模塊化構架式空間可展開天線支撐機構設計

田大可 郭振偉 劉榮強 高海明 范小東 劉兆晶 鄧宗全

(1沈陽建筑大學 機械工程學院,沈陽 110168)

(2哈爾濱工業大學 機器人技術與系統國家重點實驗室,哈爾濱 150001)

(3哈爾濱乾行達科技有限公司,哈爾濱 150028)

空間可展開天線是航天器的關鍵有效載荷之一[1-2],廣泛應用于移動通信、深空探測、電子偵察、數據中繼和導航遙感等領域[3]。固面式[4]、網狀式[5]、充氣式[6]、自回彈式[7]、薄膜式[8]等多種天線結構相繼出現。近年來,可展開天線大型化/超大型化的發展需求與運載火箭整流罩有限的容積形成了強烈的矛盾,現有典型在軌應用的可展開天線的最大口徑約為20米級[9],且大部分天線的結構集成度高、耦合性強、擴展性差,難以發展成更大口徑的天線。模塊化構架式可展開天線在保留網狀天線結構重量輕、展開剛度大、形面精度高等優點的基礎上,采用模塊化思想設計,結構的通用性好、靈活性高、拓展性強,可通過改變模塊的大小、數量及其組合和排布方式等便捷地實現天線口徑的快速縮放,是滿足大口徑衛星使用需求的一種較為理想的結構形式[10]。支撐機構是模塊化構架式可展開天線的重要組成部分,對網面起到展開、支撐和定位作用。因此,開展模塊化構架式空間可展開天線支撐機構設計具有重要意義。

在模塊化構架式可展開天線支撐機構設計方面,日本宇宙航空研究開發機構[11-13](JAXA)對其研究與應用較早,該機構于2006年12月在發射的工程試驗衛星-8(ETS-8)上使用了兩個口徑為13 m的模塊化構架式可展開天線,每個天線由14個大小為4.8 m 的六棱柱模塊組成,結構收攏后的高度和直徑分別為4 m×1 m;為滿足通信衛星對更大口徑可展開天線的需求,JAXA 提出一種三折疊肋式可展開天線[14-15],該天線由7個六棱柱模塊組成,每個模塊展開后的尺寸為14.4 m,整體展開后的口徑達到30 m,收攏后的高度和直徑分別為4 m×1.8 m?？梢?日本對該構型的研究和應用較為成熟,已有型號實現在軌服役,但公開報道的文獻尚未涉及詳細的構型方案、鎖定原理和結構設計與分析方法。文獻[16]提出了一種采用伸縮桿驅動的六棱柱模塊單元,每個模塊由6個四邊形單元組成,利用該模塊設計了一個展開尺寸為5 m×2.88 m 的拋物面天線原理樣機,但模塊內部無鎖緊機構,且展開速度不可控。

本文提出一種由7個六棱柱模塊組成的模塊化構架式可展開天線支撐機構,開展了總體結構方案設計,從肋單元結構參數計算、運動學仿真分析、支撐機構結構設計、緩釋裝置設計等4個方面開展了具體的設計工作,并對研制的可展開天線原理樣機在微重力條件下進行了展開功能試驗。

1 支撐機構設計原理

1.1 結構設計

地球生物經歷了約35億年的優勝劣汰,自然界中許多動物和植物的生物原型可為模塊化可展開天線的研究提供借鑒和啟發。蜜蜂能夠利用自身分泌的蠟質制作出材料最省、合成空間最大、結構最牢固的六角模塊型蜂窩。借鑒蜂窩形態,本文提出一種模塊截面為六邊形的六棱柱模塊化構架式可展開天線支撐機構構型方案,總體結構方案如圖1 所示。天線由7個邊長相等的模塊組成,模塊按照“分層次拓撲”的原則進行排列,其中,第1層有1個模塊,第2層有6個模塊,見圖2。7個結構尺寸及形狀幾乎相等的模塊可以有效地減少零部件的類型和數量,提高整體結構的模塊化率,也能較為顯著地降低研制成本和加工周期。

圖1 構架式可展開天線總體結構Fig.1 Structure of deployable truss antenna

圖2 模塊拓撲關系Fig.2 Topological relationship of modules

每個模塊主要包括索網結構和支撐結構兩個組成部分,如圖3所示。索網結構是天線的工作部分,由多個柔性網面組成,包括前索網、金屬反射網、調節索和后索網。前索網用于連接金屬反射網;金屬反射網采用鍍金鉬絲編織而成,是可展開天線的工作表面,用于衛星信號的接收和發射,展開后呈拋物面形狀;調節索用于連接前、后索網,主要起到精確調節網面形狀的作用;后索網是網面結構的基層,為前索網、金屬反射網、調節索的連接和張緊提供載體。

圖3 模塊結構組成Fig.3 Structure of module

支撐結構是天線的骨架,對索網結構起到展開、支撐及定位的作用,并提供足夠的剛度和精度。支撐結構主要由支撐機構和張緊索組成,支撐機構是支撐結構的核心,是一個由6個呈輻射狀排布的具有可展開功能的肋單元組成的多連桿機構;張緊索安裝在支撐機構外側的豎桿上,用于加強機構展開后的剛度。

1.2 機構組成及鎖定原理

肋單元是支撐機構的最小可展開單元,為一平面八桿機構,主要由中心桿、滑塊、支撐桿、上弦桿、豎桿、下弦桿、小斜腹桿、大斜腹桿和彈簧等組成,其結構如圖4所示。中心桿在機構展開過程中相對靜止,可將其視作機架,機構中有7個活動構件,運動副均為低副;滑塊為機構中的原動件,沿中心桿上下移動,其余構件可以拆分為3 個II級桿組,如圖5所示,則機構的自由度為

圖4 肋單元結構Fig.4 Structure of rib unit

圖5 肋單元機構拆分Fig.5 Disassembly of rib unit

式中:n 為機構中自由構件數,pl為機構中低副數,ph為機構中高副數。

由此可見,肋單元機構具有1個自由度,當給定滑塊的運動規律,機構具有確定的運動條件。

彈簧是機構的驅動源,電機為展開速度控制裝置。肋單元在收攏狀態時,主彈簧處于被壓縮的儲能狀態,滑塊處于中心桿的底部;當機構展開時,電機緩慢釋放繩索,主彈簧驅動滑塊向上移動,支撐桿旋轉并帶動其余桿件展開,完全展開后小斜腹桿和大斜腹桿軸線重合,機構處于“死點”位置,整個機構鎖死,肋單元變成一個穩定的結構。

2 支撐機構設計

2.1 肋單元尺寸的確定

由于本文提出的六棱柱構架式可展開天線支撐機構采用模塊化設計思想,7個模塊具有幾乎相同的結構參數,同時每個模塊又由6個肋單元組成,因此,肋單元結構參數的確定是支撐機構設計的前提和基礎。建立肋單元尺寸計算模型,如圖6 所示。所建立的直角坐標系O-xyz 的圓點O 為中心桿的下端點,z 軸方向為由O 指向H,y 軸方向為由O指向B。

圖6 中各構件分別為:中心桿HO、上弦桿GF、豎桿PT、下弦桿BD、大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ、支撐桿KM、滑塊AK。圖6(a)中,φ1為豎桿PT 與z 軸的夾角,φ2 為下弦桿BD 與y 軸的夾角,φ3為斜腹桿與y 軸的夾角,φ4為支撐桿KM 與z軸的夾角。圖6(b)中,φ5、φ6、φ7 分別為大斜腹桿、支撐桿、小斜腹桿與z 軸的夾角,A′、C′、D′、E′、F′、K′、N′、P′、Q′、T′、M′分別對應圖6(a)中A、C、D、E、F、K、N、P、Q、T、M 完全收攏后的位置。

為了保證模塊單元的一致性,減少構件的種類和數量,模塊化可展開天線支撐機構通常采用球面擬合拋物面的思想[17]。圖6(a)是肋單元完全展開狀態,圖6(b)是肋單元完全收攏狀態,即這兩個圖是肋單元運動過程中的兩個極限位置,也是確定肋單元主要構件尺寸參數的重要依據。圖6(a)中O′為擬合球的球心,R 為擬合球半徑,l 為肋單元包絡圓的半徑。支撐機構完全展開后,關鍵點H 和P、O以及T 均在各自擬合球的球面上,即肋單元外包絡四邊形的4個角點的坐標為已知。

圖6 肋單元尺寸參數計算模型Fig.6 Calculation model of size parameters for rib element

肋單元尺寸計算中,主要是確定上弦桿GF、下弦桿BD、大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ 和支撐桿KM等5個構件的尺寸參數,計算的主要步驟為:首先,對其余構件的長度預先給定初值;其次,根據兩個極限狀態及構件間的位置關系,建立對應的尺寸鏈;再次,建立各尺寸鏈的參數方程組;最后,對各方程組進行求解,得到5 個構件的具體參數,若方程組無解,則返回修改初值,再次求解。

基于上述求解步驟可以得到5個構件的參數方程或方程組如下。

上弦桿GF 的長度為

下弦桿BD 的長度為

根據肋單元的兩個極限位置及直角三角形ΔJNC 中各邊長的關系,可以得到求解大斜腹桿QN、小斜腹桿JQ 長度的方程組為

同理,可以得到求解支撐桿KM 長度的方程組為

至此,肋單元中各個構件的尺寸均可確定。

2.2 運動學分析

采用Matlab數值分析軟件,對支撐機構進行仿真分析。設定滑塊的行程為55 mm,并且讓滑塊以1 mm/s的速度勻速運動,選取展開過程中的首、末時刻及其中任意兩個時刻,即t＝0 s、t＝10 s、t＝20 s、t＝55 s等4個時刻的展開狀態,如圖7所示。

對圖7所示的仿真結果進行分析,t＝0 s時,天線支撐機構呈完全收攏狀態,此時體積達到最小;t＝55 s時,天線支撐機構完全展開,體積最大;0 s＜t＜55 s時,支撐機構處于展開的中間狀態,機構中各模塊能夠實現同時、同步展開,未出現重疊、分離等問題,表明機構在設計原理及桿件參數方面是正確的。

圖7 支撐機構展開過程仿真Fig.7 Mechanism deployment process simulations

2.3 結構設計

支撐機構的結構設計中,中心桿、斜腹桿和豎桿是3處設計的難點。主要原因是:①中心桿是模塊中承擔功能最多的構件,一方面要作為機架,支撐上弦桿、下弦桿、斜腹桿和滑塊的運動,另一方面還要作為動力源主/輔彈簧的支撐結構;②斜腹桿是機構中最有可能發生結構干涉的構件,在肋單元完全收攏后,小斜腹桿和大斜腹桿的夾角非常小,常規的圓桿形設計難以滿足要求;③豎桿是用于模塊間連接的構件,豎桿上面節點設計的好壞直接影響模塊連接的準確性,進而影響支撐機構的展開精度。故本文主要對這3處重點構件的結構設計進行介紹。

2.3.1 中心桿設計

中心桿主要由上連接塊、連接桿、下連接塊等組成,如圖8(a)所示。上/下連接塊結構相似,為花瓣形狀,分別用于連接6個肋單元的上弦桿和下弦桿,上/下連接塊間采用連接桿進行連接,此外,連接桿還作為主驅動彈簧伸縮運動和滑塊上下運動的支撐結構。

為保證上連接塊與連接桿、下連接塊與連接桿兩組結構之間安裝的準確性,除均采用圓柱面定心外,上連接塊和連接桿間、下連接塊與連接桿間分別采用止口和銷釘進行周向定位;軸向定位均采用軸肩實現。安裝及定位關系如圖8(b)和圖8(c)所示。

圖8 中心桿結構Fig.8 Structure of center link

2.3.2 斜腹桿設計

收納率是可展開天線的一項技術指標[4],通常是指可展開天線在收攏狀態與展開狀態下的直徑之比。大斜腹桿和小斜腹桿收攏后所占空間會對收納率產生比較大的影響。為了盡可能減小結構的收攏體積,應保證收攏后兩個構件在不發生干涉的前提下,貼合的越近越好。為此,處于中間位置的小斜腹桿沒有采用結構簡單的圓柱形桿狀結構,而是將其設計成鏤空槽型結構;同時,將大斜腹桿的接頭設為長扁平狀,使其在收攏狀態下可以折疊到小斜腹桿的內部,最大限度地減小收攏后的體積,兩個構件的結構如圖9所示。

圖9 斜腹桿結構Fig.9 Structure of diagonal link

2.3.3 豎桿設計

模塊間通過豎桿上面安裝的連接節點進行連接,節點設計是結構設計的一項重要內容,節點設計的原則為:模塊連接精度高、連接可靠性好、結構裝拆靈活。

基于這3 點原則,在結構設計中,具體的措施是:首先,將豎桿分解成上節點、中間桿、下節點等3個子結構,構件間采用圓柱面定心,銷釘鉚接定位結構;其次,觀察發現,模塊連接時最多有3個肋單元同時連在一起,即對應有3個豎桿進行連接,肋單元之間的夾角為120°,所以將上、下節點的連接面設計為120°,并重點在上節點處設計有凹凸槽口,通過槽口的相互嚙合實現精確連接;最后,為保證連接的可靠性,采用螺栓連接方式,提高了結構裝拆及維護的便利性。豎桿結構如圖10所示。

圖10 豎桿結構Fig.10 Structure of vertical link

2.3.4 整體結構設計

基于前述設計及分析結果,在三維軟件中建立構架式可展開天線支撐機構三維模型。將肋單元以中心桿為旋轉中心,沿周向陣列,即可得到可展開天線支撐機構的模塊單元模型,其展開與收攏狀態如圖11(a)所示;將7個模塊單元按拓撲關系進行裝配即可以得到構架式可展開天線整體支撐機構的三維模型,展開與收攏狀態如圖11(b)所示。

從圖11可以看出,支撐機構在收攏狀態時,機構外包絡體為近似等直徑的圓柱體,表明機構處于最小體積狀態;展開后,各模塊間能夠準確連接,機構形成空間球面構型,表明支撐機構在結構設計方面符合預期要求。

圖11 支撐機構三維模型Fig.11 Three dimensional model of supporting mechanism

如前所述,在模塊化構架式可展開天線中,收納率為結構在收攏與展開兩種狀態時的直徑之比,即

式中:d 為收攏狀態的直徑,D 為展開狀態直徑。本文設計的支撐機構整體狀態下的2個參數分別為d＝292 mm,D＝3174 mm,故支撐機構的收納率約為0.09。根據文獻[4],網狀可展開天線的收納率通常為0.06～0.22,由此可見本文設計的支撐機構具有較小的收納率,這對于將其發展成更大口徑的支撐機構是較為有利的。

2.4 展開緩釋裝置設計

構架式可展開天線支撐機構中采用彈簧作為動力源的優點是,彈簧體積小、質量輕,可以在機構中靈活布置,同時彈簧驅動的可靠性較高,降低故障率及展開風險。但引入的缺點是彈簧在恢復彈性變形的過程中,機構展開速度不均勻,結構展開有沖擊。對此,為了減小沖擊對結構強度的影響,本文設計了控制可展開天線支撐機構展開速度的裝置,即展開緩釋裝置,如圖12(a)所示。該緩釋裝置主要由外殼、軸承、卷筒、電機、后蓋和吊環等部分組成。為減輕質量,外殼及后蓋都設有減重結構。緩釋裝置通過外殼安裝在中心模塊上,電機安裝在卷筒內,卷筒用于纏繞緩釋繩,卷筒上有6個螺紋孔,其在卷筒上成螺旋纏繞分布,螺紋孔用于固定6根緩釋繩,6根緩釋繩的另一端分別與第2層的6個模塊相連,電機工作時驅動卷筒緩慢釋放緩釋繩,直到天線完全展開,如圖12(b)所示。

圖12 緩釋裝置Fig.12 Slow release device

3 試驗驗證

為了驗證本文提出的模塊化構架式可展開天線支撐機構設計的正確性,研制了一套支撐機構原理樣機,樣機中單個模塊展開后外包絡尺寸約為1 m×1.2 m,7個模塊組裝后的樣機展開后的外包絡尺寸約為3 m×3.1 m。為降低結構的質量,同時兼顧關鍵結構的強度,機構中除在受力較大的中心桿等位置采用鋼質材料,其余桿件均采用硬鋁,經試裝及評估,樣機選材滿足設計要求。機構的驅動源采用圓柱螺旋彈簧,依靠彈簧被壓縮后儲存的彈性勢能驅動機構展開。將支撐機構懸掛到微重力試驗裝置上,并進行展開功能試驗,機構由收攏至完全展開的部分過程如圖13所示。

圖13 支撐機構展開試驗Fig.13 Deployment test of supporting mechanism

本次試驗共對可展開天線支撐機構進行了10次展開功能測試,在每次試驗過程中,機構均能夠順利展開,展開過程未出現卡滯等情況,完全展開后機構實現鎖緊;同時在展開過程中,機構在緩釋裝置的控制下緩慢展開且較為平穩,機構展開速度可控。以上試驗結果表明:本文提出的支撐機構在機構原理及設計方案上均是可行的。

4 結論

本文提出一種模塊化構架式可展開天線支撐機構,詳細闡述了機構的總體結構設計及鎖定原理,并針對重點結構開展了詳細設計。該項研究工作對于豐富我國模塊化構架式空間可展開天線支撐機構的設計與研究具有一定的參考意義,通過本文的研究得到以下結論。

(1)提出的將肋單元作為最小可展開機構單元,并由此進行陣列而得到模塊單元及多模塊支撐機構的方案是可行的;所設計機構的收納率約為0.09,與網狀可展開天線通常為0.06～0.22的收納率相比,本文所設計的支撐機構的收納率較小。

(2)展開試驗過程中機構展開平緩、順暢,展開到位后能夠順利實現鎖緊,表明支撐機構在展開原理、鎖緊方案、參數計算、結構設計等方案設計和詳細設計方面是正確的。

(3)本文提出的六棱柱模塊化構架式可展開天線支撐機構實現了由1個模塊至7個模塊的組合變化,結構拓展性較好,具有發展成大口徑天線的潛力,后續將開展更多模塊、更大口徑的模塊化構架式可展開天線支撐機構的設計與研究。