大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性，保障可展天线在轨展开过程稳定性，提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先，基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后，通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模，并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后，基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明，该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值，有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。     

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。     

空间站大型柔性伸展机构的动力学仿真

本文研究了考虑构件柔性效应对空间站大型伸展机构的动力学问题，在采用柔性多体系统单向递推组集建模方法的基础上建立了任意拓扑结构的柔性多体系统的动力学方程。本文头等讨论了切割铰约束方程的建立和直接违约校正方法。数值仿真结果表明了柔性效应对空间站展开机构动力学的影响。     

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。     

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...     

大型星载固面天线热变形试验及仿真分析验证

星载天线在轨运行期间所经历的复杂温度环境,会使天线产生严重的热变形,从而对其电性能造成重要影响。文章根据大型星载固面天线热变形的特点,提出热变形试验与仿真一体化分析验证方法,并且将测试结果与数值仿真结果进行相互校验。该方法可为大型星载天线结构设计及验证提供参考。     

卫星姿轨控制对大型柔性索网天线在轨指向影响分析

文章针对星载天线大尺寸、大柔性,引起卫星姿轨控时卫星本体姿态运动与柔性天线自身弹性变形相互耦合,进而导致天线指向精度下降的问题,提出了一种计算卫星姿轨控制引起的大型柔性天线在轨波束指向偏差的计算方法。首先,结合有限元法和混合坐标法,通过理论推导,建立了卫星与大型柔性索网天线刚柔耦合动力学模型;然后,以某在轨成像卫星东西位保为例,通过有限元法对该柔性索网天线进行模态分析,得到描述天线弹性振动的模态矩阵与质量矩阵,结合天线的模态矩阵、质量矩阵及天线与卫星本体的坐标转换关系,得到天线振动相对于星本体坐标系的平动耦合系数与转动耦合系数,再与星本体的刚体运动参数组合起来,求解卫星天线刚柔耦合动力学模型,即可得到天线实际振动位移。最后,根据天线实际振动位移进行天线型面拟合,并选取其最差型面进行了天线电波束指向仿真。仿真结果表明,天线方位向的波束指向偏差最大为0.0576°,可为天线在轨指向设计提供依据。该算法同样适用于卫星其他姿轨控制工况。     

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。     

周边桁架式大型星载天线的展开可能性分析

对某周边桁架式大型星载天线的展开可能性进行了研究.在其展开运动机理分析的基础上,建立了展开机构的力学分析模型,并推导了桁架杆内力的计算式.从桁架展开要满足的功能函数出发,给出机构运动可靠性的分析模型.综合考虑尺寸误差和太空环境因素的影响,将运动功能函数视为随机变量函数,利用二阶矩法导出可靠性计算公式.最后,对机构在整个展开过程中的运动可靠性进行预测和仿真.计算结果的变化趋势与实际进程比较吻合,表明本文方法是合理的、有效的.     

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。     

星载天线指向精度建模与分析

随着天线定位机构运动日趋复杂以及对定位机构任务要求的不断提高,提高指向精度已成为星载天线机构能力提升的核心。综合考虑卫星姿态控制误差、展开机构误差、双轴驱动机构误差和反射面误差等因素,利用齐次变换矩阵得到天线指向运动学误差等式,从而得到天线指向精度分析的一般方法。以某星载点波束定位机构为例,对各误差源的影响进行了分析,...     

大型反射面的充气展开动力学研究

为了掌握大型反射面从收拢状态到完全展开状态的动力学特性,采用气囊模型和控制体积(CV)法对反射面的充气展开过程进行研究。建立了包含中心轮毂、肋板、支撑杆、薄膜圆环和张拉绳的反射面有限元模型,提出逆解法获得折叠收拢状态下反射面的节点坐标,给出了充气展开动力学分析流程,获得了恒定充气速率下展开过程中圆环充气体积、环内压力等参数与展开时间的变化规律。结果表明,采用充气技术可进行大型反射面有序可控展开,反射面的充气展开过程分初始收拢状态、解锁释放、肋板展开、保压稳定四个阶段,地面充气展开试验结果验证了仿真分析的准确性。     

星载天线反射面型面热变形影响因素分析

星载天线在轨运行时受到周期性的温度变化影响,天线反射面会发生热变形,影响天线增益.热膨胀系数是描述结构热变形的重要参数,并且会随温度变化;在进行结构热变形分析时若将热膨胀系数视为常数会给仿真分析带来误差.文章以抛物面天线反射面为研究对象,考虑热膨胀系数随温度的变化,针对ULE玻璃和M55层合板材料的反射面,仿真分析反射...     

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。     

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.     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

C频段的“推扫式”卫星扫描天线

该设计结合科研实际需求,研制了工作在C频段的“推扫式”卫星扫描天线。首先,从“推扫式”卫星扫描天线的原理出发,对所需要的环焦反射面进行了优化建模,提出一种新型扇形反射面圆角化的方案,并针对密集馈源阵进行分析。通过计算得到了馈源的位置坐标,在仿真软件GRASP中构造反射面天线的整体模型。为了使密集馈源阵的主波束满足设计指标,设计了遗传算法优化合成后的波束来实现对主波束的优化,通过改变馈源阵的幅相值以达到天线方向图的设计要求,利用仿真优化得到了C频段中心波束达到设计指标所需要的馈源阵规模。最后,对整体模型进行了加工组装。使用近场测量的方法在微波暗室中对天线进行测试,测试结果表明天线波束宽度为0.6°时,主波束效率为98.17%,大于98%,满足设计要求。     

QUASAT program: The ESA reflector

QUASAT is a joint ESA/NASA cooperative mission for a free-flying VLBI antenna to be used with the U.S. and European ground arrays. The spaceborn reflector shall have a diameter of 15 m or more and shall operate at three frequencies: 1.6, 5 and 22 GHz. These requirements are very stringent and very difficult to satisfy. The reflector proposed by the European Space Agency as part of the Quasat assessment study shall be presented. Such reflector shall use the Inflatable Space Rigidized technology under development within ESA. Results of the performances envisaged from such design shall be discussed together with the manufacturing and testing problems envisaged for such reflector. Results derived by different reflector design but using the same Inflatable Space Rigidized technology shall also be presented.     

面向大型反射面天线结构的机电综合设计与分析系统

针对天线机电分离设计的现状,研究了天线机电综合集成技术和天线组合结构理论, 并采用精确PO法分析天线远区辐射电场,建立了面天线参数化设计的层次结构,解决了由背 架、反射面和中心体等组成的组合结构网格自动划分难题,研制了天线结构分析与电磁计算 综合集成系统。实现了天线虚拟样机的参数化设计、机电性能分析与判断,可获得天线位移 云图、应力云图与电场方向图等准确的重要指标信息。该系统可用来指导天线结构设计人员 的工作,改进天线设计手段和方法,提升设计分析质量,达到缩短设计周期、降低设计成本 的目的。