空间可展开天线结构研究进展

扼要综述了空间可展开天线结构的发展及目前的国际动态,叙述了空间可展开天线结构、设计及分析中的主要研究课题及其目前的进展。指出“把多体动力学与有限元法相结合的综合动力学建模法”、“辩识模型后,用预测控制和优化的思想进行展开过程控制”、“用多约束优化法调整网状天线反射面形状精度”等是适合我国目前状况的较好方法。     

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。     

大型环形可展开天线型面高精度测试方法研究

天线反射器型面精度是衡量、评价天线质量的重要指标之一,天线型面精度的高低将直接影响天线的电性能指标。大型环形可展开天线型面精度测试,目前多采用高精度工业数字化摄影测量技术进行,在使用高精度数字化摄影测量系统对大型环形可展开天线开展型面测试过程中,系统测量精度主要受摄影基准选用、测量距离、测量靶标大小、测量角度、测量拍照数量、相机参数等多项工艺参数影响。就如何使用数字化摄影测量系统对大型环形可展开天线开展高精度型面测试方法开展研究,通过对高精度长基准尺的设计及布局研究,以及对摄影测量系统最优匹配工艺参数研究及验证,得到一种针对大型环形可展开天线开展高精度型面测试的方法。试验证明,该方法可靠有效,能够满足大型环形可展开天线开展型面高精度测试的测量需求。     

Dynamic characteristics analysis of deployable space structures considering joint clearance

The clearance in joints influences the dynamic stability and the performance of deployable space structures (DSS). A virtual experimental modal analysis (VEMA) method is proposed to deal with the effects of joint clearance and link flexibility on the dynamic characteristics of the DSS in this paper. The focus is on the finite element modeling of the clearance joint, VEMA and the modal parameters identification of the DSS. The finite element models (FEM) of the clearance joint and the deployable structure are established in ANSYS. The transient dynamic analysis is conducted to provide the time history data of excitation and response for the VEMA. The fast Fourier transform (FFT) technique is used to transform the data from time domain to frequency domain. The frequency response function is calculated to identify the modal parameters of the deployable structure. Experimental verification is provided to indicate the VEMA method is both a cost and time efficient approach to obtain the dynamic characteristics of the DSS. Finally, we analyze the effects of clearance size and gravity on the dynamic characteristics of the DSS. The analysis results indicate that the joint clearance and gravity strongly influence the dynamic characteristics of the DSS.     

基于在轨热环境的可展开天线反射面精度调整技术

随着宇航事业的发展,网状展开天线的尺寸越来越大,对形面精度要求越来越高(特别是高频段),在轨热环境与地面调整点的热环境差别大,必须采用基于在轨热环境的网面精度调整技术以满足反射面的精度要求。就在轨热环境下的辅助牵引面式网面精度调整技术的理论分析及调整方法进行了探讨,给出了计及在轨热环境的网面形状精度调整的基本理论公式及调整步骤,并对某样机进行了调整计算。计算结果表明,文中的分析、公式、方法是正确的,可行的。     

大型空间展开机构常压高低温环境模拟试验系统研制

为各类大型空间展开机构地面可靠性验证试验提供高低温环境,研制了一种常压高低温环境模拟试验系统。该系统的保温箱体结构采用内、外框架的结构形式,内、外框架之间的连接采用绝热玻璃纤维增强复合塑料杆,其目的是:在进行大温差高低温交变环境试验时,有助于结构的热边界条件稳定;合理的气流组织布局设计有助于内部高低温环境的快速建立,使温度分布更加均匀;冷热源供给系统可稳定地提供高低温环境建立所需冷量及热量;干燥氮气置换系统可实现高低温环境下的超低露点温度;基于PLC的测控系统对试验系统进行高精度测量及控制。试验表明,此大型空间展开机构常压高低温环境模拟试验系统能满足型号产品试验过程中对温度范围、变温速率、温度场均匀性及露点温度的要求。     

Structural design and static analysis of a double-ring deployable truss for mesh antennas

This paper addresses the structural design, the deployment control design, the static analysis and the model testing of a new double-ring deployable truss that is intended for large mesh antennas. This deployable truss is a multi-DOF (degree-of-freedom), over-constrained mechanism. Two kinds of deployable basic elements were introduced, as well as a process to synthesise the structure of the deployable truss. The geometric equations were formulated to determine the length of each strut, including the effects of the joint size. A DOF evaluation showed that the mechanism requires two active cables and requires deployment control. An open-loop control system was designed to control the rotational velocities of two motors. The structural stiffness of the truss was assessed by static analysis that considered the effects of the constraint condition and the pre-stress of the passive cables. A 4.2-metre demonstration model of an antenna was designed and fabricated. The geometry and the deployment behaviour of the double-ring truss were validated by the experiments using this model.     

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。     

考虑压电耦合的空间充气展开结构频响特性分析

着眼于利用柔性压电元件获取空间充气展开结构的动力学特性，文章基于通用有限元软件ABAQUS，建立考虑压电耦合的空间充气展开结构频率响应分析方法，依次进行非线性充气预应力分析、模态分析和频率响应特性分析。以空间充气杆为例，分别利用有限元仿真和地面实验的方法得到其频响曲线，两者共振峰频率偏差小于2.3%，验证了充气展开结构有限元仿真方法的有效性。研究结果可为进一步分析空间充气展开结构的动力学特性和实施结构优化设计提供参考。     

航天器材料空间环境适应性评价与认定准则研究

航天器材料空间环境适应性是指航天器材料适应空间环境的能力,同时又是航天器系统级空间环境适应性的基础。确保航天器材料空间环境适应性是航天器研制初期重要环节。文章首先介绍了航天器材料的空间环境适应性类型;其次列举了材料空间环境适应性评价试验标准体系;然后分析了空间环境适应性评价手段与认定准则,包括选材阶段的评价试验、采购和使用阶段的验收试验以及空间环境适应性的认定。文章对我国航天器材料空间环境适应性评价与认定工作提出若干建议,为航天器材料选择和空间环境适应性控制提供参考。     

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。     

宽带相控阵馈源可展开反射面天线研究

为满足星载高增益天线的应用需求,本文设计了一种带有相控阵馈源的伞状可展开反射面天线。首先介绍了反射面天线可展开机构的原理及设计,由碳纤维天线肋和金属编织网面组成反射面,在高精度可展开机构的动作下实现其收拢和展开,从而大幅减小其收藏包络尺寸。对于直径为1.14 m的可展开反射面天线设计了宽带相控阵馈源,采用金属Vivaldi天线作为相控阵单元,根据极化方式、焦径比和扫描范围选择排列成双极化矩形阵列,使可展开反射面天线在8～16 GHz内实现二维波束扫描,通过电磁仿真进行验证,仿真结果表明,宽带相控阵馈源能够有效地增加可展开反射面天线的视场,反射面天线在8 GHz、12 GHz和16 GHz时扫描到0°的增益分别是38.03 dB、40.65 dB和41.48 dB,扫描到+3°的增益分别是37.68 dB、40.68 dB和41.09 dB。     

空间辐射环境工程的现状及发展趋势

空间辐射环境是航天器在轨运行所面临的重要环境要素之一,因其诱发的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应、内带电效应等既可引起航天器材料、器件、结构等在轨损伤、性能退化甚至失效,然而又可以利用其开展空间育种等活动。文章从空间辐射环境与模型、空间辐射效应及机理、空间辐射环境与效应试验的评价标准、空间辐射环境效应试验方法、空间辐射环境与效应地面模拟试验设备、空间辐射环境与效应数值模拟、空间辐射环境与效应飞行试验及抗辐射加固技术等角度对空间辐射环境工程的现状进行了评述,进而提出了空间辐射环境工程各个领域的发展趋势。     

大挠性空间桁架结构的动力学建模与仿真研究

对航天器结构中常用的一字型空间桁架,基于建立的普通式和拉索式空间桁架结构简化模型,用有限元法建立空间桁架结构模型,分别对两种空间桁架结构的模态特性、谐响应和瞬时激励响应等动力学特性进行了仿真研究,分析了拉索式空间桁架结构的弦张力对桁架结构振动特性的影响。研究较好地模拟了大挠性空间桁架结构的动力学特性及其在外太空的真实工况,有一定的参考意义。     

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。     

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。     

空间机构集成技术的发展及建议

空间机构集成技术对空间机构的可靠性至关重要。随着大型桁架展开机构、大面积柔性太阳电池阵、长寿命高性能伺服机构、大型空间机械臂、空间智能探测器等新型部件的出现,对空间机构集成技术提出了新的要求,使得空间机构集成技术日益成为制约空间机构技术发展的难点之一。文章对目前空间机构集成技术的现状和发展需求进行分析,指出重点发展的方向并提出发展建议。     

A slotted waveguide array antenna from carbon fibre reinforced plastics for the European space SAR

This paper deals with the design of a Synthetic Aperture Radar (SAR)-antenna for the proposed European Remote Sensing Satellite. Electrical performance requirements and geometric constraints impose stringent conditions upon structural configuration and mechanical tolerances. A slotted waveguide array antenna is presented in a deployable configuration. It is composed of 5 radiating panels, and a foldable truss structure. Carbon fibre reinforced plastic material is used for structural elements and waveguides.     

A space station experiment on large antenna assembly and measurement

The large assembly antenna in space can meet future requirements of both high frequency and large aperture. This paper proposes an experiment on assembling a large antenna at the Space Station, and discusses a realizable procedure of the experiment. The objective of this experiment is that a large antenna of a 10-m diameter is assembled in space and at the same time problems occurring in the assembling process are clarified by conducting the following experiments: assembly of test articles by manipulators, measurement of both mechanical and electrical performance of the assembled antenna, test of the pointing control system, and operational test. In the operational test, the weather radar development test and the large aperture microwave radiometer development test are conducted. Furthermore, the problem areas and items of further study are discussed in this paper.     

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。