薄膜平面陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、隨著空間科技的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)的尺寸越來越大。為了節(jié)約發(fā)射成本，空間可展開結(jié)構(gòu)被越來越廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種平面可折疊薄膜反射陣天線，完成了一個(gè)有效反射面為2m×2m的天線縮比模型的分析、制作和測(cè)試。
　　論文在大量查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外空間可展結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況及研究現(xiàn)狀，這些應(yīng)用實(shí)例為本文天線的設(shè)計(jì)提供了寶貴的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。
　　薄膜平面反射陣天線是將曲面反射面天線和相控陣天線的若干優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起，用

2、薄平的或共形的陣列反射面來代替拋物面的一種新型的天線。相比于拋物面反射面，平面反射面更加容易實(shí)現(xiàn)和維持。本文在JPL實(shí)驗(yàn)室雙向可展開反射陣天線的概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了其設(shè)計(jì)方案，張拉膜面的邊界由拋物線改為圓形，并使用扭簧與鋼卷尺鉸鏈相結(jié)合的動(dòng)力展開裝置作為橫向結(jié)構(gòu)展開的驅(qū)動(dòng)，充氣管仍采用鋼卷尺強(qiáng)化的鋁箔圓管，最終將此概念設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)室模型。
　　本文從理論上證明了要使空間平面薄膜結(jié)構(gòu)處于等張力拉伸狀態(tài)，其最優(yōu)的邊界應(yīng)為圓形，并

3、通過索膜結(jié)構(gòu)的非線性有限元找形分析從側(cè)面證明了這一觀點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種新型的內(nèi)外部懸索聯(lián)合張拉方法，給出了此張拉方法下各部分懸索張力的計(jì)算方法，并考查了邊界跨數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的軸壓的影響，發(fā)現(xiàn)奇數(shù)跨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)所受的軸壓相對(duì)較小。通過與傳統(tǒng)張拉方法的比較，發(fā)現(xiàn)這種新型膜面張拉方法，所需拉索的截面面積和質(zhì)量均相對(duì)較小，且在支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，可以減緩膜面褶皺的出現(xiàn)。
　　本文分別研究了鋼卷在折疊彎曲和卷繞彎曲這兩種彎曲方式下的力學(xué)性能。通過薄殼理

4、論推導(dǎo)出這兩種彎曲方式下的展開彎矩公式，通過使用有限元法印證了展開彎矩公式?？疾炝虽摼沓咩q鏈的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其展開彎矩與鋼卷尺間距無(wú)關(guān)，其抗平面內(nèi)彎曲能力和抗扭能力均較弱，并且鋼卷尺鉸鏈從90°折疊狀態(tài)展開后，會(huì)出現(xiàn)反向屈曲的現(xiàn)象，為此必須將鋼卷尺鉸鏈與彈簧鉸鏈混合使用。給出了一個(gè)測(cè)量鋼卷尺鉸鏈屈曲彎矩和展開彎矩的實(shí)驗(yàn)方法。
　　充氣管的充氣展開過程分析及控制是整個(gè)天線的難點(diǎn)之一。本文在綜合了分析充氣管展開的非線性鉸鏈模型、卷曲折

5、疊模型以及考慮空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)充氣氣壓的影響后，使用了一種同時(shí)考慮充氣氣壓、充氣管內(nèi)壁鋼卷尺以及充氣管外壁尼龍毛扣對(duì)充氣管展開影響的卷曲折疊的鉸鏈模型。使用牛頓-歐拉方法建立了多體系統(tǒng)動(dòng)力方程，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了展開分析，并通過OpenGL實(shí)現(xiàn)了仿真分析的可視化。
　　根據(jù)平面反射陣天線的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，實(shí)際制作了一個(gè)有效反射面為2m×2m的雙向可展開平面反射陣天線，對(duì)實(shí)際制作中的一些制作工藝提出了一些建議。制作了天線展開測(cè)試框架，分別使