采用y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用
阅读说明：本技术 采用y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用 (Deployable antenna adopting Y-shaped rib cable net parabolic cylinder, control method and application ) 是由 张树新 叶靖 张顺吉 段宝岩 闫雷东 李昊天 潘海洋 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于星载可展开天线技术领域,公开了一种采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用,由Y型肋支撑桁架、索网以及金属丝网组成。Y型肋支撑桁架由抛物线方向的Y型肋可展开单元和基线方向的剪式可展开单元组成,两者通过剪式可展开单元末端的固定型铰接接头和滑动型铰接接头进行连接；索网两侧端点及下侧各节点同Y型肋可展开单元连接,通过预张力设计,形成所需的抛物柱面形状；金属丝网铺设在索网上,实现电磁波的接收和反射。Y型肋支撑桁架作为索网抛物柱面可展开天线的支撑和展开机构,在扭簧-拉索联合驱动下,实现天线抛物线方向和基线方向的顺利展开。本发明展开口径大、收纳比高、展开可靠性高、结构拓展性强。(The invention belongs to the technical field of satellite-borne deployable antennas, and discloses a deployable antenna with a Y-shaped rib cable net parabolic cylinder, a control method and application. The Y-shaped rib supporting truss consists of Y-shaped rib expandable units in the parabola direction and scissor expandable units in the baseline direction, and the Y-shaped rib supporting truss and the scissor expandable units are connected through fixed hinged joints and sliding hinged joints at the tail ends of the scissor expandable units; the end points at the two sides and the nodes at the lower side of the cable net are connected with the Y-shaped rib deployable units, and the required parabolic cylinder shape is formed through pre-tension design; the metal wire mesh is laid on the cable net to receive and reflect electromagnetic waves. The Y-shaped rib supporting truss is used as a supporting and unfolding mechanism of the cable net parabolic cylinder deployable antenna, and smooth unfolding of the antenna in the parabolic direction and the baseline direction is achieved under the combined driving of the torsion spring and the inhaul cable. The invention has the advantages of large expansion caliber, high storage ratio, high expansion reliability and strong structure expansibility.)
技术领域
本发明属于星载可展开天线技术领域，尤其涉及一种采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用。
背景技术
近年来，星载天线被广泛应用于电子侦察、资源探测、远程通信等重要领域，并且呈现出大口径、高精度、高收纳比和轻质量的发展趋势。由于受到火箭运载能力和运载成本的限制，以往的固面反射面天线已然无法满足要求，所以大型星载天线必须具备可展开的特点。
目前，国内外学者针对旋转抛物面可展开天线开展了大量研究工作并取得了可喜的成果，但关于抛物柱面可展开天线的研究并不多。目前可查的抛物柱面可展开天线多采用固面折展式或充气式结构。其中，固面折展式抛物柱面天线虽然具有较高的型面精度，但其结构收拢尺寸和整体质量较大，难以满足高收纳比和轻质量的要求。充气式天线利用充气展开形成抛物柱面反射面，虽然实现了轻量化和高收纳比，但由于材料性能的限制导致其形面精度往往不如索网可展开天线型面精度高，并且其稳定性一般较差。而索网可展开天线具有轻质易折叠的特点，能够满足大口径、高精度、高收纳比和轻质量的要求，是大型抛物柱面可展开天线的不二之选。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的抛物柱面天线由于收纳比、质量或型面精度等因素无法进行大口径设计。
解决以上问题及缺陷的难度为：在进行大口径可展开天线设计时，保证天线型面精度和结构刚度的同时要想方设法提高天线收纳比、降低整体质量，这就对天线结构设计提出较为苛刻的要求。
解决以上问题及缺陷的意义为：考虑到火箭运载能力和运载成本的限制，天线设计方案如果在保证高型面精度和结构刚度的同时，能够兼顾高收纳比和轻质量要求，可以大大缩短发射周期，降低发射成本，同时也能极大拓展天线的应用场景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用。
本发明是这样实现的，一种采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线，所述采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线包括Y型肋支撑桁架、索网、金属丝网组成；
所述Y型肋支撑桁架作为索网抛物柱面可展开天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面的基本形状，索网和金属丝网提供支撑；通过收拢或者展开实现索网抛物柱面可展开天线整体的收拢或展开；
所述索网交错地设置在Y型肋支撑桁架之上，在自身预张力作用下与金属丝网形成所需的抛物柱面形状；
所述金属丝网铺设在索网上，形成所需的抛物柱面天线反射面，用于接收和反射电磁波。
进一步，所述Y型肋支撑桁架由抛物线方向的Y型肋可展开单元和基线方向的剪式可展开单元组成，两者通过剪式可展开单元末端的固定型铰接接头和滑动型铰接接头进行连接；作为索网抛物柱面可展开天线的支撑和展开机构，在扭簧-拉索联合驱动下，实现天线抛物线方向和基线方向的顺利展开。
进一步，所述Y型肋可展开单元同索网的两侧端点及下侧各节点连接，使得索网形成抛物柱面形状；包括2组Y型肋、1根中心支撑杆和1个T型接头；所述中心支撑杆位于单元中心位置，所述Y型肋对称安装在中心支撑杆两侧，通过T型接头实现连接。
进一步，所述Y型肋包括1根横杆、1根上斜杆、1根下斜杆、1个三向铰接接头和2个索网挂接接头；所述横杆、上斜杆和下斜杆通过所述三向铰接接头实现连接，相对转动。
进一步，所述剪式可展开单元用于连接Y型肋可展开单元，同所述Y型肋可展开单元一起构成索网抛物柱面可展开天线的支撑背架，并作为收展机构实现索网抛物柱面可展开天线基线方向的收拢和展开；包括同层固定铰接接头、异层固定铰接接头、同层滑动铰接接头、异层滑动铰接接头、中心铰接接头和2根剪式单元铰接杆；
所述剪式单元铰接杆通过中心铰接接头实现连接，相对转动；所述同层固定铰接接头、异层固定铰接接头、同层滑动铰接接头和异层滑动铰接接头分别安装在所述2根剪式单元铰接杆的四个端点处。
本发明的另一目的在于提供一种所述采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线的控制方法，所述控制方法包括：机构采用扭簧-拉索联合驱动，抛物线方向的展开由T型接头和三向铰接接头处的多个恒力扭簧提供驱动力矩，然后通过电机释放拉索控制展开速度，完全展开到位后由T型接头和三向铰接接头处的限位和锁定装置完成天线锁定；基线方向的展开由中心铰接接头处的扭簧提供初始驱动力矩，由拉索提供展开驱动力；通过电机收卷控制拉索长度，改变同层滑动铰接接头和异层滑动铰接接头与同层固定铰接接头、异层固定铰接接头之间的距离，实现天线基线方向的平稳顺利展开；在展开至预定位置后，由同层滑动铰接接头和异层滑动铰接接头处的弹簧销实现锁定。
本发明的另一目的在于提供一种星载可展开天线，所述星载可展开天线使用所述的采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线。
本发明的另一目的在于提供一种电子侦察系统，所述电子侦察系统使用所述的采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线。
本发明的另一目的在于提供一种资源探测系统，所述资源探测系统使用所述的采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线。
本发明的另一目的在于提供一种远程通信系统，所述远程通信系统使用所述的采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明克服了目前的抛物柱面天线由于收纳比或质量等因素无法进行大口径设计的问题，并且提高结构刚度和展开可靠性，为空间大型抛物柱面可展开天线提供解决方案。以图1所示天线为例，其展开口径为3m，基线方向长度为5m，展开高度为1.6m，其收拢态如7图所示，收拢态抛物线方向尺寸为0.3m，基线方向长度为0.35m，收拢高度为1m。天线整体质量为10kg，面密度为0.67kg/m2。可见本发明在收纳比和质量上具有显著优势。
本发明采用Y型肋单元和剪式单元结合的方式，可实现索网抛物柱面可展开天线抛物线方向和基线方向两个方向的收拢和展开，相比于现有的抛物柱面可展开天线，具有结构简单、轻质量、高收纳比和高结构刚度等优点，为大型乃至超大型索网抛物柱面可展开天线设计提供了一种有效的解决方案。
本发明采用模块化设计思想，模块数量可根据天线尺寸进行拓展，因此结构具有较强的拓展性和适应性，大大方便了加工制造。本发明采用Y型肋的索网抛物柱面可展开天线，以克服目前的抛物柱面天线由于收纳比或质量等因素无法进行大口径设计的问题，并且提高结构刚度和展开可靠性，为空间大型抛物柱面可展开天线提供解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的是本发明实施例提供的Y型肋支撑桁架的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的Y型肋可展开单元的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的剪式可展开单元的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的Y型肋的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的各类接头的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的索网抛物柱面可展开天线收拢结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了采用Y型肋索网抛物柱面可展开天线、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的采用Y型肋的索网抛物柱面可展开天线，主要由Y型肋支撑桁架1、索网2以及金属丝网3组成。其中，Y型肋支撑桁架1作为索网抛物柱面可展开天线的支撑和展开机构，用来形成抛物柱面基本形状，为索网2和金属丝网3提供支撑；同时，通过扭簧-拉索联合驱动，实现天线抛物线方向和基线方向的顺利展开。索网2的两侧端点及下侧各节点同Y型肋支撑桁架1连接，通过预张力设计，形成所需的抛物柱面形状。金属丝网3铺设在索网上，实现电磁波的接收和反射。
如图2所示，Y型肋支撑桁架1由抛物线方向的Y型肋可展开单元11和基线方向的剪式可展开单元12组成，两者通过剪式可展开单元12末端的固定型铰接接头和滑动型铰接接头进行连接。其作为索网抛物柱面可展开天线的支撑和展开机构，在扭簧-拉索联合驱动下，实现天线抛物线方向和基线方向的顺利展开。
如图3所示，Y型肋可展开单元11主要包括2组Y型肋111、1根中心支撑杆112和1个T型接头113。其中，中心支撑杆112位于单元中心位置，Y型肋111对称安装在中心支撑杆112两侧，通过T型接头113实现连接。
如图4和图6所示，剪式可展开单元12主要包括同层固定铰接接头121、异层固定铰接接头122、同层滑动铰接接头123、异层滑动铰接接头124、中心铰接接头125和2根剪式单元铰接杆126。其中，剪式单元铰接杆126通过中心铰接接头125实现连接，可以相对转动；同层固定铰接接头121、异层固定铰接接头122、同层滑动铰接接头123和异层滑动铰接接头124分别安装在2根剪式单元铰接杆126的四个端点处。
如图5和图6所示，Y型肋111主要包括1根横杆1111、1根上斜杆1112、1根下斜杆1113、1个三向铰接接头1114和2个索网挂接接头1115，其中，横杆1111、上斜杆1112和下斜杆1113通过三向铰接接头1114实现连接，可以相对转动。图6中的(a)同层固定铰接接头121；图6中的(b)异层固定铰接接头122；图6中的(c)同层滑动铰接接头123；图6中的(d)异层滑动铰接接头124；图6中的(e)中心铰接接头125。
机构采用扭簧-拉索联合驱动，抛物线方向的展开由T型接头113和三向铰接接头1114处的多个恒力扭簧提供驱动力矩，然后通过电机释放拉索来控制展开速度，完全展开到位后由T型接头113和三向铰接接头1114处的限位和锁定装置完成天线锁定。基线方向的展开由中心铰接接头125处的扭簧提供初始驱动力矩，以此来克服完全收拢状态下可能出现的“死点”，然后由拉索提供展开驱动力。通过电机收卷控制拉索长度，进而改变同层滑动铰接接头123和异层滑动铰接接头124与同层固定铰接接头121、异层固定铰接接头122之间的距离，实现天线基线方向的平稳顺利展开。在展开至预定位置后，由同层滑动铰接接头123和异层滑动铰接接头124处的弹簧销实现锁定。
选取图1所示天线作为实施例，该天线展开口径为3m，基线方向长度为5m，展开高度为1.6m，其收拢态如7图所示，收拢态抛物线方向尺寸为0.3m，基线方向长度为0.35m，收拢高度为1m。即天线在抛物线方向、基线方向以及高度方向的收纳比分别为10、14.29、1.6，整体收纳比为228.64。天线整体质量为10kg，面密度为0.67kg/m2。由此可见，本发明在收纳比和质量上具有显著优势。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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