一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法技术

一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，包括步骤如下：一、计算获得环形反射器铰链的非线性输出力矩，并获得远端铰链输出力矩Tfar和近端铰链输出力矩Tnear；二、计算获得远端铰链处主动齿轮转角与远端铰链处从动齿轮转角的对应关系近端铰链处主动齿轮转角与近端铰链处从动齿轮转角的对应关系三、计算任意时刻下的远端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比及近端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比；四、根据传动比ifar、传动比inear分别计算获得相应的齿轮系。本发明专利技术优化了系统在展开过程中的能量分布，并降低展开过程中电机输出能量，从而降低展开驱动力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种环形反射器的展开方法，特别涉及了一种大口径环形反射器布式非线性驱动展开方法。
技术介绍
近年来，为侦收微小功率信号，新一代移动通信卫星、电子侦察卫星、数据中继卫星等提出了对大口径网状可展开天线反射器的迫切需求。在各类网状天线方案中，环形桁架式可展开天线以其结构形式简单、可靠性高、展收比大、重量轻、易实现大口径反射面的特点，成为目前大型星载可展开天线最理想的结构形式。典型环形桁架式可展开天线为美国Northrop Grumman公司提出的Astromesh构型，由网面系统和周边环形可展开桁架组成，其中环形可展开桁架由若干平行四边形单元0构成，如图1所示。结构上，天线在卫星发射时收拢以减小储存空间；入轨后，环形可展开桁架在驱动器轨展开并带动网面从收拢态展开为工作态。天线在轨能否成功展开是决定卫星任务成败的关键所在。如图1所示，环形天线主要通过可展开桁架中的电机1驱动贯穿于单元斜对角线杆件中的动力绳实现展开。考虑到天线收拢状态下，动力绳驱动存在死点，在每个单元的斜对角线处的展开铰链2里施加预紧弹簧式被动驱动器使得反射器弹开一定口径后再进行电机驱动展开，同时在电机展开过程中提供展开助力。针对类似Astromesh构型的环形桁架式天线，工程试验和仿真表明，现有展开方案存在明显展开不同步问题。其主要原因在于，目前集中式驱动方式下，电机驱动力经动力绳向各单元传递时，每经过一个单元张力存在摩擦损失。这样以来张力从电机端向远处单元传递时会逐个单元衰减，导致距离电机近的单元先展开、距离电机远的单元后展开。同时，从整个系统能量利用角度看，目前展开方案输入能量利用率低。其中，在弹簧驱动阶段，线性涡簧初始输出力矩大，而此时网面松弛且没有单元被锁定，系统所需要的输入能量较小，涡簧所输入的大部分能量被浪费；在电机驱动阶段，在展开末期展开远处单元时伴随着网面张紧，需要集中输入能量，而此时电机经过动力绳传力路径较长，摩擦导致传递至远端驱动绳的张力大幅度减小，使得所需展开力过大，能量损耗大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，优化了系统在展开过程中的能量分布，并降低展开过程中电机输出能量，从而降低展开驱动力。本专利技术所采用的技术方案是：一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，包括步骤如下：步骤一、计算获得环形反射器铰链的非线性输出力矩，并获得远端铰链输出力矩Tfar和近端铰链输出力矩Tnear：Tfar＝step(Ts,θs,Td,θd)、Tnear＝step(Ts,θs,Td/2,θd)；其中，力矩Ts为桁架单元从收拢状态展开瞬间铰链的最小力矩；Td为展开天线最后两个单元所需要最大力矩；θs为力矩Ts对应的展开角度上限；θd为力矩Td对应的展开角度下限；近端铰链指电机安装位置处的铰链，远端铰链指环形反射器上距离电机最远点处的铰链；步骤二、在齿轮啮合过程中任意时刻t下，根据远端铰链、近端铰链的能量守恒公式：分别计算获得远端铰链处主动齿轮转角ψfar与远端铰链处从动齿轮转角的对应关系近端铰链处主动齿轮转角ψnear与近端铰链处从动齿轮转角的对应关系其中，T0(ψfar)为远端铰链处主动齿轮输入力矩，与远端铰链处线性涡簧输出力矩相等；T0(ψnear)为近端铰链处主动齿轮输入力矩，与近端铰链处线性涡簧输出力矩相等；为远端铰链处从动齿轮输出力矩，与远端铰链输出力矩Tfar相等；为近端铰链处从动齿轮输出力矩，与近端端铰链输出力矩Tnear相等；步骤三、计算任意时刻下的远端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比及近端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比步骤四、根据传动比ifar、传动比inear分别计算获得相应的齿轮系；靠近近端铰链的铰链处安装与传动比inear对应的齿轮系、靠近远端铰链的铰链处安装与传动比ifar对应的齿轮系；电机驱动各桁架单元展开至展开角度为θd后，远端铰链先带动与远端铰链相连的桁架单元展开，近端铰链再带动与近端铰链相连的桁架单元展开，随后带动近端铰链与远端铰链之间的过渡桁架单元，直至环形反射器完全展开。获得环形反射器铰链的非线性输出力矩的具体步骤如下：(1)当第i跨作为最后展开的一跨时，计算获得环形反射器网面的弹性势能E随展开角度θi的变化曲线；其中，环形反射器上相邻的两个桁架单元为一跨，展开角度θi为铰链横杆与纵杆的夹角的补角；i＝1，2，…，N/2；N为单元总数，为正整数；(2)计算获得第i跨铰链驱动力矩Ti随展开角度θi的变化曲线：并获取第i跨作为最后展开的一跨时所需要的最大力矩：(3)计算获得展开天线最后两个单元所需要最大力矩Td为：则可获得分布式驱动方案中铰链非线性输出力矩T：T＝step(Ts,θs,Td,θd)。所述步骤四中计算获得的齿轮系的安装方法如下：根据与环形反射器上近端铰链与远端铰链的连线垂直的直径将环形反射器上铰链分为两部分，近端铰链一侧的全部铰链均安装与传动比inear对应的齿轮系，远端铰链一侧的全部铰链均安装与传动比ifar对应的齿轮系。所述力矩Ts的范围为≥1N·m。本专利技术与现有技术方案相比的优点在于：(1)本专利技术提出的一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，根据网状天线能量需求特点，对铰链的输出力进行设计；并对铰链输出力进行分布，使得远端优先展开；通过优化天线展开过程中的能量利用，降低电机驱动力做功，从而减小了天线展开力。(2)本专利技术中铰链仍采用线性弹簧为驱动铰链提供输入能量，并不改变铰链输入总能量，亦即不需要增加线性弹簧刚度从而满足现有的空间尺寸约束；同时，铰链非线性输出力矩采用对线性扭簧输出力矩进行转换实现。(3)本专利技术提出的分布式展开方法，适用于大口径的环形桁架式天线展开，有助于大幅降低20m以上大口径环形天线电机驱动力，提高展开可靠性；稍加改动也可用于大型伞状径向肋式天线展开。附图说明图1是环形天线结构及弹簧驱动装置分布示意图。图2是本专利技术中铰链非线性驱动力矩示意图。图3是本专利技术中基于4级非圆齿轮的非线性驱动装置示意图。图4是本专利技术中应用实例确定的非线性铰链驱动力矩示意图。图5是本专利技术中应用实例铰链驱动力分布示意图。具体实施方式本专利技术提出的一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，需要首先根据环形天线实际网面展开力确定铰链输出力矩特性，随后确定天线中不同位置铰链输出力矩大小。具体包括如下步骤：步骤一、确定铰链输出力矩特性根据网面天线展开特点，天线在最后展开阶段需要的驱动力最大，呈现图2中曲线b所示的初始小、展开后期大的特性。同时，为确保铰链在展开末期输出力矩足够展开天线，要求每个铰链输出力矩需满足能够展开最后两个单元(将相邻两个单元称为一跨)。当第i跨作为最后展开的一跨时，计算获得环形反射器网面的弹性势能E随展开角度θi的变化曲线；i为正整数(设单元总数为N，则i＝1，2，…，N/2，N为正整数)；在轨无重力环境下，邻近展开时，铰链驱动力所做的功主要转化为网面存储的弹性势能。设第i跨铰链驱动力矩为Ti，定义展开角度θi为铰链横杆与纵杆夹角的补角，完全展开时展开角度为π/2。则第i跨铰链驱动力矩与网面势能E关系为： T i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、计算获得环形反射器铰链的非线性输出力矩，并获得远端铰链输出力矩Tfar和近端铰链输出力矩Tnear：Tfar＝step(Ts,θs,Td,θd)、Tnear＝step(Ts,θs,Td/2,θd)；其中，力矩Ts为桁架单元从收拢状态展开瞬间铰链的最小力矩；Td为展开天线最后两个单元所需要最大力矩；θs为力矩Ts对应的展开角度上限；θd为力矩Td对应的展开角度下限；近端铰链指电机安装位置处的铰链，远端铰链指环形反射器上距离电机最远点处的铰链；步骤二、在齿轮啮合过程中任意时刻t下，根据远端铰链、近端铰链的能量守恒公式：分别计算获得远端铰链处主动齿轮转角ψfar与远端铰链处从动齿轮转角的对应关系近端铰链处主动齿轮转角ψnear与近端铰链处从动齿轮转角的对应关系其中，T0(ψfar)为远端铰链处主动齿轮输入力矩，与远端铰链处线性涡簧输出力矩相等；T0(ψnear)为近端铰链处主动齿轮输入力矩，与近端铰链处线性涡簧输出力矩相等；为远端铰链处从动齿轮输出力矩，与远端铰链输出力矩Tfar相等；为近端铰链处从动齿轮输出力矩，与近端端铰链输出力矩Tnear相等；步骤三、计算任意时刻下的远端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比及近端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比步骤四、根据传动比ifar、传动比inear分别计算获得相应的齿轮系；靠近近端铰链的铰链处安装与传动比inear对应的齿轮系、靠近远端铰链的铰链处安装与传动比ifar对应的齿轮系；电机驱动各桁架单元展开至展开角度为θd后，远端铰链先带动与远端铰链相连的桁架单元展开，近端铰链再带动与近端铰链相连的桁架单元展开，随后带动近端铰链与远端铰链之间的过渡桁架单元，直至环形反射器完全展开。...

【技术特征摘要】
1.一种大口径环形反射器分布式非线性驱动展开方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、计算获得环形反射器铰链的非线性输出力矩，并获得远端铰链输出力矩Tfar和近端铰链输出力矩Tnear：Tfar＝step(Ts,θs,Td,θd)、Tnear＝step(Ts,θs,Td/2,θd)；其中，力矩Ts为桁架单元从收拢状态展开瞬间铰链的最小力矩；Td为展开天线最后两个单元所需要最大力矩；θs为力矩Ts对应的展开角度上限；θd为力矩Td对应的展开角度下限；近端铰链指电机安装位置处的铰链，远端铰链指环形反射器上距离电机最远点处的铰链；步骤二、在齿轮啮合过程中任意时刻t下，根据远端铰链、近端铰链的能量守恒公式：分别计算获得远端铰链处主动齿轮转角ψfar与远端铰链处从动齿轮转角的对应关系近端铰链处主动齿轮转角ψnear与近端铰链处从动齿轮转角的对应关系其中，T0(ψfar)为远端铰链处主动齿轮输入力矩，与远端铰链处线性涡簧输出力矩相等；T0(ψnear)为近端铰链处主动齿轮输入力矩，与近端铰链处线性涡簧输出力矩相等；为远端铰链处从动齿轮输出力矩，与远端铰链输出力矩Tfar相等；为近端铰链处从动齿轮输出力矩，与近端端铰链输出力矩Tnear相等；步骤三、计算任意时刻下的远端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比及近端铰链处从动齿轮与主动齿轮的传动比步骤四、根据传动比ifar、传动比inear分别计算获得相应的齿轮系；靠近近端铰链的铰链处安装与传动比inear对应的齿轮系、靠近远端铰链的铰链处安装与...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军刚，肖勇，赵治华，王超琦，冯涛，李洋，张欣，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61