人工智人-家居设计-大型空间网状展开天线反射面精度控制的智能结构的研究.pdf资源-CSDN文库

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第一章绪论

第一章

§１．１

绪论

引言

近几十年来，随着通信、空间科学、地球观测事业迅猛发展，对高精度的网

状展开天线的需求越来越迫切，大型空间网状展开天线及其反射面精度调整和控

制技术就成为大型空问天线研究的一个热Ｉ’］课题而受到世界各宇航公司和研究单

位的关注刚３。虽然该项技术并没有完全成熟，但是国外的各宇航公司和研究单位

在各种宇航飞行器上频繁地使用了网状展开天线技术，这主要是因为实际中对大

型空间天线的迫切要求和网状展开天线在尺寸和重量上有巨大优势。跟踪与数据

中继卫星、电子侦察卫星和需要大型空间天线的通信卫星上的网状展开天线就是

采用该项技术的主要应用对象。而网状展开天线本身也在宇航飞行器中也展示出

灿烂的前景，美、俄、日、法等国都在基础研究与应用上取得了显著的成绩。

图拉雅通信卫星ｎ

ｚ上的大型网状展开天线是阿斯特罗宇航公司为休斯公司

制造的，重７８公斤，展开后直径达１２．２５米．而收超发射状态直径只有１．３米．

长３．８米。１９９７年２月１２日，日本成功地发射了一颗命名为“遥远号”的射电

天文卫星，即ＭＵＳＥＳ－８卫星［－ｔｌｏ卫星高６．５ｍ，重８３０ｋｇ，装有直径为８ｍ（最大直

径为１０ｍ）的抛物面天线。美国国家侦察办公室在１９９７年１０月至１１月初发射了

两颗新型军事情报卫星¨Ｄ，其中一颗为洛克希德·马丁公司制造的改进型长曲棍

球成像雷达卫星，另～颗是休斯公司制造的喇叭信号情报卫星。它们成为美国最

大的两颗军事卫星，其中后者使用了一部足有一块足球场大小的窃听天线。长曲

棍球卫星的成像雷达使用了一个直径约９．１米的抛物面天线。美国的ＨＡ砒ＵＳ政

府系统集团公司所研制的径向肋瞬状天线，结构紧凑，表面精度精确。这种天线

现已用在工作频段为ｓ和Ｋｕ频段的跟踪数据中继卫星系统中和工作频段为Ｓ和

ｘ波段的伽利略～木星探测器上。美国航宇局在２０００年６月３０日在卡纳维拉尔

角使用洛马公司／国际发射服务公司的宇宙神２Ａ型运载火箭发射了一颗新型跟踪

与数据中继卫星（ＴＤＲＳ）Ｄｊ。这颗卫星是休斯公司建造的３颗新～代ＴＤＲＳ卫星

中的第一颗．代号ＴＤＲＳ．Ｈ。新卫星将供美国航宇局、情报部门、商业界和欧测

及日本的航天机构使用．使美国的卫星中继能力有新的提高。为了把直径４．６米

的天线安装到宇宙神火箭的整流罩内，体斯公司采用了一种石墨网状天线设计，三

使尺寸很大的天线在发射过程中被折叠成炸玉米卷形。入轨后，天线可弹开，形

成所需的精确形状。体斯公司的石墨网状天线设计最初是为一商业移动通信项目

而开发的。ＴＤＲＳ卫星对天线表面精度的要求要比那一商业项目高１５倍。为此，

该公司专门设计了一些机械装置，使天线展开后仍能对其形状进行微调，以改善

波束特征。

：

第一章绪论

第一章

§１．１

绪论

引言

近几十年来，随着通信、空间科学、地球观测事业迅猛发展，对高精度的网

状展开天线的需求越来越迫切，大型空间网状展开天线及其反射面精度调整和控

制技术就成为大型空问天线研究的一个热Ｉ’］课题而受到世界各宇航公司和研究单

位的关注刚３。虽然该项技术并没有完全成熟，但是国外的各宇航公司和研究单位

在各种宇航飞行器上频繁地使用了网状展开天线技术，这主要是因为实际中对大

型空间天线的迫切要求和网状展开天线在尺寸和重量上有巨大优势。跟踪与数据

中继卫星、电子侦察卫星和需要大型空间天线的通信卫星上的网状展开天线就是

采用该项技术的主要应用对象。而网状展开天线本身也在宇航飞行器中也展示出

灿烂的前景，美、俄、日、法等国都在基础研究与应用上取得了显著的成绩。

图拉雅通信卫星ｎ

ｚ上的大型网状展开天线是阿斯特罗宇航公司为休斯公司

制造的，重７８公斤，展开后直径达１２．２５米．而收超发射状态直径只有１．３米．

长３．８米。１９９７年２月１２日，日本成功地发射了一颗命名为“遥远号”的射电

天文卫星，即ＭＵＳＥＳ－８卫星［－ｔｌｏ卫星高６．５ｍ，重８３０ｋｇ，装有直径为８ｍ（最大直

径为１０ｍ）的抛物面天线。美国国家侦察办公室在１９９７年１０月至１１月初发射了

两颗新型军事情报卫星¨Ｄ，其中一颗为洛克希德·马丁公司制造的改进型长曲棍

球成像雷达卫星，另～颗是休斯公司制造的喇叭信号情报卫星。它们成为美国最

大的两颗军事卫星，其中后者使用了一部足有一块足球场大小的窃听天线。长曲

棍球卫星的成像雷达使用了一个直径约９．１米的抛物面天线。美国的ＨＡ砒ＵＳ政

府系统集团公司所研制的径向肋瞬状天线，结构紧凑，表面精度精确。这种天线

现已用在工作频段为ｓ和Ｋｕ频段的跟踪数据中继卫星系统中和工作频段为Ｓ和

ｘ波段的伽利略～木星探测器上。美国航宇局在２０００年６月３０日在卡纳维拉尔

角使用洛马公司／国际发射服务公司的宇宙神２Ａ型运载火箭发射了一颗新型跟踪

与数据中继卫星（ＴＤＲＳ）Ｄｊ。这颗卫星是休斯公司建造的３颗新～代ＴＤＲＳ卫星

中的第一颗．代号ＴＤＲＳ．Ｈ。新卫星将供美国航宇局、情报部门、商业界和欧测

及日本的航天机构使用．使美国的卫星中继能力有新的提高。为了把直径４．６米

的天线安装到宇宙神火箭的整流罩内，体斯公司采用了一种石墨网状天线设计，三

使尺寸很大的天线在发射过程中被折叠成炸玉米卷形。入轨后，天线可弹开，形

成所需的精确形状。体斯公司的石墨网状天线设计最初是为一商业移动通信项目

而开发的。ＴＤＲＳ卫星对天线表面精度的要求要比那一商业项目高１５倍。为此，

该公司专门设计了一些机械装置，使天线展开后仍能对其形状进行微调，以改善

波束特征。

：

大型空间网状展开天线反射面精度的智能结构的研究

我国也于八十年代中期开始积极开展了网状展开天线的预研蚰ｌ，九十年代初

期，对网状展开天线进行了动力学建模、动力响应分析、网面精度调整以及控制

等方面的研究，取得了一些可喜的成果，并且己经开始进行地面模型实验和测试

工作。但与发达国家相比，还有很大的差距。在１９９９年的总装备部航空航天局

“数据中继卫星系统发展研讨会”与“小卫星及星座系统发展研讨会”上，我国

已经提出了发射装备大型空间网状展开天线卫星的日程。

§１．２问题的提出及研究意义

§１

２．１

问题的提出

大型可展开网状天线的反射器是由许多可折叠和展开的刚性构件以及金属网

组成，而反射面是由若干较小的平面（或曲面）组成。目前，网状展开天线的尺

寸越来越大，对反射面精度要求越来越高（特别是高频段），相邻两主肋之间的

网状天线扇形区的面积越来越大．虽然在主肋处反射面形状近似于理想曲面，但

由于反枕效应，两相邻主肋之间的反射面与理想反射面差距甚大‘。怎样能使网状

天线在工作状态下具有高的反射面精度的问题，便显得非常重要。一些公司和研

究院所解决此问题的方法之一是采用良好的反射面精度调整技术。例如，对于Ｃ

和Ｌ频段以下的天线，提高天线反射面精度的方法主要有：

◆增加天线肋的肋数．如ＪＰＬ实验室研究的４．２７ｍ伞状盯３。天线精度要求越高，

天线肋数越多，天线重量也越重。

◆辅助牵引面法．如美国Ｈａｒｒｉｓ公司为美国”跟踪与数据中继卫星”所研究的５ｍ

展开天线嗍所采用的反射面精度调整方法。

◆张力杆天线瑚，这是八十年代中期提出的调整高精度网状天线的一种新的天

线概念。

◆采用绳索控制的反射面自动调整系统。例如美国通用动力公司的构架式天线。

采用上述调整技术能够将天线反射面预先调整到所需要的精度，但应该考虑

到天线所处的外太空环境复杂且难以预测，加之动力源扰动，将使天线产生振动，

型面产生变形，另外．为了减轻天线的重量，往往是选择一些轻质材料，而这些

材料常常具有较小的阻尼，从而加大了天线结构的柔性与形变的易变特性，使之

在较小的激励作用下，会产生较大的变形和振动，这将大大影响天线反射面的精

度。近年来由于各种类型的自适应结构的深入研究，大型空间天线的反射面自动

控制也在研究之中。反射面精度控制技术就成了大型空间天线研究的一个热门课

题并受到世界个宇航公司和研究单位的关注。

在采

轨动态的

用各种控制策略来对反射面的精度施加控制时，如何使天线本身实现在

自检测．自适应等多静智能化的曲能，从而揶制外部干扰，保持天线反

．…。二建∥ｊ氢蠡？：。嚣，盛～

大型空间网状展开天线反射面精度的智能结构的研究

我国也于八十年代中期开始积极开展了网状展开天线的预研蚰ｌ，九十年代初

期，对网状展开天线进行了动力学建模、动力响应分析、网面精度调整以及控制

等方面的研究，取得了一些可喜的成果，并且己经开始进行地面模型实验和测试

工作。但与发达国家相比，还有很大的差距。在１９９９年的总装备部航空航天局

“数据中继卫星系统发展研讨会”与“小卫星及星座系统发展研讨会”上，我国

已经提出了发射装备大型空间网状展开天线卫星的日程。

§１．２问题的提出及研究意义

§１

２．１

问题的提出

大型可展开网状天线的反射器是由许多可折叠和展开的刚性构件以及金属网

组成，而反射面是由若干较小的平面（或曲面）组成。目前，网状展开天线的尺

寸越来越大，对反射面精度要求越来越高（特别是高频段），相邻两主肋之间的

网状天线扇形区的面积越来越大．虽然在主肋处反射面形状近似于理想曲面，但

由于反枕效应，两相邻主肋之间的反射面与理想反射面差距甚大‘。怎样能使网状

天线在工作状态下具有高的反射面精度的问题，便显得非常重要。一些公司和研

究院所解决此问题的方法之一是采用良好的反射面精度调整技术。例如，对于Ｃ

和Ｌ频段以下的天线，提高天线反射面精度的方法主要有：

◆增加天线肋的肋数．如ＪＰＬ实验室研究的４．２７ｍ伞状盯３。天线精度要求越高，

天线肋数越多，天线重量也越重。

◆辅助牵引面法．如美国Ｈａｒｒｉｓ公司为美国”跟踪与数据中继卫星”所研究的５ｍ

展开天线嗍所采用的反射面精度调整方法。

◆张力杆天线瑚，这是八十年代中期提出的调整高精度网状天线的一种新的天

线概念。

◆采用绳索控制的反射面自动调整系统。例如美国通用动力公司的构架式天线。

采用上述调整技术能够将天线反射面预先调整到所需要的精度，但应该考虑

到天线所处的外太空环境复杂且难以预测，加之动力源扰动，将使天线产生振动，

型面产生变形，另外．为了减轻天线的重量，往往是选择一些轻质材料，而这些

材料常常具有较小的阻尼，从而加大了天线结构的柔性与形变的易变特性，使之

在较小的激励作用下，会产生较大的变形和振动，这将大大影响天线反射面的精

度。近年来由于各种类型的自适应结构的深入研究，大型空间天线的反射面自动

控制也在研究之中。反射面精度控制技术就成了大型空间天线研究的一个热门课

题并受到世界个宇航公司和研究单位的关注。

在采

轨动态的

用各种控制策略来对反射面的精度施加控制时，如何使天线本身实现在

自检测．自适应等多静智能化的曲能，从而揶制外部干扰，保持天线反

．…。二建∥ｊ氢蠡？：。嚣，盛～

～～。黼舞蟊ｉ‰：鉴《蜒：乏：．

！

射面精度将是一个很关键问题。单纯通过传统的结构和材料是无法实现”智能化”

的，随着现代材料技术的发展，材料和结构的设计紧密结台，产生了智能结构。

所谓智能结构卧ｏｏ是将作动件和传感件紧密融合在结构中，同时也将控制电路、

逻辑电路、信号处理器和功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、

电磁等激励和控制，使智能材料结构不仅具有承载能力，还具有识别、分析、处

理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测。包括应变、损伤、

温度、压力、声音、光波等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分句、强度、

剐度、形状、电磁场、光学性能、化学性能和透气性等多种功能，从而使结构材

料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。

可见，如果在天线的结构中加入智能结构¨”，上述的自检测和自适应的问

题便能迎刃而解。如何实现这个过程，便是这罩提出问题。

§１．２

２研究的意义

从上面的叙述中，我们知道了对于星载网状天线反射面精度实施在轨控制的

必要性。而这方面的研究在我国还比较少，和发达国家研究成果相比还有一定的

的差距。同时，随着相关学科和领域的发展，对于这个课题的研究也提出了一些

新的思路和方法，同样也提出了一些新的问题。本文把这个课题和日益发展智能

结构联系起来，正是迎台学科发展的潮流。

我国在智能结构及其系统的研究尚属起步阶段，国家自然基金委员会与航空

部已设立了多个智能机械结构的科研项目．一些高等院校与研究所展开了这方面

的研究工作。从目前研究的结果来看，其研究大部分集中在各种不同的智能材料

特性的探索上，并研制出了多种具有不同特点的智能材料。对智能材料与结构的

应用的研究还相对较少。

可见，本文将要进行的研究工作是具有重大意义的。

§１．３本文所做的主要工作

目前国内外的参考文献与相关的资料中，并没有给出关于大型空间网状天线

反射面精度控制和智能结构相结合的具体方法。本文在以往关于智能结构和控制

的研究成果的基础上，大胆创新，提出了新的思想和实现方法。

本文完成的工作如下：

【ｌ】查阅了太量的中外资料，对智能结构的研究现状和方法进行了综述盯””３。

【２】基于空间网状天线的特点，通过有限元方法把天线划分为杆单元和膜单

元组成的结构系统船”。此外．应用压电方程和弹性力学推导出了含有

压电主动单元的杆单元有限元模型‘”Ⅲ０３

５“，５”ｏ，进而构成了整个空间

网状天线系统的机电耦合有限元方程及动力方程。

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