大型可展构架式星载抛物面天线结构设计

第35卷第3期2001年5月

浙 江 大 学 学 报 (工学版)Jour nal of Zhejiang Univer sity (Engineering Science)

Vol.35№.3May 2001

收稿日期:1999-07-05.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(69982009).

作者简介:岳建如(1975-),男,山东临沂人,浙江大学博士,主要从事空间结构、空间可伸展结构的研究.

大型可展构架式星载抛物面天线结构设计

岳建如,关富玲,陈向阳

(浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027)

摘　要:提出了一个利用伸缩杆驱动的六棱柱展开单元,和国内外已有的设计相比,该单元可动机构数较少,展开可靠度高,结构刚度好,且具有很广泛的几何适应性,能容易地构造复杂二维可展结构,具有广泛的应用前景.利用伸缩杆六棱柱单元,设计了一大型构架式切割抛物面天线,并简要介绍了天线的可展节点细部设计杆件分类统计.该天线的形面精度较高,质量轻,造价低.最后,对天线模型进行了结构分析,说明天线具有良好的刚度.

关键词:可展天线;构架式;抛物面天线;六棱柱单元;对角伸缩杆

中图分类号:T H122;TU35;V42 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2001)03-0238-06

随着人类对宇宙探索的不断深入,超大型、高清晰度的卫星、空间站等航天器成为不可缺少的工具,由于受有效荷载仓的容积限制,世界各国相继发展了大量的大型可展航天结构,但我国对空间可展结构的研究尚处于起步阶段,有待更进一步的深入研究.本文利用拉伸弹簧构造了一个可展伸缩杆六棱柱单元,和国内外类似的可展结构单元相比,该单元在展开后所有展开机构均不需锁定,因而展开可靠度较高,且具有良好的几何适应性.利用该伸缩杆单元,文中设计了一个大型构架式星载抛物面天线,并详细地介绍了设计的各项技术参数,分析了可展天线的展开过程和结构的静力和动力特性,及结构参数的影响.结构分析表明这类构架式可展天线具有展开可靠性高,刚度好,形面精度高和造价低等显著优点.

1　结构伸缩杆六棱柱单元结构分析

如图1所示为利用弹簧伸缩杆驱动的一个四边形基本单元,周边的四根杆件是不可折叠,也不可收缩的,对角杆设计了弹簧,可以改变杆件长度.折叠状态时,结构成捆状,单元的构件相互平行.由于处于拉伸状态的弹簧收缩,引起结构的逐步展开,到达预定位置后,对角杆受弹簧外套管限制而不能继续收缩,锁定成为几何不变结构.在完全展开状态,结构杆件的尺寸限制了弦杆和竖杆的夹角.要使结构单元能完全折叠,需要满足以下几何相容条件:

l 1+l 2=l 3+l 4.

(1)

单元对角杆在整个展开过程中长度的变化,即弹簧的伸缩量,可表示为

$=l 1+l 2-l 2

1+l 2

2.

(2)

单元间的一维连接:当两个四边形单元并列连接形成一维结构时,可以有如图2所示的两种形式,设计平直的一维支架时,可以由一系列首尾相连的对角杆一起驱动结构展开或收纳,如图2(b)所示,此时,有较小的折叠体积.若对角杆平行布置,收纳时,将成一长条形结构,收纳效果不理想.上述一维单元的连接缺乏侧向稳定性,缺少实用价值,设计馈源支架或机械手等一维可展结构时,必须使用三棱柱或四棱柱单元来构造一维支架.

正六棱柱单元:如图3为利用弹簧伸缩杆驱动形成的正六棱柱可展开单元,它由如图1所示的四边形基本单元组成.上下表面的12根杆件和6根竖杆及中心杆均是普通铰接构件,不可改变长度,6根斜腹杆是

可伸缩的,且相交于一点.边上的细线表示索单元,需要提高结构的刚度时,可以用中间有扭簧可折叠杆件代替索单元.六棱柱单元可以认为由6个四边形单元和一些附加的索单元构成.完全收纳状态时,结构折叠成捆状,杆件紧密相依,由于处于拉伸状态的弹簧的收缩,驱动六棱柱单元展开.但完全收纳时,各杆件处于自平衡状态,需要外加扰动荷载来保证结构的顺利展开

.

图1　一维自适应结构图 图2　一维连接

Fig .1　Th e structur al figure of one dimensional module Fig .2　T he connected figur e of t he m

odules

图3　正六棱柱单元Fig .3　The hexahedr al module

图4　模型布置图

F ig .4　T he arr angement of the modules

利用图3所示的六棱柱单元可以方便地形成各种二维可展结构,图4所示为一种典型的模型布置俯视图,每根粗线代表一个伸缩杆四边形单元,虚线表示索单元,中心圆表示6根伸缩杆相交的节点.相邻单元采用同一根索.一个六边形虚框内有6根实线相交于一小圆,代表了图3所示的一个六棱柱可展单元.由于节点设计采用柱饺式,保证杆件绕着接头只能在所限定的一个面内转动,单元如图4布置形成结构后,根据体系分析理论,索单元不是维持结构几何不变的必要构件,但它们可以很好的提高结构的刚度.在支承点附近,利用可折叠杆件代替索单元,能得到较合理的结构.利用六棱柱单元形成的结构,具有适应性广的优点,能方便地设计成各种复杂曲面,其中最吸引人的用途是形成大型构架式可展抛物面天线,此时,上表面构成抛物面天线的反射面.

空间可展结构要求有高收纳率,能折叠成较小的体积从而可将大型航天器置于有效载荷仓中;质量轻,可降低发射成本;展开可靠度高,尽可能地降低发射风险;实用性广,可用于构造复杂可展结构,并保证所形成结构的形面精度;刚度较高,能避开姿态控制的频率段.

机构数:保证较高的展开可靠度,要减少可展结构机构数,特别是完全展开后需要锁定的机构,因为较少的机构意味着较轻的质量,机构的重量往往占整个展开结构质量的很大一部分.六棱柱单元的节点设计保证杆件只能在一个面内转动,因而相邻的四边形单元的弦杆在整个展开过程中一直保持60°角,这样就有效地减少了可动机构数,便于设计,且有效地提高了展开的可靠度.

一个六棱柱单元共含6根伸缩杆,没有其它可动机构,完全展开后,不需锁定,因而具有很高的展开可靠度.但设计锁定装置后,能提高结构的刚度和展开重复精度.而索单元(或折叠杆)虽是柔性构件,由于不是必要构件,不影响展开可靠性.

文献[1]提出的另一种六棱柱展开单元Hexapod 利用套筒作为可动结构,具有较少的机构数,但设计适应性较差,设计成抛物面时,节点复杂,且套筒滑动容易卡死,将无法二次展开.文献[4]提出的Packtruss 也是一种较有名的六棱柱展开单元,其它可用于构造二维可展结构的非六棱柱单元主要有

VLD 和SHDF truss [3]

,各模型的具体机构数以及与本文所提出的可展单元的比较如表1所示.

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