田大可 郭振偉 劉榮強(qiáng) 高海明 范小東 劉兆晶 鄧宗全

(1沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110168)

(2哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

(3哈爾濱乾行達(dá)科技有限公司,哈爾濱 150028)

空間可展開天線是航天器的關(guān)鍵有效載荷之一[1-2],廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、深空探測(cè)、電子偵察、數(shù)據(jù)中繼和導(dǎo)航遙感等領(lǐng)域[3]。固面式[4]、網(wǎng)狀式[5]、充氣式[6]、自回彈式[7]、薄膜式[8]等多種天線結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)。近年來(lái),可展開天線大型化/超大型化的發(fā)展需求與運(yùn)載火箭整流罩有限的容積形成了強(qiáng)烈的矛盾,現(xiàn)有典型在軌應(yīng)用的可展開天線的最大口徑約為20米級(jí)[9],且大部分天線的結(jié)構(gòu)集成度高、耦合性強(qiáng)、擴(kuò)展性差,難以發(fā)展成更大口徑的天線。模塊化構(gòu)架式可展開天線在保留網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)重量輕、展開剛度大、形面精度高等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用模塊化思想設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的通用性好、靈活性高、拓展性強(qiáng),可通過(guò)改變模塊的大小、數(shù)量及其組合和排布方式等便捷地實(shí)現(xiàn)天線口徑的快速縮放,是滿足大口徑衛(wèi)星使用需求的一種較為理想的結(jié)構(gòu)形式[10]。支撐機(jī)構(gòu)是模塊化構(gòu)架式可展開天線的重要組成部分,對(duì)網(wǎng)面起到展開、支撐和定位作用。因此,開展模塊化構(gòu)架式空間可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

在模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)[11-13](JAXA)對(duì)其研究與應(yīng)用較早,該機(jī)構(gòu)于2006年12月在發(fā)射的工程試驗(yàn)衛(wèi)星-8(ETS-8)上使用了兩個(gè)口徑為13 m的模塊化構(gòu)架式可展開天線,每個(gè)天線由14個(gè)大小為4.8 m 的六棱柱模塊組成,結(jié)構(gòu)收攏后的高度和直徑分別為4 m×1 m;為滿足通信衛(wèi)星對(duì)更大口徑可展開天線的需求,JAXA 提出一種三折疊肋式可展開天線[14-15],該天線由7個(gè)六棱柱模塊組成,每個(gè)模塊展開后的尺寸為14.4 m,整體展開后的口徑達(dá)到30 m,收攏后的高度和直徑分別為4 m×1.8 m?？梢?日本對(duì)該構(gòu)型的研究和應(yīng)用較為成熟,已有型號(hào)實(shí)現(xiàn)在軌服役,但公開報(bào)道的文獻(xiàn)尚未涉及詳細(xì)的構(gòu)型方案、鎖定原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法。文獻(xiàn)[16]提出了一種采用伸縮桿驅(qū)動(dòng)的六棱柱模塊單元,每個(gè)模塊由6個(gè)四邊形單元組成,利用該模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)展開尺寸為5 m×2.88 m 的拋物面天線原理樣機(jī),但模塊內(nèi)部無(wú)鎖緊機(jī)構(gòu),且展開速度不可控。

本文提出一種由7個(gè)六棱柱模塊組成的模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu),開展了總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),從肋單元結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩釋裝置設(shè)計(jì)等4個(gè)方面開展了具體的設(shè)計(jì)工作,并對(duì)研制的可展開天線原理樣機(jī)在微重力條件下進(jìn)行了展開功能試驗(yàn)。

1 支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地球生物經(jīng)歷了約35億年的優(yōu)勝劣汰,自然界中許多動(dòng)物和植物的生物原型可為模塊化可展開天線的研究提供借鑒和啟發(fā)。蜜蜂能夠利用自身分泌的蠟質(zhì)制作出材料最省、合成空間最大、結(jié)構(gòu)最牢固的六角模塊型蜂窩。借鑒蜂窩形態(tài),本文提出一種模塊截面為六邊形的六棱柱模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案,總體結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示。天線由7個(gè)邊長(zhǎng)相等的模塊組成,模塊按照“分層次拓?fù)洹钡脑瓌t進(jìn)行排列,其中,第1層有1個(gè)模塊,第2層有6個(gè)模塊,見圖2。7個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀幾乎相等的模塊可以有效地減少零部件的類型和數(shù)量,提高整體結(jié)構(gòu)的模塊化率,也能較為顯著地降低研制成本和加工周期。

圖1 構(gòu)架式可展開天線總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of deployable truss antenna

圖2 模塊拓?fù)潢P(guān)系Fig.2 Topological relationship of modules

每個(gè)模塊主要包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)兩個(gè)組成部分,如圖3所示。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是天線的工作部分,由多個(gè)柔性網(wǎng)面組成,包括前索網(wǎng)、金屬反射網(wǎng)、調(diào)節(jié)索和后索網(wǎng)。前索網(wǎng)用于連接金屬反射網(wǎng);金屬反射網(wǎng)采用鍍金鉬絲編織而成,是可展開天線的工作表面,用于衛(wèi)星信號(hào)的接收和發(fā)射,展開后呈拋物面形狀;調(diào)節(jié)索用于連接前、后索網(wǎng),主要起到精確調(diào)節(jié)網(wǎng)面形狀的作用;后索網(wǎng)是網(wǎng)面結(jié)構(gòu)的基層,為前索網(wǎng)、金屬反射網(wǎng)、調(diào)節(jié)索的連接和張緊提供載體。

圖3 模塊結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structure of module

支撐結(jié)構(gòu)是天線的骨架,對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)起到展開、支撐及定位的作用,并提供足夠的剛度和精度。支撐結(jié)構(gòu)主要由支撐機(jī)構(gòu)和張緊索組成,支撐機(jī)構(gòu)是支撐結(jié)構(gòu)的核心,是一個(gè)由6個(gè)呈輻射狀排布的具有可展開功能的肋單元組成的多連桿機(jī)構(gòu);張緊索安裝在支撐機(jī)構(gòu)外側(cè)的豎桿上,用于加強(qiáng)機(jī)構(gòu)展開后的剛度。

1.2 機(jī)構(gòu)組成及鎖定原理

肋單元是支撐機(jī)構(gòu)的最小可展開單元,為一平面八桿機(jī)構(gòu),主要由中心桿、滑塊、支撐桿、上弦桿、豎桿、下弦桿、小斜腹桿、大斜腹桿和彈簧等組成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。中心桿在機(jī)構(gòu)展開過(guò)程中相對(duì)靜止,可將其視作機(jī)架,機(jī)構(gòu)中有7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,運(yùn)動(dòng)副均為低副;滑塊為機(jī)構(gòu)中的原動(dòng)件,沿中心桿上下移動(dòng),其余構(gòu)件可以拆分為3 個(gè)II級(jí)桿組,如圖5所示,則機(jī)構(gòu)的自由度為

圖4 肋單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of rib unit

圖5 肋單元機(jī)構(gòu)拆分Fig.5 Disassembly of rib unit

式中:n 為機(jī)構(gòu)中自由構(gòu)件數(shù),pl為機(jī)構(gòu)中低副數(shù),ph為機(jī)構(gòu)中高副數(shù)。

由此可見,肋單元機(jī)構(gòu)具有1個(gè)自由度,當(dāng)給定滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)條件。

彈簧是機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源,電機(jī)為展開速度控制裝置。肋單元在收攏狀態(tài)時(shí),主彈簧處于被壓縮的儲(chǔ)能狀態(tài),滑塊處于中心桿的底部;當(dāng)機(jī)構(gòu)展開時(shí),電機(jī)緩慢釋放繩索,主彈簧驅(qū)動(dòng)滑塊向上移動(dòng),支撐桿旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)其余桿件展開,完全展開后小斜腹桿和大斜腹桿軸線重合,機(jī)構(gòu)處于“死點(diǎn)”位置,整個(gè)機(jī)構(gòu)鎖死,肋單元變成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2 支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 肋單元尺寸的確定

由于本文提出的六棱柱構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,7個(gè)模塊具有幾乎相同的結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)每個(gè)模塊又由6個(gè)肋單元組成,因此,肋單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。建立肋單元尺寸計(jì)算模型,如圖6 所示。所建立的直角坐標(biāo)系O-xyz 的圓點(diǎn)O 為中心桿的下端點(diǎn),z 軸方向?yàn)橛蒓 指向H,y 軸方向?yàn)橛蒓指向B。

圖6 中各構(gòu)件分別為:中心桿HO、上弦桿GF、豎桿PT、下弦桿BD、大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ、支撐桿KM、滑塊AK。圖6(a)中,φ1為豎桿PT 與z 軸的夾角,φ2 為下弦桿BD 與y 軸的夾角,φ3為斜腹桿與y 軸的夾角,φ4為支撐桿KM 與z軸的夾角。圖6(b)中,φ5、φ6、φ7 分別為大斜腹桿、支撐桿、小斜腹桿與z 軸的夾角,A′、C′、D′、E′、F′、K′、N′、P′、Q′、T′、M′分別對(duì)應(yīng)圖6(a)中A、C、D、E、F、K、N、P、Q、T、M 完全收攏后的位置。

為了保證模塊單元的一致性,減少構(gòu)件的種類和數(shù)量,模塊化可展開天線支撐機(jī)構(gòu)通常采用球面擬合拋物面的思想[17]。圖6(a)是肋單元完全展開狀態(tài),圖6(b)是肋單元完全收攏狀態(tài),即這兩個(gè)圖是肋單元運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的兩個(gè)極限位置,也是確定肋單元主要構(gòu)件尺寸參數(shù)的重要依據(jù)。圖6(a)中O′為擬合球的球心,R 為擬合球半徑,l 為肋單元包絡(luò)圓的半徑。支撐機(jī)構(gòu)完全展開后,關(guān)鍵點(diǎn)H 和P、O以及T 均在各自擬合球的球面上,即肋單元外包絡(luò)四邊形的4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)為已知。

圖6 肋單元尺寸參數(shù)計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of size parameters for rib element

肋單元尺寸計(jì)算中,主要是確定上弦桿GF、下弦桿BD、大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ 和支撐桿KM等5個(gè)構(gòu)件的尺寸參數(shù),計(jì)算的主要步驟為:首先,對(duì)其余構(gòu)件的長(zhǎng)度預(yù)先給定初值;其次,根據(jù)兩個(gè)極限狀態(tài)及構(gòu)件間的位置關(guān)系,建立對(duì)應(yīng)的尺寸鏈;再次,建立各尺寸鏈的參數(shù)方程組;最后,對(duì)各方程組進(jìn)行求解,得到5 個(gè)構(gòu)件的具體參數(shù),若方程組無(wú)解,則返回修改初值,再次求解。

基于上述求解步驟可以得到5個(gè)構(gòu)件的參數(shù)方程或方程組如下。

上弦桿GF 的長(zhǎng)度為

下弦桿BD 的長(zhǎng)度為

根據(jù)肋單元的兩個(gè)極限位置及直角三角形ΔJNC 中各邊長(zhǎng)的關(guān)系,可以得到求解大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ 長(zhǎng)度的方程組為

同理,可以得到求解支撐桿KM 長(zhǎng)度的方程組為

至此,肋單元中各個(gè)構(gòu)件的尺寸均可確定。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

采用Matlab數(shù)值分析軟件,對(duì)支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。設(shè)定滑塊的行程為55 mm,并且讓滑塊以1 mm/s的速度勻速運(yùn)動(dòng),選取展開過(guò)程中的首、末時(shí)刻及其中任意兩個(gè)時(shí)刻,即t＝0 s、t＝10 s、t＝20 s、t＝55 s等4個(gè)時(shí)刻的展開狀態(tài),如圖7所示。

對(duì)圖7所示的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,t＝0 s時(shí),天線支撐機(jī)構(gòu)呈完全收攏狀態(tài),此時(shí)體積達(dá)到最小;t＝55 s時(shí),天線支撐機(jī)構(gòu)完全展開,體積最大;0 s＜t＜55 s時(shí),支撐機(jī)構(gòu)處于展開的中間狀態(tài),機(jī)構(gòu)中各模塊能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)、同步展開,未出現(xiàn)重疊、分離等問(wèn)題,表明機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)原理及桿件參數(shù)方面是正確的。

圖7 支撐機(jī)構(gòu)展開過(guò)程仿真Fig.7 Mechanism deployment process simulations

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,中心桿、斜腹桿和豎桿是3處設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。主要原因是:①中心桿是模塊中承擔(dān)功能最多的構(gòu)件,一方面要作為機(jī)架,支撐上弦桿、下弦桿、斜腹桿和滑塊的運(yùn)動(dòng),另一方面還要作為動(dòng)力源主/輔彈簧的支撐結(jié)構(gòu);②斜腹桿是機(jī)構(gòu)中最有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉的構(gòu)件,在肋單元完全收攏后,小斜腹桿和大斜腹桿的夾角非常小,常規(guī)的圓桿形設(shè)計(jì)難以滿足要求;③豎桿是用于模塊間連接的構(gòu)件,豎桿上面節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響模塊連接的準(zhǔn)確性,進(jìn)而影響支撐機(jī)構(gòu)的展開精度。故本文主要對(duì)這3處重點(diǎn)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.3.1 中心桿設(shè)計(jì)

中心桿主要由上連接塊、連接桿、下連接塊等組成,如圖8(a)所示。上/下連接塊結(jié)構(gòu)相似,為花瓣形狀,分別用于連接6個(gè)肋單元的上弦桿和下弦桿,上/下連接塊間采用連接桿進(jìn)行連接,此外,連接桿還作為主驅(qū)動(dòng)彈簧伸縮運(yùn)動(dòng)和滑塊上下運(yùn)動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。

為保證上連接塊與連接桿、下連接塊與連接桿兩組結(jié)構(gòu)之間安裝的準(zhǔn)確性,除均采用圓柱面定心外,上連接塊和連接桿間、下連接塊與連接桿間分別采用止口和銷釘進(jìn)行周向定位;軸向定位均采用軸肩實(shí)現(xiàn)。安裝及定位關(guān)系如圖8(b)和圖8(c)所示。

圖8 中心桿結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of center link

2.3.2 斜腹桿設(shè)計(jì)

收納率是可展開天線的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)[4],通常是指可展開天線在收攏狀態(tài)與展開狀態(tài)下的直徑之比。大斜腹桿和小斜腹桿收攏后所占空間會(huì)對(duì)收納率產(chǎn)生比較大的影響。為了盡可能減小結(jié)構(gòu)的收攏體積,應(yīng)保證收攏后兩個(gè)構(gòu)件在不發(fā)生干涉的前提下,貼合的越近越好。為此,處于中間位置的小斜腹桿沒(méi)有采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的圓柱形桿狀結(jié)構(gòu),而是將其設(shè)計(jì)成鏤空槽型結(jié)構(gòu);同時(shí),將大斜腹桿的接頭設(shè)為長(zhǎng)扁平狀,使其在收攏狀態(tài)下可以折疊到小斜腹桿的內(nèi)部,最大限度地減小收攏后的體積,兩個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 斜腹桿結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of diagonal link

2.3.3 豎桿設(shè)計(jì)

模塊間通過(guò)豎桿上面安裝的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則為:模塊連接精度高、連接可靠性好、結(jié)構(gòu)裝拆靈活。

基于這3 點(diǎn)原則,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,具體的措施是:首先,將豎桿分解成上節(jié)點(diǎn)、中間桿、下節(jié)點(diǎn)等3個(gè)子結(jié)構(gòu),構(gòu)件間采用圓柱面定心,銷釘鉚接定位結(jié)構(gòu);其次,觀察發(fā)現(xiàn),模塊連接時(shí)最多有3個(gè)肋單元同時(shí)連在一起,即對(duì)應(yīng)有3個(gè)豎桿進(jìn)行連接,肋單元之間的夾角為120°,所以將上、下節(jié)點(diǎn)的連接面設(shè)計(jì)為120°,并重點(diǎn)在上節(jié)點(diǎn)處設(shè)計(jì)有凹凸槽口,通過(guò)槽口的相互嚙合實(shí)現(xiàn)精確連接;最后,為保證連接的可靠性,采用螺栓連接方式,提高了結(jié)構(gòu)裝拆及維護(hù)的便利性。豎桿結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 豎桿結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of vertical link

2.3.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前述設(shè)計(jì)及分析結(jié)果,在三維軟件中建立構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)三維模型。將肋單元以中心桿為旋轉(zhuǎn)中心,沿周向陣列,即可得到可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的模塊單元模型,其展開與收攏狀態(tài)如圖11(a)所示;將7個(gè)模塊單元按拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行裝配即可以得到構(gòu)架式可展開天線整體支撐機(jī)構(gòu)的三維模型,展開與收攏狀態(tài)如圖11(b)所示。

從圖11可以看出,支撐機(jī)構(gòu)在收攏狀態(tài)時(shí),機(jī)構(gòu)外包絡(luò)體為近似等直徑的圓柱體,表明機(jī)構(gòu)處于最小體積狀態(tài);展開后,各模塊間能夠準(zhǔn)確連接,機(jī)構(gòu)形成空間球面構(gòu)型,表明支撐機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面符合預(yù)期要求。

圖11 支撐機(jī)構(gòu)三維模型Fig.11 Three dimensional model of supporting mechanism

如前所述,在模塊化構(gòu)架式可展開天線中,收納率為結(jié)構(gòu)在收攏與展開兩種狀態(tài)時(shí)的直徑之比,即

式中:d 為收攏狀態(tài)的直徑,D 為展開狀態(tài)直徑。本文設(shè)計(jì)的支撐機(jī)構(gòu)整體狀態(tài)下的2個(gè)參數(shù)分別為d＝292 mm,D＝3174 mm,故支撐機(jī)構(gòu)的收納率約為0.09。根據(jù)文獻(xiàn)[4],網(wǎng)狀可展開天線的收納率通常為0.06～0.22,由此可見本文設(shè)計(jì)的支撐機(jī)構(gòu)具有較小的收納率,這對(duì)于將其發(fā)展成更大口徑的支撐機(jī)構(gòu)是較為有利的。

2.4 展開緩釋裝置設(shè)計(jì)

構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)中采用彈簧作為動(dòng)力源的優(yōu)點(diǎn)是,彈簧體積小、質(zhì)量輕,可以在機(jī)構(gòu)中靈活布置,同時(shí)彈簧驅(qū)動(dòng)的可靠性較高,降低故障率及展開風(fēng)險(xiǎn)。但引入的缺點(diǎn)是彈簧在恢復(fù)彈性變形的過(guò)程中,機(jī)構(gòu)展開速度不均勻,結(jié)構(gòu)展開有沖擊。對(duì)此,為了減小沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,本文設(shè)計(jì)了控制可展開天線支撐機(jī)構(gòu)展開速度的裝置,即展開緩釋裝置,如圖12(a)所示。該緩釋裝置主要由外殼、軸承、卷筒、電機(jī)、后蓋和吊環(huán)等部分組成。為減輕質(zhì)量,外殼及后蓋都設(shè)有減重結(jié)構(gòu)。緩釋裝置通過(guò)外殼安裝在中心模塊上,電機(jī)安裝在卷筒內(nèi),卷筒用于纏繞緩釋繩,卷筒上有6個(gè)螺紋孔,其在卷筒上成螺旋纏繞分布,螺紋孔用于固定6根緩釋繩,6根緩釋繩的另一端分別與第2層的6個(gè)模塊相連,電機(jī)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)卷筒緩慢釋放緩釋繩,直到天線完全展開,如圖12(b)所示。

圖12 緩釋裝置Fig.12 Slow release device

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性,研制了一套支撐機(jī)構(gòu)原理樣機(jī),樣機(jī)中單個(gè)模塊展開后外包絡(luò)尺寸約為1 m×1.2 m,7個(gè)模塊組裝后的樣機(jī)展開后的外包絡(luò)尺寸約為3 m×3.1 m。為降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,同時(shí)兼顧關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,機(jī)構(gòu)中除在受力較大的中心桿等位置采用鋼質(zhì)材料,其余桿件均采用硬鋁,經(jīng)試裝及評(píng)估,樣機(jī)選材滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源采用圓柱螺旋彈簧,依靠彈簧被壓縮后儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)展開。將支撐機(jī)構(gòu)懸掛到微重力試驗(yàn)裝置上,并進(jìn)行展開功能試驗(yàn),機(jī)構(gòu)由收攏至完全展開的部分過(guò)程如圖13所示。

圖13 支撐機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)Fig.13 Deployment test of supporting mechanism

本次試驗(yàn)共對(duì)可展開天線支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行了10次展開功能測(cè)試,在每次試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)構(gòu)均能夠順利展開,展開過(guò)程未出現(xiàn)卡滯等情況,完全展開后機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊;同時(shí)在展開過(guò)程中,機(jī)構(gòu)在緩釋裝置的控制下緩慢展開且較為平穩(wěn),機(jī)構(gòu)展開速度可控。以上試驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的支撐機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)方案上均是可行的。

4 結(jié)論

本文提出一種模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu),詳細(xì)闡述了機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鎖定原理,并針對(duì)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)開展了詳細(xì)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)研究工作對(duì)于豐富我國(guó)模塊化構(gòu)架式空間可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究具有一定的參考意義,通過(guò)本文的研究得到以下結(jié)論。

(1)提出的將肋單元作為最小可展開機(jī)構(gòu)單元,并由此進(jìn)行陣列而得到模塊單元及多模塊支撐機(jī)構(gòu)的方案是可行的;所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的收納率約為0.09,與網(wǎng)狀可展開天線通常為0.06～0.22的收納率相比,本文所設(shè)計(jì)的支撐機(jī)構(gòu)的收納率較小。

(2)展開試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)構(gòu)展開平緩、順暢,展開到位后能夠順利實(shí)現(xiàn)鎖緊,表明支撐機(jī)構(gòu)在展開原理、鎖緊方案、參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)方面是正確的。

(3)本文提出的六棱柱模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由1個(gè)模塊至7個(gè)模塊的組合變化,結(jié)構(gòu)拓展性較好,具有發(fā)展成大口徑天線的潛力,后續(xù)將開展更多模塊、更大口徑的模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究。