基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統的製作方法
2023-12-01 09:09:26
基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統，主要解決現有反射面無法變焦，饋源位置固定的問題。其包括：饋源(1)、反射索網(2)、支撐肋杆結構(3)、支撐索網(4)、豎向拉索(5)、環形固定桁架結構(6)、中心支杆(7)、環肋關節(9)和反射面(10)；該中心支杆(7)的外側套有變焦距套筒(8)，該變焦距套筒(8)與反射索網(2)和支撐索網(4)相連；通過調整變焦距套筒(8)的位置，改變反射索網(2)和支撐索網(4)的長度，實現反射面(10)的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。本發明結構簡便靈活，擴展了反射面的焦距範圍和反射功能，可用於太空、艦船或地面的電磁波或光能的匯聚或反射。
【專利說明】基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於通信與電子【技術領域】，具體是一種變焦距反射面系統，可用於太空、艦船或地面的電磁波或光能的匯聚或反射。
【背景技術】
[0002]變焦距技術在光學系統中得到普遍應用，如在相機的鏡頭中，可通過旋轉鏡頭的調焦環適當地改變焦距，實現聚焦距離的改變，從而完成不同遠近距離物體的清晰拍攝。
[0003]但在通信與電子【技術領域】中普遍應用的大型反射面系統中，變焦距應用的相關報導卻很少。分析其原因可概括如下:
[0004]對於小尺寸的反射面系統，變焦距的作用範圍有限，作用功率有限，應用意義不大。
[0005]對於太空中應用的大型可展開反射面，由於大型可展開反射面的可靠展開和精確成型本身已是很難有效解決的關鍵核心問題，變焦距技術尚未提上議程。
[0006]對於地面上應用的大型反射面，由於考慮到重力、風雪載荷等作用下的保型需要，一般採用固定實面的反射面形式，很難實現變焦距功能。在雙反射面系統中，適當微調副面的位置，可以實現反射面系統焦距的微調。但是，大尺度的變焦距功能依然很難實現。
[0007]採用固定實面的反射面形式，由於其天線的饋源位置固定，只能接收或反射固定位置的饋源，無法實現多個位置的饋源共享同一反射面，反射面利用效率低，尤其是造價成本高的大型固面反射面；固面反射面天線的饋源位置固定，其電磁能或光能傳輸範圍受限，無法實現傳輸距離的全面覆蓋。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於針對上述已有技術的不足，提出一種基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統，以改變天線拋物面的弧度，調整饋源位置，擴大電磁能或光能的傳輸距離，提高反射面效率。
[0009]為實現上述目的，本發明給出如下兩種技術方案，包括:
[0010]技術方案一
[0011]一種環肋柱索網結構反射面系統，包括:饋源、反射索網、支撐肋杆結構、支撐索網、調節拉索、環形固定桁架結構、中心支杆，環肋關節和反射面；支撐肋杆結構的一端通過環肋關節與環形固定桁架結構相連，構成一個剛性整體結構；反射索網通過調節拉索與支撐索網相連，反射索網上綁定有反射面，構成整個索網反射面結構；其特徵在於:中心支杆的外側套有變焦距套筒，用於改變拋物面的焦距；
[0012]所述變焦距套筒，包括上下兩個移動螺母、上下兩個滑輪、絲杆、彈簧、外殼和法蘭盤；法蘭盤與摺疊支撐肋杆結構的另一端相連；彈簧的兩端分別與外殼和支撐肋杆結構的中部相連；上滑輪用於對反射索網進行導向，下滑輪用於對支撐索網進行導向；上移動螺母通過絲杆與導向後的反射索網相連，下移動螺母通過絲杆與導向後的支撐索網相連，通過調節上下兩個移動螺母的位置，改變反射索網和支撐索網的長度，實現反射面的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。
[0013]技術方案二
[0014]一種環肋柱索網結構反射面系統，包括:饋源、反射索網、支撐肋杆、支撐索網、調節索網、環形固定桁架結構、中心支杆、環肋關節和反射面，支撐肋杆結構的一端通過環肋關節與環形固定桁架結構相連，構成一個剛性整體結構；反射索網通過調節拉索與支撐索網相連，反射面綁定在反射索網上，構成整個索網反射面結構；
[0015]其特徵在於:中心支杆的外側套有上移動套筒，下移動套筒和上下拉索調整器；下移動套筒與支撐肋杆結構的另一端相連；上移動套筒的外側連接有轉動直杆，轉動直杆的另一端與支撐肋杆結構的中部相連；反射索網穿過上移動套筒與上拉索調整器相連，支撐索網穿過下移動套筒與下拉索調整器相連，分別通過調整上拉索調整器與上移動套筒之間的距離和下拉索調整器與下移動套筒之間的距離改變反射索網和支撐索網的長度，實現反射面的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。
[0016]本發明與現有相關技術相比具有如下優點:
[0017](I)本發明由於在中心支柱外套有變焦距裝置，能夠實現反射面的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。
[0018](2)本發明的變焦距裝置由於採用調整上下兩個移動螺母的位置來改變反射索網和支撐索網的長度，能夠方便的對反射面的焦距進行調整。
[0019](3)本發明的變焦距裝置由於採用調整上拉索調整器與上移動套筒之間的距離和下拉索調整器與下移動套筒之間的距離來改變反射索網和支撐索網的長度，能夠更精確的實現對反射面焦距調整。
[0020](4)本發明由於改變反射索網和支撐索網的長度時，使反射面上的摺疊三角形同向摺疊，能保證反射面在大尺度變焦距後具有高型面精度。
[0021](5)本發明由於能對反射面進行變焦，可使反射面的焦點趨近於無窮遠，因此能夠遠距離傳輸或匯聚電磁波。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明技術方案一的整體結構示意圖；
[0023]圖2是本發明技術方案一的局部放大示意圖；
[0024]圖3是本發明技術方案二的整體結構示意圖；
[0025]圖4是本發明技術方案二的局部放大示意圖；
[0026]圖5是本發明中變焦後反射面變為平面的示意圖；
[0027]圖6是本發明中環形固定桁架結構的示意圖；
[0028]圖7是本發明中支撐肋杆結構的示意圖；
[0029]圖8是本發明技術方案一中的變焦距套筒結構示意圖；
[0030]圖9是本發明技術方案二中的上拉索調整器結構示意圖；
[0031]圖10是本發明技術方案二中的上移動套筒結構示意圖；
[0032]圖11是本發明技術方案二中的下拉索調整器結構示意圖；
[0033]圖12是本發明中技術方案二的下移動套筒結構示意圖；
[0034]圖13是本發明中反射面摺疊示意圖；
[0035]圖14是圖1結構偏置安裝於太空飛行器其反射面為拋物面的初始狀態示意圖；
[0036]圖15是圖1結構偏置安裝於太空飛行器其反射面變焦為平面狀態的示意圖；
[0037]圖16是圖3結構在地面運營時其反射面為拋物面的初始狀態示意圖；
[0038]圖17是圖3結構在地面運營時其變焦後反射面變為平面狀態的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]實施例1:採用變焦距套筒的環肋柱索網反射面系統。
[0040]參照圖1和圖2，本發明包括:饋源1、反射索網2、支撐肋杆結構3、支撐索網4、豎向拉索5、環形固定桁架結構6、中心支杆7、變焦距套筒8、環肋關節9和反射面10。其中:變焦距套筒8套在中心支杆7外部，饋源I安裝在中心支杆7的頂端；支撐肋杆結構3的一端通過環肋關節9與環形固定桁架結構6相連，另一端與變焦距套筒8的中部相連，構成一個剛性整體結構；反射索網2的一端與環形固定桁架結構6的上端相連，另一端與變焦距套筒8的上端相連；支撐索網4的一端與環形固定桁架結構6的下端相連，另一端與變焦距套筒8的下端相連；豎向拉索5的上端與反射索網2相連，下端與支撐索網4相連；反射索網2與反射面10綁定，構成整個索網反射面結構。
[0041]參照圖6，本發明的環形固定桁架結構6，包括:複數個環關節602和複數個固定桁架601，每兩個固定桁架601之間通過一個環關節602連接，通過彈簧或者繩索驅動環關節602展開到固定位置後鎖止，使整個固定桁架601構成環形桁架結構。其中，環關節602和固定桁架601的具體結構和連接形式與 申請人:的「固定桁架結構可展開面裝置」專利相同，專利號為 ZL201010573066.1。
[0042]參照圖7，本發明的支撐肋杆結構3，包括:複數個肋杆301和複數個肋關節302，每兩個肋杆301之間通過一個肋關節302連接，通過彈簧或者繩索驅動肋關節301展開到固定位置後鎖止，使整個肋杆301構成支撐肋杆結構。其中環肋關節9、肋關節302的具體結構與 申請人:的「空間可展開反射面系統」專利相同，專利號為ZL200810017476.0。
[0043]參照圖8，本發明的變焦距套筒8，包括上移動螺母801，下移動螺母802、上滑輪803，下滑輪808、絲杆804、彈簧805、外殼806和法蘭盤807 ;法蘭盤807、上滑輪803和下滑輪808固接於外殼806的外側，法蘭盤807與支撐肋杆結構3的一端相連；彈簧805的兩端分別與外殼806和支撐肋杆結構3的中部相連；反射索網2繞過上滑輪803，與上移動螺母801相連；支撐索網4繞過下滑輪808，與下移動螺母802相連；絲杆804的上端連接上移動螺母801，下端連接下移動螺母802。
[0044]參照圖13，本發明的反射面10，包含N個摺疊三角形，每個三角形的摺疊角度為α，相鄰三角形的輔助角度為β，且滿足Ν(α+β) = 360° ;改變反射索網2和支撐索網4的長度時，使每個三角形同向摺疊，保證反射面10在大尺度變焦距後具有高型面精度，其中N多3。
[0045]當變焦距套筒8在中心支杆7上向饋源I方向移動時，支撐肋杆3在彈簧805的作用下摺疊，反射索網2和支撐索網4出現鬆弛；絲杆804自轉，通過螺旋傳動使上移動螺母801和下移動螺母802沿軸向移動，從而改變上移動螺母801和下移動螺母802的位置，進而改變反射索網2和支撐索網4的長度，使反射面10上的每個三角形同向摺疊，實現反射面10的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距，且變焦後具有高型面精度。環肋柱索網反射面系統變焦後反射面為平面的示意圖如圖5所示。
[0046]實施例2:採用上下移動套筒的環肋柱索網反射面系統
[0047]參照圖3和圖4，本發明包括:饋源1、反射索網2、支撐肋杆結構3、支撐索網4、豎向拉索5、環形固定桁架結構6、中心支杆7、環肋關節9、反射面10、上移動套筒11，下移動套筒12、上拉索調整器13、下拉索調整器14和轉動直杆15 ;上拉索調整器13、上移動套筒11、下拉索調整器14和下移動套筒12依次套在中心支杆7的外側，饋源I安裝在中心支杆7的頂端；支撐肋杆結構3的一端通過環肋關節9與環形固定桁架結構6相連，另一端與下移動套筒12相連；轉動直杆15的一端與上移動套筒11相連，另一端與支撐肋杆結構3的中部相連；反射索網2的一端與環形固定桁架結構6的上端相連，另一端穿過上移動套筒11打結終止於上拉索調整器13 ;支撐索網4的一端與環形固定桁架結構6的下端相連，另一端穿過下移動套筒12打結終止於下拉索調整器14 ;豎向拉索5的上端與反射索網2相連，下端與支撐索網4相連，反射索網2上綁定有反射面10，構成整個索網反射面結構；
[0048]參照圖9，本發明的上拉索調整器13，包含複數個穿線孔1301，反射索網2穿過穿線孔1301打結終止。
[0049]參照圖10，本發明的上移動套筒11，包括:複數個穿線孔1101和上法蘭盤1102，上法蘭盤1102在穿線孔1101的下端，如圖(1a)所示，穿線孔1101為圓弧形的通孔，如圖(1b)所示，反射索網2穿過穿線孔1101與上拉索調整器13相連，上法蘭盤1102與轉動直杆15相連。
[0050]參照圖11，本發明的下拉索調整器14，包含複數個穿線孔1401，支撐索網4穿過穿線孔1401打結終止。
[0051]參照圖12，本發明的下移動套筒12，包括:複數個穿線孔1201和下法蘭盤1202，下法蘭盤1202在穿線孔1201的外側中部，如圖(12a)所示，穿線孔1201為圓弧形的通孔，如圖(12b)所示，支撐索網4穿過穿線孔1201與下拉索調整器14相連，下法蘭盤1202與支撐肋杆結構3相連。
[0052]本實例中的環形固定桁架結構6、支撐肋杆結構3及與反射面10的摺疊方案與實施例I所述的結構相同。
[0053]當上移動套筒11沿中心支杆7向饋源I方向移動時，反射索網2鬆弛，轉動直杆15轉動，使支撐肋杆結構3發生摺疊，帶動下移動套筒13沿中心支杆7移動，使支撐索網4鬆弛；上拉索調整器13沿中心支杆7移動，與上移動套筒11之間產生距離差，通過兩者之間的距離差來改變反射索網2的長度；下拉索調整器14沿中心支杆7移動，與下移動套筒12之間產生距離差，通過兩者之間的距離差來改變支撐索網4的長度；通過改變反射索網2和支撐索網4的長度，使反射面10上的每個三角形同向摺疊，實現反射面10的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距，且變焦後具有高型面精度。環肋柱索網反射面系統變焦後反射面為平面的示意圖如圖5所示。
[0054]本發明的效果可以通過以下仿真實驗來驗證:
[0055]1.仿真系統及結構
[0056]本發明實驗所用的系統為展開口徑為15m的環肋柱索網反射面系統。
[0057]該系統環肋柱索網結構採用6根支撐肋杆結構，每根支撐肋杆結構4等分，肋杆外徑0.014m，內徑0.013m ;環形固定桁架結構的圓環24等分，固定桁架高度0.1m,環杆外徑0.016m，內徑0.015m，支杆外徑0.014m，內徑0.013m ;中心支杆高2.4m，直徑0.03m ;環肋柱索網結構的剛性骨架，在收攏狀態下口徑0.766m，高度1.958m ;展開後的口徑為15m，反射面焦徑比為0.6。所有索網上拉索的外徑為0.001米，所有剛性杆件選擇碳纖維材料，柔性索網選擇凱芙拉縴維材料。
[0058]2.仿真內容
[0059]仿真1，在太空環境下，對展開口徑為15m的環肋柱索網反射面系統變焦前的反射面進行仿真。
[0060]在太空環境下，將總質量小於16Kg的環肋柱索網反射面系統偏置安裝於太空飛行器上，使環形固定桁架結構一點固定約束，對整個系統進行靜力平衡求解，結果如圖14所示。
[0061]從圖14可以看出，反射面最大變形為0.002m，面密度小於0.lKg/m2，反射面表面均方根誤差小於0.002m。這些數據表明，在太空環境下該環肋柱索網反射面系統變焦前的反射面具有優秀的綜合性能指標。
[0062]仿真2，在太空環境下，對展開口徑為15m的環肋柱索網反射面系統變焦後的反射面進行仿真。
[0063]採用實施例1的方案，將仿真I結構中的變焦距套筒朝饋源方向移動1.67m，通過彈簧將支撐肋杆結構由7.676m彎折為7.492m，通過上移動螺母將反射索網長由7.689m縮短為7.479m，通過下移動螺母將支撐索網長由7.676m縮短為7.501m，使反射面由拋物面變成平面。對變焦後的整個系統進行靜力平衡求解，結果如圖15所示。
[0064]從圖15可以看出，反射面最大變形為0.0030m,反射面表面均方根誤差小於0.002m。這些數據表明，在太空環境下該環肋柱索網反射面系統在大尺度變焦距後，反射面仍保持足夠高的型面精度，達到了預期的變焦距目標。
[0065]仿真3，在地面環境下，對展開口徑為15m的環肋柱索網反射面系統變焦前的反射面進行仿真。
[0066]在地面環境下，將環肋柱索網反射面系統的肋杆外徑變為0.026m，內徑變為
0.022m ;環杆外徑變為0.026m，內徑變為0.022m，支杆外徑變為0.018m，內徑變為0.016m。
[0067]在地面環境下，將總質量小於60Kg，饋源質量為5.23Kg，反射面呈45度俯仰角放置的環肋柱索網反射面系統安裝於地面基座上，對環形固定桁架結構採用中心對稱的三點固定約束，對整個系統進行靜力平衡求解，結果如圖16所示。
[0068]從圖16可以看出，反射面的最大變形為0.0190m，面密度小於0.35Kg/m2，反射面表面均方根誤差小於0.006m。這些數據表明，在地面環境下該環肋柱索網反射面系統變焦前的反射面具有優秀的綜合性能指標。
[0069]仿真4，在地面環境下，對展開口徑為15m的環肋柱索網反射面系統變焦後的反射面進行仿真。
[0070]採用實施例2的方案，將仿真3中的中心支柱上的上移動套筒朝饋源方向移動
1.67m，通過下移動套筒使支撐肋杆結構由7.676m縮短為7.492m，通過上拉索調整器使反射索網長由7.689m縮短為7.479m，通過下拉索調整器使支撐索網長由7.676m縮短為7.501m，使反射面由拋物面變成平面。對變焦後的整個系統進行靜力平衡求解，結果如圖17所示。[0071 ] 從圖17可以看出，反射面的最大變形為0.0121m，表面均方根誤差小於0.005m。這些數據表明，在地面環境下該環肋柱索網反射面系統在大尺度變焦距後，反射面仍保持足夠高的型面精度，達到了預期的變焦距目標。
[0072]上述仿真結果說明本發明提供的基於環肋柱索網結構的變焦距反射面系統，結構簡潔，面密度低，變焦前和變焦後型面精度都滿足期望要求，無論是在太空中還是在地面上，都有著良好性能。
【權利要求】
1.一種環肋柱索網結構反射面系統，包括:饋源(I)、反射索網(2)、支撐肋杆結構(3)、支撐索網(4)、豎向拉索(5)、環形固定桁架結構(6)、中心支杆(7)，環肋關節(9)和反射面(10);支撐肋杆結構(3)的一端通過環肋關節(9)與環形固定桁架結構(6)相連，構成一個剛性整體結構；反射索網(2)通過豎向拉索(5)與支撐索網(4)相連，反射索網(2)上綁定有反射面(10)，構成整個索網反射面結構；其特徵在於:中心支杆(7)的外側套有變焦距套筒(8)，用於改變拋物面的焦距； 所述變焦距套筒(8)，包括上下兩個移動螺母(801，802)、上下兩個滑輪(803，808)、絲杆(804)、彈簧(805)、外殼(806)和法蘭盤(807);法蘭盤(807)與摺疊支撐肋杆結構(3)的另一端相連；彈簧(805)的兩端分別與外殼(806)和支撐肋杆結構(3)的中部相連；上滑輪(803)用於對反射索網(2)進行導向，下滑輪(808)用於對支撐索網(4)進行導向；上移動螺母(801)通過絲杆(804)與導向後的反射索網(2)相連，下移動螺母(802)通過絲杆(804)與導向後的支撐索網(4)相連，通過調節上下兩個移動螺母的位置，改變反射索網(2)和支撐索網(4)的長度，實現反射面(10)的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。
2.根據權利要求1所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:環形固定桁架結構￠)，包括:複數個固定桁架(601)和複數個環關節￠02)，每兩個固定桁架(601)之間通過一個環關節(602)連接，構成圓形收攏、展開環結構。
3.根據權利要求1所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:支撐肋杆結構(3)，包括:複數個肋杆(301)和複數個肋關節(302)，每兩個肋杆(301)之間通過一個肋關節(302)連接，構成收攏、展開肋結構。
4.根據權利要求1所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:反射索網(2)固定桁架(601)的上端，支撐索網(4)固定在桁架(601)下端，調整拉索(5)豎向固定在這兩層索網之間，形成反射曲面結構。
5.根據權利要求1所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:反射面(10)，包含N個摺疊三角形，每個三角形的摺疊角度為α，相鄰三角形的輔助角度為β，且滿足Ν(α+β) = 360° ;改變反射索網(2)和支撐索網(4)的長度時，使每個三角形同向摺疊，保證反射面(10)在大尺度變焦距後具有高型面精度，其中N多3。
6.—種環肋柱索網結構反射面系統，包括:饋源(I)、反射索網(2)、支撐肋杆(3)、支撐索網(4)、豎向拉索(5)、環形固定桁架結構(6)、中心支杆(7)、環肋關節(9)和反射面(10)，支撐肋杆結構(3)的一端通過環肋關節(9)與環形固定桁架結構(6)相連，構成一個剛性整體結構；反射索網(2)通過豎向拉索(5)與支撐索網(4)相連，反射面(10)綁定在反射索網(2)上，構成整個索網反射面結構； 其特徵在於:中心支杆(7)的外側套有上移動套筒(11)，下移動套筒(12)和上下拉索調整器(13，14);下移動套筒(12)與支撐肋杆結構(3)的另一端相連；上移動套筒(11)的外側連接有轉動直杆(15)，轉動直杆(15)的另一端與支撐肋杆結構(3)的中部相連；反射索網⑵穿過上移動套筒(11)與上拉索調整器(13)相連，支撐索網⑷穿過下移動套筒(12)與下拉索調整器(14)相連，分別通過調整上拉索調整器(13)與上移動套筒(11)之間的距離和下拉索調整器(14)與下移動套筒(12)之間的距離改變反射索網(2)和支撐索網(4)的長度，實現反射面的形狀由拋物面向平面過渡的大尺度變焦距。
7.根據權利要求6所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:上移動套筒(11)上有複數個穿線孔(1101)和和上法蘭盤(1102)，反射索網(2)穿過穿線孔(1101)與上拉索調整器(13)相連，上法蘭盤(1102)與轉動直杆(15)相連。
8.根據權利要求6所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:上拉索調整器(13)上有複數個穿線孔(1301)，反射索網(2)穿過穿線孔(1301)打結終止。
9.根據權利要求6所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:下移動套筒(12)上有複數個穿線孔(1201)和下法蘭盤(1202)，支撐索網(4)穿過穿線孔(1201)與下拉索調整器(14)相連，下法蘭盤(1202)與支撐肋杆結構(3)相連。
10.根據權利要求6所述的一種環肋柱索網結構反射面系統，其特徵在於:下拉索調整器(14)上有複數個穿線孔(1401)，支撐索網(4)穿過穿線孔(1401)打結終止。
【文檔編號】H01Q15/14GK104518287SQ201410819702
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】鄭飛, 陳梅, 譚謀 申請人:西安電子科技大學