星载网状反射面天线反射面赋形设计研究

摘要

大型星载网状可展开天线从方案设计、理论分析，到加工制造、实验调整等阶段，涉及到多个关键技术问题。本文针对网状可展开天线的形态设计、形面调整、波束赋形设计、在轨耦合动力学分析等问题进行了深入研究。本文主要工作如下：
　　1.提出了网状天线的等张力形态设计方法。推导了环形桁架式网状天线的力学模型，并对支撑索网结构提出了两步法和整体法两种等张力形态设计方法，可实现天线索网结构前、后索网的张力分别完全均匀。考虑到实际工程中桁架支撑点数目不能过多，针对支撑点数目缩减后的索网结构，提出了边界索力优化设计方法，既能保证有效口径区域不缩减，又可实现有效口径内索网等张力。考虑到桁架变形会影响索网的张力分布和反射面的形面精度，基于迭代思想，提出了索网-桁架组合结构的等张力形态设计方法。本方法的通用性好，对于典型的“背对背”网状天线结构均适用。
　　2.提出了考虑空间热载荷的网状天线形面最佳预调整方法。推导了索网结构的增量平衡方程、增量位移方程、增量张力方程及反射面形面精度增量方程，并建立了考虑单温度工况的形面最佳预调优化模型。然后，讨论了温度区间内目标函数的极值问题，建立了考虑温度区间的形面最佳预调优化模型。通过考虑温度区间的形面预调优化，网状天线在整个温度区间内形面误差的变化范围得到了大幅度地降低。
　　3.提出了基于机电集成思想的二层网状天线波束赋形设计方法。通过结合物理光学法和力密度法，建立了二层网状天线的机电集成分析模型。基于机电集成分析模型，建立了二层网状天线波束赋形设计的优化模型，该优化模型中，以索网的力密度为设计变量，以索网结构的平衡方程为约束条件，而且综合考虑了远场电性能目标和结构的张力均匀性目标。该方法可以在保证索网结构张拉平衡的条件下实现二层网状天线的波束赋形。
　　4.提出了面向波束赋形的创新网状天线结构设计方案。为了实现“凹凸不平”赋形网状反射面的受力平衡，提出了三层索网体系结构方案，通过增加一层“顶层索网”，对工作网面进行双向牵引，从而实现所需的赋形反射面形状。首先，建立了网状反射面的波束赋形优化模型，该优化模型通过设计网状反射面的节点坐标实现赋形反射面。其次，为了保证三层索网结构的工程可实现性，建立了其预张力设计优化模型，该优化模型综合考虑了三层索网结构各个子部分的张力均匀性。该方案不仅可以满足赋形电性能指标，而且整体索网结构的张力均匀性较好，工程易实现。
　　5.提出了卫星-天线的热致耦合动力学分析方法。首先，推导了整星系统的角动量方程与挠性结构振动的能量方程，建立了卫星-天线的耦合动力学分析模型。然后，根据天线结构进出地球阴影区的几何关系，采用有限元法模拟分析天线结构进出阴影区的时变温度场，并将时变温度场等效为时变节点载荷施加到天线结构上，分析卫星天线进出阴影区的热致耦合动力学响应。仿真分析表明，当天线的热响应特征时间与结构响应特征时间相接近时，热载荷会导致结构发生明显的振动响应。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1 .1研究背景与意义

1 .2研究现状

1 .3本文主要内容

第二章 网状天线的等张力形态设计

2 .1引言

2 .2网状天线的力学模型

2 .3索网结构的等张力形态设计

2 .4索-梁组合结构的等张力形态设计

2 .5案例分析与讨论

2 .6本章小结

第三章 考虑空间热载荷的网状天线形面最佳预调整

3 .1引言

3 .2考虑单温度工况的形面最佳预调

3 .3考虑温度区间的形面最佳预调

3 .4案例分析与讨论

3 .5本章小结

第四章 面向波束赋形的二层索网机电集成设计

4 .1引言

4 .2网状天线的机电集成分析模型

4 .3基于分析模型的波束赋形优化模型

4 .4案例分析与讨论

4 .5本章小结

第五章 面向波束赋形的三层网状天线结构设计

5 .1引言

5 .2三层索网结构设计方案

5 .3网状反射面的波束赋形优化模型

5 .4三层索网结构的预张力设计

5 .5案例分析与讨论

5 .6本章小结

第六章 网状天线在轨热致耦合动力学分析

6 .1引言

6 .2卫星-天线耦合动力学模型

6 .3进出阴影区的温度场分析与热载荷等效

6 .4案例分析与讨论

6 .5本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文主要工作

7.2 研究展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

作者简介