大型空间薄膜可展开天线结构创新设计

摘要

天基预警雷达具有站位高、全天候等优势，是保障国防安全的重要装备。由于距离目标遥远，雷达发挥其探测能力对天线口径要求十分高。薄膜结构重量轻、收拢体积小，已成为天基预警雷达的首选结构之一。当前的薄膜可展开天线尚未实现工程应用，仍有诸多技术难点亟待解决。本文针对空间大型薄膜可展开天线的结构设计问题研究了以下几个方面： 1、提出一种新型可展开机构创新设计方案。针对其基本单元，制作了简易模型，对机构运动过程进行了实验验证。对该可展开机构及其基本单元进行详细分析，并对比了该机构与同类可展开机构的收纳比、面密度、收拢高度等参数，其指标居于同类机构前列。 2、研究了该可展开机构的力学特性。建立了20m口径可展开机构收拢态及展开态的有限元分析模型，并进行了模态分析。应用大型多体动力学分析软件ADAMS建立了该机构20m口径的动力学分析模型，并对机构进行了运动学及展开动力学仿真。 3、基于该创新型可展开机构，建立了20m口径薄膜天线有限元分析模型。提出一种索膜结构非线性建模方法，该方法考虑了薄膜边界处拉索与薄膜存在滑移的问题，采用弹簧单元代替传统的索膜共享节点建模方法，以弹簧单元的形变模拟索膜间滑移现象。此外，分析了该薄膜天线在地球同步轨道微重力、太空光压、膜面折痕等工况下的膜面精度。 4、以膜面精度最小化为目标对薄膜边界形状进行优化。将薄膜边界视为样条曲线，以曲线控制点位移为设计变量，以膜面精度最小化为目标，通过优化确定了最佳膜面精度所对应的边界形状。

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摘 要

ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究内容及目标

1.3研究现状

1.3.1薄膜天线可展开机构

1.3.2太阳帆可展开机构

1.3.3薄膜电池阵可展开机构

1.4小结

第二章可展开机构概念设计与分析

2.1可展开机构概念设计

2.1.1刚架收拢与展开方案

2.1.2薄膜收拢与展开方案

2.2同步机构与驱动方案设计

2.2.1同步机构设计及验证

2.2.2驱动方案设计及验证

2.3基本单元分析及对比

2.3.1构件连接角度分析

2.3.2单元收拢高度分析

2.3.3单元收拢高度对比

2.3.4单元收拢参数综合对比

2.4机构收拢参数分析

2.4.1构件三层式布局设计

2.4.2机构收拢尺寸分析

2.4.3薄膜可展开机构综合对比

2.5小结

第三章可展开机构力学特性分析

3.1可展开机构模态分析

3.1.1机构收拢态模态分析

3.1.2机构展开态模态分析

3.2可展开机构运动学仿真

3.2.1可展开机构动力学建模

3.2.2可展开机构运动学仿真分析

3.3机构展开动力学仿真

3.3.1索膜结构张拉力近似替代

3.3.2机构展开动力学仿真

3.4小结

第四章薄膜天线结构建模及静力学分析

4.1薄膜天线有限元建模

4.1.1天线展开态结构建模

4.1.2考虑滑移的索膜结构非线性建模

4.2天线整体结构模态分析

4.3薄膜天线精度分析

4.3.1天线结构找力分析

4.3.2微重力作用下的膜面精度分析

4.3.3光压作用下的膜面精度分析

4.3.4膜面折痕精度分析

4.3.5复合工况下的膜面精度分析

4.4小结

第五章薄膜天线边界形状优化

5.1形状优化数学模型

5.2形状优化算例验证

5.3小结

第六章总结与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致 谢

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