CN114243308B - 用于调整网状天线反射面精度的压电绳索及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于调整网状天线反射面精度的压电绳索及其控制方法，包括：具有空心腔体的外壳；绳索，所述绳索上端设置在空心腔体内，绳索下端设置在空心腔体外；两组压电纤维复合物组件，分别安装在所述绳索上端两侧；所述压电纤维复合物组件包括呈单列排列的多个片状压电纤维复合物，所述压电纤维复合物包括位于所述压电纤维复合物中心的压电纤维层，所述压电纤维层两侧分别设置有环氧树脂层，两个所述环氧树脂层外侧分别设置有封装层，所述封装层表面设置有叉指状电极。

Description

用于调整网状天线反射面精度的压电绳索及其控制方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，尤其涉及用于调整网状天线反射面精度的压电绳索及其控制方法。

背景技术

随着空间技术的发展，对大型空间天线的需求也越来越迫切，当天线尺寸超过运载火箭整流罩(或航天飞机)所能容纳的范围时，须采用展开天线结构形式，大部分展开天线是网状展开天线。

这种天线的发射器是由许多可折叠和展开的刚性构件以及金属网组成，而反射面是有若干较小的平面(或曲面)组成，随着宇航事业的发展，网状展开天线的尺寸越来越大，对型面精度要求越来越高(特别是高频段)，相邻两主肋之间的网状天线扇形区的面积越来越大，虽然在主肋处反射面形状近似于理想曲面，但由于反枕效应，两相邻主肋之间的反射面与理想反射面差距甚大，增加主肋数可以提高反射面精度，但也大大增加了天线质量。

相对于传统的航天器平面刚性天线，柔性平面薄膜天线因质量轻、收拢体积小等优点而成为大型天线(面积达数百平方米甚至更大)的重要发展方向。作为一种新型空间结构，平面薄膜天线备受航天器研制者的关注。平面薄膜天线的薄膜阵面刚度、薄膜阵面有效面积比、支撑框架的受力和支撑框架的尺寸均取决于绳索张拉系统的设计，天线结构模态分析又与该薄膜天线的设计密切相关，所以对大型平面薄膜天线张拉系统开展优化设计、对天线结构进行模态分析均具有重要意义。

薄膜天线张拉系统是薄膜阵面和支撑框架之间的绳索系统，以实现对薄膜阵面施加均匀拉应力及提供薄膜阵面和支撑框架间的柔性连接。目前薄膜天线的张拉系统主要有一级绳索张拉系统和双重索网张拉系统等。一级绳索张拉系统是将薄膜边缘裁剪为曲线索套(花边)，绳索穿在索套内，从索套穿出的绳索两端拉紧固连于支撑框架上。双重索网张拉系统包含内索、中间索和外索，相比一级绳索张拉系统，双重索网张拉系统具有减小薄膜与支撑框架之间连接点、增大薄膜阵面有效面积比的优点。因此，双重索网张拉系统具有更好的应用前景。

目前张拉系统的优化未涉及中间索的优化，且优化为单目标优化；已有的薄膜天线结构模态分析大多是针对局部结构开展的。

发明内容

本发明提供用于调整网状天线反射面精度的压电绳索及其控制方法，旨在解决上述存在的问题。

本发明是这样实现的，用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，包括：

具有空心腔体的外壳；

绳索，所述绳索上端设置在空心腔体内，绳索下端设置在空心腔体外；

两组压电纤维复合物组件，分别安装在所述绳索上端两侧；

所述压电纤维复合物组件包括呈单列排列的多个片状压电纤维复合物，所述压电纤维复合物包括位于所述压电纤维复合物中心的压电纤维层，所述压电纤维层两侧分别设置有环氧树脂层，两个所述环氧树脂层外侧分别设置有封装层，所述封装层表面设置有叉指状电极；

其中，当压电纤维复合物加电后，位于所述压电纤维复合物组件首尾两端的两个压电纤维复合物在水平方向伸缩运动，位于所述压电纤维复合物组件中间的多个压电纤维复合物在竖直方向伸缩运动。

进一步的，所述外壳材质采用工程塑料。

进一步的，所述压电纤维层材质采用压电陶瓷纤维，所述封装层为聚酰亚胺膜。

进一步的，所述绳索为工程塑料，优选为玻璃钢纤维薄板。

进一步的，所述叉指状电极的左叉指引出导线作为正极，叉指状电极的右叉指引出导线作为负极。

本发明还提供一种上述压电绳索的控制方法，所述压电纤维复合物组件包括呈单列排列的N个片状压电纤维复合物，从上至下依次编号为1号、2号、......、N-1号、N号，N为大于3的正整数；

在压电纤维复合物上进行脉冲加电，当从上至下进行加电时，绳索长度缩短；当从下至上进行加电时，绳索长度伸长。

进一步的，所述1号和N号的压电纤维复合物采用单相加电，2号、......、N-1号的压电纤维复合物采用2相加电。

进一步的，当从上至下进行加电时，绳索长度缩短，具体包括以下步骤：

从1号到N号加电，为绳索长度缩短的一个加电周期，每个加电周期共有N+2步；

步骤S1，给1号压电纤维复合物加电，顶端收缩发生夹紧；

步骤S2，保持1号加电的同时给2、3号加电，使绳长缩短一个单位；

步骤S3，断开2号同时给4号加电，即1、3、4号保持加电状态；

步骤S4，断开3号同时给5号加电，即1、4、5号保持加电状态；

……

步骤SN-2，断开N-3号同时给N-1号加电，即1、N-2、N-1号保持加电状态；

步骤SN-1，保持1、N-2、N-1号加电的同时给N号加电，即1、N-2、N-1、N号保持加电状态，使尾端收缩发生夹紧；

步骤SN，保持N-2、N-1、N号加电的同时断开1号；

步骤SN+1，保持N号加电的同时断开N-2、N-1号；

步骤SN+2，N号断电，一个加电周期结束；

在一个加电周期内，绳索缩短一个单位，并在周期结束后维持缩短状态，重复相同加电周期使绳索持续缩短。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，结构简单紧凑，输出力大，定位精度高，动态特性好。压电绳索采用的结构摒弃了现有的压电作动器使用的金属框架结构，整体采用压电陶瓷和聚合物复合材料制备，具有大型化、轻量化的优点，可以应用在需要大型结构平台但同时载荷能力又非常有限的系统。极大的减轻了卫星的负载压力，从而减少卫星研制经济支出。此外，相比较于压电叠堆式作动器，使用压电复合材料设计的压电绳索不仅可进行分布式排列，而且具有柔性，赋予了其在一定空间内的可折叠性，可使大型网状可展开天线的结构更加简单且适用于更大的工作空间。压电绳索的结构自身还兼具有传感器的功能，可对网状天线在轨时遇到的动力干扰、太阳风、空间飞行碎片等导致的天线振动进行主动控制，保证天线信号传输精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中压电纤维复合物组件结构示意图；

图3为本发明中压电纤维复合物结构示意图；

图4为本发明中压电绳索控制示意图；

图5为本发明中仿真演示图；

图中：1-外壳、2-绳索、3-压电纤维复合物组件、4-压电纤维层、5-环氧树脂层、6-封装层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，包括：

具有空心腔体的外壳1；

绳索2，绳索2上端设置在空心腔体内，绳索2下端设置在空心腔体外；

两组压电纤维复合物组件3，分别安装在绳索2上端两侧；

压电纤维复合物组件3包括呈单列排列的多个片状压电纤维复合物，压电纤维复合物包括位于压电纤维复合物中心的压电纤维层4，压电纤维层4两侧分别设置有环氧树脂层5，两个环氧树脂层5外侧分别设置有封装层6，封装层6表面设置有叉指状电极；

其中，当压电纤维复合物加电后，位于压电纤维复合物组件3首尾两端的两个压电纤维复合物在水平方向伸缩运动，位于压电纤维复合物组件3中间的多个压电纤维复合物在竖直方向伸缩运动。

具体的，外壳1材质采用工程塑料，如聚酰亚胺，压电纤维层4材质采用压电陶瓷纤维，封装层6为聚酰亚胺膜，绳索2为工程塑料，如玻璃钢纤维薄板。

其中，叉指状电极的左叉指引出导线作为正极，叉指状电极的右叉指引出导线作为负极。

本发明还提供一种上述压电绳索2的控制方法，压电纤维复合物组件3包括呈单列排列的N个片状压电纤维复合物，从上至下依次编号为1号、2号、......、N-1号、N号，N为大于3的正整数；

在压电纤维复合物上进行脉冲加电，当从上至下进行加电时，绳索2长度缩短；当从下至上进行加电时，绳索2长度伸长。

1号和N号的压电纤维复合物采用单相加电，2号、......、N-1号的压电纤维复合物采用2相加电。

当从上至下进行加电时，绳索2长度缩短，具体包括以下步骤：

从1号到N号加电，为绳索2长度缩短的一个加电周期，每个加电周期共有N+2步；

步骤S1，给1号压电纤维复合物加电，顶端收缩发生夹紧；

步骤S2，保持1号加电的同时给2、3号加电，使绳长缩短一个单位；

步骤S3，断开2号同时给4号加电，即1、3、4号保持加电状态；

步骤S4，断开3号同时给5号加电，即1、4、5号保持加电状态；

……

步骤SN-2，断开N-3号同时给N-1号加电，即1、N-2、N-1号保持加电状态；

步骤SN-1，保持1、N-2、N-1号加电的同时给N号加电，即1、N-2、N-1、N号保持加电状态，使尾端收缩发生夹紧；

步骤SN，保持N-2、N-1、N号加电的同时断开1号；

步骤SN+1，保持N号加电的同时断开N-2、N-1号；

步骤SN+2，N号断电，一个加电周期结束；

在一个加电周期内，绳索2缩短一个单位，并在周期结束后维持缩短状态，重复相同加电周期使绳索2持续缩短。

当从下至上进行加电时，绳索2长度伸长，具体包括以下步骤：

从N号到1号加电，为绳索2长度伸长的一个加电周期，每个加电周期共有N+2步；

步骤S1，给N号压电纤维复合物加电，底端收缩发生夹紧；

步骤S2，保持N号加电的同时给N-1、N-2号加电，使绳长伸长一个单位；

步骤S3，断开N-1号同时给N-3号加电，即N、N-2、N-3号保持加电状态；

步骤S4，断开N-2号同时给N-4号加电，即N、N-3、N-4号保持加电状态；

……

步骤SN-2，断开4号同时给2号加电，即N、3、2号保持加电状态；

步骤SN-1，保持N、3、2号加电的同时给1号加电，即1、2、3、N号保持加电状态，使尾端收缩发生夹紧；

步骤SN，保持1、2、3号加电的同时断开N号；

步骤SN+1，保持1号加电的同时断开2、3号；

步骤SN+2，1号断电，一个加电周期结束；

在一个加电周期内，绳索2伸长一个单位，并在周期结束后维持伸长状态，重复相同加电周期使绳索2持续伸长。

本发明公开的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，结构简单紧凑，输出力大，定位精度高，动态特性好。压电绳索采用的结构摒弃了现有的压电作动器使用的金属框架结构，整体采用压电陶瓷和聚合物复合材料制备，具有大型化、轻量化的优点，可以应用在需要大型结构平台但同时载荷能力又非常有限的系统。极大的减轻了卫星的负载压力，从而减少卫星研制经济支出。

此外，相比较于压电叠堆式作动器，使用压电复合材料设计的压电绳索不仅可进行分布式排列，而且具有柔性，赋予了其在一定空间内的可折叠性，可使大型网状可展开天线的结构更加简单且适用于更大的工作空间。压电绳索的结构自身还兼具有传感器的功能，可对网状天线在轨时遇到的动力干扰、太阳风、空间飞行碎片等导致的天线振动进行主动控制，保证天线信号传输精度和稳定性。

实施例2

如图1所示，外部壳层采用聚酰亚胺材质，中间为空心腔体，腔体用以提供绳索2移动所需空间。底部绳索2采用工程塑料，如玻璃钢纤维薄板，用以承载负载。压电纤维作为绳索2发生上下伸缩所需的动力来源，发生左右的伸缩运动作为夹持绳索2的动力来源。

其中，外壳1聚酰亚胺尺寸为500mm×20mm×1mm；绳索2玻璃钢纤维薄板尺寸为500mm×6mm×0.5mm；压电纤维复合物尺寸为10mm×5mm×0.3mm，单组数量选择为18，共两组。

如图2所示，图中箭头所示为压电纤维复合材料的主要运动方向，首尾两片压电纤维复合物的运动方向与中间16片压电纤维复合物的运动方向相互垂直。

如图3所示，压电纤维复合物由陶瓷/树脂复合层、环氧树脂层5和封装层6组成。电极采用叉指电极的形式，由左右两根叉指分别引出导线作为“正”、“负”极。

在压电纤维上进行脉冲加电，从上到下，绳长缩短；从下至上，绳长伸长。两端的压电纤维复合物采用单相加电，中间16个压电纤维复合物采用2相加电。

如图4所示，以绳索2缩短运动为例，压电纤维复合物采用收缩运动模式，即施加脉冲电压方向与极化方向相反。

从1→20为绳长缩短的一个加电周期，每个加电周期共有20步：

步骤一，给1号压电纤维复合物加电，顶端收缩发生夹紧；

步骤二，保持1号加电的同时给2、3号加电，使绳长缩短一个单位；

步骤三，断开2号同时给4号加电，即1、3、4号保持加电状态；

步骤四，断开3号同时给5号加电，即1、4、5号保持加电状态；

……

步骤十六，断开15号同时给17号加电，即1、16、17号保持加电状态；

步骤十七，保持1、16、17加电的同时给18号加电，即1、16、17、18号保持加电状态，使尾端收缩发生夹紧；

步骤十八，保持16、17、18号加电的同时断开1号；

步骤十九，保持18号加电的同时断开16、17号；

步骤二十，18号断电，一个周期结束。反之，从20→1为绳长伸长的一个加电周期。在一个加电周期内绳索2可缩短或者伸长一个单位，并在周期结束后维持缩短或伸长状态，重复相同加电周期可使绳索2持续缩短或伸长。

试验例

为了减少仿真计算复杂程度，采用简化的模型进行验证。

压电纤维复合物采用普通弹性材料代替，为片状，每侧有两片，尺寸为10mm×5mm×0.2mm；玻璃钢纤维薄板位于下方，尺寸为500mm×6mm×0.5mm，一半被上方的聚酰亚胺和压电纤维所遮挡；聚酰亚胺薄膜尺寸为500mm×20mm×1mm，聚酰亚胺采用两薄板夹持形式，除中间预留给绳索2移动的空间外，其余部分均以聚酰亚胺材质填充。

为减少计算量，仅选择了两端与中间三个区域进行计算，初始仿真结果如图5所示。

以压电绳索2向下伸长运动为例，聚酰亚胺膜顶端固定，首先是底端压电纤维复合物工作，施加夹持力(如(a)所示)；然后中间部分电纤维复合物工作加电发生收缩，使绳索2向下移动一段距离(如(b)所示)；顶端压电纤维复合物紧接着发生夹持，固定绳索2(如(c)所示)；保持顶端夹紧状态，使底端压电纤维复合物断电松开(如(d)所示)；保持顶端夹紧状态，使中间部分压电纤维复合物断电恢复原状，绳索2再向下移动一段距离(如(e)所示)；最后顶端压电纤维复合物断电松开，一个运行周期结束。

结果表明，在该周期运动中，可以实现顶端夹持力比中间部位压电纤维复合物缩短所施加的力要大，以使绳索2能够稳定向下移动。反之亦然。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于，包括：

具有空心腔体的外壳；

绳索，所述绳索上端设置在空心腔体内，绳索下端设置在空心腔体外；

两组压电纤维复合物组件，包括呈单列排列的多个片状压电纤维复合物，分别安装在所述绳索上端两侧；

当压电纤维复合物加电后，位于所述压电纤维复合物组件首尾两端的两个压电纤维复合物在水平方向伸缩运动，位于所述压电纤维复合物组件中间的多个压电纤维复合物在竖直方向伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述外壳材质采用工程塑料。

3.根据权利要求1所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述压电纤维复合物包括位于所述压电纤维复合物中心的压电纤维层，所述压电纤维层两侧分别设置有环氧树脂层，两个所述环氧树脂层外侧分别设置有封装层，所述封装层表面设置有叉指状电极。

4.根据权利要求3所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述压电纤维层材质采用压电陶瓷纤维，所述封装层为聚酰亚胺膜。

5.根据权利要求1所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述绳索材质采用工程塑料。

6.根据权利要求5所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述绳索为玻璃钢纤维薄板。

7.根据权利要求3所述的用于调整网状天线反射面精度的压电绳索，其特征在于：所述叉指状电极的左叉指引出导线作为正极，叉指状电极的右叉指引出导线作为负极。

8.一种利用权利要求1-7所述压电绳索的控制方法，其特征在于：所述压电纤维复合物组件包括呈单列排列的N个片状压电纤维复合物，从上至下依次编号为1号、2号、......、N-1号、N号，N为大于3的正整数；

在压电纤维复合物上进行脉冲加电，当从上至下进行加电时，绳索长度缩短；当从下至上进行加电时，绳索长度伸长。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述1号和N号的压电纤维复合物采用单相加电，2号、......、N-1号的压电纤维复合物采用2相加电。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，当从上至下进行加电时，绳索长度缩短，具体包括以下步骤：

从1号到N号加电，为绳索长度缩短的一个加电周期，每个加电周期共有N+2步；

步骤S1，给1号压电纤维复合物加电，顶端收缩发生夹紧；

步骤S2，保持1号加电的同时给2、3号加电，使绳长缩短一个单位；

步骤S3，断开2号同时给4号加电，即1、3、4号保持加电状态；

步骤S4，断开3号同时给5号加电，即1、4、5号保持加电状态；

……

步骤SN-2，断开N-3号同时给N-1号加电，即1、N-2、N-1号保持加电状态；

步骤SN-1，保持1、N-2、N-1号加电的同时给N号加电，即1、N-2、N-1、N号保持加电状态，使尾端收缩发生夹紧；

步骤SN，保持N-2、N-1、N号加电的同时断开1号；

步骤SN+1，保持N号加电的同时断开N-2、N-1号；

步骤SN+2，N号断电，一个加电周期结束；

在一个加电周期内，绳索缩短一个单位，并在周期结束后维持缩短状态，重复相同加电周期使绳索持续缩短。

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