近年來,隨著人們對衛(wèi)星移動(dòng)通訊需求的增長,以及在射電天文、對地觀測、電子偵查等領(lǐng)域研究的深入,星載天線增益的需求越來越高,天線口徑設(shè)計(jì)要求越來越大。受運(yùn)載火箭裝載空間的限制,可展開結(jié)構(gòu)已成為目前實(shí)現(xiàn)大口徑天線的最佳方式。在各種可展開星載天線中,索網(wǎng)式可展開天線因其折疊收納比高、質(zhì)量輕、適應(yīng)口徑范圍大等優(yōu)點(diǎn)得到各國研究人員的廣泛關(guān)注。我國科研人員對周邊桁架式索網(wǎng)天線開展了大量研究,但對于展開性能更好且廣泛應(yīng)用的新一代徑向肋索網(wǎng)天線的研究還相對較少。本文以徑向肋索網(wǎng)天線為研究對象,圍繞如何降低索網(wǎng)天線的設(shè)計(jì)誤差和在軌誤差、提高反射面精度開展研究,包括徑向肋索網(wǎng)天線的幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形分析、結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)建模以及反射面形狀主動(dòng)控制等,為研制新一代大口徑、高精度徑向肋索網(wǎng)天線提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法,為其工程應(yīng)用奠定了系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。本文主要工作概述如下:(1)結(jié)合測地線和等邊三角形的特性,基于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)迭代策略提出一種生成反射面索網(wǎng)的準(zhǔn)等邊三角形網(wǎng)格法。對于給定的天線有效口徑,在相同的節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫问胶退鲉卧獢?shù)量下,采用該方法設(shè)計(jì)的反射面索網(wǎng)在總索長、索單元均勻性和索網(wǎng)形面精度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的投影法和測地線法,而且反射面焦徑比越小,該方法的優(yōu)勢越明顯。利用該法生成了兩種不同邊界約束下的反射面索網(wǎng),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了 6肋和12肋兩種徑向肋索網(wǎng)天線幾何構(gòu)型,其中6肋構(gòu)型反射面索網(wǎng)網(wǎng)格均勻性更好,12肋構(gòu)型反射面利用率更高。(2)提出一種適用于確定徑向肋索網(wǎng)天線平衡態(tài)構(gòu)型的混合找形分析方法。對于徑向肋索網(wǎng)天線反射面索網(wǎng),根據(jù)設(shè)計(jì)好的索網(wǎng)構(gòu)型采用極小范數(shù)法尋找最優(yōu)的預(yù)拉力分布;而沒有形面精度要求的背部索網(wǎng),則結(jié)合力密度和非線性規(guī)劃開展找形分析。這種結(jié)構(gòu)拆分,分步找形的策略,釋放了背部索網(wǎng)的部分幾何約束,降低了每次找形分析的難度,使得該方法擁有更強(qiáng)的靈活性和適用性。分析結(jié)果顯示,該方法可以有效處理徑向肋索網(wǎng)天線的找形分析問題,得到合理的索單元預(yù)拉力分布�；谡倚畏治鼋Y(jié)果,為減小索網(wǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)拉力對徑向肋產(chǎn)生的變形影響,還設(shè)計(jì)了一種帶有輔助索的徑向肋支撐結(jié)構(gòu)。(3)建立了帶有壓電陶瓷堆(PZT)作動(dòng)器的徑向肋索網(wǎng)天線的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型。對于展開鎖定后的主控徑向肋索網(wǎng)天線,其被動(dòng)索單元和徑向肋單元分別采用兩節(jié)點(diǎn)桿單元和空間梁單元建模;而PZT作動(dòng)器單元?jiǎng)t基于壓電本構(gòu)方程和哈密頓原理建模。將各單元模型在總體坐標(biāo)系下集成得到索網(wǎng)天線整體結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型,并分析了徑向肋索網(wǎng)天線的模態(tài)特性。分析結(jié)果表明,在輔助桿兩端施加固定約束能得到較大的結(jié)構(gòu)基頻,可滿足一般的設(shè)計(jì)要求;加入作動(dòng)器后結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率降低,而增大預(yù)拉力可使結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率變大。(4)提出一種基于改進(jìn)的快速模型預(yù)測控制(IFMPC)的徑向肋索網(wǎng)天線反射面形狀主動(dòng)控制方法。該方法利用Newmark-β方法將徑向肋索網(wǎng)天線的動(dòng)力學(xué)方程表示為動(dòng)力顯式格式,解決了傳統(tǒng)模型預(yù)測控制中矩陣指數(shù)運(yùn)算帶來的存儲(chǔ)量大和效率低下的問題;在此基礎(chǔ)上給出一種變加權(quán)系數(shù)矩陣策略和基于物理意義的控制系數(shù)矩陣快速計(jì)算方法,進(jìn)一步縮短控制時(shí)間,提高計(jì)算效率。仿真結(jié)果表明,該方法適用于大規(guī)模結(jié)構(gòu)形狀控制問題求解,可顯著降低形狀控制過程中產(chǎn)生的殘余振動(dòng),并且具有良好的魯棒性。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V443.4
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｉｎｆｌａｔａｂｌｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ邋ａｎｔｅｎｎａ逡逑索網(wǎng)反射面天線分類及應(yīng)用逡逑索網(wǎng)反射面天線根據(jù)展開驅(qū)動(dòng)方式和索網(wǎng)支撐系統(tǒng)的不同衍生出多種結(jié)構(gòu)形結(jié)構(gòu)類型分為：構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線、周邊桁架式索網(wǎng)反射面天線和傘狀天線。逡逑架式索網(wǎng)反射面天線逡逑構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，索網(wǎng)支撐系統(tǒng)通常由可折疊六棱柱桁架模塊組成。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，只需改變模塊的大小和數(shù)量即－２－逡逑

圖１．１固面可展開天線ＤＡＩＳＹ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｏｌｉｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ邋ａｎｔｅｎｎａ邋ＤＡＩＳＹ逡逑a鍕p逡逑圖１．２充氣反射面可展^u天線逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｉｎｆｌａｔａｂｌｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ邋ａｎｔｅｎｎａ逡逑１．１．１索網(wǎng)反射面天線分類及應(yīng)用逡逑索網(wǎng)反射面天線根據(jù)展開驅(qū)動(dòng)方式和索網(wǎng)支撐系統(tǒng)的不同衍生出多種結(jié)構(gòu)形式，常逡逑見的結(jié)構(gòu)類型分為：構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線、周邊桁架式索網(wǎng)反射面天線和傘狀索網(wǎng)反逡逑射面天線。逡逑（１）構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線逡逑構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，索網(wǎng)支撐系統(tǒng)通常由可折疊的四面逡逑體或六棱柱桁架模塊組成。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，只需改變模塊的大小和數(shù)量即可得到逡逑－２－逡逑

逡逑不同的天線口徑。圖１．３（ａ）為一種由六棱柱模塊組成的構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線示意圖，逡逑由日本國家空間發(fā)展局（ＮＡＳＤＡ）研制。２００６年日本發(fā)射的工程試驗(yàn)衛(wèi)星ＥＴＳ－ＶＩＩｌｌ｜ｔＭ２］逡逑搭載了兩個(gè)物理口徑為１９ｍｘ邋１７ｍ的這種天線，每個(gè)天線由１４個(gè)直徑為４．８ｍ的六棱柱逡逑桁架模塊組成，該天線收攏后高度為４ｍ，直徑為ｌｍ，總重量為１７０ｋｇ［１３，ｌ４ｌ。由于天線逡逑口徑大，形面精度較高，該天線可以實(shí)現(xiàn)對地面手機(jī)大小的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行衛(wèi)星通訊。我逡逑國在構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線領(lǐng)域也開展了大量研宄ｆ１５“９］，圖１．３（ｂ）為我國研制的６ｍｘ逡逑２．８ｍ邋口徑的構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線，其采用了四面體桁架模塊作為索網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)＠２｜１，逡逑該天線己成功應(yīng)用于環(huán)境一號(hào)Ｃ星。由于采用了模塊化的桁架結(jié)構(gòu)作為反射面索網(wǎng)的支逡逑撐結(jié)構(gòu)，構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天線形面精度高、結(jié)構(gòu)剛度大、易于擴(kuò)展且裝配靈活，每個(gè)逡逑模塊的形面精度可單獨(dú)調(diào)節(jié)，降低了天線的加工難度。同時(shí)，由于構(gòu)架式索網(wǎng)反射面天逡逑線結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2810069