技术摘要：
本发明涉及一种适用于卫星的可展开充气天线，所述充气天线至少包括柔性天线折叠面和展开组件，所述展开组件配置为以充气压力作为驱动力驱动其第一级展开组件向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件扩张至第一级完全展开位置时，第二级  全部
背景技术：
随着卫星尺寸变小，天线的可部署性问题尤其重要。虽然小型化卫星的传感器和 操作电子设备可以缩放到极小的体积，但是这种小型化卫星用于通信的信号的波长不会相 应地缩放。鉴于信号的波长决定了用于传送该信号的天线的尺寸，用于小型化卫星的天线 仍具有与较大卫星相似的尺寸。静止轨道卫星以及深空探测活动需要长距离的通信测控， 因此保证接收端具有较大的信号功率是非常重要的，而要保证接收端具有较大的信号功率 唯有增大天线面积。因此大型、超大型天线系统是高轨电子侦察卫星、高轨移动通信卫星和 深空探测卫星等工作的必备条件和重要保障，天线尺寸往往需要达到百米以上甚至更大。 采用目前传统的空间结构构件技术建造这种大型天线系统存在很大的困难，及时建造出 来，也由于受其发射质量和发射体积过于庞大等限制而难于应用。星载大型可展开天线已 被广泛应用于地球静止轨道通信卫星、跟踪与数据，中继卫星、电子侦察卫星等多种卫星 上，甚至还可以在空间攻防中作为微波武器使用。正是由于其具有广阔的应用前景，各发达 国家竞相发展该项技术，在这方面投入了大量的时间和精力，经过几十年的研究，特别是近 20年，发达国家在空间可展开天线技术方面己经取得了长足的进步。国内对于该领域的研 究也相当活跃，设计出多种可控展开结构用于航天及其他领域。 目前，世界上主要的航天国家在充气式可展开天线方面做了大量的工作。充气式 可展开天线具有成本低廉、存储体积小、重量轻、可靠性高等优点，能够实现传统结构很难 达到的性能，是一种具有广阔应用前景的天线形式。固体反射面天线展开口径D在1.5～8m 之间，收拢直径d与展开口径D之比在0.36～0.44之间，收拢后的高度h与D之比在0.37～ 0.54之间；充气式展开口径为14m，收纳率分别为0.06和0.14；金属网面天线展开口径为5～ 15m，收纳率分别为0.07～0.22和0.05～0.93。可见充气式天线两项指标均好于其它两种天 线，金属网面天线次之，固体反射面天线最差。发射前天线收纳成很小的体积，进入轨道后， 通过气体使结构膨胀至展开状态，当外部温度逐渐达到一个较高值时，经过化学树脂处理 的柔性材料发生硬化作用，在太阳紫外光的照射下也可以使材料硬化。充气天线技术一旦 技术成熟并成功应用，由于它收拢体积小、质量轻、展开可靠性高的突出优点，将有可能替 代现有多种超大口径机械展开式空间天线的结构形式。虽然充气式可展开天线突出的特点 是收纳率大、质量小、展开可靠性高且口径适应范围广，在未来空间探索中具有非常重要的 应用前景，但是在其设计与制备上需要克服和解决大量的技术难题。空间碎片和在深空环 境较强的高能粒子辐射给充气式可展开天线在材料的选择和设计上带来了严峻的挑战，很 难得到较高的形面精度，工作频率低，技术尚不成熟。 4 CN 111555011 A 说　明　书 2/11 页 结构包装展开技术研究是充气展开式结构研制的关键环节之一。火箭有限的载荷 仓和高昂的发射成本，需要天线具有收纳率大、占用空间小、质量轻、展开可靠性高和能耗 低等特点，空间任务的复杂性又决定了可展开天线形式的多样性。结构包装展开技术一方 面是为了减小充气展开式结构在发射过程中所占用的体积，另一方面是为了充气展开式结 构在空间稳定可靠的展开。该技术包括结构包装的方式、充气方式的选择和充气展开方式 的选择等。常用的充气方式可以使用氮气、氦气或升华气体。充气展开式结构的收纳和展开 方式有喷出式、卷轴折叠式等多种形式。在喷出展开式中，天线收拢时包装于盒体中，展开 时首先打开包装盒盖，反射器气囊随即在弹簧作用下弹出盒体，接着充气系统开始工作，反 射器气囊和支撑杆同时开始充气直至完全展开，最终完成展开过程。 空间硬化技术是充气展开式结构研制的关键环节之一。对于长期的空间应用，作 为天线支撑结构的充气管一旦在空间充气膨胀，就必须对其进行硬化处理，有效避免因充 气管撞击流星或空间碎片而引起充气气体泄漏和张紧力损耗，从而导致天线表面精度下降 的问题。如果充气管在展开完成后就进行硬化处理，也就无需携带大量补给气体。空间硬化 技术有多种，一种是水凝胶硬化，这种方法是用水溶性树脂即水凝胶浸渍纤维织物，当水分 子在空间真空环境中蒸发时，脱水后的胶凝织物硬化。一种是应用热固性热塑塑料，将可加 热的金属丝或电阻丝嵌入一种软塑料，当加热到一定温度时将该塑料硬化，但该过程需要 大量电能，电能大小取决于充气结构的尺寸。虽然充气式展开是近年来开始研究的新型展 开技术，但面临着展开过程不可控、过程不可逆、过程不稳定、气体容易泄漏，以及展开过程 会对航天器造成较大的冲击等技术难题。 目前空间可展开结构在入轨后展开锁定为稳定构型，不再进行空间折叠。在轨维 修、操作、服务等技术发展促使空间可展开折叠结构发展。常规的树脂基复合材料主要考虑 材料的强度、刚度等静态或准静态的力学承载性能，主要用于结构材料。而形状记忆树脂是 一种新型智能材料，当加热至其玻璃化转变温度以上时，形状记忆树脂变得比较柔韧，因此 可以对其施加外部载荷使其折叠或收拢。保持外部载荷不变，使其冷却至玻璃化转变温度 以下，形状记忆树脂即可保持折叠或收拢状态不变。当需要结构件展开时，只需将其再次加 热至玻璃化转变温度以上，即可回到初始制备形状。形状记忆复合材料主要考虑材料的驱 动、大变形(有限变形)等动态的力学驱动性能，具有比常规树脂基复合材料高得多的可回 复应变(最高可达100％数量级)。相对于常规的树脂基复合材料，形状记忆复合材料是革命 性的创新。形状记忆复合材料弹性模量大、强度较高，变形回复力较大，运动稳定性和可靠 性较高，形状保持能力较好。智能材料和结构技术的发展，尤其是形状记忆聚合物及其复合 材料等主动变形材料的出现和快速发展，为航天用可展开技术提供了崭新的应用手段，将 极大的推动航天用飞行器展开结构的发展。目前空间硬化技术的研究主要集中在硬化材料 的选择与分析，由于空间任务的复杂性与多样性，所以硬化材料的展开方法也不尽相同。具 体来说，常用的硬化材料主要有热固性复合材料、紫外光固化复合材料、充气反应复合材 料、二阶转变和记忆聚合物复合材料、增塑剂或溶剂挥发固化复合材料、发泡硬化材料、铝 箔和塑料薄膜叠层结构等。但是正如许多文献中报道，虽然形状记忆树脂具备较高的形状 回复率，一般可达99.9％，但主要缺点是热力学性能较差，如弹性模量和强度较低、变形回 复输出力较小，运动稳定性和可靠性较差，蠕变和应力松弛现象较严重等，这些缺点影响其 在高精度空间有效载荷中的应用。因此，为克服形状记忆聚合物上述缺陷，可将高模量、负 5 CN 111555011 A 说　明　书 3/11 页 热膨胀系数的高性能碳纤维作为形状记忆树脂的增强相制备形状记忆复合材料。这种形状 记忆及形状回复的力学性能在空间可展开结构领域广泛应用。在进行充气展开式结构设计 时，要对充气结构的刚度、应力分布、应力大小、重力引起的变形等通过计算作出预测。另 外，还要解决“什么样的充气式薄膜初始形状才能在经历结构变形之后达到所需要的设计 形状”。在制造技术方面，要解决“是否能够精确地从薄膜上切下材料并且将多块薄膜无缝 连接”，以及如何获得最终的精确支撑结构等。 中国专利(公开号为CN101369686B)公开了一种空间可展开反射面系统。包括：折 叠式环杆、折叠式肋杆、连接关节、中心圆筒、充气圆环和牵引绳。其中：折叠式环杆、折叠式 肋杆分别与环杆连接关节和肋杆连接关节连接，构成环、肋结构，该环、肋结构通过环肋连 接关节和肋筒连接关节与中心圆筒连接构成刚性骨架；充气圆环和牵引绳纵横交错地设置 在刚性骨架上，构成反射面成型结构。通过充气圆环结构可在成型后固化，以提高反射面的 构型精度；通过所述的牵引绳，可提高反射面的构型精度；通过绑定于牵引绳上的金属丝网 或镀铝薄膜结构，最终构成期望的大型可展开反射面。发明用于构建构建面密度低、构型精 度高和收纳率大的可展开天线、反射器或汇聚器大型可展开装置。 然而该专利提供的空间可展开反射面系统，牵引绳过于多，太容易造成缠结，不利 于控制；该空间可展开反射面系统的展开和支撑结构主要由充气圆环和折叠式肋杆组合构 成，在展开过程中，充气压力驱动充气圆环展开并带动折叠式肋杆及整个结构展开成型。充 气圆环和折叠式肋杆采用柔性复合材料制造，无法对其展开过程进行有效控制，在展开过 程中，尤其是在充气展开初期，充气圆环压力较低，且折叠式肋杆未完全展开，此时充气圆 环和折叠式肋杆乃至整个反射面系统的刚度都很低，很难保证整个反射面能够按照理想的 展开顺序、路径和速度进行展开，并容易导致折叠式肋杆与充气圆环产生缠绕、碰撞，甚至 会对航天器产生较大的冲击和扰动，降低航天器在轨运行的安全性和可靠性。 中国专利(公开号为CN107978837A)公开了一种充气式柔性天线及其展开方法，其 中天线组件在展开前折叠在容器内部，在发射后，天线系统接收到展开指令后，容器打开释 放所述天线组件，天线组件在填充材料的作用下展开，并形成一个球形天线结构体。该专利 提供的充气式柔性天线的设计结构可以减小整个天线系统的发射体积和质量。 该专利提供的充气式柔性天线及其展开方法中，由于其展开过程依赖于机械结构 的展开而其驱动机构复杂导致展开可靠性低，同时由于气体的填充受到太阳光照射角度的 影响使其填充量和填充速率均不可控，因此展开过程中存在较多不可控因素，同时其不可 控的展开过程以及在卫星发射时发射冲击力的影响都导致整体结构会存在明显的冲击与 振动，抗扰能力差，虽然提高了收纳比却使得展开过程的稳定可控差。
技术实现要素：
针对现有技术之不足，本发明提供一种空间可展开的充气天线，所述充气天线至 少包括柔性天线折叠面和展开组件，所述展开组件由能够以充气压力作为驱动力先后驱动 且分别连接至所述柔性天线折叠面上不同高度处的至少两级展开组件构成，其中，所述第 一级展开组件能够在受到对其施加的以充气压力作为驱动力的驱动作用下向外扩张以带 动至少部分所述柔性天线折叠面的展开，待所述第一级展开组件扩张至第一级完全展开位 置时，所述第二级展开组件因受到对其施加的驱动力而以释放位于所述柔性天线折叠面上 6 CN 111555011 A 说　明　书 4/11 页 的形状记忆材料板的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述柔性天线折叠面从下 往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进行不完全或完全空间 展开。 本发明提供的空间可展开的充气天线，通过采用机械结构与形状记忆聚合物复合 材料的形状记忆效应结合来辅以所述充气天线的充气展开过程，使得能够以充气方式的变 化来控制整个充气展开的分级展开可控过程，且同时无需通过继续充气作用即可维持天线 的结构形状，由此在减少了展开控制环节的影响因素的同时提高了系统展开的可靠性，避 免了传统的充气天线工作的展开系统控制环节多且可靠性差的问题。 同时由于本发明将充气天线的一次性全部展开过程改变为分级有序展开可控过 程，通过结合由气驱控制的展开组件能够有效利用折叠天线的翻折展开过程，只需对单点 进行升温控制，即能按照前一级在展开的同时提供了后一级的展开条件的方式，达到对充 气天线有效面积的分级有序增加。同时通过与形状记忆材料板自身的材料阻尼较大相互配 合，不仅减少了开始瞬间大面积展开和结束瞬间强制约束时带来剧烈的展开冲击过载，进 一步地使得展开过程运动系统的驱动平稳，由此避免了对其它部件以及航天器本体产生较 大的冲击和扰动，有利于提高航天器在轨运行的安全性和可靠性。 根据一种优选实施方式，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至 少两部分天线折叠面，其中，第一天线折叠面能够通过所述第一级展开组件的张缩而沿着 预定路经逐渐展开或折叠，所述第一级展开组件被配置为通过可控地调节经由至少一个第 一开口进入所述第一级展开组件内部的气流沿该内部的高度方向和纵向延伸方向在该内 部来回流动的方式，来解除所述第一级展开组件在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外 扩张/向内收缩，以此带动第一天线折叠面沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位 后借助于所述第一级展开组件自动锁定而保持在当前展开位置。 根据一种优选实施方式，第二天线折叠面能够通过所述第二级展开组件的伸缩而 沿着预定路经逐渐展开或折叠，其中，所述第二级展开组件被配置为通过可控地调节经由 至少一个第二开口进入所述第二级展开组件内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的 方式，来分级地驱动所述第二级展开组件伸长直至与所述第二天线折叠面抵接，以使得所 述第二级展开组件能够以通电升温的方式分级地释放位于所述第二天线折叠面上的至少 一个形状记忆材料板的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开且 展开到位后借助于所述形状记忆材料板自动锁定而保持在当前展开位置。优选的，所述预 定路经即为第一限位锁定机构的伸缩方向上的延伸路经，第二天线折叠面的路经是预先确 定，继而可以有效把握第二天线折叠面的展开进度。 根据一种优选实施方式，所述第一级展开组件至少包括至少一个第一充气支撑 环、至少一个第二充气支撑环和至少一个充气环，其中，至少一个所述第一充气支撑环与至 少一个所述第二充气支撑环以沿所述第一天线折叠面的开放端面边缘延伸方向彼此间隔 连续布置的方式分别连接至所述第一天线折叠面的边缘处，所述充气环被配置为以折叠压 缩的状态嵌套在所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环内，并在以充气压力作为驱动 力的驱动下解除所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环之间的锁定并驱使所述第一 充气支撑环与所述第二充气支撑环相对彼此向外扩张/向内收缩。 根据一种优选实施方式，所述第一级展开组件还包括至少一个第一限位锁定机 7 CN 111555011 A 说　明　书 5/11 页 构，所述第一限位锁定机构被配置为能够通过同时与所述第一充气支撑环和所述第二充气 支撑环活动连接的方式锁定所述第一充气支撑环与所述第二充气支撑环之间的相对位移， 并且能够通过所述充气环呈逐渐膨胀状态而对所述第一限位锁定机构施加外力作用的方 式与所述第一充气支撑环或所述第二充气支撑环脱离活动连接，以此解除所述第一级展开 组件在扩张/收缩方向上的锁定。 根据一种优选实施方式，所述第二天线折叠面至少包括设于所述第二天线折叠面 上与所述第二级展开组件相对应的至少一个可折叠式肋板，其中，所述可折叠式肋板被配 置为能够通过所述第二级展开组件被分级地驱动伸长的方式使得所述第二级展开组件与 所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板活动连接，从而所述形状记忆材料板能够借助 于所述第二级展开组件上设置的可复位加热组件的升温来驱使所述形状记忆材料板释放 其形状记忆效应，并能够通过所述第二级展开组件被分级地驱动进一步伸长的方式使得所 述第二级展开组件与所述可折叠式肋板上设置的形状记忆材料板脱离连接，从而所述形状 记忆材料板能够借助于所述第二级展开组件上设置的可复位加热组件的升温来驱使所述 形状记忆材料板释放其形状记忆效应，并且所述第二天线折叠面能够以所述形状记忆材料 板降温而固化的方式保持在当前展开位置。 根据一种优选实施方式，所述第二级展开组件至少包括可复位加热组件，所述可 复位加热组件被配置为通过所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应而带动至少部分第 二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开的方式呈第一工作姿态，所述第一工作姿态能够在所 述第二天线折叠面沿着预定路经进行下一级展开后弹性地转换为第二工作姿态，所述第一 工作姿态与所述第二工作姿态能够分别与位于不同展开级别的所述第二天线折叠面上的 形状记忆材料板活动连接以驱动所述形状记忆材料板释放其形状记忆效应。优选的，所述 形状记忆材料板即为具有形状记忆效应的聚合物材料。其中，所述可复位加热组件的第一 工作姿态为与第一限位锁定机构的伸缩方向相平行时的姿态，所述可复位加热组件的第二 工作姿态为与第二限位锁定机构的伸缩方向相垂直时的姿态，在两种姿态下均能够为形状 记忆材料板释放其形状记忆效应提供热源。 一种空间可展开的充气天线的展开方法，所述展开方法至少包括以下步骤：以充 气压力作为驱动力驱动所述第一级展开组件向外扩张以带动至少部分所述柔性天线折叠 面的展开，待所述第一级展开组件扩张至第一级完全展开位置时，其中第一级完全展开位 置即为由充气方式控制的第一级扩张程度不同而对应的扩张位置。可以为第一天线折叠面 完全展开时所处的位置处。所述第二级展开组件因受到对其施加的驱动力而以释放位于所 述柔性天线折叠面上的形状记忆材料板的形状记忆效应的方式分级地扩张，从而使得所述 柔性天线折叠面从下往上分级可控地以增大有效展开面积且减小展开冲击过载的方式进 行不完全或完全空间展开。 根据一种优选实施方式，所述柔性天线折叠面具有彼此折叠/展开方式不同的至 少两部分天线折叠面，所述展开方法还包括以下步骤：通过所述第一级展开组件的张缩而 沿着预定路经逐渐展开或折叠所述第一天线折叠面，通过可控地调节经由至少一个第一开 口进入所述第一级展开组件内部的气流沿该内部的高度方向和纵向延伸方向在该内部来 回流动的方式，来解除所述第一级展开组件在扩张/收缩方向上的锁定并驱动其向外扩张/ 向内收缩，以此带动第一天线折叠面沿着预定路经逐渐展开/折叠且展开/折叠到位后借助 8 CN 111555011 A 说　明　书 6/11 页 于所述第一级展开组件自动锁定而保持在当前展开位置。 根据一种优选实施方式，所述展开方法还包括以下步骤：通过所述第二级展开组 件的伸缩而沿着预定路经逐渐展开或折叠第二天线折叠面，通过可控地调节经由至少一个 第二开口进入所述第二级展开组件内部的气流沿该内部的纵向延伸方向流动的方式，来分 级地驱动所述第二级展开组件伸长直至与所述第二天线折叠面抵接，以使得所述第二级展 开组件能够以通电升温的方式分级地释放位于第二天线折叠面上的至少一个形状记忆材 料板的形状记忆效应，以此带动第二天线折叠面沿着预定路经逐渐展开且展开到位后借助 于所述形状记忆材料板自动锁定而保持在当前展开位置。 本发明提供的充气天线至少具有如下有益技术效果： (1)本发明提供的空间可展开的充气天线，通过采用机械结构与形状记忆聚合物 复合材料的形状记忆效应结合来辅以所述充气天线的充气展开过程，使得能够以充气方式 的变化来控制整个充气展开的分级展开可控过程，且同时无需通过继续充气作用即可维持 天线的结构形状，由此减少了展开控制环节的影响因素的同时提高了系统展开的可靠性， 避免了现有技术中充气天线展开系统牵涉的控制环节多且可靠性差的问题。 (2)同时由于本发明将充气天线的一次性全部展开过程改变为分级有序展开可控 过程，通过结合由气驱控制的展开组件能够有效利用折叠天线的翻折展开过程，只需对单 点进行升温控制，即能按照前一级在展开的同时提供了后一级的展开条件的方式，达到对 充气天线有效面积的分级有序增加。同时通过与形状记忆材料板自身的材料阻尼较大相互 配合，不仅减少了开始瞬间大面积展开和结束瞬间强制约束时带来剧烈的展开冲击过载， 进一步地使得展开过程运动系统的驱动平稳，由此避免了对其它部件以及航天器本体产生 较大的冲击和扰动，有利于提高航天器在轨运行的安全性和可靠性。 (3)本发明提供的空间可展开的充气天线可折叠后固定在底板上，有效地降低了 天线结构收拢位于卫星发射状态时的包络尺寸，保证了收拢后的充气天线的相对固定能够 在卫星发射时经受住发射段的发射冲击力作用而避免震动碰撞，保证充气天线后续能够安 全可靠地发射并展开。 (4)本发明提供的空间可展开的充气天线在充气天线展开到一定位置后，通过设 置能够为其提供可靠的锁定保持力矩的限位锁定结构与所述充气过程相互作用，能够将展 开后的该充气天线相对稳定地保持在所需的工作形态位置。 附图说明 图1是本发明提供的充气天线的一种优选实施方式的简化连接结构示意图； 图2是本发明提供的铰链组件的一种优选实施方式的简化正视示意图； 图3是本发明提供的第二级展开组件的一种优选实施方式的简化侧视示意图； 图4是本发明提供的第二级展开组件的另一种优选实施方式的简化侧视示意图； 和 图5是本发明提供的铰链组件的一种优选实施方式的简化剖面示意图。 附图标记列表 1：第一充气支撑环      2：第二充气支撑环    3：充气环 4：第一限位锁定机构    5：第一天线折叠面    6：第二天线折叠面 9 CN 111555011 A 说　明　书 7/11 页 7：形状记忆材料板      8：可复位加热组件     9：底板 10：第二限位锁定机构  11：第一级展开组件   12：第二级展开组件 13：第一折叠式肋板段  14：第二折叠式肋板段  15：铰链组件 16：支撑副杆         17：第三折叠式肋板段  18：第四折叠式肋板段 19：可复位弹簧       20：加热板