周边桁架式展开天线几何布局优化

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1、万方数据第24卷第2期20011年3月空间科学学报aHlNESEJOURNALOFSPACESCIENCEV01．24．No．2Mar，2004周边桁架式展开天线几何布局优化+罗鹰段宝岩(西安电丁科技大学机电工程学院西安7l0071)摘要v牛A讨论了某新型周边桁架式展井天线拉索乐统的市局优化殴计问题将天线拉索系统的卜、r悬索数黾，以及中间调节索数量作为、殳计变量，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犁．通过数值算例汪明．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．关键词展开天线；拉索系统；布局优化

2、引言随着科学技术特别是航天技术的飞速发展，卫星天线技术也发生了很大的变化，周边桁架式展开天线的应用越来越广泛．这种天线结构是一种拉索预应力结构㈠它通过拉索引入预应力，使天线能够有效地提高承载力，控制结构变形，降低天线结构重帚图1为某新型周边桁架式展开天线的结构示意图．1998年，阿斯特罗为休斯公司制造的幽拉雅通信卫星卜的网状展开天线采用的就是这种结构形式．发射前，天线可折叠成圆筒状，直径只有13In，长3．8m，完全展开后形成鼓形结构，直径可达到12．25m．虽然这种天线具有结构简单、压缩比大、结构重量轻等优点，但由于其反射曲晦完全由拉索系统分段拟合而成，因此这种天线不能像面天线那样通

3、过将反射面加工成比较理想的抛物面来提高天线的精度．也就是说，这种天线与理论反射面之间在设计之初就存在原理误差．为了减少没计误差，提高原理精度，可以通过增加天线上(前)、下(后)网悬索数，以及中间调节图l某周边桁架式可展开大线结构图Fig1Thenewnexibled。ployable如teⅡna+总装备部“卜元”重点预研项目资助2003—0l一26收到原稿。2004-0l—06收到修定稿万方数据2期岁鹰等；周边桁架式展开天线几何布局优化133索数嚣来解决．但是，随着拉索数量的增加，天线重量也会随之增加．而航天技术(人造卫星、火箭以及航天飞机等)对结构重量的要求又十分严格，卫星的重量每减

4、轻1kg，运载的火箭就可以减轻500kg．既要保证天线设计精度，又耍减轻天线重景，这就给天线拉索系统的设计提H{了新的要求．目前，关于天线结构设汁问题的相关文献比较多_lj_pJ，但针对拉索系统的布局优化研究还比较少．本文将优化设计思想应用之，在满足天线设计精度的约束条件下，对天线拉索系统布局进行最优化设计．2设计变量的确定星载展开天线拉索系统的设计包括两个阶段，即天线反射面原理精度的几何设计阶段和结构力学性能设计阶段．本文只考虑第一阶段，即天线反射面原理精度的几何设计阶段，主要基于天线刚面的几何形状精度对天线上、下悬索及中间调节索的数量，以及它们的布局进行优化设计，使其在满足展开天线

5、反射面精度要求的前提下最终得到使结构重量最轻的拉索最佳布局．根据天线反射面到中心体的距离与反射面的工作效率成反比的特点，对天线反射面的不同区域常常规定不同的精度要求．例如，反射面的边缘部分的精度比较低，中间部分的精度比较高．因此，在优化设计时可将反射面沿径向分为两个部分，也就是离中心体近的部分和远离中心体的部分．在设计中，对离中心体近的部分反射面可适当提高其精度，反之，对远离中心体的部分可适当放宽其精度要求．这样，一方面可以降低天线制造难度和成本，减少T程造价，另一方面可以提高天线效率，使设计更为舍理．图2为周边桁架式展开天线拉索系统俯视图，本文沿径向将反射面分为两部分，分配比例可以根

6、据具体设计要求而定．然后，分别对两部分抛物面沿径向等分为m-和m。份，此时沿抛物面径向产生2个设计变量，分别为两部分反射面中每段的长度，记为z和Ⅳ，且有下列关系：o=Ll／ml，可=L2／m2其中，L1和上2分别为两段抛物面的径向长度，且满足关系式L，+L2=L沿径向的总长度，m-和m。分别为L-段抛物面与L。段抛物面的等分数目．将参数m，和m2作为设计变量．中心圆筒图2天线拉索系统俯视示意图Fig2Theplanformofcablenet(11L为反射面同样，可以万方数据134空间科学学报24卷另外，反射面的精度还与沿反射面圆周调节索的分布密度有密切联系，因此可得到第3个设计变量z

7、，它表示沿圆周各调节索的分配圆J爿角度，且满足下列条件：kZ=360。其中，≈为天线沿圆周方向的等分数目．同样，可以采用参数％作为设计变量．最后，根据上述3个设计变量，可咀确定出在满足天线反射面精度要求的条件下，所需天线调节索的最佳数量及它们在天线结构中的最佳分配布局情况．3拉索系统原理精度的确定图3为展开天线拉索系统的布局结构示意图．由图可见，天线的反射面是由从中央圆筒均匀向外辐射的拉索系统形成的．图4为一组曲面拉索，图中清楚地表明了天线曲面