【摘要】：薄膜反射鏡由于其面密度低、易于折疊展開且成本低等優(yōu)點,能夠有效解決高分辨率空間使用需求和發(fā)射承載質(zhì)量、空間限制的矛盾,在未來深空探測、空間通信和對地觀測中具有巨大的應(yīng)用前景。自上世紀六十年代,以美國為代表的國外研究機構(gòu)已經(jīng)對空間薄膜反射鏡開展了大量的研究工作并取得了突出成果。近十年來,國內(nèi)以中科院長光所和蘇州大學(xué)為代表的研究機構(gòu)取得了一些薄膜反射鏡研究進展,但多著眼于靜電拉伸薄膜反射鏡的成型控制機理和檢測試驗研究。目前,對于薄膜反射鏡在軌工作時的振動和面型控制研究尚處于空白。同時,隨著智能結(jié)構(gòu)技術(shù)的迅速發(fā)展,形狀記憶材料、壓電材料、光電材料等新型智能材料已經(jīng)被廣泛用作傳感器和作動器。將上述智能材料與空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合(層合于結(jié)構(gòu)表面或嵌入其內(nèi)部)以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的主動控制,目前已成為航天領(lǐng)域的重要研究方向之一。因此,本文考慮以智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計思想,將薄膜反射鏡與智能材料相結(jié)合,實現(xiàn)其在空間工作過程中的動、靜態(tài)主動面型控制。從熱-力-電場耦合作用下一般層合壓電薄殼本構(gòu)關(guān)系入手,基于Love-Kirchhoff薄殼假設(shè)和一階剪切變形理論分析了壓電層合薄殼單元的力學(xué)模型,討論了熱-力-電能場轉(zhuǎn)換及耦合作用關(guān)系,推導(dǎo)壓電層合薄殼單元的合成力和力矩基本表達式;基于Hamilton原理和薄殼理論基本假設(shè)推導(dǎo)出具有一般性的壓電層合薄殼非線性系統(tǒng)動力學(xué)方程;通過代入薄膜反射鏡拉梅系數(shù)和曲率半徑,分別建立了壓電層合薄膜反射鏡動力學(xué)模型和單層壓電薄膜反射鏡動力學(xué)模型;在軸對稱熱載荷下進行了數(shù)值求解,并與有限元分析結(jié)果進行對比,驗證了模型的正確性。對薄膜反射鏡振動特性開展研究,建立其線性動力學(xué)模型,推導(dǎo)固定邊界條件下不同階次模態(tài)的頻率系數(shù)和橫向模態(tài)振型函數(shù);以線性動力學(xué)模型為基礎(chǔ),基于Galerkin法推導(dǎo)薄膜反射鏡非線性動力學(xué)模型,并對模型進行軸對稱及非軸對稱模態(tài)求解;通過與參考文獻中相關(guān)結(jié)論的對比,驗證模型的通用性及正確性。開展薄膜反射鏡分布式壓電傳感和作動信號特性研究。由薄膜反射鏡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方程,推導(dǎo)層合壓電傳感單元微觀傳感信號和壓電作動單元微觀模態(tài)控制力表達式;數(shù)值仿真分析了模態(tài)階次、空間分布和張緊力對壓電微傳感信號和作動器微控制行為的影響,為薄膜反射鏡智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳感器和作動器的布局設(shè)計提供參考。將分布式壓電傳感器和作動器貼片對稱同位地布置在薄膜反射鏡上、下表面最優(yōu)布局位置,采用線性二次型最優(yōu)控制算法設(shè)計控制器,建立壓電層合薄膜反射鏡控制系統(tǒng),給出最優(yōu)控制理論下的系統(tǒng)狀態(tài)空間方程;進行薄膜反射鏡前四階模態(tài)主動控制效果仿真計算,分析模態(tài)階次和薄膜張緊力對控制效果的影響,并對控制器設(shè)計參數(shù)的作用效果進行評估。搭建薄膜反射鏡面型主動控制實驗平臺,分別進行薄膜反射鏡面型靜態(tài)和振動控制實驗。提出基于影響函數(shù)矩陣的薄膜反射鏡面型控制方法,參數(shù)辨識薄膜反射鏡面型影響函數(shù)矩陣,進行面型閉環(huán)動態(tài)追蹤實驗和熱變形自適應(yīng)控制實驗,證實了該控制策略能迅速且有效的控制反射鏡面型并消除外界熱擾動引起的面型誤差;通過參數(shù)辨識得到薄膜反射鏡系統(tǒng)二階模型,基于正位置反饋法設(shè)計獨立模態(tài)控制器,針對薄膜反射鏡前兩階模態(tài)分別進行振動主動控制實驗,驗證了控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對薄膜反射鏡振動的有效抑制。
【圖文】：

分析薄膜反射鏡非線性動力學(xué)特性，探究壓電層合薄膜和作動特性，通過數(shù)值仿真和系統(tǒng)試驗相結(jié)合實現(xiàn)對薄膜反射狀調(diào)節(jié)和動態(tài)響應(yīng)控制。本研究將全面推動薄膜反射鏡在軌自展，為智能結(jié)構(gòu)技術(shù)在輕型星載大型光學(xué)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用、性能指標和智能化水平奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。外研究現(xiàn)狀反射鏡技術(shù)發(fā)展概述射鏡技術(shù)的發(fā)展可以追溯至十九世紀六十年代，美國航空航天徑空間望遠鏡計劃，旨在設(shè)計和制造面型可精密調(diào)節(jié)的大口徑，用以提升對地觀測范圍和精度，，推動空間通訊和深空探測技俄羅斯、加拿大、韓國、日本等國的研究機構(gòu)也紛紛開展研究射鏡技術(shù)研究的熱潮�？臻g反射鏡的發(fā)展歷程可以大致歸納為 1-1 所示。大口徑需求 高質(zhì)量成像 充氣式

圖 1-2 Echo 1 氣球衛(wèi)星[2]Fig.1-2 Echo 1 inflatable satallite[2]空航天局成功發(fā)射了人類第一個超過“Echo 1”氣球衛(wèi)星，如圖 1-2 所示鋁涂層，直徑 31m，重 62kg，用于進發(fā)射了第二顆直徑為 41m 的“Echo 2化方式進行成型，作為通訊衛(wèi)星在軌長時間使用并維持表面面型[3]。1971，9m 和 14m 的充氣型天線。1996 年飛行試驗[4]，其在軌展開過程如圖 1（①→②），三個充氣支撐柱和薄膜反柱和支撐環(huán)通過儲藏箱內(nèi)的充氣系統(tǒng)全充氣后，薄膜反射鏡在氣壓和繩索當天線完全展開后，三個支撐柱的長經(jīng)過測量，在中心 4m 半徑區(qū)域內(nèi) RM.K.Maji 等人進行了充氣式壓電驅(qū)動薄
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TH74

【參考文獻】

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本文編號：2619747