可折展网状抛物柱面天线的结构设计

汤坤

（山东省济钢高级中学，山东济南，250100）

0 前言

发展航天事业是我国中长期科技发展规划的重要内容，我国正在实施的载人航天、月球探测计划和新型运载火箭等重大航天科技工程都与空间可展开结构有密切的关系[1-2]。空间可展开结构中最活跃的一个分支就是空间可展开天线。当前，随着航天事业的不断发展，对天线的要求越来越高，如要求天线具有高精度、高刚度以及大折展比等等[3]。世界各航天大国均相继发展了大型可折展天线，我国也亟需对空间可折展天线进行深入研究，尤其是空间大型抛物柱面可折展天线。目前，在卫星系统中应用的天线机构多存在刚度低、展开成形后形面精度低、折展比小等缺点，如可折展固体表面天线具有良好的稳定性但是其形面精度低不及网状可折展天线；充气式折展天线虽然折展比大，但是其形面精度和稳定性均不及网状可折展天线。鉴于此，创新设计一种可折展网状抛物柱面天线，其可用用于星间通信、星地通信、地球探测、深空探测等领域，具有高精度、高刚度以及大折展比的特点。

1 可折展网状抛物柱面天线的结构设计

■1.1 可折展网状抛物柱面天线的整体结构设计

图1 可折展网状抛物柱面天线的整体结构示意图

可折展网状抛物柱面天线，包括网面支撑机构，柔索，金属丝网，轴向驱动与锁定装置，径向驱动与定位锁定装置等。图1为可折展网状抛物柱面天线的整体结构示意图。网面支撑机构包括径向展开机构和轴向展开机构。径向展开机构包括主径向展开机构和两个副径向展开机构。两个副径向展开机构分别布置于主径向展开机构的两侧。主径向展开机构和副径向展开机构分别通过两个轴向展开机构连接进而构成网面支撑机构。金属丝网固定在柔索上。柔索交错的设置在网面支撑机构上，辅助金属丝网形成所需要的抛物柱面形状。网面支撑机构采用二维展开的方式，天线进行展开时，径向展开机构先展开，径向展开机构展开锁定后轴向展开机构再展开并锁定。

■1.2 径向展开机构的设计

图2 径向展开机构的结构示意图

径向展开机构的主径向展开机构和副径向展开机构均由基座，两根径向杆，两根柔索支撑杆，两根短连接杆，两根长连接杆，两个同步轮和同步带组成。图2为径向展开机构的结构示意图。径向杆的两端分别铰接于基座和柔索支撑杆。短连接杆和长连接杆相互铰接。两根长连接杆与基座铰接于同一处。两根柔索支撑杆和两根短连接杆相互铰接于同一处。两个同步轮分别固接于两根径向杆的端部。同步带缠绕于同步轮。短连接杆和长连接杆的相互铰接处均设置有限位块，以限制短连接杆和长连接杆相对转动角度不超过180度。主径向展开机构的基座是固定的。径向展开机构关于长连接杆和基座的铰接中心点与柔索支撑杆和短连接杆的铰接中心点之间的连线对称。

■1.3 径向驱动与定位锁定装置的设计

径向驱动与定位锁定装置由径向展开电机和四个定位锁定装置组成。径向展开电机和定位锁定装置设置在主径向展开机构的基座上，由径向展开电机驱动主径向展开机构的径向杆转动，进而实现径向展开机构的展开。当主径向展开机构的两根径向杆相互垂直时，定位锁定装置工作，实现主径向展开机构的锁定。图3为天线的驱动与锁定装置结构示意图。

图3 天线的驱动与锁定装置结构示意图

■1.4 轴向展开机构的设计

轴向展开机构包括多个剪叉式单元，滑动铰座，固定铰座以及直线滑轨。轴向展开机构的结构示意图参见图1和图3。每个剪叉式单元的两端分别与滑动铰座和固定铰座铰接。每个直线滑轨固接于主副径向展开机构的径向杆远离于基座的一端，固定铰座固接于主副径向展开机构的径向杆靠近于基座的一端。主径向展开机构的径向杆的两面均设置有直线滑轨，副径向展开机构的径向杆仅对应主径向展开机构的一面设置有直线滑轨。滑动铰座与直线滑轨相互活动连接，滑动铰座可沿直线滑轨做直线往复运动，进而实现轴向展开机构的展开与收拢。

■1.5 轴向驱动与锁定装置的设计

轴向驱动与锁定装置由四根展开绳，轴向展开电机，两个绕线轮以及多个锁盒，簧片锁钩和被锁件组成。轴向驱动与锁定装置的结构示意图参见图3。每个锁盒固定在直线滑轨靠近于固定铰座的端部，锁盒位于滑动铰座和固定铰座之间，每个锁盒上安装一个簧片锁钩。被锁件分别安装在相对应的滑动铰座上，且每个簧片锁钩均可以与相对应的一个被锁件挂接。所述轴向展开电机固接在主径向展开机构的基座上，且其是双轴的。两个绕线轮分别固接于轴向展开电机的两轴，每个绕线轮上缠绕有两根展开绳。每根展开绳的一端缠绕于对应的绕线轮，每根展开绳的另一端穿过固定铰座和锁盒上设置的通孔进而与滑动铰座连接。展开绳可以在固定铰座和锁盒的通孔中往复穿梭。

■1.6 柔索的布置方式

柔索由多根轴向支撑索，多根连接索，三根周向支撑索和多根调整索组成，参见图1。每根周向支撑索从径向展开机构的一根径向杆的端部起，绑于相对应的另一根径向杆的端部。每根调整索连接在周向支撑索与径向展开机构的柔索支撑杆之间，在调整索和周向支撑索的连接处形成若干柔索连接点。每根轴向支撑索连接在相邻的周向支撑索上对应的柔索连接点之间。每根连接索平行于周向支撑索并连接在轴向支撑索上。

2 天线的展开过程

图4 天线的展开过程示意图

该天线的展开工程如下：首先径向展开电机转动进而带动主径向展开机构的径向杆转动，在同步轮和同步带的传动作用下，每两根径向杆相互反向转动展开，当两根径向杆相互垂直时，定位锁定装置工作将主径向展开机构锁定。然后轴向展开电机转动，收紧展开绳，展开绳拉着滑动铰座沿直线滑轨向固定铰座移动，进而使剪叉式单元展开，轴向展开机构实现伸展。当滑动铰座和锁盒相互接触后，其上设置的簧片锁钩和被锁件相互挂接，进而锁定轴向展开机构，天线的展开过程完成。图4为天线的展开过程示意图。

3 总结

创新设计了一种可折展网状抛物柱面天线，其可用于卫星系统中，实现无线通信、空间目标搜索等功能。对天线的整体结构，径向展开机构，径向驱动与定位锁定装置，轴向展开机构，轴向驱动与锁定装置，柔索的布置方式以及天线的展开过程进了介绍。该天线基于剪叉式机构，采用二维展开的方式，天线展开时，径向展开机构先展开，待其展开锁定后轴向展开机构再展开并锁定，其具有高精度、高刚度以及大折展比的特点，具有良好的应用前景，其可为同类天线的设计提供参考和借鉴。