空间大型网状展开天线展开机构的研究

着重介绍了空间大型网状展开天线展开机构的设计及其工作原理和必要的分析计算;已研制出的展开机构原理样机能展开５．０ｍ左右的网状天线反射器,初测重复精度角度均方根值为７″,可为下一阶段设计空间应用型的展开机构提供可靠的依据。     

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。     

构架式可展开天线自由度与奇异性分析

针对以四面体为基本单元的构架式空间可展开天线,基于螺旋理论分析了多环耦合机构3RR-3RRR基本单元及多单元组网的自由度,降低分析此构架单元过约束与奇异性的复杂性。首先,根据螺旋理论能同时表示运动副轴线的位置和运动副类型的特点,建立了3RR-3RRR单元各铰链的运动螺旋并求解出单元过约束数;其次,运用修正的Kutzbach-Grübler公式求解出此单元的自由度,并分析出在特殊位形下的奇异性和瞬时性;最后,多单元组网成一个复杂耦合机构,采用等效构型的方法简化组网结构可得此天线反射器收展所需自由度,再通过计算各花盘的相对间距来验证构架可展开天线的收展协调性。研究表明构架式天线反射器3RR-3RRR四面体单元为单自由度机构且含有4个过约束,便于机构的展开控制,在同步杆铰链处于特殊位形下有约束奇异。组网后反射器桁架系统是单自由度机构,机构在单驱动运动过程中可展开完全,实现构架可展开天线各杆件在工作时运动协调,在空间机构领域具有良好的应用性。     

构架式可展开天线反射器模块化构型设计优化

针对构架式可展开天线反射器模块化构型要求, 基于螺旋理论分析了模块及多模块组网的自由度,采用模块组合思想降低了构架式可展开天线反射器结构设计复杂性。首先,在由四面体单元组成的构架式天线反射器结构基础上,利用3个相同构型的3RR 3RRR四面体单元构建平面模块,再采用模块间花盘与花盘连接方式组网形成构架天线反射器;其次,基于构架式天线反射器的可收展的期望运动,运用螺旋理论验证模块化构架式天线的可展性;最后,针对花盘姿态变化型综合,优化模块间连接运动副,使构架式可展开天线反射器收拢后达到最大收纳比。研究表明模块化构架式可展开天线反射器具有可展性,当模块间采用万向副连接时,组装的二圈模块化天线反射器为8自由度机构且能完全收拢。模块组网后的构架天线反射器具有收纳比高、自由度少的优点,在较少驱动下可使天线展开完全和展开可控,在航天机构领域具有良好的应用性。     

“嫦娥4号”中继星伞状可展开天线设计与验证

伞状可展开天线是"嫦娥4号"中继星为着陆于月球背面的"嫦娥4号"着陆器和巡视器提供中继通信的关键单机。对伞状可展开天线的设计原理和构造进行了描述,对天线在轨展开、网面成型与保持、超低温环境适应性等技术难点开展了分析。天线在轨展开采用缓释弹簧分布式驱动展开技术,具有布局灵活、轻便、安装体积小、可靠性高的优点,并开展了寿命、热真空环境展开等试验,验证了天线展开技术的正确性;采用双层网结构设计形式实现天线网面成型与保持,优化了张力网节点数量,开展了型面精度测试和型面在轨热变形预示,验证了天线在轨型面精度达到亚毫米级的设计指标,进一步确保了天线在轨性能满足任务要求;天线部组件最低温度达到–250℃的超低温环境验证结果,表明天线经历超低温环境存储后,结构无损坏,性能无下降,满足天线在轨环境适应性的要求,有效地支撑了"嫦娥4号"中继星中继通信任务的顺利执行。     

多维构架式天线展开机构的展开力学性能测试系统设计

卫星天线是卫星通信的关键部件. 为保证天线在轨可靠展开, 必须在地面对天 线展开机构的力学性能进行测试. 针对该问题, 提出一种多维构架式天线展开 机构力学性能测试系统, 模拟空间微重力和高低温环境下天线的展开过程并在 展开过程中对其进行加载测试. 根据测试系统方案及工作原理, 设 计了三自由度的重力补偿机械臂和加载装置, 并对展开机构的加载系统进行了 建模和仿真. 分析表明, 该测试系统重力平衡误差小于2% FS (Full Scale), 力矩加载误差小于2%, 满足展开机构测试要求. 该系统的提出使得展开机构测试从理论仿真提 升为全物理仿真, 对于保证卫星在轨可靠通信具有重要意义.      

星载SAR天线展开机构装配精度确信可靠性建模

星载合成孔径雷达（SAR）天线展开机构是空间桁架结构,其杆系和铰链的空间位置相互耦合,在装配过程中主要依赖于人工装调,装配精度难以准确控制,装配可靠性直接影响星载SAR天线的服役性能。为此,基于可靠性科学原理,提出星载SAR天线装配精度确信可靠性建模方法。考虑天线装配过程中影响装配精度的内因和外因,确定表征天线展开机构装配精度的性能指标及阈值,建立性能裕量模型。开展多源不确定性分析与量化,构建星载SAR天线展开机构装配精度确信可靠性模型。以某型号星载SAR天线展开机构为研究对象,进行可靠性敏感度分析和验证。研究结果表明：所提方法可为星载SAR天线展开机构装调提供理论指导,有效提高装配精度和效率。     

超大口径环形天线包带展开过程动力学仿真

中间柔性包带是环形可展开天线的重要组成部分。中间包带拔销器解锁后，复材包带与环形桁架同步展开。因复材包带柔性较强，它会绕根部固定端进行回弹，因此展开过程存在金属接头和桁架上复材薄壁管件碰撞风险。随着天线口径增大，该风险会持续增大。基于柔性多体动力学理论对超大型口径环形可展开天线包带展开过程进行动力学建模仿真，并在此基础上分析得出包带展开过程金属接头到环形桁架最小距离主要和复材包带阻尼率以及桁架预展速度相关。通过进一步研究发现：复材包带阻尼率越高，展开过程金属接头到环形桁架最小距离越大；桁架预展速度越快，展开过程金属接头到环形桁架最小距离越小。此外，对逆止回弹机构失效这一在轨极端条件下包带展开过程进行建模仿真，分析得出包带在该条件下展开过程金属接头到环形桁架最小距离变化规律。该研究可为超大口径环形天线结构优化设计及包带在轨展开预示提供依据。     

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.     

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。     

盘绕式伸展臂展开模式的力学原理

盘绕式伸展臂是一种空间伸展臂,可用于太阳电池阵、太阳帆、探测臂等空间伸展机构.它有2种展开模式:逐层展开和螺旋展开.以三角形横框铰接盘绕式伸展臂为对象,分析了以逐层展开模式伸展的原理.首先,由于斜拉索不可伸长,导致横杆在伸展臂变形过程中会发生弯曲,并有一个最大弯曲形态.通过在MSC.ADAMS中建立盘绕式伸展臂模型进行仿真计算,可以得到横杆刚度对伸展臂展开过程的影响.以此工作为基础,提出判据:纵杆对第2层横杆的压缩能力和横杆的抗弯能力决定了伸展臂的展开模式,利用相关仿真模型,对这一结论进行了验证.最后,用弹性细杆的Kirchhoff动力学研究了纵杆变形,得到了伸展臂构型参数和展开模式之间的规律.该结果可以作为盘绕式伸展臂设计阶段的参考.     

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。     

辐射肋式空间可展开天线机构设计与分析

可展开天线机构是网面可展开天线的关键组成部分,对天线展开后结构的稳定性和刚度具有重要影响。针对空间可展开天线大型化、高收纳率、高精度化发展趋势,设计了一种辐射肋式空间可展开天线机构新构型。首先,开展了天线整体结构设计,根据结构组成进行尺寸计算并建立了结构的三维模型;然后,采用数值仿真软件开展了机构运动学仿真研究,并分析了运动的变化规律;最后,建立了有限元模型,开展了结构模态分析。研究结果表明,所提出的机构能够实现由收拢至展开的运动变化,展开过程中机构具有良好的同步性,构件间无干涉,验证了结构方案及原理的正确性和可行性。研究结果对于空间可展开天线基础理论及工程应用等具有较高的参考价值。     

构架式可展开天线的展开试验研究

对构架式可展开天线结构的缩比试验样机进行了展开试验, 设计了试验方案, 采集了运动过程中测点的展开加速度; 然后用基于Moore-Penrose广义逆矩阵理论编制的程序的分析结果与试验进行了对比, 试验结果与理论分析结果较吻合, 可证明广义逆矩阵理论分析此类结构的可行性.      

环形桁架式天线展开不同步现象分析

从国外相关文献所反映的地面试验结果看,环形桁架式天线周边的桁架结构由于阻尼等因素在展开过程中存在明显的不同步现象。文章利用绝对节点坐标法建立了天线展开过程的多柔体展开动力学模型,获得了连续展开过程中桁架各部分承受的载荷和变形情况,并重点对展开过程中的不同步现象的产生原因及其影响进行了分析。结果表明,环形桁架式天线展开的不同步现象是由展开过程中桁架的变形与摩擦引起的,这种现象的出现导致桁架结构承受更高的载荷。该研究为环形桁架式天线的设计和验证提供了参考。     

空间可展开天线模态测试与模型修正技术

为准确预测结构的力学特性,使仿真结果精确逼近试验结果,必须对有限元模型进行修正。由于网状可展开天线的有限元模型中存在着各类结构参数且内部索网属于柔性结构,索网索段由于预张力才具有刚度,结构的这一特殊性导致模型修正困难。对3 m可展开天线样机进行了模态测试,在样机自由状态下获取了结构的模态频率和振型;针对可展开天线这种柔性复杂结构模态参数难识别、待修正参数多的特点,对修正参数进行了有针对性的选择;使用基于设计参数灵敏度型的模型修正方法对有限元模型进行了修正,缩小了样机与仿真固有频率和振型之间的误差,得到一种处理含有索网结构的模态测试流程和模型修正方法。     

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。     

新型空间充气展开结构在轨试验成功——北京空间机电研究所携手高校优势互补实现科研实力“1+1>2”

近日,搭载在我国新技术试验-1卫星上的充气式重力梯度杆成功完成了在轨充气展开和成像试验,这是我国首次在轨开展的空间充气展开结构技术试验,标志着我国充气展开空间结构具备了初步工程化的能力。其中重力梯度杆的重要组成部分-充气伸展臂是一种新型空间充气展开结构,由北京空间机电研究所(以下简称机电所)与哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)共同开发、联合研制,使我国在该领域的研制能力达到国际同类技术水平,该项目也成为了企校"产、学、研"合作模式的成功典范。     

伞状天线旋转关节运动功能的可靠性分析

针对某星载伞状天线展开机构中的旋转关节,分析指出了其运动功能可靠性中包含了两个并联的功能函数:即矩的功能函数和功的功能函数;利用随机函数的矩法和可靠性分析中的一次二阶矩法,分别对天线展开过程中的起始阶段、展开阶段和网面产生预紧力阶段,构建了按矩的功能函数和按功的功能函数对应的可靠性计算表达式;通过实例计算获得了天线展开机构运动功能的可靠性指标随展开角度的变化结果.      

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%。