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。

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。

空间可展开天线模态测试与模型修正技术

为准确预测结构的力学特性,使仿真结果精确逼近试验结果,必须对有限元模型进行修正。由于网状可展开天线的有限元模型中存在着各类结构参数且内部索网属于柔性结构,索网索段由于预张力才具有刚度,结构的这一特殊性导致模型修正困难。对3 m可展开天线样机进行了模态测试,在样机自由状态下获取了结构的模态频率和振型;针对可展开天线这种柔性复杂结构模态参数难识别、待修正参数多的特点,对修正参数进行了有针对性的选择;使用基于设计参数灵敏度型的模型修正方法对有限元模型进行了修正,缩小了样机与仿真固有频率和振型之间的误差,得到一种处理含有索网结构的模态测试流程和模型修正方法。

结构优化在空间可展开天线中的应用及展望

空间可展开天线是航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术、面向增材制造的拓扑优化与点阵填充等先进轻量化设计技术的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,着重介绍近年来结构优化技术在空间可展开天线零部件结构优化和馈源阵支撑结构概念设计中的典型应用案例;最后,考虑未来空间超大口径及高精度可展开天线的设计需求,对先进轻量化设计技术的应用前景进行展望。结构优化技术与设计经验相结合,正在推动设计理念的创新,将成为先进航天器设计的核心工具和必备的标准流程。

索膜反射面可展开天线的形态设计

为研究金属反射网和索网的张紧状态对可展开天线形面精度的影响,考虑支撑桁架变形对索膜反射面可展开天线进行形态设计研究。金属反射网可看作一类薄膜结构,由于金属反射网和索网均需施加预张力来达到一定的刚度,因此首先基于索膜结构力密度方程进行形态设计,使其在自身预张力和外载作用下达到满足要求的形状和精度;索膜结构的张拉作用会导致桁架变形,造成再平衡后索膜反射面形面精度的降低和张力分布不合理,因此,需要建立天线整体的非线性有限元模型;对天线模型进行迭代修正,最后得到满足要求的张力设计变量和天线构型。最后通过相应算例,验证了方法的正确性。

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。

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。

基于Bennett衍生机构的固面可展开天线设计

固面可展开天线因具有型面精度高和工作频带宽的优点,被广泛应用于无线通信、深空探测和军事侦察等领域。为提高固面可展开天线的收纳比、同步性和展开可靠性,文中基于Bennett衍生机构开展了固面可展开天线的设计研究。首先,提出了一种天线展开方案,设计了反射面划分参数化计算流程。其次,引入四元数将反射面的双正交旋转轴等效变换为单旋转轴,采用Bennett衍生机构驱动该旋转轴,实现固面天线的展开与收拢。该研究结论为固面可展开天线的设计提供了技术参考。

某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析

某车载6.3 m口径固面可展开天线反射体由瓜瓣面板、背架、展开机构、底座和固定面支撑梁组成。根据不同结构与可展开机构部件的特点,建立了天线反射体有限元模型,开展了模态分析、自重载荷力学分析和风力载荷分析。仿真结果有效揭示了天线反射体模态与型面精度的变化情况,指出了可展开特性带来的反射体周向刚度较弱的问题,可为后续的结构设计与机构集成提供指导。

大型网状可展开天线预张力的优化

以纵向拉索预张力的大小为设计变量,网状反射面的均方根误差为目标函数,以应力和频率为约束条件,建立了大型网状可展开天线预张力优化的数学模型,并用遗传算法对其进行了优化.结果表明,该方法能有效地提供一组预张力,使得网状天线的初始形状具有较高的表面精度,对工程设计人员具有一定的参考价值.

空间可展开天线结构的研究现状与展望

对国内外可展开天线的研究现状进行了综述,分别对固体反射面可展开天线、充气式可展开天线和金属网面可展开天线的优缺点进行了分析,然后指出了我国在可展开天线结构方面的研究进展。最后,结合航天科技的发展趋势,提出了未来可展开天线的研究方向,旨在为我国可展开天线的研究提供借鉴与参考。

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.

索网式星载展开天线结构纵向调整索数及其初始张力的优化

针对星载可展开天线的特殊要求,对索网式展开天线结构的初始设计进行优化研究。以上、下索网之间的纵向调整索数与索张力为设计变量,表面精度与纵向调整索数为目标,应力和频率为约束条件,建立双目标优化数学模型。由于传统的优化方法难以求解高度非线性的、具有混合变量的双目标优化问题,故采用遗传算法进行求解。优化取得了满意的结果,验证了模型与方法的可行性与有效性。

多模块构架式空间可展开天线背架的模态分析

为掌握多模块构架式空间可展开天线背架的固有振动特性,根据背架的结构特点,基于齐次坐标变换方法,建立了多模块背架的几何模型;运用有限元软件ANSYS建立了天线背架的有限元分析模型,利用子空间法对其进行了模态分析,得到了结构的前10阶固有频率和振型,分析了固有频率的变化规律及振型的特点;研究了结构参数对背架固有频率的影响规律,给出了提高一阶模态的方法.分析结果表明,适当增加上弦杆、下弦杆和斜腹杆的直径,减小拉索的直径可以提高背架的固有频率.该分析方法为天线背架的动力学研究及结构的优化设计提供了理论参考.

空间可展开天线展开过程轨迹与控制系统集成设计

针对空间可展开天线展开过程中冲击过大的问题,提出一种天线展开轨迹与控制系统集成设计方法。利用贝塞尔曲线合成驱动索的输入轨迹,通过天线的运动学关系表达式,可以得到天线展开过程的运动输出轨迹。讨论通过改变贝塞尔曲线控制点位置得到不同天线展开轨迹的可行性,继而为最优展开轨迹设计提供了依据。并基于天线的动力学分析,给出针对展开天线特点的控制系统设计方案。考虑展开轨迹和控制系统的耦合关系,基于优化的方法同时选择贝塞尔曲线控制点位置及控制器增益系数,达到减小天线在展开过程中所受冲击的目标。讨论优化过程中涉及的设计变量及约束方程表达式,该设计问题的求解方法,并给出了仿真步骤。结合典型算例的数值结果,说明该集成设计方法的有效性和合理性。

构架式可展开天线工作表面母线拟合方法

针对由六棱柱单元组成的构架式可展开天线工作表面与球面背部支撑桁架形状差异的问题,基于微分几何和最小二乘法,提出了一种构架式可展开天线工作表面母线的拟合方法.通过对构架式天线的类型、组成模块的结构以及球面背架与工作表面关系的分析,将工作表面由空间状态转换成平面状态,用矩形将其包络,给出了母抛物面母线方程的求解步骤.根据偏距,得到了工作表面母线的端点坐标,将待拟合曲线离散化,应用最小二乘法分析推导了拟合圆弧的计算公式.通过算例对口径相同的3种组合的天线进行了拟合,比较了3种组合的优劣,结果表明各条曲线的最大的拟合误差均小于各自的许用误差,不需要进行修正,该方法对构架式可展开天线工作表面母线的拟合具有较好的效果.

剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构设计与分析

为提高环形桁架可展开天线机构的刚度,提出了一种剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构,介绍了其具体结构及特点;对整体桁架机构进行了单元划分,将其分解为多个六面体可展单元,分析了整体桁架结构的运动过程及特点,并对六面体基本可展单元进行了结构分析与简化;基于反螺旋理论分析了六面体可展单元的自由度及运动形式,得到了其只有一个收展运动自由度的结论,最后建立了整体双层环形桁架可展开机构的仿真模型,模拟了整个双层环形桁架机构的收拢与展开过程,验证了其整体的可展性。

大型网状可展开天线的动力学与控制研究进展

随着卫星移动通信技术的迅猛发展,为了提高卫星天线增益,普遍采用大型网状可展开抛物面天线。由于该类天线具有质量惯量大、展开过程耗时长、低刚度等特点,其展开过程和在轨正常工作期间,对卫星的动力学和姿态控制有较大影响。文章首先对大型网状可展开天线的特点及其对卫星动力学与控制的影响进行介绍,然后对大型网状可展开天线带来的动力学与控制相关问题进展进行了综述,包括:大型网状可展开天线展开状态动力学建模、展开状态试验验证、展开过程动力学建模、展开过程姿态控制及在轨天线指向控制等。最后对采用大型网状可展开天线的动力学与控制研究方向进一步需深入开展的工作提出了建议。

周边式桁架可展开天线的形面调整

本文针对周边式桁架可展开天线进行了基于优化方法的网面调整。以纵向调节索调节力的大小为设计变量,网状反射面的均方根误差为目标函数,应力和频率为约束条件,建立了形面调整的优化数学模型,并用遗传算法对网面调整进行了优化、仿真。数值结果表明:基于优化方法的网面调整是可行的,对工程应用具有一定的指导意义。