星載環(huán)形天線包帶低溫工況預緊力等效試驗研究①

方永剛，肖 勇，萬小平，惠 偉

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

環(huán)形可展開天線最早由Mark W Thomson等人提出[1]，由于具有質(zhì)量小、型面精度好、結(jié)構(gòu)高度高等顯著優(yōu)點，目前已經(jīng)成為大型星載可展開天線最理想的結(jié)構(gòu)形式，近來在航天領域得到了廣泛的研究和應用。大型空間可展開天線由于其涉及的專業(yè)領域多，對所用材料的要求高，生產(chǎn)、測試和檢驗的工藝復雜，因而其研制難度大，是目前衡量各國航天技術(shù)水平的重要標志之一[2]。環(huán)形可展開天線主要由環(huán)形桁架和索網(wǎng)系統(tǒng)(前索網(wǎng)、金屬網(wǎng)、張力陣和后索網(wǎng))組成，索網(wǎng)系統(tǒng)固定在桁架上[3]。

由于運載的限制，環(huán)形天線在發(fā)射時處于收攏狀態(tài)；衛(wèi)星進入太空軌道再進行展開。在環(huán)形天線上、中、下三個位置通過三根包帶將天線緊緊收攏成柱狀結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，包帶預緊力最高達到上千牛頓。環(huán)形可展開天線隨火箭發(fā)射過程及進入太空且展開前，在上端的包帶也需要將網(wǎng)面擋板、網(wǎng)面管理等裝置的布帶可靠的壓緊到環(huán)形天線鉸鏈上，必須防止其意外脫落(如圖2所示)。

圖1 環(huán)形天線示意圖Fig.1 Hoop-truss antenna diagram

圖2 包帶附近結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure near clampband

本文分析了星載環(huán)形天線包帶在低溫工況的變形可能導致的松弛情況，計算了包帶與鉸鏈之間的理論變形。通過設計、實施包帶低溫變形等效試驗，測試了包帶在低溫工況下的預緊效果。

1 溫度對包帶預緊力的影響分析

1.1 低溫變形情況分析

環(huán)形天線隨火箭發(fā)射至太空后，火箭整流罩打開，天線將直接處于真空、高低溫交變的惡劣太空環(huán)境中。在環(huán)形天線展開前，包帶必須可靠鎖定。由于鉸鏈與包帶之間的材料不同，線脹系數(shù)差別大，在溫度載荷作用下變形差別也很大。高溫工況時，鉸鏈膨脹變長、包帶縮短，預緊力將增加，則包帶預緊鎖定效果更好。低溫工況時，鉸鏈收縮變短、包帶變長，預緊力將降低。當預緊力降低到一定值時，可能導致包帶與鉸鏈之間的網(wǎng)管布帶壓緊失效。因此需要對包帶在低溫工況下的預緊力值進行仿真或測試，以便評估包帶預緊的效果。

包帶主體部分由碳纖維復合材料制成，線脹系數(shù)為負值(約為-0.5E-6)，在低溫工況下將會變長(即包絡直徑變大)；鉸鏈為硬鋁合金金屬材料，線脹系數(shù)為正值(約為23E-6)，在低溫工況收縮變形后有向內(nèi)收縮的趨勢(即鉸鏈處天線直徑變小)。但同時在鉸鏈驅(qū)動彈簧和桿件預彎矩的作用下，天線有向外展開的趨勢(即鉸鏈處天線直徑變大)。這兩種相反的運動趨勢，使得包帶只要不完全斷開，即使松弛，鉸鏈仍然有部分向外的作用力使其與包帶靠在一起。此過程由于接觸環(huán)節(jié)多比較復雜，且有嚴重的非線性，難以仿真計算。包帶預緊力測試系統(tǒng)基于常溫應變測試技術(shù)設計，在低溫狀態(tài)下防護膠變硬，使得測量不準，因此難以在低溫工況下進行實測。

由于上述困難，我們將在常溫工況下采用等效方法對包帶預緊效果進行測試。

1.2 低溫工況包帶變形等效計算及驗證方法

(a)熱變形計算

由熱分析結(jié)果可知，環(huán)形天線進入太空且展開前，最低溫度約為-184℃(鑒定級)，此時熱變形最大。利用MSC.Nastran計算了包帶及鉸鏈在低溫工況下的熱變形，得到鉸鏈與包帶之間最大變形差為17.6mm。該變形絕對值僅為包帶長度的0.6%。

表1 熱變形計算結(jié)果Tab.1 Calculation result of Thermal deformation

(b)載荷估算

環(huán)形天線進入太空且展開前，主要承受來自衛(wèi)星變軌的載荷，最大加速度載荷約為0.1m/s2。每個網(wǎng)管布帶需要固定4kg的網(wǎng)面重量，考慮5倍安全系數(shù)，則每根布帶承受的最大載荷約為4×0.1×5=2N。因此，低溫工況下即使由于包帶鉸鏈變形松弛，只要其壓緊后對布帶施加的摩擦力大于2N即可保證布帶不會脫出。

(c)等效驗證方法

低溫工況包帶預緊力等效驗證的方法如下：

(1)以包帶預緊后的長度為基準，將此狀態(tài)的包帶及鉸鏈形狀視為零態(tài)；

(2)分別計算包帶和鉸鏈在低溫極限溫度工況下的變形，二者之差即為包帶相對縮短變形量△1；分別計算得到包帶長端和短端的變形量；

(3)常溫等效測試時，手動將包帶長度伸長△2，且△2等于第2步中計算得到的△1。由于變形△遠遠小于包帶長度，則可認為該過程等效于包帶低溫變形過程(如圖3所示)；

圖3 包帶變形示意圖Fig.3 Deformation of the clampband

(4)測試包帶在低溫工況下的預緊力值及對布帶的預緊效果。

3 低溫等效驗證情況

我們利用某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件進行試驗驗證，測試現(xiàn)場如圖4所示。試驗時主要步驟如下：

圖4 測試現(xiàn)場圖Fig.4 Test site diagram

(1)將天線翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，并安裝到零重力卸載系統(tǒng)；

(2)將上、中、下三根包帶分別預緊，其中上下包帶預緊力為1100N左右；

(3)將上包帶長端釋放9.4mm；

(4)用游標卡尺測試上包帶長端變形，用包帶預緊力系統(tǒng)測試包帶的預緊力，用彈簧秤測試網(wǎng)管布帶拉脫力；

(5)將上包帶短端釋放8.2mm；

(6)用游標卡尺測試上包帶短端變形，用包帶預緊力系統(tǒng)測試包帶的預緊力，用彈簧秤測試網(wǎng)管布帶拉脫力；

(7)試驗結(jié)束。

試驗時常溫初始狀態(tài)和低溫等效狀態(tài)上端包帶預緊力及布帶拉脫力的測試結(jié)果分別如下表所示：

表2 測試結(jié)果Tab.2 Test result

用彈簧秤向上拉網(wǎng)管布帶，直到出現(xiàn)布帶松動為止，測試包帶與鉸鏈之間的壓緊拉脫力。測試結(jié)果表明，所有網(wǎng)管布帶壓緊拉脫力均大于25N，滿足大于2N的指標要求。

4 結(jié)論

通過環(huán)形天線包帶低溫預緊力試驗研究，主要形成以下結(jié)論：

(1)環(huán)形天線包帶與鉸鏈熱脹系數(shù)不同，在低溫工況由于存在較大熱變形，將會導致包帶松弛、預緊力下降；為保證結(jié)構(gòu)安全，下降后的預緊力仍應滿足使用需求；

(2)通過熱變形后預緊力等效驗證的方式，可以評價包帶低溫工況的預緊力是否滿足指標要求，滿足工程使用需求。

本文進行的等效驗證試驗研究，驗證了施加設計預緊力載荷的包帶在低溫工況下依然具有足夠的預緊力，可以壓住網(wǎng)面管理裝置等布帶，防止其意外脫落。但環(huán)形天線低溫工況包帶的熱變形涉及包帶、鉸鏈、布帶等相互摩擦、運動等，受力情況復雜；本文方法可以滿足工程使用需要，更準確的理論計算、測試仍需進行進一步研究。