空间环形可展开天线展开机构的设计

空间环形可展开天线展开机构的设计

星载的大型可展开结构根据其基本组成单元的结构，可分为板块、膨胀充气式、径向肋型、框架型和周围架型（环形结构式）。其中,环形可展开结构形式简单、热稳定性好、收纳比大等特点,是目前大型可展开天线的理想结构形式。环形可展开反射器为圆环形桁架结构,其展开和收拢原理是依据平行四边形对角线长度的可伸缩性完成的。环形可展开天线的展开是平行四边形结构斜伸缩杆的缩短过程,即通过电机驱动动力展开机构,收卷穿在斜伸缩杆中的绳索,进而带动斜伸缩杆缩短。在环形桁架展开过程中,展开控制器检测展开到位指示信号,展开到位后发出控制指令使动力展开机构停止运行,同时对反射器的展开状态进行固化,使其保持长期稳定状态。反射器由收拢状态到展开锁定状态是一个连续的变换过程,最终的锁定指令是指示反射器是否完成展开的一个重要参数。此参数的准确性和实时性则是关注的重点,因为第一,如果到位指示信号不够准确,发生误判断,则展开控制器指示动力展开机构停止工作,环形桁架处于半展开状态,反射面无法形成预定的工作型面。第二,如果到位指示信号不及时,则环形桁架已展开到位,而动力展开机构因展开控制器未接收到到位指示信号而继续工作,不停的收卷绳索,将会产生两种后果,当动力绳索的强度小于桁架的强度时,动力绳索被拉断;当环形桁架的强度小于动力绳索的强度时,桁架被破坏,两种结果都将对环形桁架造成不同程度的破坏。因此反射器的展开到位指示信号必须准确和及时。采用“间接”法,测量动力展开机构收卷的动力绳索的长度,能反映反射器的展开状态,可作为一种辅助的天线展开到位遥测手段,来判断天线是否展开到位。动力展开机构收卷的动力绳索的长度可以通过统计电机实际转动的圈数来间接计算得到,因此要求绳索在卷绳轮上排布整齐,从而才能精确测算出已收卷的绳索长度。国内目前的环形可展开天线反射器的动力展开机构的形式为,机构底座装有电机和卷绳轮,电机输出轴通过减速器带动卷绳轮直接收卷动力绳索。美国AstroSpace公司的环形可展开天线也采用同样的原理来完成天线展开功能。两者的动力展开机构功能只是收卷动力绳索,绳索在卷绳轮上的收卷过程并无规律可循,也并未将已收卷的绳长作为天线展开状况的判据。设计了一种具有绳索排布管理功能的动力展开机构,保证动力绳索能够按照一定规律被收卷并且在卷绳轮上排布整齐。这样可以使已收卷的绳索长度能够被精确测算,从而将其作为一种辅助的天线展开到位遥测手段。通过反射器上微动开关的触发和展开机构缠绕绳索的长度共同判断天线是否展开到位,也可以提高到位控制指令参数的可靠性。1索排布管理机构设计原有的环形天线动力展开装置(如图1所示)是由展开电机带动卷绳轮收卷绳索,通过计数器计算卷绳轮转动的圈数间接计算已收卷的绳长,从而判断天线的实时展开状态。由于收卷时没有装置来引导绳索在卷绳轮上的缠绕路径,所以绳索在卷绳轮上是随机缠绕的,这样就无法通过计算得到较为准确的已收卷绳长,因此只能大致判断天线的展开状态。为了通过绳索的收卷长度对天线的展开状态做出精准的判断,需要为上述动力展开装置设计一种绳索排布管理机构,通过该机构的导向作用使绳索在卷绳轮上按照一定规律整齐排布,以便于更准确的测算已收卷绳索的长度。基于产品研制的要求和空间环境的特殊性,对绳索排布管理机构提出了如下要求:1)由于安装空间有限,绳索排布管理机构的外包络尺寸要尽可能小,并且加装了该机构的动力展开装置尺寸不能有明显增加,不能与其它部件发生干涉。2)严格控制该机构的自身重量。3)尽量不引入或少引入额外的动力源与控制系统。4)环形天线展开末期,绳索有较大的张力,因此该机构必须具备承担一定负载的能力。5)该机构在空间环境工作要具有高的可靠性,尽量做到结构简洁,减少失效环节。2环境法上环节段,排列紧密,使罪犯解决矛盾绳索排布管理机构的基本设计思路是:沿卷绳轮的转轴方向牵引绳索进行匀速往复直线运动,使绳索收卷在卷绳轮上时,每层绳索均可排列紧密、方向一致,且其速度与卷绳轮转速相关联。由于绳索收卷的层数较多,该机构最好设置在卷绳轮外缘的切平面位置,以免与收卷后堆叠的绳索发生干涉。2.1动转化机构设计机构的动力源为展开电机,因此需要将回转运动转化为往复运动,通常实现由回转运动到往复运动转化的机构有曲柄连杆机构、凸轮机构、滚珠丝杠机构等,其中凸轮机构结构简洁,可将单向回转运动转化为往复直线运动,在无需电机换向转动的情况下,选取凸轮机构可与动力展开装置共用同一动力源,符合设计要求,因此将绳索排布管理机构中起导向作用的功能主体确定为凸轮机构。2.2传动机构的互联互通功能主体确认之后,需要考虑如何引入动力源,即需要设计凸轮导向机构与动力展开装置电机之间的动力传动机构。对传动机构的要求有:1)将电机的转动传递到凸轮机构。2)使凸轮与卷绳轮之间按照功能要求具有一定速比。3)凸轮转轴与卷绳轮转轴之间有一定距离,传动机构要能实现这一跨距。要求凸轮机构的功能是,凸轮旋转一周,带动附加机构做往复运动一次,在此过程中,带动绳索在卷绳轮上来回紧密排布两层。若卷绳轮的卷绕部位宽度为B,绳索截面直径为d,则凸轮机构与卷绳轮的速比为按照设计值,B=18mm,d=1.8mm,则凸轮机构与卷绳轮的速比为1∶20。由于安装空间非常有限,希望机构的外包络尺寸尽可能小,而此处从卷绳轮到凸轮转轴的减速比较大,考虑到齿轮传动具有传动效率高,传动速比精确的优点,选用三级齿轮减速构成传动机构,可以使得速比分布较均匀。3索排布管理机构设计根据以上方案设计出的绳索排布管理机构主体由三级齿轮减速器、圆柱凸轮、导杆和过线滑块4部分组成,安装在动力展开机构底座上,结构如图2所示(两套机构左右对称安装)。工作时由电机通过传动齿轮轴带动卷绳轮转动来收卷绳索,同时传动轴上的齿轮将电机动力引出,经过三级齿轮减速器,使圆柱凸轮以一定的减速比与卷绳轮同步转动。绳索排布管理机构具体结构如图3所示。三级齿轮减速箱的尺寸设计原则有两点,一是外包络尺寸要尽可能小,二是各级齿轮中心矩之和必须大于卷绳轮的半径,否则会引起干涉。绳索与其排布管理机构的位置关系如图4所示。为防止过线滑块发生转动脱离凸轮凹槽,该机构采用了平行双导杆的结构形式,如图5所示。滑块与导杆之间需要加滑动轴承或低摩擦材料导套来保证滑块往返运动顺畅。绳索排布管理机构的工作原理如图6所示。绳索在被卷绳轮收卷之前,先要穿过过线滑块,过线滑块的末端潜入凸轮凹槽,随着凸轮的转动,过线滑块带动绳索沿导杆做匀速往复运动,凸轮转一圈,滑块往返一次,带动绳索排布两层,从而达到使绳索在卷绳轮上排列整齐的目的。采用张力传感器进行多次测试,测得环形可展开天线达到完全展开的全过程中,动力绳上的张力最大不超过500N。因此将最大张力作为输入条件,通过有限元分析对绳索排布管理机构进行强度校核,结果表明机构设计满足强度要求。4仿真结果见表1建立绳索排布管理机构的运动学仿真模型进行其绳索排布过程仿真,其中,三级齿轮减速通过齿轮副来实现,各个齿轮副之间的传动比按照设计参数输入,过线滑块和凸轮的相对运动关系由点线副来定义。图7给出了仿真中凸轮机构驱动轮与卷绳轮的输出转速对比,其转速比为1∶20,与设计要求是一致的,凸轮机构驱动轮输出转速平稳无波动,说明三级齿轮减速方法可行可靠。图8给出了仿真中过线滑块的位移与速度曲线。由图8可知,过线滑块沿导轨作周期往返运动,滑块速度在往返过程中保持一致,在转向时过渡平稳,通过与卷绳轮的配合,可以实现绳索的紧密规则排布。5收卷绳的上升和移动根据以上设计机构生产加工了一台带绳索排布管理的展开机构,并设计试验对该机构进行功能验证。试验情况如图9所示,展开机构按照在卫星上的安装状态被固定在距离地面1.8m的支架上,绳索一端与机构的卷绳轮固接,另一端悬挂50kg的负载。控制器发出收卷绳索的指令后,电机带动卷绳轮在有负载的情况下开始工作。试验过程中负载的上升运动始终保持平稳,证明该结构转动灵活无卡滞现象。绳索排布效果如图10所示,每圈绳索都依次排列整齐。本试验重复三次结果均比较理想。6卷绳展开机构的选择绳索排布管理机构结构紧凑,易于装配调试,应用于环形可展开天线的动力展开装置上,可解决绳索收紧过程中在卷绳轮上无序排列的问题。包含绳索排布管理功能的环形天线动力展开机构具有如下优点:1)能够精确测算已收卷绳索的长度,从而准确判断环形天线的实时展开状态及是否完全展开到位。2)结构简洁,零件数量少,因此具有体积小,重量轻,安装方便的优点,适用于航天工业。3)展开机构上对称安装的两套动力