本發(fā)明涉及一種基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面及其設計方法。

背景技術：

隨著航天科技的發(fā)展，發(fā)展大口徑、高精度、輕重量的可展開天線是空間展開天線的發(fā)展趨勢，它在發(fā)射過程中處于折疊收納(收攏)狀態(tài)，待發(fā)射入軌后，由地面指揮中心控制結(jié)構(gòu)按設計要求逐漸展開，成為一個大型空間結(jié)構(gòu)，然后鎖定并保持為運營工作狀態(tài)。薄膜充氣展開天線反射面由于其高收納比、高折疊效率、重量低以及展開可靠性性高等優(yōu)點成為大口徑、高精度與輕重量大型空間展開天線結(jié)構(gòu)的典型應用，但其存在的面外結(jié)構(gòu)剛度低和形狀不穩(wěn)定而導致形面精度低等不足，又制約著其在空間結(jié)構(gòu)中的應用。在空天環(huán)境中，高低溫、輻射等空間復雜環(huán)境都會影響薄膜展開天線反射面結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性，影響結(jié)構(gòu)的形面精度，進而影響天線結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決薄膜空間展開天線反射面的面外結(jié)構(gòu)剛度低和形狀不穩(wěn)定進而導致面形精度低的不足，本發(fā)明提供了一種基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面及其設計方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面，至少包括兩層薄膜層和一層中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層，所述中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層介于兩層薄膜層之間，其網(wǎng)格節(jié)點與薄膜層固定連接。

本發(fā)明中，膜殼天線反射面包含兩種狀態(tài)：二維（2d）“膜”狀態(tài)和三維（3d）“殼”狀態(tài)，2d“膜”天線反射面可進行折疊并展開，使用時，2d天線反射面經(jīng)誘導轉(zhuǎn)換為3d立體狀態(tài)并固化定型為“殼”天線反射面，其中：2d“膜”狀態(tài)向3d“殼”狀態(tài)轉(zhuǎn)換是通過構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換實現(xiàn)的。

一種上述基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面的設計方法，包括如下兩種技術方案：

技術方案一：

步驟1：根據(jù)實際應用對象和環(huán)境，確定天線反射面制備需使用的材料和網(wǎng)格類型；

步驟2：基于確定的材料和網(wǎng)格類型，制備2d網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并與上下薄膜層復合成型為2d“膜”天線反射面；

步驟3：2d“膜”天線反射面地面折疊打包；

步驟4：折疊打包的2d“膜”天線反射面發(fā)射入軌后，經(jīng)誘導轉(zhuǎn)變?yōu)?d立體狀態(tài)，并在外界刺激下固化定型為“殼”天線反射面。

技術方案二：

步驟1：根據(jù)實際應用對象和環(huán)境，確定天線反射面制備需使用的材料和網(wǎng)格類型；

步驟2：基于確定的材料和網(wǎng)格類型，制備3d立體狀態(tài)天線反射面；

步驟3：將3d立體狀態(tài)天線反射面轉(zhuǎn)變?yōu)?d“膜”天線反射面，并對其進行折疊打包；

步驟4：折疊打包的2d“膜”天線反射面發(fā)射入軌后，經(jīng)誘導轉(zhuǎn)變?yōu)?d立體狀態(tài)，并在外界刺激下固化定型為“殼”天線反射面。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明基于二維轉(zhuǎn)三維立體構(gòu)型思想，提出了一種基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面，天線反射面通過構(gòu)型由2d“膜”狀態(tài)向3d“殼”狀態(tài)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)柔剛轉(zhuǎn)換進而變剛度功能，剛度的提升大大提高了薄膜天線反射面的形面精度。

2、本發(fā)明設計的膜殼天線反射面實現(xiàn)剛?cè)徂D(zhuǎn)換變剛度的誘導方式簡單快捷，且穩(wěn)定性高。

3、本發(fā)明設計的膜殼天線反射面中，網(wǎng)格層的網(wǎng)格類型可進行組網(wǎng)設計和優(yōu)化，實現(xiàn)不同剛度的調(diào)節(jié)需求，以滿足不同應用對象的要求，適用性廣泛。

4、本發(fā)明設計的膜殼天線反射面既可以依賴充氣壓力與3d“殼”高剛度結(jié)構(gòu)共同作用維型，又可以在發(fā)射入軌后不依賴充氣壓力維型，僅僅依賴3d“殼”高剛度結(jié)構(gòu)維型。

5、本發(fā)明設計的膜殼天線可實現(xiàn)地面折疊，發(fā)射入軌后展開并以“殼”的高剛度工作狀態(tài)運行，形狀穩(wěn)定性高，面形精度高，服役壽命長。

附圖說明

圖1為基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面的組成部分示意圖；

圖2為基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面的2d狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面由2d轉(zhuǎn)變?yōu)?d的狀態(tài)示意圖；

圖4為基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面構(gòu)型經(jīng)誘導轉(zhuǎn)變?yōu)?d立體狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

具體實施方式一：如圖1-4所示，本實施方式提供的基于構(gòu)型剛?cè)徂D(zhuǎn)換的可折疊展開膜殼天線反射面由兩層薄膜層和一層中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層2構(gòu)成，所述中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層2介于兩層薄膜層1之間，其網(wǎng)格節(jié)點3與薄膜層1固定連接。中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層2的初始狀態(tài)是二維（2d）狀態(tài)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而所述剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能是基于結(jié)構(gòu)構(gòu)型轉(zhuǎn)換而獲得的；2d反射面經(jīng)過充氣方式誘導轉(zhuǎn)換為三維（3d）立體狀態(tài)，3d立體狀態(tài)固化定型后，天線反射面以高剛度形式在空間工作運行。所述天線反射面的2d狀態(tài)屬于“膜”狀態(tài)，可進行折疊并展開，3d立體狀態(tài)屬于“殼”狀態(tài)。

以中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層2為直角型的平面天線發(fā)射面為例，具體設計步驟如下：

步驟1：如圖2所示，制備成型2d中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層，并將網(wǎng)格節(jié)點按規(guī)則與上下薄膜層固定連接，最終復合成型為2d“膜”天線反射面；

步驟2：2d“膜”天線反射面進行地面折疊打包；

步驟3：如圖3-4所示，折疊打包的2d“膜”天線反射面發(fā)射入軌后，經(jīng)充氣方式誘導構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)?d立體狀態(tài)，并在外界刺激下固化定型為“殼”天線反射面；

步驟4：固化定型的3d立體狀態(tài)膜殼天線反射面以高剛度形式在空間工作運行。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是，所述中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層的材料為形狀記憶合金、形狀記憶聚合物和形狀記憶復合材料中的一種或多種。

以中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層2為直角型的平面天線發(fā)射面為例，具體設計步驟如下：

步驟1：選定網(wǎng)格層形狀記憶材料和薄膜層材料，并制備成型出3d立體狀態(tài)天線反射面；

步驟2：將3d立體狀態(tài)天線反射面加熱到形狀記憶溫度以上，反射面結(jié)構(gòu)變軟，轉(zhuǎn)變?yōu)?d狀態(tài)“膜”，并對其進行折疊打包；

步驟3：天線反射面發(fā)射入軌后，對結(jié)構(gòu)加熱到形狀記憶材料的恢復溫度，結(jié)構(gòu)恢復到3d立體狀態(tài)，定型為“殼”天線反射面后以高剛度的狀態(tài)在空間工作運行。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一、二不同的是，所述展開天線反射面的結(jié)構(gòu)形式為平面、拋物面或柱面等。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一~三不同的是，所述中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層的網(wǎng)格類型為三角型、菱型、六邊型、米字型以及不同網(wǎng)格類型的組合形式。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一~四不同的是，所述網(wǎng)格節(jié)點與薄膜層固定連接的方式為膠粘劑粘合、縫合的一種或組合形式。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式二~五不同的是，所述形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、形狀記憶復合材料的形狀記憶效應可以由熱、電、磁、電磁、光、化學感應中的一種或多種因素激發(fā)。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一~六不同的是，所述薄膜層的材料為聚酰亞胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚氨酯薄膜等薄膜的一種。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式二~六不同的是，所述薄膜層的材料為形狀記憶聚合物、形狀記憶復合材料中的一種。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施二~八不同的是，所述形狀記憶復合材料的增強相材料為石墨纖維、碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維或以上纖維織物中的一種或多種。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一~九不同的是，所述展開驅(qū)動可以由充氣方式或材料形狀記憶效應作用力單獨提供，也可以由這兩種作用力共同提供。

具體實施方式十一：本實施方式與具體實施方式一~十不同的是，所述固化引發(fā)方式可以由熱、輻射、光照中的一種或多種因素激發(fā)。

具體實施方式十二：本實施方式與具體實施方式一~十一不同的是，所述膜殼反射面可以為層合結(jié)構(gòu)，例如三層薄膜層和兩層中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層構(gòu)成的雙層膜殼結(jié)構(gòu)（薄膜層-中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層-薄膜層-中間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層-薄膜層），以此類推。