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。     

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。     

非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法

提出一种考虑桁架柔性变形对索网平衡态影响的非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法。该方法将天线整体结构分为内部索网与外部桁架两部分,通过内部索网预张力与外部桁架变形间的不断迭代,寻找满足索网形状及张力要求的天线平衡态,以实现网状天线索网预张力优化配置的目的。相比于常规基于刚性桁架假设的预张力设计,该方法可充分计及环形桁架与柔性索网协调变形,获得高精度反射面,且该方法适用于非对称偏馈天线,可有效避免后期张力调试,节约人力物力。算例分析验证了在进行预张力设计时计及桁架柔性的必要性及方法的正确性和有效性。     

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。     

六棱柱单元可展天线结构设计

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，并简要介绍了天线的可展节点细部设计，该天线的形面精度较高，质量轻，造价低。     

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。     

“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。     

基于代理模型的QPSO算法及结构优化应用

针对复杂结构的工程优化通常涉及到高度非线性的问题,采用基于迭代的传统优化算法可能无法获得全局最优解。在此研究背景下,文章引入量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO),提出了基于克里金（Kriging）代理模型的QPSO算法,通过构建环形桁架可展天线动力学性能的代理模型,对环形桁架可展天线结构参数进行了优化设计的应用研究。研究结果表明,基于Kriging代理模型的QPSO算法计算效率较高,环形桁架可展天线的基频及最大冲击响应面非线性特征显著,并通过将计算所得到的最优解与有限元解进行对比,验证了此方法的计算精度。由此可见,此方法的研究可为复杂结构的优化设计、研制提供一定的参考。     

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。     

剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击,提高展开平稳性,降低空间可展天线收展比,梳理了可展开天线桁架机构的常见构型,提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构,并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析,结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模,分析了机构展开平稳性,结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右,具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试,验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。     

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。     

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。     

展开桁架天线热致振动数值分析

对一展开桁架抛物面天线, 利用有限元法, 建立瞬态热平衡方程, 针对空间天线和热致振动的特点, 提出温度场在时间域上收敛于正确解和稳态解的收敛准则; 利用节点温度, 模拟热动力荷载, 对天线典型节点热致振动位移和天线形面精度进行了数值分析. 研究表明, 热致振动发生在热动力荷载急剧变化的初时阶段, 合适的阻尼和结构形式可以消除热致振动; 结构的热致振动响应, 主要集中在结构固有振动特性中的各向主振动; 由热致振动引起天线形面精度误差, 呈现由急剧振动趋于静态的特性, 但初始的振动幅值较大.      

充气可展天线精度分析和形面调整

充气可展天线结构是以柔性薄膜材料制造的一种新型可展天线.对一类充气可展开天线系统进行结构设计,并相应地建立了充气结构的有限元分析模型.对充气反射面进行了精度分析,研究各参数对形面精度的影响,包括内压、膜材厚度、材料属性、天线焦距等;比较了3种实验姿态下重力对形面的影响,选择其中一种能够很好地模拟失重环境;针对特定的天线结构系统,提出了可行的形面调整新方法.分析和实验表明,调整方法能够有效提高形面精度.      

周边桁架式展开天线几何布局优化

讨论了某新型周边桁架式展开天线拉索系统的布局优化设计问题,将天线拉索系统的上、下悬索数量，以及中间调节索数量作为设计变量，在优化过程中主要考虑结构拉索系统原理精度约束，建立以结构重量最轻为优化目标，基于天线几何精度的展开天线布局优化数学模型．通过数值算例证明，拉索系统的布局优化设计对提高天线设计质量是非常有效的．     

构架天线四面体桁架单元精度分析与多目标优化设计

为了减小加工装配误差对天线桁架精度的影响,解决含随机变量的优化问题,综合考虑了杆件加工装配误差正态分布特性对精度的影响,通过最小势能原理求解得到了含杆件误差的构架天线桁架单元的平衡状态,采用蒙特卡洛方法对杆件误差变化对型面精度的影响开展了分析,得到杆件随机误差下的平均精度。为提高计算效率,建立了以杆件长度公差为设计变量、以桁架型面精度和加工成本为目标函数的代理模型,通过多目标遗传优化算法进行了公差优化设计,得到了代理模型误差小于8%的多组公差设计方案。其中平均精度最小达到了0.013mm,并且分析结果显示腹杆影响显著大于底杆。     

五面体可展桁架单元展开特性分析

为满足大型空间桁架结构太空在轨装配的需要,根据五面体可展桁架单元可以组合成多种类桁架结构的特点,设计了一种五面体可展桁架单元,发射到太空后用于桁架结构的组装。为分析五面体可展桁架单元的运动特性,利用螺旋理论对该五面体可展桁架单元进行了自由度分析;采用了D-H坐标变换方法对该五面体可展桁架单元进行了运动学分析,并推导了展开过程的运动学方程;采用拉格朗日法对五面体可展桁架单元进行了动力学分析,给出了展开过程的动力学方程。分析结果表明,该五面体可展桁架单元展开过程中自由度为1;推导的运动学公式曲线结果与Adams仿真软件的仿真结果高度吻合,能很好地描述该结构的展开运动过程;增大扭簧的刚度对展开的运动参数变化趋势没有明显影响;节点的加速度不仅与扭簧的驱动力有关,还和节点位置和速度有关。在展开后期,节点位置和节点速度对节点加速度的影响比较明显。     

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。     

高精度紧缩场的机械精度检测与电性能验证

根据天线型面精度的确定依据,建立了以半光程差为最小量的型面精度计算模型,据此编写了天线面板测调程序,对高精度紧缩场的型面精度进行了检测,并采用自由拟合的方法对馈源进行了定位,通过机械精度检测,该紧缩场反射面型面静区精度达到 26 μm,机械精度达到理论和设计要求.最终的电气测试结果表明该紧缩场在26~110 GHz时具有优良的电气性能,验证了天线机械精度检测结果的正确性.该方法使机械装调效率显著提高,具有重要的工程应用价值.      

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.