星載天線支撐桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型研制及實(shí)驗(yàn)

段濤杰，祝 巍，郭瑞桁，王明方，吳瑞琴

（1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津 300384）

星載天線技術(shù)在深空探測(cè)、對(duì)地遙感等方面作用凸顯?？紤]運(yùn)載成本和空間任務(wù)需求，星載天線朝著大型化、高精度方向發(fā)展。大型天線中的可展結(jié)構(gòu)對(duì)其工作可靠性有很大影響，眾多學(xué)者在可展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面開展了研究。Prowald 和Baier[1]提供了多種可展天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的折展方案。Qi 等[2]基于平面六桿連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了較大折展比的可展機(jī)構(gòu)。史創(chuàng)等[3]研制了利用彈性鉸鏈驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊式平面可展開單元的可展機(jī)構(gòu)。

近年來(lái)可展桁架式天線發(fā)展迅速，多款產(chǎn)品已研制成功并投入使用，如美國(guó)研制的AstroMesh 天線[4]。AstroMesh 天線由伸展臂、環(huán)狀可展桁架、張力索網(wǎng)和金屬反射網(wǎng)等部分組成，其環(huán)狀可展桁架是實(shí)現(xiàn)天線反射器收展的重要功能部件。研究人員在AstroMesh 天線環(huán)狀支撐桁架的基礎(chǔ)上又研發(fā)出了多種類型的類環(huán)狀桁架結(jié)構(gòu)。Scialino 等[5]提出了一種新的錐狀環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)比柱狀環(huán)形桁架的剛度特性要好。韓博等[6]提出了一種新型剪叉式過(guò)約束雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)。吳新燕和關(guān)富玲[7]設(shè)計(jì)研制出了一種雙圈六面體環(huán)形桁架可展開結(jié)構(gòu)。天線入軌后能否順利進(jìn)入工作狀態(tài)取決于可展機(jī)構(gòu)能否可靠展開。Li 等[8]利用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法將天線系統(tǒng)分解成幾個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)從而分析了天線的展開過(guò)程。Nie 等[9]將剛體旋轉(zhuǎn)、索網(wǎng)幾何非線性、剛?cè)狁詈咸匦缘瓤紤]進(jìn)來(lái)，開展了大型可展天線在軌展開動(dòng)力學(xué)特性研究。Lu 等[10]研究了空間可展開天線支撐臂和反射器展開過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

在地面進(jìn)行環(huán)形天線的展開實(shí)驗(yàn)有重要的實(shí)踐意義。為了開展充分的地面實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)環(huán)形星載天線的反射器支撐桁架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)了支撐桁架的接頭結(jié)構(gòu)使其適用于多種單胞數(shù)目，利用三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析了提出的支撐桁架設(shè)計(jì)方案的可行性，制作了可展桁架實(shí)物模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可展支撐桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)形星載天線的反射器支撐桁架由眾多桿件和接頭組成，其中桿件有斜桿、橫桿和豎桿三種，接頭分為三向接頭和五向接頭兩種，如圖1 所示。桁架的接頭是其實(shí)現(xiàn)收展的關(guān)鍵部件，接頭中有實(shí)現(xiàn)同步收展的齒輪和鉸鏈，也有實(shí)現(xiàn)鎖緊的限位裝置。能夠同時(shí)滿足收展功能和適用于單胞數(shù)量可變是接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。要達(dá)到這兩個(gè)要求需要接頭結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)具備豎直方向可旋轉(zhuǎn)和橫向夾角可改變。

圖1 環(huán)狀桁架結(jié)構(gòu)示意圖

三向接頭主要包括接頭主體、橫桿連接件和異形齒輪，通過(guò)采用異形齒輪作為同步傳動(dòng)構(gòu)件來(lái)應(yīng)對(duì)橫向夾角改變帶來(lái)的傳動(dòng)問(wèn)題，主體內(nèi)部安裝兩個(gè)異形齒輪，主體底部圓柱用來(lái)連接豎桿，主體和橫桿連接件通過(guò)螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)，主體內(nèi)壁設(shè)置凸臺(tái)用來(lái)對(duì)橫桿連接件展開到位進(jìn)行限位，如圖2（a） 所示。五向接頭主要由接頭主體和連接件組成，主體中間圓柱用來(lái)連接豎桿，連接件分為斜桿連接件和橫桿連接件，主體內(nèi)壁設(shè)置擋板用來(lái)對(duì)斜桿收攏到位進(jìn)行約束，如圖2（b） 所示。將接頭與相應(yīng)的豎桿、橫桿和斜桿進(jìn)行裝配，得到如圖3 所示的六邊環(huán)狀支撐桁架。

圖2 接頭

圖3 環(huán)狀支撐桁架

2 運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)桁架機(jī)構(gòu)的展開特征設(shè)置運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)，確保構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)置齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，只驅(qū)動(dòng)一個(gè)齒輪，以此來(lái)驗(yàn)證異形齒輪的傳動(dòng)能力和同步收展功能。利用ADAMS 軟件對(duì)六邊支撐桁架展開的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程如圖4 所示。

圖4 六邊支撐桁架展開

通過(guò)ADAMS 分析后處理得到各個(gè)豎桿質(zhì)心速度變化曲線如圖5 所示。圖中，豎桿質(zhì)心速度隨桁架收攏先逐漸增大直到收攏完成瞬間降為零，在桁架剛要展開時(shí)豎桿質(zhì)心速度先由零瞬間增大到某一值然后隨桁架逐步展開而緩慢減小。豎桿的速度發(fā)生突變導(dǎo)致機(jī)構(gòu)中存在沖擊，這在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該避免。

圖5 六個(gè)豎桿質(zhì)心的速度曲線

3 實(shí)物模型制作及實(shí)驗(yàn)

選用尼龍塑料并利用3D 打印制作接頭結(jié)構(gòu)中的非標(biāo)件，采用PVC 材料制作橫桿、豎桿和斜桿，連接緊固件采用塑料材質(zhì)的普通螺栓。裝配完成六邊支撐桁架后，將接頭兩個(gè)外殼之間連接的小螺栓松開，調(diào)整橫桿間夾角，增加單胞數(shù)量，可裝配組成十邊支撐桁架機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單胞數(shù)量可調(diào)。將十邊支撐桁架懸吊在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，測(cè)試桁架展開過(guò)程，搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6（a） 所示。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)支撐桁架展開。將加速度傳感器貼在最外端的桁架接頭上，測(cè)量得到測(cè)點(diǎn)豎直方向位移曲線如圖6（b） 所示。桁架展開初期，外端接頭下降平緩，隨著展開直徑增大，受重心影響外端接頭快速下降。松緊展開后期，機(jī)構(gòu)剛度隨著驅(qū)動(dòng)索逐漸拉緊而增強(qiáng)，位移會(huì)有一個(gè)小幅的抬升。

圖6 展開實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

為方便開展環(huán)形星載天線桁架支撐結(jié)構(gòu)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了通用桁架接頭結(jié)構(gòu)，使其既能實(shí)現(xiàn)支撐桁架收展功能，又能滿足桁架單胞數(shù)目可調(diào)的需求。采用3D 打印技術(shù)制作了可展桁架實(shí)物模型，通過(guò)仿真分析和展開實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了可展支撐桁架設(shè)計(jì)方案的可行性，研究結(jié)論對(duì)環(huán)形星載天線桁架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地面實(shí)驗(yàn)有一定參考價(jià)值。