卫星天线展开过程的零重力环境模拟设备_韦娟芳

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1、收稿日期: 2005- 11 - 30; 收修稿日期: 2006- 01 - 16 卫星天线展开过程的零重力环境模拟设备 韦娟芳 ( 西安空间无线电技术研究所空间微波技术国防科技重点实验室, 西安 710000) 摘 要 卫星天线在地面展开过程中要使用卸载设备模拟太空零重力环境 。文章对零 重力模拟设备的原理和设计方案进行了分析和总结 ,将常见的卸载原理进行了归类。针对 一些典型的天线结构 ,介绍了与之展开相适应的地面零重力环境模拟设备的结构形式 。 主题词 卫星天线 展开式天线 重力环境 模拟试验设备 1 问题来源 卫星在轨道上是处于无重力状态 ,但是在地面的组装、 测试和实验的状态为有重力

2、环境。随着天 线尺寸的增大,地面重力环境的影响也随之增大 。重力的影响主要包括: (1) 对天线安装精度的影 响 ; (2) 对天线展开后形面精度的影响 ; (3) 在展开过程中对驱动力矩的影响等。因此在进行天线研 制的同时,还要研制相应的零重力环境模拟设备。 对于不同结构形式和不同展开方式的天线 ,需要根据其结构、展开方式和运动轨迹研制相应的零 重力设备。对于精度要求高的天线, 不仅需要在展开启动和终止时卸载 ,也需要在展开的全过程中进 行卸载 。实现零重力的方法有很多种 ,例如,可利用自由落体运动过程的零重力环境, 也可以利用流 体浮力来抵消部分重力作用,但工程中最常用的是在试件的有限结构

3、点上进行重力卸载。因此有必 要对这种方法从原理和设计方案上进行总结归纳。 2 零重力环境模拟实验设备的设计 2 . 1 零重力实验设备设计中一般需要考虑的几个问题 (1)天线的机械精度要求 天线的机械精度指标一般包括安装精度、形面精度和指向精度 ,这三项指标误差又可以分解为设 计误差 、 加工及装配误差、在轨道环境扰动误差和不可预见误差等几部分 。对于精度要求高的天线 , 对卸载的程度要求也高。在地面进行天线的机械精度指标测量时 ,一般要求在零重力环境模拟条件 下进行测量 ,有时还要在不同方向和不同位置的卸载环境下反复测量。 (2) 天线的刚度、 尺寸及质量特性 卸载点的数量和位置要根据天线的

4、刚度 、 尺寸 、 质量及惯量等多种因素综合决定。一般的原则 是 : (a) 尺寸较小的天线只需要单点卸载 ( 如口径小于 3米的固面天线 ); 尺寸大的天线则需要多点卸 载 。 (b) 刚度较大的天线, 如固面天线 ,卸载点可以只有一点或几点; 刚度较小的天线, 如网状天线 , 则需要较多的卸载点 。 (c) 质量和惯量小的天线需要的卸载点少 ; 质量和惯量大的天线需要的卸载 29 2006年第 2期 空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY 点多。这几条原则要根据具体情况灵活决定, 如充气膜状天线虽然刚度也很小 ,但由于膜为柔性材 料 ,若在离散点上进行卸载 ,

5、会引起局部较大的变形 ,因此一般采取重力环境测试加仿真的修正方法 来预测无重力变形。 (3) 天线的结构形式、 展开方式及展开运动轨迹 天线的结构形式 、 展开方式和展开运动轨迹是确定零重力模拟设备结构形式的重要依据,设计的 零重力设备要以最简洁和最可靠的方式来满足特定天线结构展开过程的卸载需求。零重力环境模拟 设备的卸载点位置要根据具体天线的结构形式来确定 ,同时要考虑到可安装性和可操作性。天线展 开运动轨迹决定了零重力卸载环境的工作范围 ,从而也决定了零重力设备的总体尺寸和运动部件的 工作范围。 图 1 悬臂可转动零重力吊架 (4) 实验场地等条件的限制 一般情况下 ,零重力模拟设备的尺寸

6、都 比较大 ,因此设计时要考虑到场地的限制。 对于大型天线, 还要考虑到预留吊车和其他 吊装设备的可操作空间。 2 . 2 零重力实验设备卸载原理及结构分类 (1) 悬臂可转动零重力吊架 图 1为悬臂可转动零重力吊架的原理示 意图。吊架的转动轴线必须与天线展开轴的 中心线在一条直线上, 吊线必须通过反射器 的质量中心 。 吊架特点: 吊点少 ,结构简单,成本低 ,适 合于小口径固体反射面天线的展开。 (2) 滑轮式零重力吊架 图 2 滑轮系统之一 图 2所示的滑轮系统适合于天线质心沿水平直线运动的展开 。图 3所示的滑轮系统适合于同时 具有水平和垂直两个方向运动的天线展开 。两个系统的吊线均要

7、求过试件的质心, 配重的大小以刚 好克服系统的动摩擦力为原则确定。 滑轮式零重力系统的特点 : 原理简单 ,节省安装空间 ,造价低, 可重复使用。缺点是质心调节和配 重过程复杂 ,对轨道的水平度要求高 ,对于复杂运动轨迹的天线展开不适用 。 (3) 二维平面滑轨式零重力吊架 30 空间电子技术 2006年第 2期 图 3滑轮系统之二图 4 二维平面滑轨式零重力吊架 图 4为二维平面滑轨式零重力吊架的原理示意图 。图中的横向导轨可以沿长轨滑动 ,吊索带动 试件又可沿横向导轨滑动 。二维平面滑轨式零重力卸载的特点是可以在较大范围内满足水平面内任 意方向运动的需要。但轴承沿导轨运动的摩擦力没有被补偿

8、 ,会引起附加的展开力矩 ,因此, 研制时 要通过加工和调节保证导轨达到很高的直线度 、 水平度和光滑度, 从而减小展开的摩擦力 。这种滑轨 还需要辅助的支撑吊架,支撑吊架的刚度要保证在承载状态下变形很小 。这种卸载装置的成本居中 , 缺点是占用空间较大 ,一般适用于大尺寸 (4米以上) 的平板式太阳电池阵和平面阵列天线的展开。 (4) 绳索悬吊式零重力装置 绳索悬吊式零重力装置是利用绳索在天线的个别点卸载 ,这种方式简单易行 ,特别适用于单纯的 展开静止状态卸载。在展开过程中, 必须保证运动过程中每根吊索都要处于拉紧状态 ,才能有卸载作 用 。它只适用于特定的展开方式,成本较低,一般情况下

9、,卸载效率也不高。 (5) 气浮式零重力装置 气浮式零重力装置是利用气浮轴承向下喷气 , 形成一层气膜, 使得轴承可以在水平面内自由漂 移 。它需要高精度的气浮平台 、 空气压缩机和储气罐等辅助设备 。气浮式零重力装置的特点是可以 保证在展开过程中,可以跟随天线任何复杂的运动轨迹, 一直维持卸载状态, 而且摩擦力小, 运动平 稳 ,缺点是辅助系统复杂, 成本高。它适应于精度要求较高的水平面内运动的天线展开。 3 几种天线展开零重力吊架的应用实例 3 . 1 滑轮式零重力吊架应用于伞状天线的展开 伞状天线像一把雨伞 ,由展开机构 、 多个可展开的肋和网组成 。网的质量很轻 , 一般不需要卸 载

10、; 肋一般为复合材料或金属材料组成,天线肋收拢和展开两种状态的重心位置变化比较大。伞状天 线展开一般采用在每根肋的重心都加卸载点的方法 。图 5为伞状天线反向悬吊展开的滑轮式卸载装 置 。展开时 ,每根肋的重心吊点都随天线肋的展开运动而沿径向导轨向外滑动, 从而保证天线肋在重 心的实时卸载。在导轨的末端加配重 ,通过配重的自重克服摩擦力, 从而拉动滑轮, 配重不能给天线 增加额外的展开动力 。 图 5 用于伞状天线展开的滑轮式零重力吊架 31 2006年第 2期 韦娟芳: 卫星天线展开过程的零重力环境模拟设备 3 . 2 绳索悬吊式零重力装置应用于构架天线的展开 构架天线由可收拢展开的四面体构

11、架单元组成 ,收拢状态时所有的杆件成为一捆 ,靠弹簧展开装 置展开 ,展开后形成抛物面的形状 。图 6是一种用于构架天线展开的简单的绳索悬吊式卸载装置 。 绳索的长度是按照展开状态重力卸载设计的。为了保证收拢状态时绳索也有卸载作用 ,在天线中间 的支撑杆上设计了一个圆盘,用于在收拢状态将吊索撑紧 。通过选择圆盘的半径和不同圆周周边绳 索上的吊点安装位置 ,保证每一根吊索在收拢状态和展开状态都卸载。在展开过程中 ,绳索并不能保 证实时的卸载,但由于展开的时间仅为 1至 2秒 ,而且构架单元本身的刚度也较大, 因此展开过程的 卸载不完全问题不会影响到展开后的形面形状 ,因此这种方式对构架式天线而言

12、 ,也是一种简单经济 的卸载方式 。 3 . 3 悬臂、滑轮组合应用于平面阵天线展开 利用悬臂的周向转动和滑轮的直线运动, 通过不同组合 ,可以用于各种平面阵天线的展开 。图 7 的 (1) 中是一个垂直展开的平面阵, 只在外板上设立吊点 ,保证外板的吊点在展开过程的实时卸载 。 配重质量的选择原则是自身重力刚好克服滑轮在承载状态下的最大静摩擦力 ,不增加额外的展开动 力 。图 7的 (2) 中是一个水平展开的平面阵天线 ,在外板和内板上都卸载。内板只有转动 ,只需要悬 臂装置 。外板既有转动,也有平动,因此采用悬臂粱和滑轮组合的卸载形式 。 (下转第 42页) 32 空间电子技术 2006年

13、第 2期 作者简介 蒙艳松 1980年生, 西安空间无线电技术研究所在读硕士研究生 .主要研究方向为空间通信测 控 、 卫星导航及精密测距。 史平彦 研究员 ,硕士生导师。主要从事空间遥感 、 载人航天等方面的工作 。 王 伟 工程师 ,硕士 。要主从事扩频通信、 精密测距、导航定位等方面的研究工作。 杜长龙 工程师 。主要从事扩频通信 、 精密测距、 导航定位等方面的研究工作。 (上接第 32页) 3 . 4 气浮式零重力装置应用于柔性天线动力学仿真实验 (1) 主视图(2) 三维立体图 图 8 应用于柔性天线动力学仿真实验的气浮平台系统 图 8是星体姿态控制系统和柔性附件的动力耦合仿真实验

14、系统,星体为中部的圆柱体 , L形梁代 表柔性天线或柔性帆板。星体可自由转动 ,喷嘴可以模拟在轨的姿态调整运动, 星体带有自平衡动量 轮 ,它可根据星体姿态角误差自动调节转速。底部的大平面为气浮平台, 在星体的底部以及 L梁的 A、B点处有气浮轴承。利用这套仿真试验系统, 可以进行柔性天线指向控制系统和星体姿态控制系 统动力耦合效果测试 ,验证星体的姿态控制系统和天线的指向控制系统设计 。 4 小 结 文章介绍了零重力卸载问题的来源, 分析了星载天线在地面进行卸载的必要性 。同时介绍了零 重力卸载装置设计中应考虑的因素, 并将常见的卸载原理进行了归类。针对一些典型的天线结构,介 绍了与之展开相适应的零重力模拟设备的结构形式 。该文首次将空间可展开天线的零重力环境模拟 设备从原理和工程应用两方面进行了归纳总结 ,对卫星大型附件的地面零重力环境模拟设备的设计 具有一定的参考价值 。 参考文献 1 韦娟芳 .空间 4 10米可展开天线的动力耦合分析及实验技术研究 . 浙江大学博士学位论文 .2002 作者简介 韦娟芳 1964年生, 2002年获浙江大学工学博士学位 ,研究员, 博士生导师, 现在西安空间无线 电技术研究所空间微波技术国防重点实验室从事基础理论和发展战略研究工作 。主要研究方向为空 间天线的结构设计、 结构分析及实验技术 。 42 空间电子技术 2006年第 2期