复环桁架可展天线设计与力学分析

《复环桁架可展天线设计与力学分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、载人航天2011年第2期工程技术复环桁架可展天线设计与力学分析关富玲1，2(1浙江大学建筑工程学院徐彦22浙江大学航空航天学院)摘要为了实现更大口径的展开天线，现有的单环周边桁架天线容易出现面外刚度不够，有必要进行改进。利用剪式铰展开单元，提出复环桁架天线结构方案，与已有的方案进行设计参数和工程可实现性比较。推导了剪式铰展开单元的刚度矩阵，进行剪式铰桁架天线结构的力学分析。利用广义逆矩阵理论，提出了一种切实有效的数学算法并构造了约束方程及其雅可比矩阵，能够有效地跟踪大型可展杆系结构的复杂运动。进行剪式铰桁架天线的展开过程分析，验证了其可展开性。关键词桁架天线剪式铰单元静力分析展开分析分类号v

2、414．19文献标识码A文章编号1674—5825(2011)02一0024—061引言随着航天事业的发展，空间可展天线在各类工程试验卫星和应用卫星中得到广泛应用。随着对地观测、天基雷达和移动卫星通信等空间应用领域的迅猛发展，对大口径和超大口径空间可展天线的需求越来越迫切。由周边环形桁架、前索网、后索网、竖向张力索、金属反射网、驱动装置等构成的周边桁架式可展天线已成为各国竞相研究的重点f1．訇。周边可展桁架在驱动装置的作用下，展开到位后，前索网、后索网、竖向索在内部预拉力的作用下达到平衡位置，构成天线所需的抛物面型面，金属反射网附着于方案1前索网完成电波反射任判n。这种天线具有收缩比大、重量

3、轻等优点，是空间可展天线大型化发展的理想形式。罗鹰等M对周边桁架式展开天线的几何布局优化，形面调整进行研究。赵孟良等阳利用广义逆矩阵理论对周边桁架式展开天线进行展开过程分析，李春贵呀U用神经网络与预测优化控制思想设计了周边桁架天线展开过程构件弹性变形及速度控制的实时智能控制系统。Z．You阁利用剪式铰单元构造了复环桁架天线，采用内外环形式，外环、内环和两者之间的连接构件都采用剪式铰结构，给出了三种不同的几何构造方案(图1)。图中每个线段代表—个剪式铰单元。方案2方案3图l已有的剪式铰复环桁架方案．来稿日期：20lo-ll—10；修回日期：20lo-12—25。作者简介：关富玲(1945．03

4、一)，女，博士，教授，主要从事大型可展开航天结构设计及控制研究工作。24工程技术载人航天2011年第2期2剪式铰桁架天线借鉴Z．You所提出的方案，提出了一种新的剪式铰桁架天线，仍采用内外环形式，外环、内环和两者之间的连接构件都采用剪式铰结构，和前述方案不同之处在于内外环的等分数为2n：3n。剪式铰桁架天线几何构造见图2(方案4)，同样图中每个线段代表一个剪式铰单元。内外环和连接构件的剪式铰单元见图3，外环剪式铰中一根梁的长度为牡，，内环剪式铰中一根梁的长度为丝，，铰节点在梁的中点。图2剪式铰桁架天线I方案4lBD=连接构件剪式铰中一根梁的长度为￡。也：，铰节点不在梁的中点。内外环和连接构件

5、的剪式铰单元中两根梁的夹角都为口。考虑节点板尺寸，推导剪式铰天线的几何关系。外环、内环的节点板尺寸分别为o，6，由图3有A8：牡2sin孚+26，cD=加：丝lsin孚+2口(1)肋=(三l也2)sin譬+(叶6)(2)外环和内环的半径分别为尺，r，和梁长的关系如下：￡lsin导+口￡2sin孚+6R=———L，r=———L(3)sin争81n于吼n手由图2可知连接构件的水平投影长度为肋=、／(rcos0[1坷cos吃)‘+(rsi眦l胡sin％)‘(4)式中％，a：分别为A曰，CD对应的圆心角。式(3)代入式(4)得D外环令P=Ⅻn手+6Q毛lsin争+口简化式(2)和式(5)有图3内外环

6、和连接构件的剪式铰单元(6)BD=P+Q连接构件(5)联立上网式得(≠≯o峨jo。吗)2“2Pc。s鲁．2Qc。粤)2．q‘．％‘Z、Z龇1丁乱1彳：(P+Q)2(9)可得s。㈥怕：㈣婶o(10)(7)式札。<等)2心。：争l，(8)s1叮载人航天2011年第2期工程技术垆一[2竺}!竺争+8cos}os鲁斗2]‘．q．鸥Z吼。彳龇nFs，=(兰塑)2弛。孑}1．％‘sln子-求解上式可以确定￡。肛：，进而根据天线外环口径、高度和等分数计算得到天线的所有几何尺寸。设计的剪式铰桁架天线，外环口径为3．5m，高度为1．2m，环向等分为12边，内环高度为1．21m，连接桁架尺寸为O．558m。周边

7、桁架天线的工作状态见图4，其中红色线段表示张拉索。图4中的天线没有包括索网反射面。图4周边桁架天线示意图将该结构方案与Z．You提出的三种方案进行参数比较(表1)。由比较结果可知，新方案的连接桁架投影尺寸比较小，内外环高度相近，因而折叠高度不高。内外环和连接构件的杆件长度相近，杆件数和节点数适中，适合于构造复环桁架天线。表l方案的参数比较方案连接桁架内环折叠杆件杆件数节点数质量投影尺寸高度长度(m)l0．72