构架式可展开抛物柱面网状天线结构设计

针对具有大尺度抛物柱状反射面需求的空间可展开天线,提出一种基于四棱柱折展模块的构架式可展开抛物柱面网状天线,依靠模块驱动组件实现天线联动展开。把抛物面天线工作表面的拟合方法拓展到抛物柱面天线,采用工作面拟合圆均等网格划分径向投影获取天线支撑桁架设计的关键节点。柔性网状反射面采用双层索网结构形式,提出与前索具有较好对称性的背索网悬链线设计,前、后索网节点由支撑立柱间拟合圆弧均等分径向分别投影到抛物线段和悬链线圆弧上获取,根据前后索网节点建立索网拓扑构型,基于非线性有限元法对索网预张力进行设计迭代,获得抛物线维索网预张力与其均值的最大误差率为12.3%及柱面维索网预张力与其均值的最大误差率为7.6%的优化结果。研制了机械口径12 m×12 m样机,多次展开获得2 mm RMS以内的形面精度,验证了构架式可展开抛物柱面网状天线较优的展开性能和形面精度保持性能。     

考虑在轨热效应的网状天线索网优化设计

网状天线服役于高低温、强辐射的复杂太空环境，其热变形是影响天线在轨性能的重要因素。目前的设计方法均为常温下的索段预应力配置，难以计及服役环境对天线在轨性能的影响。通过在索网模型中引入温度载荷，建立了以常温下索段参数为变量，以服役环境下的索网形面精度和张力分布为目标及约束条件的索网优化模型，从而在设计之初充分考虑服役热环境下的天线性能，改善天线在轨精度和张力分布。分析了天线运行轨道热环境，计算了天线在不同轨道位置的温度场；基于非线性有限元理论，建立了网状天线热结构模型，形成了考虑温度效应的索网找形及优化设计方法；开展了面向天线服役性能的索网优化设计。优化结果表明，该方法有效提高了天线在轨运行时的性能，可为考虑服役环境的网状天线优化设计提供方法和思路。     

模块化桁架索网天线找形与展开动力学研究

为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模,首先,基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法:渐近迭代力密度法;其次,基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型,采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型,进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程,并采用广义–α方法对动力学方程进行高效数值积分;最后,对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明:索网找形方案满足天线反射面形面精度要求,得到均匀的索段张力分布;展开过程中桁架竖杆应力最大,在展开末段,驱动滑块对桁架产生较大冲击。     

基于分割法的抛物面固面天线热变形抑制

为满足未来高分辨率微波遥感航天器对于大口径高形面精度的空间可展开天线的需求,提出了一种能有效降低偏馈固面天线在轨因热变形造成形面误差的新方法,即分割法。采用5 m口径的偏馈固面抛物面天线,分析了天线热变形对其电性能尤其是主波束效率的影响。对连续固面天线六点支撑下不同支撑位置对其热变形的影响进行了研究。在温差为200℃的均匀温度场下,分析了不同形状单胞的形面误差,随后确认采用正六边形作为分割单胞并对其形面误差与尺寸的关系进行了研究。研究了分割单胞的尺寸及排布方式对天线的形面误差及电性能的影响,并验证了分割单胞之间的缝隙对天线电性能的影响,最终确定分割方案。结果显示,分割后天线形面误差从500μm降低至5μm,主波束效率下降值从6.72%下降至1.77%。     

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。     

空间可展开天线铰链热变形分析与试验验证

在轨热变形是影响空间可展开天线精度的关键因素之一,因此,空间可展开天线结构的在轨热变形分析具有十分重要的意义。随着空间探测任务要求的不断提高,铰链热变形对空间可展开天线指向精度的影响已经不可忽略。以某空间可展开天线的根部铰链和臂间铰链为研究对象,建立其有限元模型,计算铰链主弯方向和侧弯方向在温度每变化10℃时相对角度的变化。基于高低温箱和电子经纬仪构建铰链精度测试系统,开展铰链热变形试验。试验结果表明：根部铰链和臂间铰链在主弯方向和侧弯方向呈现纯结构热变形特性,仿真结果与试验分析结果基本一致,验证有限元模型和试验分析方法的正确性。根据铰链主弯和侧弯方向角度相对变化,评估热变形对铰链变形的影响。该建模和试验分析方法可为同类型空间可展开天线设计、分析和优化及类似可展开机构精度影响因素的分析提供参考。     

充气天线制作及测试方法研究

分析设计了一个充气可展开天线, 得到初始曲面和裁剪片样式. 制作了高精度的裁 剪、拼接模板, 并用于研制3.2 m口径天线样机. 通过加工的天线调节装置, 将反射器与支撑结构组装在一起. 对索张力的两种调节方法进行了比较分析, 最终采用 张力弹簧调节装置. 利用照相测量系统对反射面进行反复调节, 使天线达到了较高的形面精度.      

平面-抛物面型薄膜天线形面及温度分析

为了解决星载天线的大口径与运载工具整流罩有限体积, 以及星载天线的重量与卫星平台和运载工具承载能力之间的矛盾, 充气可展开结构技术是非常理想 的选择. 为实现高精度反射面, 针对平面-抛物面型充气可展开天线反射面, 进行弹性力学分析, 得到反射面与充气气压、薄膜材料、边界条件之间的关系, 以及形 面和抛物面间存在的M形误差. 在此基础上, 探讨了天线在轨时温度变化对反射面 形面的影响, 提出了消除这种影响的两种方法. 利用ANSYS分析结果对理论解进行验证, 结果吻合.      

模块化可展开天线支撑机构运动学建模与分析

模块化可展开天线具有拓展性强、灵活性高、适应性好等特点,是满足未来可展开天线大口径发展趋势的一种较为理想的结构形式。为研究由六棱柱模块组成的可展开天线支撑机构多模块联动展开运动特性,提出一种多模块联动展开运动学建模方法。根据可展开天线的结构组成及展开原理,建立了可展开天线机构关键点的空间几何模型,基于机器人学中的D-H法和坐标变换等理论,分别建立了基本单元、单模块和多模块的运动学模型,最后采用MATLAB数值仿真软件,对运动学模型进行了验证及分析。结果表明：该运动学模型可以对多层模块的可展开天线机构进行运动学分析,各模块实现了协调联动、同步展开,同时该模型为机构的动力学特性分析、动力源配置及优化等研究提供了研究基础。     

单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法

星载抛物面天线在轨运行时由于姿态调整或环境因素变化,可能产生振动,从而降低其工作性能。为了减弱振动的影响,需采取加装张紧绳索的方法来提升天线刚度。提出了一种新型张紧绳索多层设计方法,通过将抛物面天线划分为多层,调整各层绳索的张紧力,从而提高天线结构刚度,同时尽量降低张紧力引起的形面误差。为了验证所提方法的有效性,建立了天线的有限元模型。在此基础上进行了有限元分析,研究了不同张紧力参数配置下的结构刚度和形面误差,并以提升结构刚度的同时降低张紧力引起的形面误差为目标,对张紧力参数进行了优化设计。为了提高计算效率,采用响应面法建立代理模型参与优化迭代计算。采用非劣排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）完成优化迭代计算,优化后的张紧力参数使天线的性能得到了进一步的提升,为构架式可展开抛物面天线的设计提供理论指导。      

电磁兼容测量天线系数温度误差修正方法

为减小外场环境温度的影响,提高电磁兼容性(EMC)测试设备的测量精度,提出了一种电磁兼容测量天线系数温度误差修正方法.首先,根据1m距离两天线校准原理,理论推导了近场情况下采用透波材料制作的温控装置对接收天线接收特性的影响,结合仿真分析与试验结果,验证了使用温控装置带来的测试误差可控制在允许的范围内.然后,在此基础上,通过实际测试获得了典型天线的天线系数随温度的变化规律及误差修正曲面.最后,采用对比标准条件下和开阔试验场条件下的测试结果的方法来验证该方法的有效性.结果表明,在保证测量精度的前提下,通过天线系数温度误差修正,可将天线的使用环境温度扩展到-40~+50℃,进而减小外场试验测试误差.适用于双锥、对数周期和双脊喇叭等天线的天线系数温度误差修正.      

基于最速下降法的可展开索网天线型面调整方法

考虑到索网结构的几何非线性和节点位移的高度耦合,为提高索网天线的型面调整效率,需设计合理的型面调整优化方法。文章根据双层索网结构的拓扑关系,将平衡矩阵和柔度矩阵分块化表示,通过偏导方法推导了任意平衡状态下型面误差对于张力阵拉力的梯度公式,利用型面误差梯度的无穷范数确定对型面误差影响最显著的张力阵单元。结合最速下降优化算法,采用型面误差负梯度方向作为优化路径。通过调节张力阵拉力,降低由于索网长度误差引起的型面误差。建立环形桁架天线的双层索网模型,进行型面调整数值试验,结果表明调整后的型面误差已趋近为零。     

反射器夹层面板精密成形原理

对高精度、大面积不可展双曲反射面的制造问题,提出了基于"离散钉模、真空负压、蜂窝夹层、应力释放、回弹补偿"的高精度反射面板成形原理;建立了四边自由面内多点约束的薄板大挠度弯曲解法及夹层板成形过程仿真模型,用于确定成形工艺参数;利用动力显式和静力隐式算法相结合的方法实现成形过程仿真;通过开缝和开槽方法释放面内压应力,确定了面板开缝和开槽方案;通过逆向修正离散模包络面,使其与成形模拟得到的夹层板型面误差最小,得到模具修正因子,补偿回弹误差.在此基础上开发了夹层板精密成形CAE系统.该方法制造的面板型面精度RMS达到25 μm以下,已成功地应用于多项大型紧缩场和毫米波天线的制造.      

轻型空间相机桁架结构设计与模态分析

为设计适合轻型高分辨空间相机的桁架结构,研究了模态分析的方法和桁架设计中需要考虑的问题.通过对不同的次镜支撑结构进行模态分析和对比,提出了适用于轻型相机的三翼中心三角次镜支撑结构,并完成了整体桁架结构的设计.有限元分析结果表明,所设计的桁架结构具有固有频率高、质量轻等优点,能够满足轻型空间相机的要求,并可以作为其他大口径空间相机桁架结构的设计参考.      

改进的Woodward方法及用于设计大口面天线馈源

在分析传统的Woodward综合方法及其改进方法的基础上,引入最小二乘及伪逆,得到一种新的方向图综合方法;并将新方法与阵列波束形成技术结合,用于设计大型口面天线/FAST(Five-hundred meter Aperture Spherical Telescope)的初级方向图.在本文提出的方法中,抽样点数可以与阵列单元数相等和不等,对综合区域没有限制,所以综合的赋形波束更加灵活,适应场合更广泛.      

波束跃度对星载SAR滑聚模式成像影响分析

针对星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)滑动聚束模式方位向天线波束无法实现空间连续运动而引入虚假目标的问题,提出了波束跃度对成像质量影响的定量化分析方法.首先在方位向天线波束控制前提下,构建了星载SAR滑动聚束模式回波信号的数学模型.在此基础上,采用成对回波理论定性与定量化分析了波束跃度对成像质量的影响,尤其给出了天线最小波束跃度与虚假目标幅度和位置的定量映射关系,并讨论了不同波段下,虚假目标对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响,为系统顶层合理论证天线最小波束跃度指标提供了可靠的理论依据.通过计算机仿真实验验证了提出的理论分析方法的正确性.     

基于子阵激励能量匹配的多子阵交错阵列设计

多子阵稀疏交错共享孔径阵列天线是实现多功能阵列天线设计的有效途径。提出了一种基于子阵激励能量匹配的多子阵稀疏交错优化方法。根据均匀线阵激励与其方向图之间存在的傅里叶变换关系,该方法首先通过快速傅里叶变换（FFT）获得特定方向图的激励频谱能量分布,然后分析均匀线阵目标方向图频谱能量的分布特征,采用交叉选取子阵激励的方法,确定各子阵单元位置,使得阵列天线单元激励能量均匀分配,从而确保各子阵方向图近似一致。在此基础上通过迭代FFT的方法降低各子阵天线方向图旁瓣峰值（PSL）,实现低旁瓣,同性能的多子阵交错共享孔径阵列天线设计。仿真研究与实验表明,通过本文提出多子阵交错方法设计的共享孔径多稀疏交错子阵具有运算量小、孔径利用率高、各子阵峰值旁瓣电平低且拥有相似方向图的优点。利用子阵交错的方法,通过控制各子阵主波瓣指向,能轻松实现多波束指向的多功能阵列天线设计。      

基于LCMV算法的星载SAR距离模糊抑制方法

距离模糊抑制是星载合成孔径雷达(SAR)系统顶层设计中的关键问题之一.增加天线高度可以抑制距离模糊,但卫星平台往往对天线尺寸有所限制.指出了距离模糊抑制对于提高可视观测带宽度、产生高质量雷达图像的重要性,介绍了距离模糊的数学模型,提出了分布距离模糊度的概念,分析了平均距离模糊度与分布距离模糊度的区别,给出了应用线性约束最小方差(LCMV)算法抑制星载SAR距离模糊的方法.仿真结果证明,该方法在天线高度不变的情况下,不仅能够提高平均距离模糊度,也可以改善分布距离模糊度.