薄膜天线支撑杆展开机构的研制

摘要

随着宇航事业的高速发展，出现了各种各样的天线来满足各种不同的工程需要。薄膜天线作为一种重量轻、柔性大的天线，在国防、航天、航空等方面有着重要意义。薄膜天线在航天器发射时紧密卷曲收藏在有效载荷舱中，在轨释放后，通过所研制的展开机构驱动天线的支撑杆沿预定方向展开，拉动整个天线阵面结构展开，再利用支撑杆自身结构特点实现薄膜天线在轨成型。
　　本文立足于国内自主研发的豆荚形碳纤维支撑杆，研制了一套用于薄膜天线的可展开机构，所研制的展开机构具有结构巧妙、控制可靠、轻量化等一系列的优点，为薄膜天线展开提供了高效、高可靠性的解决方案。
　　首先，基于展开机构功能和技术指标的基础上，通过方案论证，确定最佳方案，阐述了展开机构机械系统的总体配置和工作原理，并对展开机构的机械传动部分和辅助支撑机构进行了详细设计，最后确定了展开机构的极限位置，以及设计了机构与支撑平台、豆荚杆、阵面等机械接口。
　　其次，根据设计完成的机械系统，基于力学原理和方法，对展开机构进行力学分析，通过转速和转矩的参数计算，选择传动元件，保证机构的正常运行；对机构中的关键执行件进行静力学分析，保证机械性能在许可的范围内，使之可以顺利地完成规定的动作。
　　然后，研制了薄膜天线豆荚杆展开机构的控制系统。由于展开机构对位置和速度同步性要求都非常高，选择位置闭环伺服控制方式。设计了包括控制器面板或上位机调试控制单元、控制系统核心微控制器单元及伺服控制单元在内的控制硬件；在硬件的基础上设计了上位机和控制底层的软件系统，该控制系统能够控制展开机构的完成滚筒正转、展臂、收臂、滚筒反转四个运动过程。
　　最后，搭建了薄膜天线支撑杆展开机构的试验系统。实验表明，所研制的薄膜天线豆荚形支撑杆的展开机构能够灵活地展开和收藏豆荚杆，能够拉平和鼓起豆荚杆截面，达到了展开后阵面的平面度要求和系统的刚度要求。说明了本文研制的薄膜天线支撑杆展开机构有很高的应用价值。

目录

薄膜天线支撑杆展开机构的研制

DEVELOPMENT OF DEPLOYMENT MECHANISM FOR CFRP BOOMS

OF THE MEMBRANE ANTENNAS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外在可展开天线结构的研究现状及分析

1.2.1 网状可展开天线结构

1.2.2 薄膜形可展开天线结构

1.2.3 板状可展开天线结构

1.3 主要研究内容

第2章 展开机构机械系统研制

2.1 引言

2.2 概述

2.2.1功能概述

2.2.2 机构功能和技术指标要求

2.3 构型方案分析

2.3.1 构型一

2.3.2 构型二

2.4 机械系统的总体配置及工作原理

2.4.1 展开机构的总体配置

2.4.2 机械系统的工作原理

2.5 机械系统各部分设计

2.5.1 传动系统设计

2.5.2 豆荚杆辅助支撑机构设计

2.6 机械接口设计

2.7 本章小结

第3章 展开机构力学分析与关键部件校核

3.1 引言

3.2 力学分析

3.2.1原理与方法

3.2.2 展开过程力学分析

3.3 传动元件的参数设计

3.3.1 滚筒驱动参数确定

3.3.2 摇臂驱动参数确定

3.4 关键元件的强度与刚度分析

3.4.1 摇臂的校核

3.4.2 内外套的校核

3.5 本章小结

第4章 展开机构控制系统设计

4.1 引言

4.2 控制方式的确定

4.3 控制系统的硬件设计

4.3.2 控制系统核心微控制器单元

4.3.3 伺服控制单元

4.3.1 展开机构控制功能设计

4.3.4 控制元器件选用

4.4 展开机构控制系统软件设计

4.4.1 展开机构控制软件设计

4.4.2 展开机构上位机软件设计

4.5 控制系统运行模式

4.6 本章小结

第5章 展开机构实验验证

5.1 引言

5.2 展开机构实验系统配置

5.3 展开机构的实验研究

5.3.1 天线展开实验

5.3.2 展臂和收臂实验

5.3.3 天线收拢的实验

5.4 机构安全分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢