复杂的运动副控制，因此整体的天线系统装置相对简单，装置重量也较轻。
附图说明
图1是本发明固面可展开天线结构示意图；
图2是本发明固面可展开天线六部分旋转对称折痕示意图；
图3是本发明固面可展开天线五部分旋转对称折痕示意图；
图4是本发明固面可展开天线四部分旋转对称折痕示意图；
图5是本发明固面可展开天线俯视图；
图6是本发明固面可展开天线仰视图；
图7是本发明固面可展开天线侧视图；
图8是本发明的中心盘基座示意图；
图9是本发明的面板类型ⅰ示意图；
图10是本发明的面板类型ⅱ示意图；
图11是本发明的面板类型ⅲ示意图；
图12是本发明的固面可展开天线收拢状态示意图；
图13是本发明的驱动铰链示意图；
图14是本发明的扭动铰链中扭簧示意图；
图15是本发明的驱动铰链中转动轴示意图；
图16是本发明的驱动铰链中转动轴与扭簧的相对位置示意图；
图17是本发明的驱动铰链中转动轴、扭簧与连接部件的位置关系透视图；
图18是本发明的驱动铰链中转动轴、扭簧与连接部件的位置关系示意图；
图19是本发明的锁定装置一侧连接部件示意图；
图20是本发明的锁定装置另一侧连接部件示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施对本发明进一步详细说明：
本设计发明在传统的固体反射面天线的基础上，运用折纸的相关理论，提出一种新型固面可展开天线结构形式，从而实现天线在运输过程中进行折叠收纳，在太空中自动展开的功能需求，装置重量较轻，且拥有较高的高度方向收纳率，同时可实现天线展开构型保持，可充分发挥固体反射面天线的优势，保证天线的高工作频率和高型面精度的要求。
所述的可展开天线的整体可由多个旋转对称的部分组成，这里以六部分旋转对称为例对本发明的可展开天线结构形式进行说明。
如图1所示，本发明新型固面可展开天线，包括中心盘基座1、类型ⅰ面板2、类型ⅱ面板3、类型ⅲ面板4、相邻两块面板之间的内侧驱动铰链5和外侧驱动铰链6等部件，该发明可通过相邻两块面板之间的内侧驱动铰链5和外侧驱动铰链6的转动，进行固面可展开天线的折叠和展开。
图2~图4分别是本发明的新型固面可展开天线六部分、五部分和四部分旋转对称的折痕示意图，每部分中折痕分布相同。在本发明中，天线按照折痕图进行折叠和展开，其中虚线为谷线11，表示相邻两天线面板向内折叠，即相邻两天线面板的外法线方向向量夹角减小，实线为峰线12，表示相邻两天线面板向外折叠，即相邻两天线面板的外法线方向向量夹角增大。
图5~图7分别为本发明的新型固面可展开天线的俯视图、仰视图和侧视图，在折痕为谷线的相邻两天线面板，包括中心盘基座1与类型ⅰ面板2、类型ⅰ面板2与类型ⅱ面板3、类型ⅰ面板2与类型ⅲ面板4，连接方式均为两个在同一轴线位置的内侧驱动铰链5，而折痕为峰线的相邻两天线面板，即类型ⅱ面板3与类型ⅲ面板4，连接方式为两个在同一轴线位置的外侧驱动铰链6。
本发明的新型固面可展开天线的整个天线结构由旋转对称的几部分组成，且旋转对称部分的数量可以改变。每个旋转对称部分中都包含三种形状的天线面板，且天线面板之间的交线以及中心盘基座与之对应的边所在的直线相交于一点。中心盘基座位于可展开天线的中心位置，固定于卫星平台之上，中心盘基座的主体形状为旋转对称部分数量所对应的正多边形，且在每个顶点位置设置六边形突出区域，六边形突出区域的顶点分别与天线面板ⅰ和天线面板ⅱ的共有边、天线面板ⅱ和天线面板ⅲ的共有边、天线面板ⅲ和天线面板ⅰ的共有边相连。天线面板在中心盘基座六边形突出区域有相对应的形状调整。其中，由六个旋转对称部分组成的天线结构的中心盘基座1形状如图8所示，类型ⅰ面板2形状如图9所示，类型ⅱ面板3形状如图10所示，类型ⅲ面板4形状如图11所示。
图12是本发明的新型固面可展开天线六部分旋转对称时收拢折叠之后的示意图，天线进行收拢折叠是按照图2中折痕分布进行。固定中心盘基座1位置不变，相应转动相邻两天线面板按照谷线11和峰线12折叠，即分别使中心盘基座1与类型ⅰ面板2、类型ⅰ面板2与类型ⅱ面板3、类型ⅰ面板2与类型ⅲ面板4的外法线方向向量夹角减小，类型ⅱ面板3与类型ⅲ面板4的外法线方向向量夹角增大。本发明的可展开天线在发射运输过程中，始终保持折叠收纳的状态，即图12所示天线状态。
本发明中的内侧驱动铰链5和外侧驱动铰链6结构如图11所示，包括转动轴9、扭簧10和连接部件13。扭簧10和转动轴9结构示意图分别如图14和图15所示。扭簧10和转动轴9在驱动铰链5（6）中的位置关系如图16所示。扭簧10、转动轴9和连接部件13的相对位置关系如图17和图18所示。扭簧10的两端分别与两侧的连接部件13固定在一起。扭簧10在初始安装时，预先设置小变形，使天线在展开完成之后，扭簧10中仍保留一定的预紧力以用于维持天线的展开状态。在天线折叠收纳的过程中，连接天线面板的内侧驱动铰链5和外侧驱动铰链6发生转动，即两侧的连接部件13绕转动轴9产生相对转动，带动其上的扭簧10发生弹性变形而蓄能，扭簧10有恢复原先形状的趋势，产生一个恢复力作用。扭簧10所采用的弹性材料在恢复变形时可产生足够的驱动力，驱动整个天线结构进行展开。
本发明中的锁定装置如图19和图20所示，根据驱动铰链5（6）的转动角度，在两侧连接部件13上转动轴9附近的位置开设锁止孔14，在一侧的锁止孔14内放置弹簧8，弹簧8的外侧连接销轴7。天线没有完全展开时，弹簧8和销轴7被压缩在一侧的锁止孔14内。当天线依靠驱动铰链5（6）中的扭簧10的恢复力提供的驱动完全展开之后，两侧连接部件13上的锁止孔14位置对齐，此时一侧锁止孔14内连接弹簧8的销轴7的一端进入另一侧连接部件13上的锁止孔14内，对驱动铰链5（6）进行锁止固定，天线可以保持在完全展开状态。
1.一种固面可展开天线结构，其特征在于，包括：
中心盘基座，具有呈正多边形分布的n个边；
折叠单元，呈圆周分布在所述中心盘基座的周向，个数为n；铰接在中心盘基座的每个边上；由第一面板、第二面板和第三面板组成，所述第一面板与第二面板相交为第一峰线，第二面板与第三面板相交为谷线；相邻两折叠单元中一个折叠单元的第一面板与另一个折叠单元的第三面板相交成第二峰线；所述第一峰线、谷线和第二峰线的延长线均穿过所述中心盘基座正多边形的角上。
2.根据权利要求1所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，在所述中心盘基座相邻边的汇合处采用一多边形凸角进行过渡连接，该多边形凸角具有至少三个顶点，所述第一峰线、谷线和第二峰线分别位于一个顶点上。
3.根据权利要求2所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，所述多边形凸角还具有一个顶点，该顶点位于第一峰线的延长线上。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，所述折叠单元内的第一面板、第二面板和第三面板之间分别采用驱动铰链铰接；折叠单元间采用驱动铰链铰接；折叠单元与中心盘基座的边之间也采用驱动铰链铰接。
5.根据权利要求4所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，所述驱动铰链包括转动轴、扭簧和两个连接部件，两个连接部件连接在所述转动轴上；所述扭簧设置在所述转动轴上并可驱动两个所述连接部件绕所述转动轴转动。
6.根据权利要求5所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，扭簧的两端分别固定在两侧的连接部件上，连接部件转动时带动扭簧端部转动蓄能，天线展开时扭簧恢复力可驱动两个所述连接部件绕所述转动轴转动。
7.根据权利要求4所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，在所述驱动铰链上还设置有使天线保持展开之后的构型状态的锁定装置。
8.根据权利要求7所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，所述锁定装置包括锁止孔和可伸缩的销轴，其中锁止孔和可伸缩的销轴分别位于不同的连接部件上，当天线展开后，所述销轴伸入所述锁止孔内。
9.根据权利要求8所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，在两侧连接部件的转动轴附近的位置均开设所述锁止孔，在一侧的锁止孔内放置弹簧，弹簧的外侧连接所述销轴；天线没有完全展开时，弹簧和销轴被压缩在一侧的锁止孔内，当天线完全展开之后，两侧连接部件上的锁止孔位置对齐，此时一侧锁止孔内连接弹簧的销轴的一端进入另一侧连接部件上的锁止孔内，对驱动铰链进行锁止固定，天线保持在完全展开状态。
10.根据权利要求4所述的一种固面可展开天线结构，其特征在于，所述n为4-10。
技术总结