面向空间天线的TWF复合材料性能研究

利用碳纤维三向编织物（triaxial woven fabric，TWF）作为增强材料，与柔性基体材料硅橡胶复合，制成兼具一定柔性和刚性的复合材料壳膜结构，用于卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。采用复合材料细观方法，对碳纤维增强硅橡胶TWF复合材料进行了力学性能的研究。首先由纤维和基体的材料特性得到均质纤维束的材料特性；接下来考虑纤维束交织情况（起伏波动）建立由纤维束组成的单胞实体有限元模型；然后对单胞实体有限元模型进行均匀化分析，施加周期性边界条件，最终得到等效的均质材料特性；为满足天线反射器高性能需求，分析了碳纤维种类、纤维体积分数对单胞等效性能的影响规律。对该材料力学性能的研究，可以为其未来应用于大型高精度可展开天线反射器提供一定的理论依据。     

固化参数对碳纤维/环氧复合材料的性能及断口形貌的影响

本文研究了碳纤维/环氧复合材料固化成型过程中予固化温度、加压时间对其层间剪切性能及弯曲性能的影响。为了揭示固化参数对复合材料性能影响的本质,测定了不同固化条件的复合材料中纤维含量(V_f)和孔隙率(V孔);用扫描电镜分析了复合材料的断口形貌。     

碳纤维抛物面反射器的热变形测量技术和位移分析

为了解决卫星碳纤维复合材料抛物面天线的热变形问题,本文提出了利用应变片测量应变分布、然后计算位移的方法。文中介绍了将应变片应用于—180～120℃温度范围的碳纤维复合材料结构的热变形测量技术。最后进行了碳纤维抛物面天线反射器的真空冷热交变试验。     

碳纤维复合材料铺层设计工程常数的分析

复合材料结构的设计步骤是材料设计和结构设计同时或交错进行的。这与我们传统的金属材料设计步骤先选材,然后进行结构设计有所不同。为了满足对碳纤维复合材料进行结构分析,本文选用国产中强型碳纤维为增强材料,与环氧648/BF_3—MEA为基体材料组成碳纤维复合材料。测定了单向板的工程常数,并对常用的几种铺层形式进行了实测和理论计算对比。     

可控波束地球站天线

日本国际电话电报公司研制发展实验室研制的新天线是由三个反射器(一个球形主反射器和两个次反射器)及一个喇叭天线组成。除了有可控波束的特性外,新天线具有多波束成形能力、补偿机构和最佳电特性等特点。在采用通常卡塞格伦天线跟踪卫星时,必须高精度控制巨大抛物面主反射器。例如,以国际通信卫星标准 A 型地球站而言,直径约30米、重约400吨的主反射器要以高于0.01     

大型网状天线展开过程温度及展开时机分析

大型网状天线在轨展开过程复杂,风险大。反射器在展开过程中的温度影响展开动力与碳纤维管件抗弯能力,是反射器展开安全的关键因素。通过测试得到反射器展开动力的传动效率、桁架管件抗弯能力随温度变化规律,即-65℃时管件抗弯能力最好,而传动效率随温度升高而提高。通过建立大型网状天线有限元模型与节点矩阵转换算法,模拟展开臂与反射器的展开过程,对管件与T型铰链在轨温度变化规律进行分析,确定最佳展开时机,降低展开过程中展开动力不足、管件强度过载等风险。分析结果表明：布置在地球静止轨道卫星东舱板的大型网状天线展开时机为6:00~9:00时,管件抗弯能力最强;展开时机为4:00时,T型铰链展开动力传动效率最高。     

星载可展开天线研究

海洋二号卫星微波校正辐射计天线(HY-2 CRA)是高增益、低副瓣、高波束效率、低损耗的天线子系统. 其高主波束效率、低损耗等要求对天线展开精度、形面精度、测试等提出了极大挑战. 由于卫星发射整流罩结构限制, 天线采用可展开机构形式, 并用正交模耦合器实现频率复用. 天线频率分别达到18.7 GHz, 23.8 GHz 和37 GHz.为了减小天线形面变形, 保证天线波束指向, 天线反射面(包括反射面支架、馈源支架)采用碳纤维复合材料, 确保天线在宇宙空间变形尽可能小. 本文就HY-2 CRA的设计、加工、测试等进行了论述.      

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。     

卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析

卫星飞行过程中,高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境,影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究,综合考虑热—力耦合优化设计,首先,发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中,通过建立代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,由纤维热膨胀系数计算得到单向复合材料热膨胀系数;建立复合材料构件宏观模型,采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性,对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试,测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次,对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析,综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件,采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计,发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后,针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析,结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。     

HS-399卫星的特点

HS-399是休斯公司研制的双自旋低价国内通信卫星,有很多特点;设计思想着重于经济效益,适合于发展中国家使用,虽然容量不大,但电视、电话和数据传输全面发展,使用了成熟的技术。HS-399使用6/4GHz 频段(C 频段),有效载荷包括天线、旋转关节与转发器。天线是一个偏置抛物面(消旋开网天线反射器)。     

东方红三号通信卫星

东方红三号通信卫星(DFH—3)是我国自行研制的新一代中容量国内通信卫星。卫星重2260千克,星上携带24个C波段转发器,设计寿命8年,可同时传送6路电视节目和8000路电话。 DFH—3卫星的本体为六面体(见封二),圆型抛物面为通信天线反射器,     

新一代单体月球激光角反射器方案设计

设计了用于新一代月球激光测距(Lunar Laser Ranging,LLR)的单体大孔径激光角反射器,在分析当前国内外研究进展及发展趋势基础上,介绍了所设计的单体大孔径激光角反射器的整体设计方案,具体包括:角反射器的设计和月面安置方案、地面测试方案.验证结果表明:所设计的单体170 mm孔径空心角反射器,在532 n...     

星载大型柔性索网天线重力环境下的型面调试

大口径柔性索网天线在地面环境下重力变形较大,且变形与天线反射面的制造误差始终交织在一起从而影响天线型面精度调试。针对这一问题,文章给出了反射面各类误差的定义,提出了制造误差与天线口面向上和口面向下不同放置状态型面误差的相互关系并予以证明;通过对这些关系式的运用降低了反射面重力变形与反射面制造误差的耦合程度,为反射器在重力环境下的型面调试指明了方向;此外结合工程需求给出了索网天线型面调试的流程,在实际工作中利用该流程可以有效地减少天线翻转调整次数,提高索网天线的型面调整效率。     

不等径纤维混杂复合材料混杂原理

对碳化硅-碳(SiCF-CF)/环氧和硼-碳(BF-CF)/环氧2种不等径纤维混杂复合材料的混杂模型和机理进行了初步研究.建立了三角形和四边形阵列的混杂模型;分析了材料制备工艺对混杂阵列、纤维体积含量的影响.      

混杂化是改善CFRP韧性的有效途径

碳纤维复合材料(CFRP)虽然以模量高、强度高而作为受力构件材料越来越多地被应用。但CFRP性脆,韧性差,其应用在很大程度上受到了限制。若将玻璃纤维(G_纤)或Kevlar纤维(K_纤)代替部分碳纤维,即制成C/G,C/K混杂复合材料,在不太损失其它性能的前提下可以大大提高CFRP的冲击韧性[1][2]。实验证明,混杂化是改善CFRP韧性的一个切实可行的途径。     

构架式可展开网状抛物面天线反射器设计和分析

介绍了一种构架式网状可展开抛物面天线 ,它具有展缩比大 ,质量轻和频段宽等特点 ,可用作小卫星合成孔径雷达天线和其它S、L频段星载通信天线。设计天线的展开尺寸为 2 8m× 6m ,工作在S频段 ,带宽大于 10 0MHz。介绍了天线反射器的结构总体方案和关键部件的结构设计 ,同时对反射器的形面精度、热变形以及刚度等指标进行了分析计算。初步试验结果表明 ,设计方案合理可行     

三维全五向编织复合材料细观结构实验分析

对三维(3D)全五向编织复合材料的细观结构进行了实验研究,三维全五向编织复合材料是一种新型的编织复合材料,其细观结构对预测材料的性能有重要作用。采用显微计算机断层成像(micro-CT)技术得到了三维全五向编织复合材料的截面图片,通过在碳纤维试件中混编入少量玻璃纤维作为示踪纱,提高了示踪纤维束在截面图片中的的对比度。并通过三维重建得到纤维束实体模型,结合CAD技术对纤维束的横截面形状与空间走向进行了研究。结果表明:编织纱与轴纱纤维束的截面形状在材料不同区域与不同的花节高度内是变化的;在不同区域,编织纱的空间走向也是不同的;而轴纱在空间上基本保持伸直。由于编织纱对轴纱的挤压使轴纱表面产生螺旋状的压痕。      

法在和平号空间站作大型天线验证试验

法国于1988年12月中旬在苏联和平号空间站上进行衍架结构的天线展开试验。从11月开始用1个月的时间,法国宇航员利用搭乘和平号空间站的机会实施舱外活动,以便进行由法国航空空间公司研制的衍架天线(ERA)的展开试验。 ERA是由碳纤维复合材料制成的管和由轻合金制成的铰链构件所组成。它折叠后