空间可展开天线铰链热变形分析与试验验证

在轨热变形是影响空间可展开天线精度的关键因素之一,因此,空间可展开天线结构的在轨热变形分析具有十分重要的意义。随着空间探测任务要求的不断提高,铰链热变形对空间可展开天线指向精度的影响已经不可忽略。以某空间可展开天线的根部铰链和臂间铰链为研究对象,建立其有限元模型,计算铰链主弯方向和侧弯方向在温度每变化10℃时相对角度的变化。基于高低温箱和电子经纬仪构建铰链精度测试系统,开展铰链热变形试验。试验结果表明:根部铰链和臂间铰链在主弯方向和侧弯方向呈现纯结构热变形特性,仿真结果与试验分析结果基本一致,验证有限元模型和试验分析方法的正确性。根据铰链主弯和侧弯方向角度相对变化,评估热变形对铰链变形的影响。该建模和试验分析方法可为同类型空间可展开天线设计、分析和优化及类似可展开机构精度影响因素的分析提供参考。

太阳同步对日定向卫星的测控天线布局设计

对日定向姿态卫星在轨没有固定指向地球的一侧,若采用在卫星对天面和对地面反向对称各安装一副测控天线以实现准全向覆盖的传统布局设计,在测控弧段中地面站方位跨越测控天线组合方向图干涉区的过程中,测控链路极易受到该区域天线增益的剧烈波动而出现链路中断,从而对测控任务产生较大影响。太阳同步轨道具有轨道平面和太阳矢量保持相对固定夹角的特性,若运行于太阳同步轨道的卫星采用对日定向姿态,则可利用该轨道特性,结合我国地面站主要位于北半球的特点,通过优化测控天线在星上的布局,减少测控天线干涉区对测控链路的影响。通过仿真分析给出该设计的具体实现过程,并给出不同轨道高度和降交点地方时对应的测控天线推荐安装角度,可为运行在太阳同步轨道上的对日定向姿态卫星提供测控天线布局参考。

激光通信中光学天线的隔离度研究

伴随激光通信组网和轻量化的需求以及收发一体化模式的普遍应用,实现光学天线发射和接收之间的高效隔离至关重要,为此文章对同轴天线与离轴天线的隔离度进行了研究。首先采用Code V光学设计软件分别设计了1550 nm波段的同轴天线和离轴两反式天线,视场角为±1.5 mrad,接近衍射极限;再根据杂散光散射模型,利用分析软件进行光线追迹,模拟出隔离度;然后分别研究了在同轴天线次镜中心放置遮拦来规避开孔风险,以及在离轴天线中调整离轴量和曲率半径的方法,使同轴和离轴天线的隔离度分别提升至−69 dB和−89 dB。结果表明,上述方法均能够有效提升光学天线的隔离度。

一种Ka频段双频圆极化天线的设计

面向Ka频段高通量卫星对天线的需求,本文设计了一种Ka频段双频段圆极化微带缝隙天线,天线单元由不对称U形贴片和开矩形槽的接地板组成,采用微带线侧馈供电,通过微带线开凹槽实现双频带,加载一对支节和贴片开槽实现圆极化。仿真结果显示,低频段的-10dB阻抗带宽为28.33GHz~30.61GHz,与对应3dB轴比带宽重合度为50.5%;高频段的-10dB阻抗带宽为35.44GHz~38.38GHz,与对应3dB轴比带宽重合度为100%。该天线具有结构简单,圆极化性能良好等优点。

大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究

在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击,这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应,选用ANSYS/AUTODYN有限元软件,建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型,模拟天线展开锁定时遭遇2.5 mm~7.5 mm的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑1.0 km/s~15.0 km/s的撞击速度和不同撞击位置工况下,天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明:空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段,撞击点越靠近天线形心,结构响应越明显,结构的平均变形越大;随着撞击速度增大,可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势,当撞击速度大于12.5 km/s时,天线受撞击的影响区域逐渐缩小;空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视,可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。

基于介质夹层卫星天线罩的设计和应用研究

本文从卫星天线罩的设计要点出发,逐步分析总结介质夹层卫星天线罩的结构设计、夹层设计、分块设计、接缝设计等各个环节。对于接缝设计这一关键难点,主要从分块、搭接、接缝调整等方面进行剖析,总结出了接缝设计优化的方法与思路,最后通过应用案例,对介质夹层卫星天线罩的设计要点进行实证分析。

热解碳基泡沫结构应用于热真空吸波箱技术研究

针对卫星通信系统考核用热真空吸波箱对结构吸波材料的需求,文章采用前驱体法和热解工艺制备了以热解碳为基体的轻质泡沫结构吸波材料。性能测试结果表明:该材料不仅适用于高真空、高低温循环热真空吸波箱环境,而且具有适合尖锥型高效吸波结构设计的宽频带、宽温域高介电损耗的电磁特性。在此工作基础上,以开展无源互调(PIM)吸波箱研制为例,分别建立电磁波室温远场平面波照射仿真模型和吸波箱内宽温域电磁波近场球面波照射仿真模型。综合两模型仿真结果,确定了该吸波材料尖锥+底板结构的具体尺寸。结果表明其吸波性能满足国军标的考核要求。

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。

模块化可展开天线支撑结构设计与力学特性研究

为满足空间可展开天线大型化、高精度、高刚度发展的迫切需求,提出一种模块化空间可展开天线支撑结构新构型,并对其进行了力学特性研究。首先,基于机构学基本理论,开展了天线总体结构方案设计和结构详细设计,建立了由19个六棱柱模块组成的模块化可展开天线三维模型。其次,根据压杆稳定理论,建立了天线支撑结构静力学分析模型,得到了拉索预紧力的取值范围。再次,建立了天线结构动力学分析模型,进行了模态分析,开展了固有频率影响因素及灵敏度分析与研究。最后,研制了一套天线支撑结构原理样机,并进行了展开功能试验与验证。研究结果表明:预紧拉索对结构刚度的影响较大,配置预紧拉索后结构刚度提高了约2.01倍;固有频率对杆件材料密度和弹性模量、弦杆及斜腹杆尺寸参数较为敏感;研制的原理样机展开平稳、顺畅,验证了结构设计的正确性。研究结果为模块化可展开天线的基础研究及工程应用提供了理论参考和技术支撑。

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。

一种星载伞天线展开机构研究

天线展开机构使用动力绳在天线展开和收拢过程中易出现动力绳松弛、脱槽现象。以星载高精度伞状天线展开机构为研究对象,分析天线展开机构的工作原理;利用解析法获得展开机构的运动方程,结合天线展开机构运动部件结构参数,得到天线展开过程中展开机构动力绳的松弛规律;建立以展开机构结构参数为设计变量,以动力绳松弛量最小为目标的展开机构结构优化模型,通过模拟退火法进行求解,得到优化的展开机构结构参数;通过优化前后的展开机构展开、收扰功能试验,对机构工作时动力绳的松弛量进行测试,并对优化的展开机构正确性进行验证。结果表明:优化后的展开机构动力绳松弛量较优化前降低了90%,优化效果显著。

三维工艺在军工行业数字化制造中的应用

基于三维模型开展工艺设计,实现基于模型驱动的设计、工艺及制造的全流程贯通,是军工行业各类装备研制模式发展的重要内容,对于提高研制质量、缩短研发周期、减少设计差错具有重要意义。本文分析了军工行业复杂装备研发过程中存在的问题,结合复杂装备的研制特点,提出了三维工艺系统架构方案,并深入研究了三维工艺信息的多维表达方法、模型驱动的结构工艺协同、基于PBOM的装配模型重构等关键技术,实现了装备三维结构设计、工艺及制造的全流程贯通及工程应用。

面向航天器表面静电放电检测的柔性天线传感器设计

航天器在轨运行时其表面会与空间等离子体和高能电子相互作用而产生静电放电(ESD)效应,威胁航天器在轨安全。文章基于航天器静电放电产生的电磁脉冲信号频谱特性,设计一种柔性平面等角螺旋天线与阿基米德螺旋天线相结合的柔性天线传感器,其电磁脉冲感知本体直径为144 mm,厚度为0.35 mm。ANSYS HFSS软件的仿真结果表明:在天线弯曲半径分别为0和150 mm条件下,在50 MHz~3 GHz频带,电压驻波比(VSWR)均小于2,说明天线辐射性良好。对柔性天线传感器的ESD检测性能进行实测,结果表明该柔性天线传感器在弯曲前后均能有效接收到电磁辐射脉冲信号。该研究可用于航天器静电放电检测,具有实际工程意义。

一种低轨通信卫星单天线馈电链路切换方法

提出了一种基于星上路由策略的低轨通信卫星馈电链路切换优化方法,采用单馈电天线设计,在馈电链路切换过程中根据路由算法动态调整业务传输流向。通过星间链路,利用相邻卫星馈电链路实现本星馈电业务传输不中断,有效降低了馈电载荷的质量、功耗及成本,并提高了天线使用率。此优化方法对低轨通信卫星馈电载荷设计、承载网路由协议设计以及星座系统网络设计具有减轻质量、降低成本、简化设计等借鉴作用。

中继卫星天线指向控制策略研究

首先根据中继卫星系统中中继卫星跟踪用户星的要求,定义了中继卫星天线坐标系,推导出了中继卫星天线对用户星的跟踪规律,通过该跟踪规律可以推出中继卫星跟踪用户星时天线方位和俯仰轴转角,为了保证中继卫星与用户星之间的通信,中继卫星单址天线需要精确的指向用户星;然后详细描述了天线指向控制概念,并且设计了星上自主控制方案,星上自主控制方案由捕获和自动跟踪模式组成,一方面设计了天线捕获过程,另一方面对自动跟踪模式的天线步进逻辑进行了合理选择;最后根据推导的跟踪规律,以不同轨道的用户星作为跟踪目标,对所设计的天线指向控制系统进行了数学仿真,并且通过对仿真结果的分析验证了中继卫星单址天线指向性能。

星载高精度环形网状天线设计方法

星载环形网状天线的质量小、型面几何精度好、结构刚度高,代表了现有大型可展开天线的先进水平。随着天线工作频率的不断提高,对型面精度提出了越来越高的要求。文章首先介绍了基于高精度环形天线组成和结构系统力学设计思想,讨论了实现高精度设计的基本原理。然后详细分析了高热稳定双层张力网对称设计方法和基于椭圆展开桁架的高精度设计方法,对称布局优化了网面系统的张力分布和系统刚度,能够提高网面抵抗热变形的能力。椭圆展开桁架保证了所有节点都在硬点上,能够提高系统的结构稳定性。椭圆结构有斜切和竖切两种方式,斜切方式实现了任意的角度旋转,所以能够选出较优的节点组合。

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20 m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。

双层环形可展开天线机构设计与力学分析

为解决超大口径可展开天线机构的轻量化、高刚度设计问题,提出一种由弹性铰链驱动的双层环形可展开天线机构.建立天线结构的静力学分析模型,得出结构中杆件与拉索的相互影响关系,推导出对角拉索预紧力的取值范围.基于建立的双层环形可展开天线结构动力学分析模型,对比分析前6阶振动频率及其相应的模态振型,与无拉索相比,通过对角斜拉索刚化可以将结构刚度提高1.2倍.分析结构参数对结构振动频率的影响规律,基于振动频率影响因素的灵敏度分析,得出增加双层环形可展开天线机构中的横杆截面面积和斜拉索的截面积,减小纵杆截面面积是提高双层天线结构振动频率的有效措施.

模块化抛物面折展机构设计与优化

抛物面天线作为卫星上重要的功能组件,是实现遥感测量和无线通信等功能的基础。为了解决模块化抛物面天线折展机构构型设计与刚度匹配困难的问题,提出一种基于剪刀机构的肋单元折展机构的构型方法,并设计了肋单元折展机构。通过运动学分析,验证了该机构通过参数的修改,可以实现同一折展机构展开状态包络不同抛物面拟合球面。给出一种包络锥法实现多模块折展机构展开过程的求解思路,为可转动肋单元的运动副配置提供依据。构建多模块折展机构的有限元模型,以提高固有频率和降低整体质量为优化目标,对肋单元折展机构的构型参数进行优化。采用非劣排序遗传算法完成优化迭代计算,得到具有高刚度、轻量化的折展机构设计参数,在相同条件下优化后调和平均固有频率提高了67.4%,天线整体质量下降了35.2%。

星载天线双轴定位机构指向精度分析

以星载天线双轴定位机构为对象,分析了其指向精度的影响因素,从传动误差、测量误差、安装误差以及热变形误差等方面,研究了各项精度影响因素的分析模型和计算方法,建立了指向精度的分析模型,并以某一天线双轴定位机构为例进行指向精度分析。