一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统

摘要

本发明是一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统，用于实现包括两个展开轴在内的星载天线地面模拟展开及转动跟踪。包括：翻转车、固定工装、恒张力卸载系统、消旋卸载系统和卸载桁架。本发明使具有两级展开双轴转动跟踪功能的星载天线地面展开转动跟踪得以实现，降低了多轴天线的卸载难度，改善了卸载效果，提高了天线地面展开转动的精度，为在轨提供可信的转动测试数据。

说明书

技术领域

本发明涉及星载天线地面零重力模拟试验设计领域，具体涉及一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统。

背景技术

航天技术的快速发展对星载机械可动天线波束指向机动性提出越来越高的要求。大量卫星上都配置机械可动天线，天线能够根据任务需求调整指向，与不同的卫星或者不同的地面站进行通信。机械可动天线需要在地面进行转动测试试验，考核其展开转动功能和指向精度。为了降低地面重力对天线机构的不利影响，天线的展开及转动测试需在重力卸载的状态下进行，目前常用的卸载系统是三角摇臂吊丝配重卸载。

随着卫星搭载载荷越来越多，尺寸包络越来越大，为了避免天线视场遮挡，一种多级展开双轴跟踪的机械可动天线越来越受重视。其在传统二轴可动天线基础上发展为两级展开以及双轴跟踪功能的超长展开臂四轴星载天线。四轴星载机械可动天线初始处于锁紧状态，卫星入轨后天线解锁，二级展开臂与一级展开臂依次展开到位，通过控制跟踪机构驱动单元转动，实现双轴跟踪机构两维运动，从而使天线波束指向目标角度。

带展开臂天线传统卸载方法思路为按照天线的实际展开顺序进行，卸载时采用的形式一般为固定天线安装板，按时序卸载展开，先二级展开臂展开，然后一级展开臂展开，然后双轴跟踪机构转动实现跟踪。对于二级长臂天线，因其展开包络大，天线重量重等原因导致卸载系统十分复杂、地面卸载设备强度刚度要求很高、装调难度大、测试精度差、展开干涉等一系列问题，造成无法地面展开或因卸载不充分产生的残余力矩对天线机构产生损伤等后果，影响测试试验的有效性和准确性，甚至可能影响天线在轨的正常使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统，展开思路为“固定中间，展开两端，转动跟踪”，通过固定天线中间位置的二级展开臂，在卸载状态下展开一级展开臂，再在不卸载状态下展开天线安装板，实现天线二级和一级展开有效转动；再通过在双轴跟踪机构位置设置扁担式卸载消旋装置，实现天线二维跟踪过程有效转动。

本发明的技术解决方案是：

一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统，包括：翻转车、恒张力卸载系统、消旋卸载系统和卸载桁架；

星载天线上的二级展开臂和翻转车固定连接，翻转车用于调整翻转角度，使天线一级展开轴和二级展开轴轴线与地面保持铅垂；

恒张力卸载系统用于将一级展开臂和卸载桁架连接；恒张力卸载系统用于对一级展开臂和天线安装板进行重力卸载；

消旋卸载系统用于将天线反射器和卸载桁架连接；消旋卸载系统用于对天线反射器和跟踪机构进行重力卸载，且使天线反射器能够在俯仰向转动。

优选地，恒张力卸载系统包括：第一卸载绳、弹簧秤、第一卸载点工装、第一三角摇臂、第一摇臂转接板、第一摇臂导轨和第一摇臂滑车；

第一三角摇臂和第一摇臂转接板通过第一三角摇臂的转动轴连接，第一摇臂导轨和第一三角摇臂固定连接，第一摇臂滑车安装在第一摇臂导轨上，第一摇臂滑车能够沿第一摇臂导轨水平滑动；

通过第一卸载绳分别将弹簧秤和第一卸载点工装连接；

第一摇臂转接板与卸载桁架固定连接，第一卸载点工装与一级展开臂固定连接，实现一级展开臂及天线安装板的重力卸载；

第一卸载点工装与一级展开臂的安装位置作为卸载点，卸载点位于一级展开轴、一级展开臂及天线安装板组合体的质心位置。

优选地，第一三角摇臂转动轴铅垂于地面。

优选地，第一三角摇臂的转动轴与二级展开轴的轴线重合，且第一摇臂滑车相对第一摇臂导轨的运动方向与一级展开臂的轴线平行，且所构成的平面垂直于水平面。

优选地，消旋卸载系统包括：第二卸载绳、配重、第二三角摇臂、第二摇臂转接板、第二摇臂导轨、第二摇臂滑车、扁担、第二卸载点工装和消旋工装；

第二三角摇臂和第二摇臂转接板通过第二三角摇臂的转动轴连接，第二摇臂导轨和第二三角摇臂固定连接，第二摇臂滑车安装在第二摇臂导轨上，第二摇臂滑车能够沿第二摇臂导轨水平滑动；第二卸载绳穿过第二摇臂滑车，第二卸载绳的一端连接配重，第二卸载绳的另一端分别连接扁担；

第二摇臂转接板与卸载桁架固定连接；第二卸载点工装的一端与天线反射器固定连接，第二卸载点工装的另一端固定连接消旋工装；消旋工装通过第二卸载绳固定连接扁担；天线反射器上对称设置有两套消旋工装；

通过配重实现跟踪机构及天线反射器的重力卸载。

优选地，第二三角摇臂的转动轴铅垂于地面。

优选地，第二三角摇臂的转动轴与天线跟踪机构驱动天线反射器方位向的转动轴同轴。

优选地，左右两侧消旋工装与第二卸载绳固定位置作为吊点，所述吊点超出天线反射器外包络且两吊点连线水平穿过跟踪机构和天线反射器两者组合体的质心。

优选地，两对称设置的消旋工装的轴线相交成一夹角，夹角的开口方向与天线反射器的开口朝向相同。

优选地，消旋工装包括：转接杆、转轴、前端盖、外支座、后端盖、第一轴承、第二轴承、内圈轴承套和吊环；

第一轴承的内圈与转轴的外径配合，第一轴承的外圈与外支座的内径配合；

第二轴承的内圈与转轴的外径配合，外圈与外支座的内径配合；

第一轴承和第二轴承通过连接在外支座上的前端盖、连接在转轴上的后端盖以及内圈轴承套进行轴向定位；

第一轴承和第二轴承配合使用，用于实现转轴与外支座之间的相对转动；

转接杆一端与转轴固定连接，另一端与第二卸载点工装固定连接；吊环下端与外支座螺纹连接，上端悬挂第二卸载绳。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明针对性强：采用“固定中间，展开两端，转动跟踪”的展开思路，特别适用于多轴长臂星载天线展开轴多、展开臂长、天线重量大及转动范围宽等产品特点；

2)本发明卸载系统简单，装调难度小，安全性高。通过调整展开策略，将超长展开臂实际展开过程转化为相对展开过程，运动包络得到收缩，卸载工装得到简化，一级展开臂恒张力卸载为柔性系统可有效降低展开过程中天线受到的冲击，极大降低了卸载方案设计难度、实施难度以及增加了卸载方案的安全性；

3)本发明测试精度高，试验可靠性好；试验过程有效减少了卸载残余力矩对长臂多轴天线各项指标产生影响，克服了长臂多轴天线挠性低，变形大，力学条件不好的特点，即避免了机构损伤，又保证了测试试验有效性和准确性；

4)本发明通用性好，经济性高；一级展开臂恒张力卸载系统和反射器跟踪机构扁担式消旋卸载系统可以设计成通用接口，实现模块化，提高了卸载系统的适应能力，降低了研制周期和研制成本。

附图说明

图1为两级展开双轴跟踪星载天线示意图；

图2为天线与翻转车装配示意图；

图3为本发明一实施例中卸载桁架搭接及三角摇臂安装状态示意图；

图4为恒张力卸载系统组成示意图；

图5为一级展开臂与二级展开臂水平展开示意图；

图6为不卸载状态下展开天线安装板水平展开示意图；

图7(a)为反射器跟踪机构扁担式消旋卸载系统示意图；

图7(b)为消旋工装与天线反射器装配示意图；

图8为卸载状态下进行二维跟踪机构转动试验示意图；

图9为本发明一实施例中消旋工装示意图。

其中，星载天线1、翻转车2、固定工装3、恒张力卸载系统4、消旋卸载系统5和卸载桁架6；

天线安装板101、第一展开轴102、一级展开臂103、第二展开轴104、二级展开臂105、跟踪机构106和天线反射器107；

第一卸载绳401、弹簧秤402、第一卸载点工装403、吊索长度调节螺旋扣404、第一三角摇臂405、第一摇臂转接板406、第一摇臂导轨407和第一摇臂滑车408；

第二卸载绳501、配重502、第二三角摇臂503、第二摇臂转接板504、第二摇臂导轨505、第二摇臂滑车506、扁担507、第二卸载点工装508和消旋工装510；

转接杆511、转轴512、前端盖513、外支座514、后端盖515、第一轴承516、第二轴承517、内圈轴承套518和吊环519。

具体实施方式

本发明针对两级展开双轴跟踪天线展开轴多、展开臂长、转动跟踪范围宽、天线重量大等需求而研制。如图1所示，星载天线1包括：天线安装板101、一级展开轴102、一级展开臂103、二级展开轴104、二级展开臂105、跟踪机构106和天线反射器107；天线安装板101和一级展开臂103通过一级展开轴102连接，实现相对转动。一级展开臂103和二级展开臂105通过二级展开轴104连接，实现相对转动。二级展开轴104的轴线垂直于一级展开臂103和二级展开臂105轴线所在平面。跟踪机构106用于转动天线反射器107，实现天线反射器107的二维指向跟踪。跟踪机构106为两轴正交的二维转动机构，其中一轴与二级展开臂105连接，另一轴与天线反射器107连接。展开思路为“固定中间，展开两端，转动跟踪”。展开顺序为“先展开，后跟踪”；通过固定天线中间位置的二级展开臂105，一端展开一级展开臂103和天线安装板101，另一端展开转动跟踪机构106与天线反射器107，将天线在轨的实际展开过程(二级展开臂105展开、一级展开臂103展开、二维转动跟踪机构106转动跟踪)转化为相对展开过程，解除了实际展开时两个展开轴和二维转动跟踪机构的运动关联，将四个轴之间的运动进行了解耦。解决了现有三角摇臂吊索配重卸载系统展开包络大、转轴多导致的卸载系统复杂而产生的运动干涉、卸载力大、可靠性安全性差等问题。同时通过扁担式消旋卸载系统5实现二维转动跟踪机构的大角度跟踪转动。

本发明一种两级展开双轴跟踪星载天线重力卸载系统，包括：翻转车2、固定工装3、恒张力卸载系统4、消旋卸载系统5和卸载桁架6。

如图2所示，星载天线1上的二级展开臂105通过固定工装3和翻转车2固定连接，翻转车2用于调整翻转角度，使天线一级展开轴102和二级展开轴104轴线与地面保持铅垂；

如图3所示，恒张力卸载系统4用于将一级展开臂103和卸载桁架6连接；恒张力卸载系统4用于对一级展开臂103和天线安装板101进行重力卸载；

消旋卸载系统5用于将天线反射器107和卸载桁架6连接；消旋卸载系统5用于对天线反射器107和跟踪机构106进行重力卸载，且使天线反射器107能够在俯仰向转动。

如图4所示，恒张力卸载系统4包括：第一卸载绳401、弹簧秤402、第一卸载点工装403、吊索长度调节螺旋扣404、第一三角摇臂405、第一摇臂转接板406、第一摇臂导轨407和第一摇臂滑车408。

第一三角摇臂405和第一摇臂转接板406通过第一三角摇臂405的转动轴连接，第一摇臂导轨407和第一三角摇臂405固定连接，第一摇臂滑车408安装在第一摇臂导轨407上，第一摇臂滑车408能够沿第一摇臂导轨407水平滑动；

通过第一卸载绳401分别将弹簧秤402、吊索长度调节螺旋扣404和第一卸载点工装403连接；

第一摇臂转接板406与卸载桁架6固定连接，第一三角摇臂405转动轴铅垂于地面；第一卸载点工装403与一级展开臂103固定连接，实现一级展开臂103及天线安装板101整体的重力卸载；

第一卸载点工装403与一级展开臂103的安装位置作为卸载点，卸载点位于一级展开轴102、一级展开臂103及天线安装板101组合体的质心位置，观察弹簧秤402上卸载力的读数，通过吊索长度调节螺旋扣404调节卸载力，至卸载力与卸载部分(一级展开轴102、一级展开臂103及天线安装板101的重力相同。利用弹簧秤402的弹簧阻尼可以抵消一部分天线展开过程中的冲击，保护天线不受损失，并保证一级展开臂103顺利展开在水平面内转动。

第一三角摇臂405的转动轴与二级展开轴104同轴度尽可能高，使得一级展开臂103在水平展开过程中减少第一摇臂滑车408的滑动，提高卸载精度。使得第一摇臂滑车408的运动方向与一级展开臂103的轴线平行且两轴线构成的平面垂直于水平面。

如图7(a)所示，消旋卸载系统5包括：第二卸载绳501、配重502、第二三角摇臂503、第二摇臂转接板504、第二摇臂导轨505、第二摇臂滑车506、扁担507、第二卸载点工装508和消旋工装510。

第二三角摇臂503和第二摇臂转接板504通过第二三角摇臂503的转动轴连接，第二摇臂导轨505和第二三角摇臂503固定连接，第二摇臂滑车506安装在第二摇臂导轨505上，第二摇臂滑车506能够沿第二摇臂导轨505水平滑动；第二卸载绳501穿过第二摇臂滑车506，第二卸载绳501的一端连接配重502，第二卸载绳501的另一端分别连接扁担507；

第二三角摇臂503的转动轴与天线跟踪机构106的铅垂轴(即驱动天线反射器107方位向的转动轴)尽可能同轴，以减少在跟踪转动测试过程中第二摇臂滑车506的滑动，提高卸载精度。

第二摇臂转接板504与卸载桁架6固定连接，第二三角摇臂503转动轴铅垂于地面；如图7(b)所示，第二卸载点工装508的一端与天线反射器107固定连接，第二卸载点工装508的另一端固定连接消旋工装510；消旋工装510通过第二卸载绳501固定连接扁担507；天线反射器107上对称设置有两套消旋工装510；

通过配重502实现跟踪机构106及天线反射器107整体的重力卸载；

左右两侧消旋工装510与第二卸载绳501固定位置作为吊点，所述吊点超出天线反射器107外包络且两吊点连线水平穿过跟踪机构106和天线反射器107两者组合体的质心，本发明实施例中，两侧消旋工装510的轴线相交成一夹角，夹角的开口方向与天线反射器107的开口朝向相同。这样跟踪机构106的转动不会与卸载系统干涉而且残余力矩小，消旋工装510通过转轴抵消了双轴跟踪机构106的转动，吊点只有平移没有转动，第二卸载绳501不会发生缠绕，使得跟踪机构106可以带动天线反射器107整圈回转(俯仰向)，解决了以往天线只能小角度俯仰转动的问题。

跟踪机构106为二维转动机构，跟踪机构106的一个轴线垂直于水平面，另一方向平行于水平面。现有的三角摇臂吊索配重卸载系统因为两级展开双轴跟踪天线展开运动包络大、转轴多而存在运动干涉、卸载力大、可靠性安全性差等问题，本发明采用独立相对运动解决了上述问题，同时通过扁担式消旋卸载机构实现双轴跟踪机构的大角度跟踪转动。

如图9所示，消旋工装510包括：转接杆511、转轴512、前端盖513、外支座514、后端盖515、第一轴承516、第二轴承517、内圈轴承套518和吊环519。

第一轴承516的内圈与转轴512的外径配合，第一轴承516的外圈与外支座514的内径配合；

第二轴承517的内圈与转轴512的外径配合，外圈与外支座514的内径配合；

第一轴承516和第二轴承517通过连接在外支座514上的前端盖513、连接在转轴512上的后端盖515以及内圈轴承套518进行轴向定位；

第一轴承516和第二轴承517配合使用，用于实现转轴512与外支座514之间的相对转动；

转接杆511一端与转轴512固定连接，另一端与第二卸载点工装508固定连接；吊环519下端与外支座514螺纹连接，上端悬挂第二卸载绳501。

天线两级展开臂展开试验时，固定二级展开臂105，卸载状态下先展开一级展开臂103，然后在不卸载状态下展开天线安装板101，由于一级展开轴102轴线铅垂与重力同向，且天线安装板101质量小，天线安装板101不卸载也不会影响结果展开精度。天线在水平面内转动展开。

本发明使用过程如下：

(1)如图2所示，将天线1调整至第一展开轴102和第二展开轴104与地面铅垂状态，通过固定工装3将二级展开臂105与翻转车2固连。

(2)调整翻转车2位置使第一展开轴102和第二展开轴104的轴线与水平面再次垂直并固定位置；使后续第一展开轴102和第二展开轴104能够在水平面内相对运动展开。

(3)如图3所示，在卸载桁架6及一级展开臂103之间安装恒张力卸载系统4，在卸载桁架6及天线反射器107之间安装消旋卸载系统5。需保证第一三角摇臂405和第二三角摇臂503的转动轴铅垂于地面，复核三角摇臂转动范围满足天线展开转动行程要求；

(4)调整第一三角摇臂405转动轴与二级展开轴104的同轴度以满足要求指标。通过第一卸载绳401、吊索长度调节螺旋扣404与弹簧秤402，将固连在一级展开臂103的第一卸载点工装403，与第一摇臂滑车408连接，使用弹簧秤402实现一级展开臂103卸载；

(5)星载天线1的展开过程为先通过恒张力卸载系统4展开一级展开臂103，使一级展开臂103和二级展开臂105的轴线重合，同时，使得天线安装板101的法线平行于水平面；如图5所示。

(6)转动天线安装板101绕一级展开轴102转动，天线安装板101进行不卸载状态下的展开转动，使天线安装板101的平面与一级展开臂103的轴线平行，如图6所示。天线安装板101的法线始终平行于水平面。

(7)使天线反射器107在卸载状态下展开，如图8所示。

(8)调整第二三角摇臂503转动轴与天线二维跟踪机构106铅垂轴的同轴度以满足要求指标，使用第二卸载绳501连接配重502进行卸载。天线反射器107通过第二卸载点工装508与消旋工装510连接，实现跟踪机构106二维方向大角度转动；对二维跟踪机构106在卸载状态下进行转动功能性能测试。整个运动过程中，一级展开臂103和二级展开臂105始终平行于水平面。

本发明通过固定天线中间位置的二级展开臂，一端展开一级展开臂和天线安装板，另一端展开转动跟踪机构，将天线实际展开过程从二级展开臂展开、一级展开臂展开、二维转动跟踪机构转动的顺序转化为一级展开臂和跟踪机构分别相对二级展开臂的独立展开转动，解除了天线实际展开时两个展开轴和二维转动跟踪机构的运动关联，将星载天线上四个轴之间的运动进行了解耦。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。