大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境,将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统,采用自然坐标法对刚性构件建模,基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构,编写了一套动力学仿真软件,实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明,采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性;在结构组装过程中,减小组装速度,增大组装机构阻尼系数与劲度系数,有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法,为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。     

星载大型天线反射器桁架展开动力学建模仿真

以星载大型可展开天线为对象,研究了索网绷紧前天线反射器桁架在轨展开动力学过程。对大型天线展开机构特点和展开原理进行分析,建立了反射器桁架驱动和传动机构动力学模型。为避免初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异,以及小展开角情况下动力学方程左端系数矩阵数值性态差问题,提出了基于几何的替代约束求解方案。对星载大型天线在轨展开动力学过程进行了数值仿真,仿真结果表明,提出的方法能够有效解决初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异问题。     

大型星载天线桁架式可折展机构的模态分析

大型空间抛物柱面星载天线具有口径大、约束弱、刚度低、质量小等特点,其机构的空间稳定性直接决定天线的使用寿命和信息传输的可靠性。为准确获得大型空间星载天线在轨稳定性能参数,依据星载天线的高精度和长寿命的设计需求,提出一种新型抛物柱面星载天线结构形式,利用有限元仿真对该新型星载天线作模态分析,并分析相关参数。结果表明:采用Al7075材料的新型抛物柱面星载天线基频满足设计要求。同时,增加上下支杆和上下斜撑杆的截面尺寸可有效提高天线结构的固有频率。该研究为我国大型抛物柱面星载天线设计提供了理论支撑和技术参考。     

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。     

星载高精度伞状天线展开过程运动及受力分析

伞状天线是目前大型可展开天线的一种主流构型。由于天线口径大，天线在卫星发射阶段处于收拢状态；卫星发射至指定轨道后，天线展开至工作状态。展开机构是伞状天线展开与收拢的执行机构，其展开与收拢过程中关键零部件的运动精度及受力情况直接决定了天线展开到位精度和天线型面在轨热变形，对最终天线在轨型面精度起决定性作用。文章以国内某星载高精度伞状天线展开机构为研究对象，结合天线展开机构各运动部件参数，利用解析的方法获得展开机构运动方程；通过对方程进行分析，得到展开机构各关键部件在天线展开过程中的运动情况、受力情况及天线理论展开时间，为天线最终在轨展开时间的制定及展开过程中关键零部件的受力控制提供理论依据。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

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。     

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。     

大型网状天线展开指向精度测量方法研究

可展开天线研制过程中需对其进行地面展开指向精度测试以验证天线在轨实际指向性能.为了实现大型网状天线展开指向精度的地面测量,基于天线实际结构特点,从影响天线展开指向精度的因素入手,在建立的统一卫星坐标系分析模型下采用了一种基于展开臂、反射器和馈源阵等多个组成子部件单独展开指向精度直接测量的模式,并在各子部件测量结果的基础...     

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。     

空间天线弹簧展开机构在轨展开热分析研究

径向肋伞状天线采用缓释弹簧分布式驱动技术实现在轨展开,弹簧展开机构可靠工作成为影响天线功能实现的决定性因素。机构暴露在舱外恶劣的空间热环境中,但其内部结构热变形和润滑特性等需求对工作温度提出了严苛的要求。本文结合伞状天线弹簧展开机构入轨初期的瞬时控温要求和卫星热控资源约束,采用有限元分析软件TMG,建立完整的热数学模型对机构在轨展开时刻温度水平进行了瞬态热分析和主动控温加热器优化设计。飞行遥测温度数据表明,弹簧展开机构热控设计合理可行,满足在轨展开时刻的工作温度要求,为天线成功展开奠定了良好的基础。     

国外空间大型网状天线在轨展开故障与对策

空间大型网状天线在轨可靠展开是确保航天任务取得成功的关键。对国外自1974—2011年间发射的部分科学、商业和军用航天器携带的大型网状天线在轨展开故障情况进行了统计,介绍了各天线展开故障的机理,并对天线展开故障应急处理方法和设计改进措施进行了总结。根据空间大型天线展开的特点,提出了加强天线抗冲击能力、充分开展天线机构实验验证和展开故障应急处理预案研究等建议。     

大型环形可展开天线反射器展开控制技术

大型环形网状可展开天线是卫星新型的天线载荷之一,其展开和收拢状态下的体积与重量都明显高于目前的星载天线。在发射阶段,天线需牢固可靠的收藏于卫星本体,卫星入轨后反射器需由收拢状态还原到全展开状态。大型环形网状可展开天线的反射器展开控制器是反射器展开的核心控制部件,它要实现反射器由收拢状态还原展开到位的全部控制过程。本文介绍了大型环形网状可展开天线反射器展开控制器技术的一种方案。     

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。     

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。     

空间大型可展开天线展开末瞬时速度控制研究

本文对可展开天线的展开末瞬时的速度控制进行了研究，在可开展天线的动力学建模、动力分析、系统辩识和控制系统设计等方面做了有益的尝试，给出了可开展天线展开末瞬时速度控制的一种智能控制方法。计算机数字仿真结果表明：该控制系统能够满足控制要求，且具有良好的准确性、灵活性、适应性等。该方法也适于其他多柔性系统的末瞬时的速度控制。     

星载大型网状天线非线性结构系统有限元分析

论述了大型网状可展开天线的非线性理论模型及其非线性模拟有限单元模型,并以一副4．2m天线为例进行了有限元建模分析,获得了这类天线的动力学振动特性。研究结果表明：拉索几何非线性和间隙接触非线性对大型网状天线系统的动力学特性具有较大影响。     

低重力环境下基于超弹性铰链的某折展机构展开动力学研究

针对地外行星、月球探测中杆状天线对轻量化折展机构的需求,提出了一种基于超弹性铰链的两折杆折展机构,天线展开长度可达1.3 m,折展机构重量小于200 g;建立了超弹性铰链的薄壳大变形模型和机构的有限元分析模型,同时引入重力场影响,对不同重力场下机构展开动力学行为、展开时序进行了分析,并对天线末端特征点最大位移进行了预测;利用该折展机构原理样机开展了地球重力条件下的展开试验,使用高速摄影对展开过程进行记录并反演获得特征点位移信息,验证了特征点实际最大位移与分析值的一致性.基于超弹性铰链的两折杆折展机构的设计思路与分析方法,可以为我国后续深空探测更长尺度天线折展机构的设计与分析提供新的思路.     

空间大型载荷平台在轨构建技术探讨

针对以空间太阳能电站系统、超大面积SAR天线系统、大型在轨服务平台等为代表的巨型空间设施无法通过一次运载实现在轨构建的共性问题，通过对太空增材制造、可展开结构、可组装结构及单胞重复组装等四种大型结构在轨构建方法进行讨论和分析，归纳其优缺点，并提出一种包含单梁组装、单梁装填、单梁自动扩展、单梁截取、多梁组装、胞元填充等6个步骤的大型结构在轨构建新方案。研究结果表明，新方案可显著提高运载效率，提高在轨构建可靠性，此方法还可以用于超大型一维、二维、三维结构平台的在轨构建，为空间大型载荷平台的在轨建造提供参考。     

大型索网式可展开天线在轨高精度指向控制

以星载大型索网式可展开天线为对象,研究在轨工作过程中天线视轴高精度高稳定度指向控制方法。首先,基于Craig-Bampton法建立表征天线指向的动力学模型;然后针对天线振动对视轴指向的影响,设计PD反馈+陷波滤波器的控制算法;进一步分析影响指向精度的因素,设计带有调节滤波器的改进控制器以减小天线视轴指向的周期性误差,提高指向精度与稳定度。最后,给出数值仿真校验的结果并与现有的方法进行比较。结果表明,所提出的控制算法在保证天线指向稳定的同时,可以有效减小天线视轴的指向偏差,并对干扰与振动具有良好的鲁棒性。