带有偏馈的可收拢形状记忆航天器反射器以及用于封装和操纵该反射器的展开的方法

摘要

一种根据多个实施方式提供的形状记忆反射器。该形状记忆反射器可包括多种形状中的任一种；例如，形状记忆反射器可包括离轴抛物面或非轴对称的形状。形状记忆反射器可包括多个板型形状记忆加劲件和多个纵向加劲件。在存放构型中，形状记忆反射器被存放在板型形状记忆加劲件中的反向弯曲部中。在展开状态下，板型形状记忆加劲件可被打开和/或伸展开。反射器通过加热该板型形状记忆加劲件而在存放状态与展开状态之间转变。还公开了用于存放和展开该形状记忆反射器的多种方法。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年1月29日提交的美国非临时申请12/361,700(律师案卷号No.014801-001700US)的权益，该申请已转让给受让人，并出于所有目的以参引的方式被接合到本文中。

技术领域

本公开主要涉及可展开的天线反射器，尤其非限制地涉及使用形状记忆聚合物的可展开反射器。

背景技术

天线被设计成用以将正被播发或接收的射频(RF)能量集中成定向射束以减少传递信号所需的能量。反射天线使用一个或多个大表面、或反射器，以将该射束反射并聚集到馈送器(feed)上。航天器通常采用大反射器，该大反射器必须减小尺寸用于发射并在轨道上展开。可展开的天线反射器应该重量轻、存放-展开体积比小、提供有效的反射面，并且是尽可能简单的以便展开。

发明内容

根据一个实施方式公开了一种可展开的形状记忆反射器。该形状记忆反射器可被构造成用于保持第一存放构型和第二展开构型。形状记忆反射器可包括反射面、多个线性加劲件(纵向加劲件)和多个形状记忆加劲件(板型形状记忆加劲件)。线性加劲件和形状记忆加劲件都与反射面联接。在展开构型中，多个形状记忆元件是无褶的，并且反射器面可限定双曲的三维几何形状。在存放构型中，多个形状记忆加劲件可被褶叠成第一多个褶皱部，并且反射器面被褶叠成第二多个褶皱部。形状记忆反射器可被构造成用于通过将一个或多个形状记忆加劲件加热到高于形状记忆加劲件的玻璃态转变温度的温度而展开成展开构型。

在某些实施方式中，反射器面的展开的三维几何形状包括非轴对称的几何形状和离轴抛物面。该抛物面可通过局部修整轮廓而被改变成用以将天线的射束分布成除圆形以外的一些所需的形状。在某些实施方式中，至少一个子集合的多个形状记忆加劲件基本上彼此平行地设置。在某些实施方式中，至少一个子集合的多个线性加劲件基本上彼此平行地设置。在某些实施方式中，至少一个子集合的多个线性加劲件垂直于至少一个子集合的多个形状记忆加劲件设置。例如，该反射器面可包括石墨复合层压件。例如，该形状记忆加劲件可包括玻璃态转变温度低于形状记忆聚合体的存在温度的形状记忆聚合体。

在某些实施方式中，形状记忆加劲件可包括复合板，该复合板包括由弹性材料构成的第一面板、由弹性材料构成的第二面板和夹置在第一面板与第二面板之间的形状记忆聚合体芯体，其中，第一面板包括反射面的一部分。例如，多个线性加劲件包括层压材料和/或固体材料，其中，加劲件的一个面可包括反射面的一部分。例如，形状记忆反射器可包括一个或多个与形状记忆加劲件联接的加热器。

根据另一个实施方式，提供了一种用于存放形状记忆反射器的方法。该方法可包括制造处于展开构型中的形状记忆反射器。该形状记忆反射器可包括反射器面、与反射器面联接的多个线性加劲件、以及与反射器面联接的多个形状记忆加劲件。可将多个形状记忆加劲件加热到高于形状记忆加劲件的玻璃态转变温度的温度，并可施加机械载荷以将形状记忆反射器变形到存放构型。可随后将形状记忆加劲件冷却到低于形状记忆加劲件的玻璃态转变温度的温度，并可移除机械载荷，这允许冷却后的形状记忆加劲件保持在存放构型中。

根据另一实施方式，提供了一种用于将形状记忆反射器从存放构型展开的方法。该形状记忆反射器包括反射器面、与反射器面联接的多个线性加劲件、以及与反射器面联接的多个形状记忆加劲件。在存放构型中，将多个形状记忆元件褶叠成多个褶皱部，并且将反射器面褶叠成多个褶皱部。可将多个形状记忆加劲件加热到高于形状记忆加劲件的玻璃态转变温度的温度。可随后将形状记忆加劲件从褶皱构型转换为无褶皱构型。可随后将多个形状记忆加劲件冷却到低于形状记忆加劲件的玻璃态转变温度的温度。

本公开的其它应用范围将通过下文中提供的详细描述而变得明显。应该理解的是，尽管示出了多种实施方式，但详细描述和具体示例仅出于说明的目的并且并不限制本公开的范围。

附图说明

图1示出根据一个实施方式的处于展开构型中的可收拢形状记忆反射器。

图2A示出根据一个实施方式的处于存放构型中的可收拢形状记忆反射器的立体图。

图2B示出根据一个实施方式的处于存放构型中的可收拢形状记忆反射器的端视图。

图3A示出根据一个实施方式的处于展开构型中的可收拢形状记忆反射器和背衬结构。

图3B示出根据一个实施方式的处于存放构型中的可收拢形状记忆反射器和背衬结构。

图4A示出根据一个实施方式的板型加劲件的横截面。

图4B示出根据一个实施方式的与弹性反射器材料联接的板型形状记忆加劲件的局部剖视图。

图5A示出根据一个实施方式的形状记忆加劲件的横截面。

图5B示出根据一个实施方式的示例性形状记忆材料的剪切模量G、复合剪切模量G^*以及复合剪切模量与剪切模量的比率G^*/G的曲线图。

图6示出根据一个实施方式的用于封装形状记忆反射器的方法的流程图。

图7示出根据一个实施方式的用于展开形状记忆反射器的方法的流程图。

在附图中，同样的部件和/或特征可具有相同的参考标号。另外，同一类型的多种部件可通过在参考标号后面继之以破折号和在相似的部件之间进行区分的第二标号加以区分。如果在说明书中仅使用了第一参考标号，则该描述就适用于任何一个具有同一个第一参考标号的相似部件而与第二参考标号无关。

具体实施方式

随后的描述仅提供了本发明的多个实施方式，且并非意在限制本公开的范围、应用或构型。相反，对实施方式进行的随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现实施方式的能够实施的描述。应该理解的是，在不脱离所附权利要求中阐述的精神和范围的情况下，可对元件的功能和设置作出多种改变。

本公开的实施方式涉及形状记忆反射器。这种形状记忆反射器可适于太空通信应用。该形状记忆反射器可在保持封装形状的封装(或存放或收拢)构型下被准备好并发射，从而减少了在发射过程中用于紧固住反射器所需的机械装置的数目。一旦在太空中，形状记忆反射器可利用不多的移动部件或不利用移动部件而展开。例如，形状记忆反射器在展开构型中可为偏馈形状、抛物线形状或不规则的形状，并在收拢和/或折叠构型中予以存放。形状记忆反射器包括基本连续的、由弹性反射器材料构成的表面。例如，弹性反射器材料可包括复合聚合物层的层压件。

形状记忆反射器可包括形状记忆加劲件，该形状记忆加劲件用于在受热超过T_g时，将反射器从封装构型致动到展开构型。该形状记忆加劲件可包括围绕由诸如形状记忆聚合物和/或泡沫塑料之类的形状记忆材料构成的芯体的柔性面板的层叠件。柔性面板之一可包括反射器材料。该形状记忆加劲件可周向地附连在反射器材料上。在一个实施方式中，板型形状记忆加劲件可沿反射器材料的表面附连。在另一个实施方式中，形状记忆加劲件可与反射器材料的多个其它周界周向附连，并且半径小于或等于抛物面半径。

在多个实施方式中，形状记忆反射器还可包括多个纵向加劲件，例如，这多个纵向加劲件与反射器材料的背面附连。在一些实施方式中，纵向加劲件可沿基本上垂直于板型形状记忆加劲件的反射器材料延伸。

图1示出了根据一个实施方式的处于展开构型中的形状记忆反射器100。在一些实施方式中，形状记忆反射器100可被展开成诸如离轴抛物面之类的对称形状。在其它实施方式中，形状记忆反射器100可被展开成包括不规则形状在内的任何形状。该形状记忆反射器100包括基本连续的反射器材料120。反射器材料120可包括一叠和六叠之间的石墨复合层压件。可使用诸如薄金属膜、环氧膜或其它层压件之类的多种其它的材料。该层压件可包括多个厚度。反射器材料120在制造期间可形成在抛物线形的芯杆上。反射器材料120可为在其呈平面时是刚性的且在弯曲时是相对柔性的弹性材料。该反射器材料可以是足够薄的以在不产生永久变形的情况下以少许英寸的半径弯曲。

图1中所示的形状记忆反射器100可被展开成离轴抛物面形状。形状记忆反射器100包括多个板型形状记忆加劲件110和多个纵向加劲件130。板型形状记忆加劲件110可包括在普通转让的2008年2月19日提交的名为“可高度变形的形状记忆聚合体芯体复合的可变形夹层板”的美国专利申请No.12/033,584中描述的任一形状记忆材料，出于所有目的将该申请以参引的方式结合于此。图5示出一种可使用的形状记忆材料的示例的横截面。

在一个实施方式中，板型形状记忆加劲件110包括夹层结构，该夹层结构包括第一面板、形状记忆芯体和第二面板。第一面板和第二面板可包括层压件或复合材料层。在一个实施方式中，反射器材料120可包括第一面板。第二面板可包括与反射器材料相同的材料，并可与其联接。该形状记忆芯体可包括形状记忆聚合物泡沫塑料。多个板型形状记忆加劲件可被沿反射面120布置并联接于该反射面120。

纵向加劲件130可沿反射面120的表面布置。例如，纵向加劲件130可相对于彼此大体等距地沿着反射面布置。纵向加劲件130还可包括诸如由与反射器材料120相同的材料构成的厚层之类的由固体材料构成的厚层。纵向加劲件130还可包括多叠在制造期间与反射器材料120共同固化的石墨复合层压件，或纵向加劲件130还可包括一条间接粘附于反射器材料120的复合材料或其它材料。径向加劲件的横截面可为矩形，如图4A中所示，或任一其它形状，例如，由在较宽基底上堆叠较窄的多叠复合材料而形成的梯形。

在一个实施方式中，纵向加劲件130可为连续的、柔性的、不可折叠的部分。纵向加劲件130可在展开状态下提供足够大的刚性和尺寸稳定性以保持反射面110的形状。纵向加劲件130还可包括足够大的弯曲柔性以在封装期间使它们能够被伸直。纵向加劲件还可在纵向上具有足够大的强度，以对在封装期间施加的反射面中的径向拉伸载荷起作用。此外，纵向加劲件130可具有足够大的局部强度以为发射支承结构和封装载荷提供安装位置。在一些实施方式中，纵向加劲件130可沿反射面120大体垂直于板型形状记忆加劲件110布置。在一些实施方式中，纵向加劲件130可布置在非垂直的配置中。

图2A示出根据一些实施方式的处于存放构型中的形状记忆反射器110的立体图。图2B示出根据一些实施方式的处于存放构型中的形状记忆反射器110的端视图。图2A和2B中所示的形状记忆反射器100具有五个弯曲部。这些弯曲部也可如所示形成在板型形状记忆加劲件110和反射面120内。在一些实施方式中，弯曲部(或褶皱部)也可沿形状记忆反射器100的纵向加劲件130出现。纵向加劲件130可定位于弯曲部的顶点。

在一些实施方式中，形状记忆反射器100与背衬结构联接。图3A示出了根据一个实施方式的处于展开构型中的可收拢的形状记忆反射器100和背衬结构305。图3B示出了根据一个实施方式的处于存放构型中的可收拢的形状记忆反射器100和背衬结构305。该背衬结构可包括一系列的刚性梁310。刚性梁310可大体上与纵向加劲件130平行。在一些实施方式中，刚性梁310可与纵向加劲件130联接。在一些实施方式中，刚性梁310可与交替的纵向加劲件130联接。可折叠的加劲件320可横跨在刚性梁310之间。该背衬结构305可提供展开刚度和/或尺寸精度。此外，反射器可附连于该背衬结构305，并由该背衬结构305支承。背衬结构305可包括多个向内枢转用以封装的径向臂和用于将臂锁定到展开位置中的可展开的桁架元件。如图3A和3B中所示，根据一些实施方式，背衬结构可为存放而折叠并在展开期间延伸。

图4A示出了根据一个实施方式的与反射器材料120联接的纵向加劲件130的横截面。该纵向加劲件130的横截面可为矩形，如所示，或任一其它形状，例如，由在较宽基底上堆叠较窄的多叠复合材料而形成的梯形。在其它实施方式中，纵向加劲件130可具有半圆形的、半椭圆形的、凹形的和/或凸形的横截面形状。

图4B示出了根据一个实施方式的与外缘反射器材料120联接的板型形状记忆加劲件110的局部剖视图。例如，板型形状记忆加劲件110可被封入在诸如多层绝缘件(MLI)之类的防护罩1410内。防护罩1410可使用多种粘合剂1420中的任一种与反射器材料120联接。注意，在这种实施方式中，形状记忆加劲件110可与弹性反射器材料120联接。在一些实施方式中，反射器材料120包括形状记忆加劲件110的面板中的一个。弹性材料1430包括形状记忆加劲件110的第二面板，并且，在一些实施方式中，可为与反射器材料120相同的复合材料。

图5A示出了根据一个实施方式的板型形状记忆加劲件500的一部分的横截面。在一个实施方式中，板型形状记忆加劲件500可与板型形状记忆加劲件110一样被制造成多种形状并附连于图1中所示的根据一个实施方式的反射器的凸面。在另一个实施方式中，板型形状记忆加劲件500可同样被制成有多个不连续的形状记忆芯体530或形状记忆芯体530的联接在一起成为板型形状记忆加劲件110的不连续段。板型形状记忆加劲件500可包括第一面板510、第二面板520和形状记忆芯体530。在一些实施方式中，第一面板510和/或第二面板520可包括相同的材料或者，在其它实施方式中，第一面板510和/或第二面板520可包括类似于反射器材料120的材料。形状记忆芯体530可与第一面板510和第二面板520大体连续接触。即，在一些实施方式中，该芯体可不是分段的，而是与两个面板的表面大部分地连续接触。在其它实施方式中，该形状记忆芯体530可与第一面板510和/或第二面板520中的任一个或两者的约75％、80％、85％、90％、95％或100％连续接触。然而，在一些实施方式中，芯体530可包括多个联接在一起的不连续的形状记忆芯体。每个这种不连续的芯体可与第一面板510和/或第二面板520联接。

根据一个实施方式的第一面板510和/或第二面板520包括薄的金属材料。在其它实施方式中，第一面板510和/或第二面板520可包括纤维增强材料。第一面板510和/或第二面板520可包括复合材料或金属材料。第一面板510和/或第二面板520还可以是热传导的。该形状记忆芯体530可包括形状记忆聚合体和/或诸如热固性环氧树脂之类的环氧树脂。形状记忆芯体530也可包括封闭的或开口的泡沫塑料芯体。形状记忆芯体530可为T_g低于该材料的存在温度的聚合体泡沫塑料。例如，形状记忆芯体可包括TEMBO形状记忆聚合体、TEMBO泡沫塑料或TEMBO弹性记忆复合材料。

图5B示出根据一个实施方式的一种示例性形状记忆材料的剪切模量G、复合剪切模量G^*和复合剪切模量与剪切模量的比率G^*/G的曲线图。G^*/G曲线的峰值被解释为形状记忆材料的玻璃态转变温度(T_g)。超出T_g，玻璃和有机聚合体就变软并能够在不破裂的情况下塑性变形。低于T_g，材料内的接合结合是完整的或当冷却时，随材料冷却而增强。因此，低于T_g，材料通常变硬、脆和/或坚固。

板型形状记忆加劲件可为如上所述的连续的形状记忆夹层结构。板型形状记忆加劲件还可在反射器元件的表面上包括联接到一起的多个形状记忆元件。板型形状记忆加劲件可以是可折叠的、仍旧坚固的且刚性的形状记忆聚合体基加劲件。板型形状记忆加劲件在展开状态中(在低于T_g的温度下)可具有足够大的刚性和尺寸稳定性以保持反射面的抛物面形状。此外，板型形状记忆加劲件在高于T_g的温度下可具有足够大的应变和应变能存储能力，以允许在无损于反射面的情况下封装发射器。板型形状记忆加劲件还可在封装状态下、在低于T_g的温度下包括足够大的刚性和尺寸稳定性，从而在无需大量的发射锁定的情况下保持反射器的封装形状。并且，板型形状记忆加劲件可在高于T_g的温度下的致动期间包括足够大的阻尼以有效地控制反射面的展开。

图6示出根据一个实施方式的用于封装形状记忆反射器的方法的流程图。在方块610处，将反射器制造成初始展开形状。该反射器也可制有板型形状记忆加劲件和/或纵向加劲件。该展开构型可为反射器提供最小的应变能形状。在方块620处，将板型形状记忆加劲件加热至高于板型形状记忆加劲件内的形状记忆聚合体的T_g的温度。在方块630处，施加机械载荷以使反射器变形为诸如图2A和2B中所示的封装形状之类的封装形状。在方块640处，将板型形状记忆加劲件冷却到低于形状记忆聚合体的T_g的温度，同时利用所施加的载荷保持住该封装形状；随后，在方块650处，移除机械载荷，并且板型形状记忆加劲件因冷却后的形状记忆聚合体芯体中存储的应变能而保持其封装形状。反射器将利用最小的外部载荷或不利用外部载荷保持处于封装状态中直到展开。由于封装好的形状记忆加劲件110的抗弯刚度，使褶皱部对于发射装载而言被稳固住。在一些应用中，可在方块660处应用发射约束机构。

图7示出了根据一个实施方式的用于展开形状记忆反射器的方法的流程图。在方块710处，如果有的话，释放发射约束。板型形状记忆加劲件在方块720处可随后被加热到高于板型形状记忆加劲件内的形状记忆聚合体的T_g的温度。在该加热期间，使板型形状记忆加劲件伸直而不具有反向弯曲部，从而允许在方块730处以最销的外部机械载荷或无需外部机械载荷而使反射器恢复到其初始形状。在方块740处，将形状记忆加劲件冷却到低于形状记忆聚合体的T_g的温度。一旦冷却，就可恢复该形状记忆聚合体的初始刚度和/或强度。

尽管本公开的原理已经在上面结合具体设备和方法进行了描述，但该描述仅作为示例而并非作为对于本公开的范围的限制而作出。