可折展網狀拋物柱面天線的結構設計

湯坤

（山東省濟鋼高級中學，山東濟南，250100）

0 前言

發展航天事業是我國中長期科技發展規劃的重要內容，我國正在實施的載人航天、月球探測計劃和新型運載火箭等重大航天科技工程都與空間可展開結構有密切的關系[1-2]。空間可展開結構中最活躍的一個分支就是空間可展開天線。當前，隨著航天事業的不斷發展，對天線的要求越來越高，如要求天線具有高精度、高剛度以及大折展比等等[3]。世界各航天大國均相繼發展了大型可折展天線，我國也亟需對空間可折展天線進行深入研究，尤其是空間大型拋物柱面可折展天線。目前，在衛星系統中應用的天線機構多存在剛度低、展開成形后形面精度低、折展比小等缺點，如可折展固體表面天線具有良好的穩定性但是其形面精度低不及網狀可折展天線；充氣式折展天線雖然折展比大，但是其形面精度和穩定性均不及網狀可折展天線。鑒于此，創新設計一種可折展網狀拋物柱面天線，其可用用于星間通信、星地通信、地球探測、深空探測等領域，具有高精度、高剛度以及大折展比的特點。

1 可折展網狀拋物柱面天線的結構設計

■1.1 可折展網狀拋物柱面天線的整體結構設計

圖1 可折展網狀拋物柱面天線的整體結構示意圖

可折展網狀拋物柱面天線，包括網面支撐機構，柔索，金屬絲網，軸向驅動與鎖定裝置，徑向驅動與定位鎖定裝置等。圖1為可折展網狀拋物柱面天線的整體結構示意圖。網面支撐機構包括徑向展開機構和軸向展開機構。徑向展開機構包括主徑向展開機構和兩個副徑向展開機構。兩個副徑向展開機構分別布置于主徑向展開機構的兩側。主徑向展開機構和副徑向展開機構分別通過兩個軸向展開機構連接進而構成網面支撐機構。金屬絲網固定在柔索上。柔索交錯的設置在網面支撐機構上，輔助金屬絲網形成所需要的拋物柱面形狀。網面支撐機構采用二維展開的方式，天線進行展開時，徑向展開機構先展開，徑向展開機構展開鎖定后軸向展開機構再展開并鎖定。

■1.2 徑向展開機構的設計

圖2 徑向展開機構的結構示意圖

徑向展開機構的主徑向展開機構和副徑向展開機構均由基座，兩根徑向桿，兩根柔索支撐桿，兩根短連接桿，兩根長連接桿，兩個同步輪和同步帶組成。圖2為徑向展開機構的結構示意圖。徑向桿的兩端分別鉸接于基座和柔索支撐桿。短連接桿和長連接桿相互鉸接。兩根長連接桿與基座鉸接于同一處。兩根柔索支撐桿和兩根短連接桿相互鉸接于同一處。兩個同步輪分別固接于兩根徑向桿的端部。同步帶纏繞于同步輪。短連接桿和長連接桿的相互鉸接處均設置有限位塊，以限制短連接桿和長連接桿相對轉動角度不超過180度。主徑向展開機構的基座是固定的。徑向展開機構關于長連接桿和基座的鉸接中心點與柔索支撐桿和短連接桿的鉸接中心點之間的連線對稱。

■1.3 徑向驅動與定位鎖定裝置的設計

徑向驅動與定位鎖定裝置由徑向展開電機和四個定位鎖定裝置組成。徑向展開電機和定位鎖定裝置設置在主徑向展開機構的基座上，由徑向展開電機驅動主徑向展開機構的徑向桿轉動，進而實現徑向展開機構的展開。當主徑向展開機構的兩根徑向桿相互垂直時，定位鎖定裝置工作，實現主徑向展開機構的鎖定。圖3為天線的驅動與鎖定裝置結構示意圖。

圖3 天線的驅動與鎖定裝置結構示意圖

■1.4 軸向展開機構的設計

軸向展開機構包括多個剪叉式單元，滑動鉸座，固定鉸座以及直線滑軌。軸向展開機構的結構示意圖參見圖1和圖3。每個剪叉式單元的兩端分別與滑動鉸座和固定鉸座鉸接。每個直線滑軌固接于主副徑向展開機構的徑向桿遠離于基座的一端，固定鉸座固接于主副徑向展開機構的徑向桿靠近于基座的一端。主徑向展開機構的徑向桿的兩面均設置有直線滑軌，副徑向展開機構的徑向桿僅對應主徑向展開機構的一面設置有直線滑軌。滑動鉸座與直線滑軌相互活動連接，滑動鉸座可沿直線滑軌做直線往復運動，進而實現軸向展開機構的展開與收攏。

■1.5 軸向驅動與鎖定裝置的設計

軸向驅動與鎖定裝置由四根展開繩，軸向展開電機，兩個繞線輪以及多個鎖盒，簧片鎖鉤和被鎖件組成。軸向驅動與鎖定裝置的結構示意圖參見圖3。每個鎖盒固定在直線滑軌靠近于固定鉸座的端部，鎖盒位于滑動鉸座和固定鉸座之間，每個鎖盒上安裝一個簧片鎖鉤。被鎖件分別安裝在相對應的滑動鉸座上，且每個簧片鎖鉤均可以與相對應的一個被鎖件掛接。所述軸向展開電機固接在主徑向展開機構的基座上，且其是雙軸的。兩個繞線輪分別固接于軸向展開電機的兩軸，每個繞線輪上纏繞有兩根展開繩。每根展開繩的一端纏繞于對應的繞線輪，每根展開繩的另一端穿過固定鉸座和鎖盒上設置的通孔進而與滑動鉸座連接。展開繩可以在固定鉸座和鎖盒的通孔中往復穿梭。

■1.6 柔索的布置方式

柔索由多根軸向支撐索，多根連接索，三根周向支撐索和多根調整索組成，參見圖1。每根周向支撐索從徑向展開機構的一根徑向桿的端部起，綁于相對應的另一根徑向桿的端部。每根調整索連接在周向支撐索與徑向展開機構的柔索支撐桿之間，在調整索和周向支撐索的連接處形成若干柔索連接點。每根軸向支撐索連接在相鄰的周向支撐索上對應的柔索連接點之間。每根連接索平行于周向支撐索并連接在軸向支撐索上。

2 天線的展開過程

圖4 天線的展開過程示意圖

該天線的展開工程如下：首先徑向展開電機轉動進而帶動主徑向展開機構的徑向桿轉動，在同步輪和同步帶的傳動作用下，每兩根徑向桿相互反向轉動展開，當兩根徑向桿相互垂直時，定位鎖定裝置工作將主徑向展開機構鎖定。然后軸向展開電機轉動，收緊展開繩，展開繩拉著滑動鉸座沿直線滑軌向固定鉸座移動，進而使剪叉式單元展開，軸向展開機構實現伸展。當滑動鉸座和鎖盒相互接觸后，其上設置的簧片鎖鉤和被鎖件相互掛接，進而鎖定軸向展開機構，天線的展開過程完成。圖4為天線的展開過程示意圖。

3 總結

創新設計了一種可折展網狀拋物柱面天線，其可用于衛星系統中，實現無線通信、空間目標搜索等功能。對天線的整體結構，徑向展開機構，徑向驅動與定位鎖定裝置，軸向展開機構，軸向驅動與鎖定裝置，柔索的布置方式以及天線的展開過程進了介紹。該天線基于剪叉式機構，采用二維展開的方式，天線展開時，徑向展開機構先展開，待其展開鎖定后軸向展開機構再展開并鎖定，其具有高精度、高剛度以及大折展比的特點，具有良好的應用前景，其可為同類天線的設計提供參考和借鑒。