空间索网天线展开递推动力学建模方法研究

针对大型空间可展开天线自由度多、非线性强特点,为对其展开实施有效控制,提出一种周边桁架空间机构的多自由度系统快速递推建模方法。用有限段方法处理杆件弹性部分,用等效力矩代替腹杆的驱动和锁定作用,将周边桁架双重闭环构型等价为链式多体系统。对索网大型天线用空间算子代数递推建模,求解动力学响应可模拟获得天线变形的运动和所需各驱动力矩。数值算例中获取了加速段和减速段关节空间的角位移和角速度,以及关节空间驱动力矩。研究表明该法是一种高精度、高效率的动力学递推建模方法,可适于大型可展开机构的快速计算,对实际工程中天线展开的参数设计和力学分析有一定的指导意义。     

构架式天线柔性动力学建模与展开精度分析

构架式可展开天线具有结构非线性强、桁架系统复杂以及运动环节多等特点,通常被视作刚体系统进行建模分析。然而多刚体动力学方法在求解复杂的连杆结构时,难以处理数量大、非线性强的铰接间隙模型,因此并不能准确还原真实的结构特性,给构架式天线的地面展开验证带来很大困难。本文建立了一套适用于该型天线的柔性多体动力学模型,通过引入微小弹性形变来消除铰链间隙对天线展开的影响,并在型面精度方面与期望的天线展开模型进行了比较说明。在确保不影响结构真实性的前提下,通过降阶、引入稳定系数等手段提高了柔性体单元计算效率。通过约束方程的设计与模块拆分求解等方法,消除结构非线性的影响。解决了针对构架式可展开天线的复杂桁架系统强非线性动力学的高精度建模问题,为构架式天线的仿真提供了技术手段。     

谱元法在空间可展开结构振动带隙分析中的应用

可展开天线;索网结构;预张力优化;找形分析,需要对其进行振动带隙设计。以空间可展开结构展开态主体框架结构为研究对象,采用谱元法推导其通用的动力学方程。在频域下求解整体框架结构的动力学方程可得到结构的振动频率响应,进而探究结构的带隙特性。以二维复合梁框架结构为例,讨论了结构单元的位移响应幅度和传输系数之间的联系,提出了一种周期框架结构带隙的预测方法,并通过二维复合梁框架结构和空间伸展臂验证了这一方法的正确性。     

空间可展开结构拓扑综合方法研究

空间可展开结构的构型用邻接矩阵表示,采用拓扑变换的方法来研究空间可展开结构 的拓扑综合。通过构件的增加、减少以及连接关系变化的变胞综合方法实现不同构型之间的 变换运算。以周边桁架可展开天线结构为例,通过构型变换,得到了不同于目前同步展开／ 收拢方式的混合展开收拢方式,以及新的可展开结构的构型。通过所得类型的运动仿真,表 明了混合展开方式以及新的可展开结构类型的可行性,验证了空间可展开结构拓扑综合的变 胞综合方法。     

大型空间可展开天线技术研究

大型空间可展开天线设计是一项极具挑战性的任务,与传统天线设计相比在很多方面都有所不同。文章首先介绍了大型空间可展开天线的结构特点和分类,然后从应用业务、工作频段、发射时间、供应商和天线类型五方面总结了大型空间可展开天线的应用现状,展望了发展趋势。最后讨论了大型空间可展开天线设计的关键技术问题,包括机械、热、电和测试等技术,可供我国大型空间可展开天线的研究参考。     

大型空间可展开天线反射器研究现状与展望

大型空间可展开天线是卫星载荷重要的组成部分，是新一代航天器的关键产品。回顾了当今国内外大型空间可展开天线发展状况，介绍了多种典型的大型空间可展开天线反射器。总结分析了大型空间可展开天线反射器研制的关键技术。同时，对大型空间可展开天线，尤其是大于50 m的极大型展开天线反射器结构技术的发展进行了展望。     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

行星轮系侧隙对星载天线指向精度影响分析

为研究行星轮系关节间隙对天线展开过程精度的影响,建立了行星轮系集中参数动力学模型,推导了含齿轮侧隙结构的可展开天线多体系统动力学模型。分别对单行星轮系关节和双关节耦合系统进行仿真分析,结果表明:较小的齿轮侧隙对天线偏移量影响较小,而齿轮侧隙过大会导致齿轮啮合精度及传动效率下降,影响天线指向精度,双行星轮系关节耦合作用也会增大天线指向不稳定性。     

大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性，保障可展天线在轨展开过程稳定性，提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先，基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后，通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模，并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后，基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明，该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值，有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。     

模块化构架式空间可展开天线支撑机构设计

针对空间可展开天线大口径发展趋势的需求,提出一种模块化构架式可展开天线支撑机构。首先,基于机构学基本理论,对机构的结构组成、展开原理及锁紧方案等开展了总体结构方案设计;其次,从肋单元尺寸确定、运动学仿真分析、结构实体设计、缓释装置设计等4个方面开展了支撑机构结构设计与分析;最后,研制了一套模块化构架式可展开天线支撑机构原理样机,并在微重力装置上开展了展开功能试验。试验结果表明:依据设计方案研制的支撑机构,其展开过程平缓、顺畅,展开到位后能够顺利实现锁紧,验证了设计的正确性与可行性。所提出的可展开天线支撑机构及其设计与分析方法可为其它类型可展开天线的设计及研究提供参考。     

带射频电缆的可展开天线阵在轨展开动力学

空间存在射频电缆穿越可展开部件工作区域的情形,这会对部件的展开特性造成较大的影响(特别是无源可展开机构),甚至会影响整个航天器任务。文章以某卫星带有半刚性射频电缆的无源可展开天线阵为例,提出了其动力学建模仿真流程,并建立在轨展开动力学模型;采用该模型开展了在轨展开动力学特性的仿真研究,同时与在轨实测数据进行了比对。结果表明,仿真数据与在轨实测数据基本一致,准确地评估了射频电缆对可展开天线阵在轨展开特性的影响,仿真评估方法有效。该建模仿真流程同样适用于卫星其他类型可展开部件的展开特性研究。     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

Performance relationships between ground model and space prototype of deployable space antennas

Performance testing is very useful in the design of deployable space antennas. It is arduous and costly to carry out the prototype experiments on the ground because of the large aperture of the antenna and the difficulty of simulating space environments. Thus, a smaller replica of the antenna, called scale model, is used to achieve the performance testing for reasons of economy, convenience, and saving in time. In this paper, a two-step approach is proposed to predict the prototype performance of the antenna in the space environment according to the performance testing of the scale model. The first step is to analyze the similarity between the prototype and the model in the same environment. Different methods are adopted according to the different performance of the antenna. The scaling laws of the driving force of the deployable Astromesh antenna are established through the differential equations on the basis of the deployment dynamic equations, while the scaling laws of frequency are derived by the dimensional analysis method. The second step is to analyze the performance relationships of the scale model in the different environments. Experiments on the scale model can be performed to obtain the performance relationships. Finally, a complete example of the natural frequency analysis is given to illustrate the two-step method.     

基于螺旋理论的环形桁架式可展天线构型综合

基于螺旋理论针对环形桁架式可展天线机构的构型综合问题进行研究，首先概述基于螺旋理论的约束综合法，然后分析环形桁架可展天线机构的收展原理，将环形桁架机构分为上下环形边两部分，通过综合环形边机构并连接上下环形边便可得到环形桁架机构；采用移动副(P)来描述各个节点花盘的运动特性，通过基于螺旋理论的约束综合法针对环形边支链机构进行分析与综合，得到了16种约束支链机构，通过分析与优选得到了两种约束支链机构；采用综合得到的约束支链机构组合得到了环形边链路机构并通过连接组合与推演得到了四种环形桁架可展开机构；最后针对综合得到的四种环形桁架机构在Solidworks软件中进行了三维建模与运动仿真，校验了各机构的可展性。本文的研究为可展天线机构的构型综合提供了一种新思路，综合得到的几种环形桁架机构在空间可展开天线领域具有较好的应用前景。     

某卫星大型天线真空低温展开试验

文章采用试验件主动控温的方法,完成了某卫星大型天线常压低温展开试验,对天线进行了展开控制和结构应变及展开阻力矩的测试,试验结果验证了天线在空间复杂温度环境中成功解锁、展开和锁定的能力,为大型空间展开机构的地面试验积累了经验。     

周边桁架可展开天线小冲击展开过程设计

提出了周边桁架可展天线展开过程的一种轨迹设计方法.通过优化方法选择贝塞尔曲线作为驱动索的输入运动轨迹,保证了展开角加速度的连续性并有效降低其峰值,从而达到了减小天线所受冲击的目标.通过数值仿真对比得出结论,天线的展开过程应是一个无中间匀速状态的先加速后减速过程.     

空间站大型柔性伸展机构的动力学仿真

本文研究了考虑构件柔性效应对空间站大型伸展机构的动力学问题，在采用柔性多体系统单向递推组集建模方法的基础上建立了任意拓扑结构的柔性多体系统的动力学方程。本文头等讨论了切割铰约束方程的建立和直接违约校正方法。数值仿真结果表明了柔性效应对空间站展开机构动力学的影响。     

展开式卫星天线在发射时的非线性振动分析

本文利用有限元数值计算与解析分析相结合的方法，研究了展开式卫星天线在收拢状态（发射阶段）的非线性动力学特性，论述了平面外扭弯耦合东振（存在间隙时）及平面内渗、强亚谐共振时的非线性特性。得到了间隙对扭弯共振的影响变化曲线及产生参、强亚谐共振的条件，本文结论可作为工程设计的理论依据。     

六棱柱单元可展抛物面天线结构设计

本文提出了一个利用伸缩杆驱动的六棱柱展开单元，该单元可动机构数较少，展开可靠度高，结构刚度好，具有广泛的应用前景。利用伸缩杆六棱柱单元，文中设计了一大型构架式切割抛物面天线，并简要介绍了天线可展点的细部设计。该天线的形面精度较高，质量轻，造价低。