CN114171924B - 一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,包括内部由碳纤维索杆体系组成的索杆式结构,环形桁架,特征控制索以及固定在撑杆下端点处的抛物反射面。索杆式结构包括内撑杆,内脊索,内斜索,内环索,中撑杆,中脊索,中斜索,中环索,外脊索,外斜索。外圈环形桁架由横梁,柱,斜撑杆组成。索杆式结构的拉索,撑杆,以及环形桁架构件的材料均为碳纤维材料,构件的具体截面参数应根据具体所需和设计要求来进行决定。索杆式结构是一种张拉整体结构,能够随着环形桁架的驱动展开按照规定的形式被张拉成型,所有拉索的受力大小相近,具有明确的传力路径和较高的材料利用率,天线整体有较大的刚度和较小的质量,具有较好的应用前景。

Description

一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线
技术领域
本发明属于结构工程技术领域,特别涉及一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线。
背景技术
自20世纪七十年代,美国的“哥白尼”卫星发射成功至今,星载卫星天线已经被广泛应用于通信,侦察,导航,摇杆,深空探测等各个领域,是卫星系统中至关重要的组成部分,对卫星系统起决定性作用。目前对星载天线的要求是高精度、大口径、轻质量、高收纳比。因为天地之间距离很远,卫星接受的信号弱,所以要求星载天线具有高增益,而达到此目的最直接的办法就是增大天线的口径。
环形桁架天线主要由环形桁架、主网、副网、张力阵、金属网组成。在天线结构设计与分析中,一般将金属网对反射面的影响等效到主网中考虑,即将这类天线结构视为仅由环形桁架和索网组成的系统。在环形桁架天线的反射面设计中,需要面临众多的问题与挑战,其中包括天线的结构刚度不足,索网传力方式复杂,受力不均匀和天线的型面误差等问题。索杆式结构无论在成形态还是受荷态,它都是压力和拉力的有效自平衡体系,它的工作机理和力学性能依赖于其自身的拓扑形状以及预应力水平。在不同需求的工程中,可以通过寻找合理的结构形态,获得良好的工作性能。
发明内容
解决的技术问题:本发明针对现有的环形桁架天线技术的不足,通过采用索杆式内部结构与环形桁架相结合方式所设计出新型索杆式可展开反射面天线,解决了天线的结构刚度不足,索网传力方式复杂,受力不均匀和天线的型面误差等技术问题。引入由形状记忆合金材料制备的特征控制索不仅可以有效提升结构的整体刚度,也可以实现天线结构服役过程中的自调节,是天线结构刚度组成的核心关节,也是天线结构的主动调控中枢。新型索杆式可展开反射面天线具有的突出特点在于,收纳尺寸小,展开效率高,材料利用率高,质量小,刚度较大,传力路径明确,驱动简单等,更适合于大尺度天线结构。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
本发明提供了一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,包括索杆式结构、特征控制索,环形桁架以及抛物反射面;
所述索杆式结构包括:内撑杆及沿以内撑杆为圆心的径向设置的多榀索杆;每榀索杆包括脊索、斜索、顶索以及两层或以上的索杆单元;每层索杆单元由两个外撑杆、上内环索及下内环索构成;两个中撑杆对称设置在所述内撑杆两侧,上内环索连接在两个中撑杆上端,下内环索连接在两个中撑杆下端;最外层锁杆单元在中间层的基础上,增加外顶索连接外撑杆和环形桁架上边缘;上外环索连接同层所有外撑杆的上端,下外环索连接同层所有外撑杆的下端;
所述环形桁架包括:上边缘框架梁,下边缘框架梁,框架柱和可伸缩斜撑杆;所述上边缘框架梁,下边缘框架梁和可伸缩斜撑杆均通过多向销接头与框架柱销接;
所述脊索包括内脊索、中脊索以及外脊索;所述内脊索连接在所述内撑杆上端与上层索杆单元的中撑杆上端;所述中脊索连接在相邻层索杆单元的中撑杆和外撑杆上端;所述外脊索连接在最下层索杆单元的外撑杆下端与所述环形桁架上框架柱的下端,外脊索和外斜索与环形桁架框架柱下端点铰接;
所述斜索包括内斜索、中斜索以及外斜索;所述内斜索连接在所述内撑杆下端与上层索杆单元的中撑杆上端;所述中斜索连接在上层索杆单元中撑杆的下端与下层索杆单元外撑杆的上端;所述外斜索连接下层索杆单元外撑杆的上端与环形桁架框架柱的下端;
所述的特征控制索连接外撑杆上端,与环形桁架框架柱上端点铰接;所述抛物反射面固定在所述索杆式结构的每层杆单元,即内撑杆,中撑杆和外撑杆的下端;
所述索杆式结构中的所有索与索,索与杆的连接方式均为铰接。
优选地,所述索杆单元的层数为2-5层。
优选地,所述索杆单元的层数根据实际工程对天线质量,型面精度的要求确定。
优选地,所述多榀索杆的榀数根据实际工程对天线质量,型面精度的要求确定。
优选地,所述索杆式结构及环形桁架的材料均采用碳纤维材,特征控制索采用形状记忆合金丝编织而成。
优选地,所述抛物反射面包括金属反射层以及膜层,通过对镀有金属反射层的膜面用热塑热压法一次形成抛物面。
优选地,所述脊索与水平方向的夹角α i 在20°到30°之间;所述斜索与水平方向的夹角β i 在15°到25°之间。
优选地,所述抛物反射面的焦距和天线口径的比值应取0.6-0.8之间。
优选地,拉索的截面采用圆形截面,撑杆和环形桁架构件的截面宜采用环形截面,以增强结构稳定性。
优选地,天线展开后拉索上施加的拉应力应在50-100MPa之间,以保证其材料利用率。
优选地,抛物面固定点设置应符合上密下疏,抛物面精度由索杆式结构榀数和拉索层数控制。
优选地,所述抛物反射面制作,是将金属反射层镀在膜层面上,采用热塑热压法一次成形的抛物面。
有益效果:以30m口径为例,由于环形桁架高度不受索网焦距限制,可以通过降低环形桁架高度而进一步减轻天线质量。本发明索杆式天线相比于传统索网式环形桁架天线,在质量从227.614kg以21.6%的幅度降低至178.230kg的情况下,其一阶模态的频率相比传统索网结构从0.1119提升至0.1187,提升了6.1%,基频是衡量天线结构的重要参数,随着频率的提升则刚度提升。引入由形状记忆合金材料制备的特征控制索不仅可以有效提升结构的整体刚度,也可以实现天线结构服役过程中的自调节。此外,索杆式天线的传力路径明确,材料利用率高,抛物面的型面精度可通过改变索杆拉索层数和榀数,增加抛物面固定点的数量进行调整,具有应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例附图,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是两榀对称的索杆式结构正面示意图;
图2是环形桁架结构展开并锁定后的示意图;
图3是索杆式天线整体结构的示意图;
图4是索杆式天线整体结构的仰视图;
图5是环形桁架展开过程的示意图,为了清晰示意,图中将可伸缩斜撑杆用虚线表示;
图6是索杆式天线展开过程中的形态示意图;
图7是24榀,双层拉索的索杆一阶模态示意图;
图中:1内撑杆,2内脊索,3内斜索,4上内环索,5下内环索,6中撑杆,7中脊索,8中斜索,9上外环索,10下外环索,11外撑杆,12外脊索,13外斜索,14特征控制索,15环形桁架,16上边缘框架梁,17下边缘框架梁,18框架柱,19可伸缩斜撑杆,20抛物反射面。
具体实施方式
本发明实施例提供了基于索杆式结构与环形桁架结构相结合的星载卫星天线,用于提高天线的结构刚度和减轻结构质量。
为更好地解释与说明本发明的目的、技术方案与优点,下面结合实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行完整清晰的描述。下面所述的仅是本发明应用的部分实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在未做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
下面结合附图,对本发明作详细说明。
如图1-4所示,一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,包括索杆式结构、特征控制索14、环形桁架15以及抛物反射面20:
索杆式结构:包括内撑杆1,内脊索2,内斜索3,上内环索4,下内环索5,中撑杆6,中脊索7,中斜索8,上外环索9,下外环索10,外撑杆11,外脊索12,外斜索13,特征控制索14,由内到外顺次连接,索杆式结构的各个构件之间均以铰接形式连接。具体包括内撑杆1及沿以内撑杆1为圆心的径向设置的多榀索杆;每榀索杆包括脊索、斜索、顶索以及两层或以上的索杆单元;每层索杆单元由两个中撑杆6、上内环索4及下内环索5构成;两个中撑杆6对称设置在所述内撑杆1两侧,上内环索4连接在两个中撑杆6上端,下内环索5连接在两个中撑杆6下端;上外环索9连接同层所有外撑杆11的上端,下外环索10连接同层所有外撑杆11的下端。
其中,脊索包括内脊索2、中脊索7以及外脊索12;内脊索2连接在所述内撑杆1上端与上层索杆单元的中撑杆6上端;中脊索7连接在相邻层索杆单元的中撑杆6和外撑杆11上端;外脊索12连接在最下层索杆单元的外撑杆11下端与环形桁架15上框架柱18的下端,外脊索12和外斜索13与环形桁架框架柱18下端点铰接。
特征控制索14连接外撑杆11上端,与环形桁架框架柱18上端点铰接。
其中,斜索包括内斜索3、中斜索8以及外斜索13;内斜索3连接在所述内撑杆1下端与上层索杆单元的中撑杆6上端;中斜索8连接在上层索杆单元中撑杆6的下端与下层索杆单元外撑杆11的上端;外斜索13连接下层索杆单元外撑杆11的上端与环形桁架15上框架柱18的下端。
环形桁架15:包括上边缘框架梁16,下边缘框架梁17,框架柱18和可伸缩斜撑杆19;上边缘框架梁16,下边缘框架梁17和可伸缩斜撑杆19均通过多向销接头与框架柱18销接。
抛物反射面20被固定在索杆式结构中的内撑杆1,中撑杆6,外撑杆11的下端点,采用脉冲激光束焊接。
索杆式结构与环形桁架结构的榀数,索杆式的拉索层数均可以根对薄膜据抛物反射面精度的实际要求增加或减少,榀数越多,拉索层数越多,反射面精度越高,且对天线刚度影响很小,但天线重量随之增大。
内部索杆式结构属于全张力体系,除少数压杆外都处于张力状态;所有拉索,撑杆以及环形桁架的材料均采用碳纤维材料,反射面包括金属反射层以及膜层通过对镀有金属反射层的膜面用热塑热压法一次形成抛物面。
索杆式结构每一层的脊索与斜索具有一定倾斜角度,脊索与水平方向的夹角α i在20°到30°之间,斜索与水平方向的夹角β i在15°到25°之间,环形桁架的高度一般在3-5.5m之间,抛物反射面的焦距和天线口径的比值应取0.6-0.8之间。
索杆式结构属于应力自平衡的张拉整体结构体系,当天线收到扰动导致施加在索杆式结构拉索上的拉力发生变化时,索杆式结构仍是有效的平衡体系,索杆式结构的刚度完全由张拉预应力提供,最佳预应力应在50-100MPa之间。
工作原理:本发明是将索杆式结构与环形桁架相结合的行在卫星天线,天线外侧的环形桁架结构中的可伸缩斜撑杆受到电机拉引缩短,促使环形桁架展开,其展开过程如图5所示,索杆式结构作为全张力体系,随着环形桁架的展开而张拉成型并拥有刚度,其展开过程中的形态如图6所示,固定在索杆式结构受压杆件下端的抛物反射面随之展开,当环形桁架锁定后,施加在索杆式结构的拉索上的拉应力达到设计水平,天线整体形成一个稳定的结构。通电升温和断电降温特征控制索可以调控特征控制索的应力水平,调整天线结构的整体刚度和在轨微调抛物面的形态特征。
图7是24榀,双层拉索的索杆一阶模态示意图,可以看到,索杆式天线的一阶模态的振动模式为左右摇摆式,特征值为0.556,频率为0.1187Hz,相比刘福寿在大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究中对索网式环形桁架天线的动力分析结果,提升了6.1%。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同。

Claims (8)

1.一种基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,包括索杆式结构、特征控制索(14)、环形桁架(15)以及抛物反射面(20);
所述索杆式结构包括:内撑杆(1)及沿以内撑杆(1)为圆心的径向设置的多榀索杆;每榀索杆包括脊索、斜索、顶索以及两层或以上的索杆单元;每层索杆单元由两个中撑杆(6)、上内环索(4)及下内环索(5)构成;两个中撑杆(6)对称设置在所述内撑杆(1)两侧,上内环索(4)连接在两个中撑杆(6)上端,下内环索(5)连接在两个中撑杆(6)下端;上外环索(9)连接同层所有外撑杆(11)的上端,下外环索(10)连接同层所有外撑杆(11)的下端;
所述环形桁架(15)包括:上边缘框架梁(16),下边缘框架梁(17),框架柱(18)和可伸缩斜撑杆(19);所述上边缘框架梁(16),下边缘框架梁(17)和可伸缩斜撑杆(19)均通过多向销接头与框架柱(18)销接;
所述脊索包括内脊索(2)、中脊索(7)以及外脊索(12);所述内脊索(2)连接在所述内撑杆(1)上端与上层索杆单元的中撑杆(6)上端;所述中脊索(7)连接在相邻层索杆单元的中撑杆(6)和外撑杆(11)上端;所述外脊索(12)连接在最下层索杆单元的外撑杆(11)下端与所述环形桁架(15)上框架柱(18)的下端,外脊索(12)和外斜索(13)与环形桁架框架柱(18)下端点铰接;
所述斜索包括内斜索(3)、中斜索(8)以及外斜索(13);所述内斜索(3)连接在所述内撑杆(1)下端与上层索杆单元的中撑杆(6)上端;所述中斜索(8)连接在上层索杆单元中撑杆(6)的下端与下层索杆单元外撑杆(11)的上端;所述外斜索(13)连接下层索杆单元外撑杆(11)的上端与环形桁架框架柱(18)的下端;
所述的特征控制索(14)连接外撑杆(11)上端,与环形桁架框架柱(18)上端点铰接;
所述抛物反射面(20)固定在所述索杆式结构的每层索杆单元,即内撑杆(1),中撑杆(6)和外撑杆(11)的下端;
所述索杆式结构中的所有索与索,索与杆的连接方式均为铰接。
2.根据权利要求1所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述索杆单元的层数为2-5层。
3.根据权利要求2所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述索杆单元的层数根据实际工程对天线质量,型面精度的要求确定。
4.根据权利要求1所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述多榀索杆的榀数根据实际工程对天线质量,型面精度的要求确定。
5.根据权利要求1所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述索杆式结构及环形桁架(15)的材料均采用碳纤维材料,所述的特征控制索(14)采用形状记忆合金丝编织而成。
6.根据权利要求1所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述抛物反射面(20)包括金属反射层以及膜层,通过对镀有金属反射层的膜面用热塑热压法一次形成抛物面。
7.根据权利要求1所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述脊索与水平方向的夹角α i 在20°到30°之间;所述斜索与水平方向的夹角β i 在15°到25°之间。
8.根据权利要求6所述的基于索杆式结构设计的星载环形桁架天线,其特征在于,所述抛物反射面(20)的焦距和天线口径的比值应取0.6-0.8之间。
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