基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線及其展開方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線及其展開方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航天事業(yè)的高速發(fā)展對(duì)天線提出了越來越高的要求。由于目前所需要的天線功率較高、傳輸數(shù)據(jù)的速率較大，因此對(duì)天線口徑大小的需求也漸漸提高，而運(yùn)載工具的空間尺寸有限，故可以采用可展開天線這種結(jié)構(gòu)形式減少空間，降低發(fā)射成本。
[0003]傳統(tǒng)的空間可展開天線結(jié)構(gòu)大多采用機(jī)械式或充氣式的展開方式，存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受沖擊損壞、成本高等缺點(diǎn)。隨著形狀記憶聚合物(Shape MemoryPolymers, SMPs)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料(Shape MemoryPolymer Composites, SMPCs)的智能展開結(jié)構(gòu)。由于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的形狀記憶效應(yīng)及其高比強(qiáng)度、比剛度的特點(diǎn)，應(yīng)用其到展開結(jié)構(gòu)中不僅可以有效降低機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和展開難度，而且由于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的阻尼較大，可使智能展開結(jié)構(gòu)的展開較平緩，減輕對(duì)系統(tǒng)造成較大的沖擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有采用機(jī)械式或充氣式空間可展開天線結(jié)構(gòu)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受沖擊而損壞、成本高的問題，而提出一種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈驅(qū)動(dòng)的平面反射陣天線。
[0005]—種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，其特征在于:所述平面反射陣天線包括一組驅(qū)動(dòng)鉸鏈和一組基板組，2-16個(gè)基板組通過多個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈與衛(wèi)星或空間站主體連接，同一基板組中的基板之間通過多個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈連接，且每個(gè)基板組包括2-5個(gè)基板；每個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈包括兩個(gè)固定端連接件，兩個(gè)固定端連接件之間通過壓塊固定安裝兩片曲面的形狀記憶聚合物層合板，兩片形狀記憶聚合物層合板之間背對(duì)設(shè)置，每片形狀記憶聚合物層合板的凹面附著加熱層，每個(gè)加熱層連接電源；其中，
[0006]每個(gè)固定端連接件的兩端分別為夾持端和承接端，夾持端相對(duì)的設(shè)置兩片夾持片，承接端設(shè)置承接芯，夾持片與曲面承接芯上分別設(shè)置安裝孔，且曲面承接芯具有兩個(gè)與形狀記憶聚合物層合板相吻合的承接面。
[0007]—種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線的展開方法，在柔性太陽能電池陣在發(fā)射前的準(zhǔn)備階段，通過加熱層對(duì)形狀記憶聚合物層合板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電源為加熱層供電，給加熱層加熱升溫，進(jìn)而使形狀記憶聚合物層合板變軟，通過機(jī)械方式，將形狀記憶聚合物層合板折疊收攏成0型或Z型，之后加熱層被斷電，停止加熱，形狀記憶聚合物層合板冷卻變硬，得到折疊收攏狀態(tài)的平面反射陣天線；將折疊狀的平面反射陣天線發(fā)射入軌后，給予形狀記憶聚合物層合板激勵(lì)，加熱層再次升溫后，折疊狀態(tài)的形狀記憶聚合物層合板發(fā)生變形，逐漸展開推動(dòng)平面反射陣天線展開，完成展開過程。
[0008]本發(fā)明的有益效果為:
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈驅(qū)動(dòng)的平面反射陣天線在展開過程中具有穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和可靠展開的好處；基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈展開過程中剛度、強(qiáng)度較高，變形回復(fù)力較大，形狀保持能力較好，密度低，同時(shí)可以將動(dòng)力與鎖定功能集于一身，減小可展開結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，克服傳統(tǒng)機(jī)械式空間可展開結(jié)構(gòu)的缺陷并滿足空間特殊要求。本發(fā)明中基板的個(gè)數(shù)可依據(jù)實(shí)際需求而設(shè)計(jì)，鉸鏈的大小和個(gè)數(shù)可依據(jù)基板的大小與質(zhì)量而調(diào)節(jié)。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)展開的過程平穩(wěn)，對(duì)系統(tǒng)的沖擊小，尤其避免了展開開始瞬間和末期的劇烈沖擊載荷，有效提高了平面反射陣天線在各類航天器中的適用性。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明涉及的驅(qū)鉸鏈套裝包裹熱縮管時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明涉及的固定端連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明與衛(wèi)星或空間站主體連接，且為閉合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明與衛(wèi)星或空間站主體連接，且為展開狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖5a為本發(fā)明工作原理涉及的原始態(tài)變至固定變形態(tài)這一變化過程的原始態(tài)的示意圖；
[0015]圖5b為本發(fā)明工作原理涉及的原始態(tài)變至固定變形態(tài)這一變化過程的升溫至T ^ Tt時(shí)具有外力的示意圖；
[0016]圖5c為本發(fā)明工作原理涉及的原始態(tài)變至固定變形態(tài)這一變化過程的降溫至T〈Tt保持約束力的示意圖；
[0017]圖5d為本發(fā)明工作原理涉及的原始態(tài)變至固定變形態(tài)這一變化過程的溫度T〈Tt保持變形態(tài)的示意圖；
[0018]圖5e為本發(fā)明工作原理涉及的固定變形回復(fù)至原始態(tài)這一變化過程的升溫至T彡Tt變形恢復(fù)的示意圖；
[0019]圖5f為本發(fā)明工作原理涉及的固定變形回復(fù)至原始態(tài)這一變化過程的溫度T〈Tt恢復(fù)原始態(tài)的示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020]【具體實(shí)施方式】一:
[0021]本實(shí)施方式的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，如圖1、圖3和圖4所示，所述平面反射陣天線包括一組驅(qū)動(dòng)鉸鏈8和一組基板組9，2-16個(gè)基板組9通過多個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈與衛(wèi)星或空間站主體10連接，同一基板組中的基板11之間通過多個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈8連接，且每個(gè)基板組9包括2-5個(gè)基板11 ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)鉸鏈8包括兩個(gè)固定端連接件1，兩個(gè)固定端連接件1之間通過壓塊12固定安裝兩片曲面的形狀記憶聚合物層合板2，兩片形狀記憶聚合物層合板2之間背對(duì)設(shè)置，每片形狀記憶聚合物層合板2的凹面附著加熱層3，每個(gè)加熱層3連接電源4 ;其中，
[0022]每個(gè)固定端連接件1的兩端分別為夾持端和承接端，夾持端相對(duì)的設(shè)置兩片夾持片6，承接端設(shè)置承接芯7，夾持片6與曲面承接芯7上分別設(shè)置安裝孔13，且曲面承接芯7具有兩個(gè)與形狀記憶聚合物層合板2相吻合的承接面。
[0023]所述固定端連接件1的制作材料選用鈦合金、招合金、環(huán)氧基復(fù)合材料或氰酸酯基復(fù)合材料中的一種。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:
[0025]與【具體實(shí)施方式】一不同的是，本實(shí)施方式的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，每片所述形狀記憶聚合物層合板2的基體為形狀記憶聚合物，內(nèi)部包嵌的增強(qiáng)相為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；其中，增強(qiáng)相的材料為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、石墨粉、鎳粉或碳納米管；形狀記憶聚合物的轉(zhuǎn)變溫度Tt (transit1n temperature)通過改變材料配比來設(shè)計(jì)，以滿足工作需求，對(duì)于高軌工作的情況下，形狀記憶聚合物的轉(zhuǎn)變溫度Tt為大于170°C，小于300°C，低于低軌工作的情況下，形狀記憶聚合物的轉(zhuǎn)變溫度Tt大于100°C，小于200°C。
[0026]【具體實(shí)施方式】三:
[0027]與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是，本實(shí)施方式的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，每片所述形狀記憶聚合物層合板2的橫截面為矩形或圓弧形；其中，所述形狀記憶聚合物層合板2的橫截面為圓弧形時(shí)，圓弧形對(duì)應(yīng)的圓弧角為90° -180°。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:
[0029]與【具體實(shí)施方式】三不同的是，本實(shí)施方式的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，所述加熱層3為埋置的電阻絲、涂刷的導(dǎo)電膠或粘貼的電熱膜中的一種。
[0030]【具體實(shí)施方式】五:
[0031 ]與【具體實(shí)施方式】一、二或四不同的是，本實(shí)施方式的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的平面反射陣天線，所述熱層3為粘貼的電熱膜時(shí)，粘貼加熱層3的形狀記憶聚合物層合板2外部包裹熱縮管5，同時(shí)在形狀