四边形单元构造旋转抛物面结构的研究——基于可变对角杆技术

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        1　引　言

随着卫星通信、宇航技术、射电天文以及雷达技术的迅速发展,大型高精度天线获得了广 泛的应用。由于运载火箭有效荷载仓容积的限制,世界各国相继发展了大量的可展航天结 构[1],美国NASA、俄罗斯航天局、欧空局ESA和日本ISAS,NASDA等科研单位已前后研制 成功口径数十米的可展抛物面天线,并正大力研制更大型的百米级可展天线,我国对空间可展 结构的研究尚处于起步阶段,有待更多学者的深入研究[2]。

旋转抛物面是二次曲面,从几何本质上讲,可展旋转抛物面结构是三维伸展结构。但是,因 为这种结构在设计时涉及的杆件较多(对于本文讨论的天线而言,通常超过五百根),按照经典 的空间机构学理论建立一般的求解方法很困难,所以研究人员多以一维或二维可展结构为背 架,再增加一些柔性部件使之完成同样的功效,例如,日本的MUSES-B卫星可展天线就采用 一维伸展臂作为支架然后以索网为支架间的连接形成抛物面。构架式天线因为其刚度好,抛物 面成型精度高而广受航天工程师们喜爱。文献[1]中描述的天线就是日本国2003年计划发射 的卫星天线。本文利用可变对角杆四边形单元具有的良好空间结合能力,避开了复杂的空间机 构学分析,将抛物面结构的设计转化为杆长关系比较。

本文主要工作是提出设计三维伸展结构的一种简化方法,并由此提出了机构综合的准则 ——单元等投影尺寸膨胀法;提出考虑弹性部件的等代算法;分析了重力作用对抛物面成型精 度影响,分析了可展天线的展开后结构的静力和动力特性,及结构参数的影响。结构分析及模 型实际制造都表明这类构架式可展天线具有展开可靠性高,刚度好,形面精度高和造价低等显 著优点,这对指导可展结构研究和设计具有重要工程意义。

        设计准则:

        1.满足展开折叠几何条件;

        2.质量轻;

        3.杆件、节点种类少;

        4.重复精度高。

        其中原则1是首要条件。

        2　结构的整体设计——单元等投影尺寸膨胀法(EPDEBS)

如图1所示为利用拉簧驱动的一个变对角杆四边形单元,周边的四根杆件是不可折叠的, 也不可收缩,对角杆设计了拉簧,可以改变杆件长度。折叠状态时,结构成捆状,单元的构件相 互平行。由于处于拉伸状态的弹簧收缩,引起结构的逐步展开,到达预定位置后,对角杆受弹簧 外套管限制而不能继续收缩,锁定成为几何不变结构,成为四边形。要使结构单元能完全折叠, 需要满足以下几何约束条件: