方永刚，肖 勇，万小平，惠 伟

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

环形可展开天线最早由Mark W Thomson等人提出[1]，由于具有质量小、型面精度好、结构高度高等显著优点，目前已经成为大型星载可展开天线最理想的结构形式，近来在航天领域得到了广泛的研究和应用。大型空间可展开天线由于其涉及的专业领域多，对所用材料的要求高，生产、测试和检验的工艺复杂，因而其研制难度大，是目前衡量各国航天技术水平的重要标志之一[2]。环形可展开天线主要由环形桁架和索网系统(前索网、金属网、张力阵和后索网)组成，索网系统固定在桁架上[3]。

由于运载的限制，环形天线在发射时处于收拢状态；卫星进入太空轨道再进行展开。在环形天线上、中、下三个位置通过三根包带将天线紧紧收拢成柱状结构(如图1所示)，包带预紧力最高达到上千牛顿。环形可展开天线随火箭发射过程及进入太空且展开前，在上端的包带也需要将网面挡板、网面管理等装置的布带可靠的压紧到环形天线铰链上，必须防止其意外脱落(如图2所示)。

图1 环形天线示意图Fig.1 Hoop-truss antenna diagram

图2 包带附近结构图Fig.2 Structure near clampband

本文分析了星载环形天线包带在低温工况的变形可能导致的松弛情况，计算了包带与铰链之间的理论变形。通过设计、实施包带低温变形等效试验，测试了包带在低温工况下的预紧效果。

1 温度对包带预紧力的影响分析

1.1 低温变形情况分析

环形天线随火箭发射至太空后，火箭整流罩打开，天线将直接处于真空、高低温交变的恶劣太空环境中。在环形天线展开前，包带必须可靠锁定。由于铰链与包带之间的材料不同，线胀系数差别大，在温度载荷作用下变形差别也很大。高温工况时，铰链膨胀变长、包带缩短，预紧力将增加，则包带预紧锁定效果更好。低温工况时，铰链收缩变短、包带变长，预紧力将降低。当预紧力降低到一定值时，可能导致包带与铰链之间的网管布带压紧失效。因此需要对包带在低温工况下的预紧力值进行仿真或测试，以便评估包带预紧的效果。

包带主体部分由碳纤维复合材料制成，线胀系数为负值(约为-0.5E-6)，在低温工况下将会变长(即包络直径变大)；铰链为硬铝合金金属材料，线胀系数为正值(约为23E-6)，在低温工况收缩变形后有向内收缩的趋势(即铰链处天线直径变小)。但同时在铰链驱动弹簧和杆件预弯矩的作用下，天线有向外展开的趋势(即铰链处天线直径变大)。这两种相反的运动趋势，使得包带只要不完全断开，即使松弛，铰链仍然有部分向外的作用力使其与包带靠在一起。此过程由于接触环节多比较复杂，且有严重的非线性，难以仿真计算。包带预紧力测试系统基于常温应变测试技术设计，在低温状态下防护胶变硬，使得测量不准，因此难以在低温工况下进行实测。

由于上述困难，我们将在常温工况下采用等效方法对包带预紧效果进行测试。

1.2 低温工况包带变形等效计算及验证方法

(a)热变形计算

由热分析结果可知，环形天线进入太空且展开前，最低温度约为-184℃(鉴定级)，此时热变形最大。利用MSC.Nastran计算了包带及铰链在低温工况下的热变形，得到铰链与包带之间最大变形差为17.6mm。该变形绝对值仅为包带长度的0.6%。

表1 热变形计算结果Tab.1 Calculation result of Thermal deformation

(b)载荷估算

环形天线进入太空且展开前，主要承受来自卫星变轨的载荷，最大加速度载荷约为0.1m/s2。每个网管布带需要固定4kg的网面重量，考虑5倍安全系数，则每根布带承受的最大载荷约为4×0.1×5=2N。因此，低温工况下即使由于包带铰链变形松弛，只要其压紧后对布带施加的摩擦力大于2N即可保证布带不会脱出。

(c)等效验证方法

低温工况包带预紧力等效验证的方法如下：

(1)以包带预紧后的长度为基准，将此状态的包带及铰链形状视为零态；

(2)分别计算包带和铰链在低温极限温度工况下的变形，二者之差即为包带相对缩短变形量△1；分别计算得到包带长端和短端的变形量；

(3)常温等效测试时，手动将包带长度伸长△2，且△2等于第2步中计算得到的△1。由于变形△远远小于包带长度，则可认为该过程等效于包带低温变形过程(如图3所示)；

图3 包带变形示意图Fig.3 Deformation of the clampband

(4)测试包带在低温工况下的预紧力值及对布带的预紧效果。

3 低温等效验证情况

我们利用某卫星结构件进行试验验证，测试现场如图4所示。试验时主要步骤如下：

图4 测试现场图Fig.4 Test site diagram

(1)将天线翻转至竖直状态，并安装到零重力卸载系统；

(2)将上、中、下三根包带分别预紧，其中上下包带预紧力为1100N左右；

(3)将上包带长端释放9.4mm；

(4)用游标卡尺测试上包带长端变形，用包带预紧力系统测试包带的预紧力，用弹簧秤测试网管布带拉脱力；

(5)将上包带短端释放8.2mm；

(6)用游标卡尺测试上包带短端变形，用包带预紧力系统测试包带的预紧力，用弹簧秤测试网管布带拉脱力；

(7)试验结束。

试验时常温初始状态和低温等效状态上端包带预紧力及布带拉脱力的测试结果分别如下表所示：

表2 测试结果Tab.2 Test result

用弹簧秤向上拉网管布带，直到出现布带松动为止，测试包带与铰链之间的压紧拉脱力。测试结果表明，所有网管布带压紧拉脱力均大于25N，满足大于2N的指标要求。

4 结论

通过环形天线包带低温预紧力试验研究，主要形成以下结论：

(1)环形天线包带与铰链热胀系数不同，在低温工况由于存在较大热变形，将会导致包带松弛、预紧力下降；为保证结构安全，下降后的预紧力仍应满足使用需求；

(2)通过热变形后预紧力等效验证的方式，可以评价包带低温工况的预紧力是否满足指标要求，满足工程使用需求。

本文进行的等效验证试验研究，验证了施加设计预紧力载荷的包带在低温工况下依然具有足够的预紧力，可以压住网面管理装置等布带，防止其意外脱落。但环形天线低温工况包带的热变形涉及包带、铰链、布带等相互摩擦、运动等，受力情况复杂；本文方法可以满足工程使用需要，更准确的理论计算、测试仍需进行进一步研究。