模块化构架式空间可展开天线支撑机构设计

2021-08-22田大可郭振伟刘荣强高海明范小东刘兆晶邓宗全

航天器工程 2021年4期

田大可郭振伟刘荣强高海明范小东刘兆晶邓宗全

(1沈阳建筑大学机械工程学院,沈阳 110168)

(2哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨 150001)

(3哈尔滨乾行达科技有限公司,哈尔滨 150028)

空间可展开天线是航天器的关键有效载荷之一[1-2],广泛应用于移动通信、深空探测、电子侦察、数据中继和导航遥感等领域[3]。固面式[4]、网状式[5]、充气式[6]、自回弹式[7]、薄膜式[8]等多种天线结构相继出现。近年来,可展开天线大型化/超大型化的发展需求与运载火箭整流罩有限的容积形成了强烈的矛盾,现有典型在轨应用的可展开天线的最大口径约为20米级[9],且大部分天线的结构集成度高、耦合性强、扩展性差,难以发展成更大口径的天线。模块化构架式可展开天线在保留网状天线结构重量轻、展开刚度大、形面精度高等优点的基础上,采用模块化思想设计,结构的通用性好、灵活性高、拓展性强,可通过改变模块的大小、数量及其组合和排布方式等便捷地实现天线口径的快速缩放,是满足大口径卫星使用需求的一种较为理想的结构形式[10]。支撑机构是模块化构架式可展开天线的重要组成部分,对网面起到展开、支撑和定位作用。因此,开展模块化构架式空间可展开天线支撑机构设计具有重要意义。

在模块化构架式可展开天线支撑机构设计方面,日本宇宙航空研究开发机构[11-13](JAXA)对其研究与应用较早,该机构于2006年12月在发射的工程试验卫星-8(ETS-8)上使用了两个口径为13 m的模块化构架式可展开天线,每个天线由14个大小为4.8 m 的六棱柱模块组成,结构收拢后的高度和直径分别为4 m×1 m;为满足通信卫星对更大口径可展开天线的需求,JAXA 提出一种三折叠肋式可展开天线[14-15],该天线由7个六棱柱模块组成,每个模块展开后的尺寸为14.4 m,整体展开后的口径达到30 m,收拢后的高度和直径分别为4 m×1.8 m。可见,日本对该构型的研究和应用较为成熟,已有型号实现在轨服役,但公开报道的文献尚未涉及详细的构型方案、锁定原理和结构设计与分析方法。文献[16]提出了一种采用伸缩杆驱动的六棱柱模块单元,每个模块由6个四边形单元组成,利用该模块设计了一个展开尺寸为5 m×2.88 m 的抛物面天线原理样机,但模块内部无锁紧机构,且展开速度不可控。

本文提出一种由7个六棱柱模块组成的模块化构架式可展开天线支撑机构,开展了总体结构方案设计,从肋单元结构参数计算、运动学仿真分析、支撑机构结构设计、缓释装置设计等4个方面开展了具体的设计工作,并对研制的可展开天线原理样机在微重力条件下进行了展开功能试验。

1 支撑机构设计原理

1.1 结构设计

地球生物经历了约35亿年的优胜劣汰,自然界中许多动物和植物的生物原型可为模块化可展开天线的研究提供借鉴和启发。蜜蜂能够利用自身分泌的蜡质制作出材料最省、合成空间最大、结构最牢固的六角模块型蜂窝。借鉴蜂窝形态,本文提出一种模块截面为六边形的六棱柱模块化构架式可展开天线支撑机构构型方案,总体结构方案如图1 所示。天线由7个边长相等的模块组成,模块按照“分层次拓扑”的原则进行排列,其中,第1层有1个模块,第2层有6个模块,见图2。7个结构尺寸及形状几乎相等的模块可以有效地减少零部件的类型和数量,提高整体结构的模块化率,也能较为显著地降低研制成本和加工周期。

图1 构架式可展开天线总体结构Fig.1 Structure of deployable truss antenna

图2 模块拓扑关系Fig.2 Topological relationship of modules

每个模块主要包括索网结构和支撑结构两个组成部分,如图3所示。索网结构是天线的工作部分,由多个柔性网面组成,包括前索网、金属反射网、调节索和后索网。前索网用于连接金属反射网;金属反射网采用镀金钼丝编织而成,是可展开天线的工作表面,用于卫星信号的接收和发射,展开后呈抛物面形状;调节索用于连接前、后索网,主要起到精确调节网面形状的作用;后索网是网面结构的基层,为前索网、金属反射网、调节索的连接和张紧提供载体。

图3 模块结构组成Fig.3 Structure of module

支撑结构是天线的骨架,对索网结构起到展开、支撑及定位的作用,并提供足够的刚度和精度。支撑结构主要由支撑机构和张紧索组成,支撑机构是支撑结构的核心,是一个由6个呈辐射状排布的具有可展开功能的肋单元组成的多连杆机构;张紧索安装在支撑机构外侧的竖杆上,用于加强机构展开后的刚度。

1.2 机构组成及锁定原理

肋单元是支撑机构的最小可展开单元,为一平面八杆机构,主要由中心杆、滑块、支撑杆、上弦杆、竖杆、下弦杆、小斜腹杆、大斜腹杆和弹簧等组成,其结构如图4所示。中心杆在机构展开过程中相对静止,可将其视作机架,机构中有7个活动构件,运动副均为低副;滑块为机构中的原动件,沿中心杆上下移动,其余构件可以拆分为3 个II级杆组,如图5所示,则机构的自由度为

图4 肋单元结构Fig.4 Structure of rib unit

图5 肋单元机构拆分Fig.5 Disassembly of rib unit

式中:n 为机构中自由构件数,pl为机构中低副数,ph为机构中高副数。

由此可见,肋单元机构具有1个自由度,当给定滑块的运动规律,机构具有确定的运动条件。

弹簧是机构的驱动源,电机为展开速度控制装置。肋单元在收拢状态时,主弹簧处于被压缩的储能状态,滑块处于中心杆的底部;当机构展开时,电机缓慢释放绳索,主弹簧驱动滑块向上移动,支撑杆旋转并带动其余杆件展开,完全展开后小斜腹杆和大斜腹杆轴线重合,机构处于“死点”位置,整个机构锁死,肋单元变成一个稳定的结构。

2 支撑机构设计

2.1 肋单元尺寸的确定

由于本文提出的六棱柱构架式可展开天线支撑机构采用模块化设计思想,7个模块具有几乎相同的结构参数,同时每个模块又由6个肋单元组成,因此,肋单元结构参数的确定是支撑机构设计的前提和基础。建立肋单元尺寸计算模型,如图6 所示。所建立的直角坐标系O-xyz 的圆点O 为中心杆的下端点,z 轴方向为由O 指向H,y 轴方向为由O指向B。

图6 中各构件分别为:中心杆HO、上弦杆GF、竖杆PT、下弦杆BD、大斜腹杆QN、小斜腹杆JQ、支撑杆KM、滑块AK。图6(a)中,φ1为竖杆PT 与z 轴的夹角,φ2 为下弦杆BD 与y 轴的夹角,φ3为斜腹杆与y 轴的夹角,φ4为支撑杆KM 与z轴的夹角。图6(b)中,φ5、φ6、φ7 分别为大斜腹杆、支撑杆、小斜腹杆与z 轴的夹角,A′、C′、D′、E′、F′、K′、N′、P′、Q′、T′、M′分别对应图6(a)中A、C、D、E、F、K、N、P、Q、T、M 完全收拢后的位置。

为了保证模块单元的一致性,减少构件的种类和数量,模块化可展开天线支撑机构通常采用球面拟合抛物面的思想[17]。图6(a)是肋单元完全展开状态,图6(b)是肋单元完全收拢状态,即这两个图是肋单元运动过程中的两个极限位置,也是确定肋单元主要构件尺寸参数的重要依据。图6(a)中O′为拟合球的球心,R 为拟合球半径,l 为肋单元包络圆的半径。支撑机构完全展开后,关键点H 和P、O以及T 均在各自拟合球的球面上,即肋单元外包络四边形的4个角点的坐标为已知。

图6 肋单元尺寸参数计算模型Fig.6 Calculation model of size parameters for rib element

肋单元尺寸计算中,主要是确定上弦杆GF、下弦杆BD、大斜腹杆QN、小斜腹杆JQ 和支撑杆KM等5个构件的尺寸参数,计算的主要步骤为:首先,对其余构件的长度预先给定初值;其次,根据两个极限状态及构件间的位置关系,建立对应的尺寸链;再次,建立各尺寸链的参数方程组;最后,对各方程组进行求解,得到5 个构件的具体参数,若方程组无解,则返回修改初值,再次求解。

基于上述求解步骤可以得到5个构件的参数方程或方程组如下。

上弦杆GF 的长度为

下弦杆BD 的长度为

根据肋单元的两个极限位置及直角三角形ΔJNC 中各边长的关系,可以得到求解大斜腹杆QN、小斜腹杆JQ 长度的方程组为

同理,可以得到求解支撑杆KM 长度的方程组为

至此,肋单元中各个构件的尺寸均可确定。

2.2 运动学分析

采用Matlab数值分析软件,对支撑机构进行仿真分析。设定滑块的行程为55 mm,并且让滑块以1 mm/s的速度匀速运动,选取展开过程中的首、末时刻及其中任意两个时刻,即t＝0 s、t＝10 s、t＝20 s、t＝55 s等4个时刻的展开状态,如图7所示。

对图7所示的仿真结果进行分析,t＝0 s时,天线支撑机构呈完全收拢状态,此时体积达到最小;t＝55 s时,天线支撑机构完全展开,体积最大;0 s＜t＜55 s时,支撑机构处于展开的中间状态,机构中各模块能够实现同时、同步展开,未出现重叠、分离等问题,表明机构在设计原理及杆件参数方面是正确的。

图7 支撑机构展开过程仿真Fig.7 Mechanism deployment process simulations

2.3 结构设计

支撑机构的结构设计中,中心杆、斜腹杆和竖杆是3处设计的难点。主要原因是:①中心杆是模块中承担功能最多的构件,一方面要作为机架,支撑上弦杆、下弦杆、斜腹杆和滑块的运动,另一方面还要作为动力源主/辅弹簧的支撑结构;②斜腹杆是机构中最有可能发生结构干涉的构件,在肋单元完全收拢后,小斜腹杆和大斜腹杆的夹角非常小,常规的圆杆形设计难以满足要求;③竖杆是用于模块间连接的构件,竖杆上面节点设计的好坏直接影响模块连接的准确性,进而影响支撑机构的展开精度。故本文主要对这3处重点构件的结构设计进行介绍。

2.3.1 中心杆设计

中心杆主要由上连接块、连接杆、下连接块等组成,如图8(a)所示。上/下连接块结构相似,为花瓣形状,分别用于连接6个肋单元的上弦杆和下弦杆,上/下连接块间采用连接杆进行连接,此外,连接杆还作为主驱动弹簧伸缩运动和滑块上下运动的支撑结构。

为保证上连接块与连接杆、下连接块与连接杆两组结构之间安装的准确性,除均采用圆柱面定心外,上连接块和连接杆间、下连接块与连接杆间分别采用止口和销钉进行周向定位;轴向定位均采用轴肩实现。安装及定位关系如图8(b)和图8(c)所示。

图8 中心杆结构Fig.8 Structure of center link

2.3.2 斜腹杆设计

收纳率是可展开天线的一项技术指标[4],通常是指可展开天线在收拢状态与展开状态下的直径之比。大斜腹杆和小斜腹杆收拢后所占空间会对收纳率产生比较大的影响。为了尽可能减小结构的收拢体积,应保证收拢后两个构件在不发生干涉的前提下,贴合的越近越好。为此,处于中间位置的小斜腹杆没有采用结构简单的圆柱形杆状结构,而是将其设计成镂空槽型结构;同时,将大斜腹杆的接头设为长扁平状,使其在收拢状态下可以折叠到小斜腹杆的内部,最大限度地减小收拢后的体积,两个构件的结构如图9所示。

图9 斜腹杆结构Fig.9 Structure of diagonal link

2.3.3 竖杆设计

模块间通过竖杆上面安装的连接节点进行连接,节点设计是结构设计的一项重要内容,节点设计的原则为:模块连接精度高、连接可靠性好、结构装拆灵活。

基于这3 点原则,在结构设计中,具体的措施是:首先,将竖杆分解成上节点、中间杆、下节点等3个子结构,构件间采用圆柱面定心,销钉铆接定位结构;其次,观察发现,模块连接时最多有3个肋单元同时连在一起,即对应有3个竖杆进行连接,肋单元之间的夹角为120°,所以将上、下节点的连接面设计为120°,并重点在上节点处设计有凹凸槽口,通过槽口的相互啮合实现精确连接;最后,为保证连接的可靠性,采用螺栓连接方式,提高了结构装拆及维护的便利性。竖杆结构如图10所示。

图10 竖杆结构Fig.10 Structure of vertical link

2.3.4 整体结构设计

基于前述设计及分析结果,在三维软件中建立构架式可展开天线支撑机构三维模型。将肋单元以中心杆为旋转中心,沿周向阵列,即可得到可展开天线支撑机构的模块单元模型,其展开与收拢状态如图11(a)所示;将7个模块单元按拓扑关系进行装配即可以得到构架式可展开天线整体支撑机构的三维模型,展开与收拢状态如图11(b)所示。

从图11可以看出,支撑机构在收拢状态时,机构外包络体为近似等直径的圆柱体,表明机构处于最小体积状态;展开后,各模块间能够准确连接,机构形成空间球面构型,表明支撑机构在结构设计方面符合预期要求。

图11 支撑机构三维模型Fig.11 Three dimensional model of supporting mechanism

如前所述,在模块化构架式可展开天线中,收纳率为结构在收拢与展开两种状态时的直径之比,即

式中:d 为收拢状态的直径,D 为展开状态直径。本文设计的支撑机构整体状态下的2个参数分别为d＝292 mm,D＝3174 mm,故支撑机构的收纳率约为0.09。根据文献[4],网状可展开天线的收纳率通常为0.06～0.22,由此可见本文设计的支撑机构具有较小的收纳率,这对于将其发展成更大口径的支撑机构是较为有利的。

2.4 展开缓释装置设计

构架式可展开天线支撑机构中采用弹簧作为动力源的优点是,弹簧体积小、质量轻,可以在机构中灵活布置,同时弹簧驱动的可靠性较高,降低故障率及展开风险。但引入的缺点是弹簧在恢复弹性变形的过程中,机构展开速度不均匀,结构展开有冲击。对此,为了减小冲击对结构强度的影响,本文设计了控制可展开天线支撑机构展开速度的装置,即展开缓释装置,如图12(a)所示。该缓释装置主要由外壳、轴承、卷筒、电机、后盖和吊环等部分组成。为减轻质量,外壳及后盖都设有减重结构。缓释装置通过外壳安装在中心模块上,电机安装在卷筒内,卷筒用于缠绕缓释绳,卷筒上有6个螺纹孔,其在卷筒上成螺旋缠绕分布,螺纹孔用于固定6根缓释绳,6根缓释绳的另一端分别与第2层的6个模块相连,电机工作时驱动卷筒缓慢释放缓释绳,直到天线完全展开,如图12(b)所示。

图12 缓释装置Fig.12 Slow release device

3 试验验证

为了验证本文提出的模块化构架式可展开天线支撑机构设计的正确性,研制了一套支撑机构原理样机,样机中单个模块展开后外包络尺寸约为1 m×1.2 m,7个模块组装后的样机展开后的外包络尺寸约为3 m×3.1 m。为降低结构的质量,同时兼顾关键结构的强度,机构中除在受力较大的中心杆等位置采用钢质材料,其余杆件均采用硬铝,经试装及评估,样机选材满足设计要求。机构的驱动源采用圆柱螺旋弹簧,依靠弹簧被压缩后储存的弹性势能驱动机构展开。将支撑机构悬挂到微重力试验装置上,并进行展开功能试验,机构由收拢至完全展开的部分过程如图13所示。