星载环形天线动力系统传动效率研究

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1、第1期冯涛等：星载环形天线动力系统传动效率研究桁架为其展开提供动力。环形可展开桁架的可靠展开及其动力设计是环形桁架式可展开天线设计的重要内容。目前，国内外针对环形天线展开过程的研究主要集中在两个方面：一是动力学建模仿真[5]，这类研究主要针对环形天线可展开桁架支撑杆件以及展开铰链之间的动力学关系；二是考虑索网系统张力与展开动力之间关系的建模仿真[6]。上述研究均未考虑桁架展开驱动和动力传动的问题。在环形天线展开过程中，摩擦对展开动力学影响较大，可以应用广义逆矩阵方法进行铰链黏性阻尼和绳索滑轮摩擦对环形天线展开过程的影响研究[7]，但没有分析摩擦对

2、展开动力的影响。本文采用解析法对环形天线桁架单元数、驱动绳索摩擦系数等影响环形天线动力系统驱动绳索动力传动效率的因素进行分析，给出环形天线动力系统设计需要考虑的设计内容。2环形天线展开机构环形桁架式可展开天线的桁架为多个相同的平行四边形单元组成的环形结构，平行四边形单元对角线杆件为套筒式可伸缩机构，四边形各边的杆件通过铰链相互连接，驱动绳索绕过滑轮贯穿于桁架所有单元的斜杆中，如图1所示。初始时桁架处于收缩状态，各四边形的对角线处于最长状态。由于平行四边形具有改变其对角线长度从而实现四边形收缩与展开的功能，因此天线展开过程中通过电机牵拉贯穿于斜杆内

3、的驱动绳索使各四边形单元的对角线斜杆缩短，实现单元由收拢状态运动至展开状态，进而驱动桁架整体结构的展开[3]。须指出的是，各四边形单元之间通过铰链相互连接组成的桁架运动自由度并不唯一。为了使桁架展开过程具有唯一性，增大展开过程的稳定性，在三杆连接处的旋转铰中加入同步齿轮约束，即可保证相邻四边形单元的展开具有同步性，进而保证桁架系统展开过程中总自由度唯一。环形天线展开过程中，绕过铰链滑轮贯穿于桁架所有斜杆中的驱动绳索为天线展开的唯一驱动源口]。理论上，同步转动铰链能够保证桁架展开过程中相邻四边形单元的展开角度保持一致，进而使得结构整体同步展开。然而

4、，地面试验研究发现，驱动绳索与滑轮之间的接触摩擦力使得驱动力在传递过程中发生变化，导致桁架各四边形单元按照距离驱动电机由近到远的顺序依次展开，这种不同步现象使得展开过程中杆件发生较大变形，如果不加以控制极易发生杆件折断，从而导致机构展开失败。因此，有必要对环形天线展开动力系统的传动效率进行深入研究。VJa)环形桁架及驱动绳索驱动绳索，／N步齿轮(hJ#j梨单元图1环形天线桁架示意图Fig．1Schematicdiagramofperimetertruss3传动效率对展开动力的影响3．1传动效率与驱动绳索最大张力的关系驱动绳索通过铰链滑轮改变方向时

5、，驱动绳中传动的驱动力大小会发生变化。驱动力变化主要是库仑摩擦引起的，主要是由于摩擦力引起的能量损耗[7]。同时，驱动绳索通过滑轮引起的力及力矩的变化可根据虚功原理进行表述[8]。为了对驱动绳索经过滑轮后驱动力的变化进行深人分析，引入传动效率的概念。通过环形天线展开过程分析可知，图1中相邻两个四边形单元内驱动绳索张力满足如下关系。TT。一l一卫+S。1(1)叩式中：丁一。、T。分别表示距离驱动电机较近、较远一侧的四边形单元内的驱动力大小，5。一。表示索网系统对桁架每个四边形单元展开产生的等效阻力，叩∈[o，1]为驱动力传动效率，m表示环形四边形单

6、元号。环形天线展开初期，索网系统处于松弛状态，因遵．钮什¨¨¨¨¨一．确绉．航天器工程25卷此对桁架展开的影响较小，此时桁架展开的阻力主要来自自身摩擦和惯性矩。随着桁架结构的展开，索网系统由松弛状态逐渐展开至张紧状态，其对桁架展开的阻力急剧增大。假设此时索网系统对每个四边形单元的展开阻力S。一。相同，均用S表示，则距离驱动机构最近的四边形单元中绳索的张力可以表示为CT1一S+兰+号+⋯+÷(2)r／叩。叩i1式中：行为环形天线的桁架单元数，一般取不小于6的偶数。由于驱动绳索从驱动机构进人到桁架时同样存在一定的能量损耗，因此驱动机构内部的驱动绳索的

7、张力为环形天线驱动绳索的最大张力，其与距离电机最近的四边形内绳索张力之间的关系可以表示为Tm。。一互(3)伽式中：Tm。；表示环形天线驱动绳索的最大张力，r／0表示驱动机构与距离电机最近的桁架四边形之间驱动力的传动效率。将式(3)代人式(2)，可以将驱动绳索的最大张力进一步表示为丁一兰!!二拦!f4)‰“r／o矿721(1一r／)”7由式(4)可以看出，环形天线展开过程中驱动绳索的最大张力与驱动绳索驱动力传动效率成指数关系，是影响环形天线展开驱动力的关键因素。3．2分析及试验验证以30边环形天线为例，对环形天线展开驱动绳索最大张力与传动效率之间的

8、关系进行研究。图2给出了驱动绳索的最大张力随传动效率的变化规律，由图2可知，环形天线驱动绳索的最大张力随传动效率的提高而显著降低，二者呈