大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势

文中较为系统地介绍了国内外大口径星载可展开天线研究的现状及其未来发展趋势,内容涉及网状、薄膜、微电子机械、固面、充气等不同类型天线.对应用广泛的大型索网天线,阐述了数字化建模、网状找形找态、多态动力优化、多柔体动力学分析与展开过程控制、展开可靠性分析、在轨热分析与控制、形面调整与测试、机-电-热场耦合建模与电性能分析等模型建立、分析与设计方法以及针对星载可展开天线分析与设计的知识型设计软件与综合设计支撑平台等.此外,对正在研制与在轨服役的星载天线也作了简单介绍.     

星载双反射面偏置天线可展开双轴指向机构设计

为实现双反射面偏置天线在航天系统中的应用,提出一种基于连杆连接的双反射面偏置天线可展开双轴指向机构设计方案,并研制出原理样机、完成相关试验验证。本文首先针对双反射面偏置天线的特点以及航天系统的特殊要求,分析和对比传统天线指向机构不同构型的特点,完成了双反射面偏置天线指向机构的构型设计;其次通过有限元方法对指向机构进行动力学分析并针对双轴连杆、锁紧释放装置等关键部件进行理论分析与结构优化;最终根据设计方案完成了指向机构原理样机的研制并进行振动试验与振动试验后双轴夹角精度的测量。试验结果表明压紧状态下指向机构一阶基频达到103 Hz,振动试验后双轴夹角精度为21″,满足指向机构设计要求,结构设计合理可行。     

网状可展开天线反射面精度调整技术研究

给出了改进型周边构架式空间网状可展开天线的具体结构方案,利用权因子法对辅助牵引面式网面精度调整技术进行了理论分析及调整方法研究。给出了网面精度调整的基本理论、公式以及调整步骤,在此基础上提出了型面精度优化的数学模型,并利用单纯形法进行了优化。利用ANSYS软件建立了相应的反射面精度调整模型,并进行了调整计算;证明了所提出的方法是正确性及所给天线的结构方案的合理性。     

考虑膜结构应力的索网型面优化方法

在对网状反射面天线进行型面分析时,以往的研究常常将重点放在索网结构的型面精度或索段张力分布的均匀性上,没有考虑薄膜反射面的应力对索网结构的影响.因此,文中根据网状反射面天线的索网和金属丝反射网的结构特点,提出了一种考虑膜结构应力的索网型面优化方法.基于索单元和各向等应力膜单元,建立以索段张力为设计变量、索段张力的上下限...     

精密柔索传动天线座结构设计

通信技术向高频段、窄波束方向发展,对天线的指向精度提出了更高的要求。传动回差对天线的指向精度具有重要影响,为满足未来通讯技术的发展需求,文中研制了具有低空回特性的精密柔索传动天线座。基于柔索摩擦的欧拉公式推出了钢丝绳预紧力和天线座负载的关系,进而根据天线座负载力矩计算出钢丝绳的结构参数和预紧用碟形弹簧的结构参数。结构布局选用传统的俯仰–方位型座架,方位位于俯仰上方。张紧装置采用碟形弹簧从钢丝绳的端部进行预紧,可对多股存在长度误差的钢丝绳同时实现预紧。对原理样机的回差检测结果显示,该天线座具有明显的低空回特性,因此精密柔索传动在提升天线指向精度方面具有很大的应用潜力。     

周边桁架式索网天线型面的快速调整方法

提出了一种周边桁架式索网天线型面的快速调整方法。以最大误差节点及结构基频为判定条件,首先给出最佳待调整索段的确定方法,在此基础上,以最佳待调整索段的调整量为设计变量,型面误差为目标函数,索网应力为约束条件,建立了索网天线型面优化调整的数学模型。数值算例结果表明,所提出方法具有很好的收敛速度,调整工作量较小。     

抛物面索网天线的最佳型面设计方法

在太空无重力工作环境下,星载索网天线反射面由张紧的网格平面拼合而成。为尽可能降低天线索网型面的原理误差,提出一种新的索网型面生成方法。方法要求抛物面索网天线型面在天线光学口径面上的投影为正三角形网格,索网反射面的型面结点均取在与理想抛物面同轴且等焦距的某映射抛物面上,投影正三角形的边长由天线反射面的焦距及型面设计的原理误差要求确定,映射抛物面的具体位置由投影正三角的边长及反射面的焦距确定。以空间任意三角形与抛物面之间的轴向方均根误差计算公式的推导为基础,讨论在天线光学口径面上投影面积为定值的空间三角形与抛物面之间轴向方均根误差取得极小值的条件,得出抛物面索网天线型面在天线光学口径面上投影为正三角形网格时原理误差最小的结论。索网型面设计的算例结果表明所提方法有效、实用。     

电性能仿真平台及其在大型面天线机械结构设计中应用

大型面天线在工程中有着广泛应用,其机械设计与电气设计是分开进行的。天线结构设计人员由于不了解电磁理论,只能依靠经验设计天线机械结构,来保证天线满足电气设计人员提出的精度指标。结果是生产周期很长,成本浪费严重。因此,有必要建立天线电性能仿真平台。在设计天线虚拟电子样机之后,通过该平台来计算天线电性能,判断天线结构是否满足要求。工程中应用此平台,将使结构设计人员提高天线设计与制造效率,减少次品率,降低天线设计与制造的成本。     

多波束球形反射面天线

论证了电磁透镜消球差的基本原理,并提出了解决介质透镜技术和改善透镜修正系统总效率的办法,从而实现了多波束球形反射面天线对大空域指向跟踪.这一技术有广泛的应用前景,在有限空间指向的智能天线上也得以应用.     

基于Moore-Penrose逆的索网天线预拉力设计方法

为保证星载索网天线反射型面具有一定的刚度和热稳定性,展开态的索网结构须具有一定的预应力。结合天线索网结构的组成特点,将索网结构的预拉力设计过程分为三个阶段：优化设计前索网面索段的预拉力;计算纵向拉索的索段预拉力;优化设计后索网面的索段预拉力。在前、后两次网面索段预拉力的优化设计中,网面索段预拉力的均匀化程度以网面中各索段拉力与网面索段的拉力均值之间的差值平方和大小来衡量;认为差值平方和越小,网面索段拉力越均匀。以索网结点在理想位置力平衡所需满足的方程为主要约束条件,建立索网预拉力优化设计的数学模型。结合线性相容方程组极小范数解的概念,通过模型等效转换讨论其有效求解方法。算例结果表明,以网面索段拉力与其均值的差方和最小为目标来优化设计索网预拉力的方法简便、有效。     

基于Pro/M的大口径反射镜的变形分析及其支撑优化

针对某大型激光装置中使用数量众多的大口径反射镜结构,运用Pro/E软件中的Mechanica研究其受重力影响的变形,并对反射镜的支撑结构参数进行灵敏度分析和优化计算,寻找使得反射镜片变形最小的结构参数,为大口径反射镜组件结构的设计提供依据.     

一种基于力密度的网状可展开天线索网结构初始形态设计方法

针对环形网状可展开天线索网结构的初始形态设计问题,提出一种基于力密度思想的找形与找力相结合的优化迭代设计方法。该方法将索网结构初始形态设计分为前、后索网设计两部分。通过优化迭代的方法设计前索网,在满足网面精度要求的条件下,实现前索网所有内部索段的张力相等、边界索段与内部索段的最大张力比最小;根据前索网的形和力,在调整索保持竖直、后索网满足高度要求的条件下,通过优化实现后索网最大张力比最小。仿真算例表明,对于旋转抛物面和偏置抛物面索网结构,该方法与现有方法相比,均可进一步提高索网张力的均匀性,该方法正确有效。     

星载索网反射面天线的预张力设计

星载索网反射面天线是由张拉索、膜以及支撑梁单元构成的组合结构,具有高度几何非线性,天线内部索、膜单元的张力不易控制.针对索、膜-桁架反射面天线结构中,索、膜张力确定的非线性问题,文中提出了一种张力设计的2步法:第1步,仅考虑索、膜结构,根据各向同性应力假设,推导了膜结构的平衡矩阵和平衡方程,在此基础上,建立以索、膜张力为设计变量,以索、膜张力均匀性为目标的优化模型,为避免索松弛和膜褶皱,引入相应张力约束;第2步,考虑梁结构的弹性变形对索膜张力和天线均方根误差的影响,采用逆迭代法对索膜张力予以修正.某6m天线的算例表明,该方法可在一定程度上有效控制索膜张力的分布,快速得到一组平衡的索膜预张力.     

70 m天线反射体的安装与测量

随着射电望远镜频段的提升,天线口径越来越大,主反射面精度越来越高,对天线安装的要求也越来越高.文中以70 m天线反射体的现场安装为研究对象,对比分析了70 m天线与国内外其他大型天线反射体在结构上的区别,按安装工艺流程对该反射体的安装过程进行了阐述,并介绍了它的安装及测量方法.通过设计使用工装解决了大型球节点式桁架结构...     

考虑太阳照射的地基面天线机电耦合分析

下一代深空探测的地基面天线的面精度要求达到亚毫米级,必须考虑太阳照射导致的温度的影响。针对这一问题,以"嫦娥工程"的40 m通信面天线为研究对象,根据天线的地理位置和时间日期,计算天线受到的热流密度;考虑对流、传导和辐射三种传热方式计算天线的温度分布,并用某7.3 m卡式天线设计温度试验,结果表明温度分析是有效的;将温度作为载荷计算天线的结构变形;根据天线远区的电场公式计算电性能,并提取增益损失、副瓣电平和指向误差等主要电性能指标。仿真结果表明,温度对电性能的影响不但体现在结构变形的均方根值上,更与变形的分布形式密切相关。分析的方法和结论可用于指导下一代面天线结构设计,也可供同类型面天线设计时参考。     

Study of the focused laser spots generated by various polarized laser beam conditions

In this work, three‐dimensional near‐field imaging of the focused laser spot was studied theoretically and experimentally. In the theoretical simulation, we use the electromagnetic equivalent of the vectorial Kirchhoff diffraction integral to calculate the intensity distribution of the focal region, and a high depolarization is found in high numerical aperture systems (NA = 0.85). The experimental set‐up is based on a near‐field scanning optical microscope (NSOM) system. A high‐NA objective lens is used to focus incident light of various polarizations, and a tapered near‐field optical fibre probe of the NSOM system is used to determine the intensity of the focal field. The results show an asymmetric distribution of the focused intensity with the linear polarized laser beam.     

LightTools软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用

以模拟单颗LED的均匀配光为例,介绍了LightTools软件在照明系统设计中的应用,以便更进一步地掌握和使用LightTools软件。文中借助LightTools软件,在单颗LED上建立反光杯模型,在反光杯出光口建立透镜阵列,并在目标照射面上建立目标区域的强度网格,通过LightTools软件的优化模块进行优化后,可在目标区域得到均匀的光强分布。利用LightTools软件进行辅助设计和优化模拟,具有很高的可信度,也可以大大缩短照明设计的周期。     

某模块化机箱结构性能耦合仿真及优化设计

随着预警机类复杂电子装备功能性能需求的持续提升,模块化机箱成为其主要产品形态。在实际工作中模块化机箱受到结构强度、散热和电磁屏蔽三方面的约束,且由于集成度高,结构、热、电磁耦合问题非常严重。文中为解决预警机装备研制中模块化机箱多场耦合问题,以某液冷模块化机箱为研究对象,对其位移、温度、电磁三场耦合情况进行了分析,根据机箱结构特点和耦合关系,明确机箱结构参数、约束条件和优化目标,并开展了结构-热-电磁耦合仿真及优化设计,给出了优化结果,并经过了试验验证。文中提到的方法可行,为模块化机箱和其他高度集成的电子装备/电子设备的优化设计提供了技术途径。     

机载摆扫式光谱仪高转速三面摆镜设计与优化

为满足机载摆扫式光谱仪在25Hz扫描频率下工作的要求,设计了具有三面反射镜的摆镜结构。首先,计算镜面反射区域面积与旋转轴偏离量的关系,通过比较摆镜布置不同数目反射镜时的性能,设计了围绕旋转轴布置三面反射镜的摆镜结构形式,通过600r/min的转速即可完成每分钟1 800次的高频摆扫;同时采用匀速摆扫的运动方式,降低了摆镜的控制难度,提高了系统的稳定性。然后,采用拓扑优化、集成优化等方法对摆镜结构进行了优化,摆镜最终质量为5.28kg,轻量化率达到58%。最后,通过有限元仿真计算得到:摆镜在机载平台600r/min转速离心力与1 g重力的作用下,面型精度RMS值优于λ/20,基频达到1 199Hz,具有较高的力学稳定性,满足机载摆扫式光谱仪的高扫描频率要求。     

混合面板反射面天线促动器布局与结构优化设计

文中针对大型主动主反射面天线在满足工程精度要求时存在形面精度冗余和成本高昂的问题,提出一种主动面板和非主动面板混合安装的反射面天线设计思想。首先,基于反射面变形区间安装主动面板和非主动面板,分析混合面板反射面天线的形面调控策略;然后,分别以天线质量为约束、以天线形面精度为目标以及以天线形面精度为约束、以天线质量为目标进行天线结构优化设计。结果,某35 m反射面天线在满足精度要求的情况下背架结构质量下降了20.4%,在满足背架结构质量要求的情况下形面精度提升了18.7%。这充分证明了该设计思想在大口径、高精度反射面天线设计中的可行性和有效性。