空間可展結(jié)構(gòu)逆設(shè)計(jì)及宇航結(jié)構(gòu)的裝卡研究.pdf

1、星載可展開(kāi)構(gòu)架式天線(xiàn)和空間光學(xué)擺鏡都屬于宇航結(jié)構(gòu)，要求自身質(zhì)量輕、體積小，同時(shí)達(dá)到完成各自科學(xué)任務(wù)所必須的技術(shù)指標(biāo)。本文以星載可展開(kāi)天線(xiàn)和空間光學(xué)擺鏡的結(jié)構(gòu)對(duì)各自表面精度的影響，進(jìn)而影響各自的物理性能為主線(xiàn)，研究了以下六個(gè)方面：?jiǎn)卧獦?gòu)架式可展開(kāi)天線(xiàn)張拉反射面的形態(tài)特性，天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，部分儲(chǔ)能彈簧失效和空間熱環(huán)境對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的影響，構(gòu)架式天線(xiàn)的賦形，空間光學(xué)擺鏡裝卡變形以及光學(xué)擺鏡系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。 可展開(kāi)構(gòu)架式天線(xiàn)反射面形態(tài)對(duì)其輻射

2、特性影響顯著，論文引入薄膜結(jié)構(gòu)形態(tài)理論的分析方法(非線(xiàn)性有限元法和力密度法)，對(duì)展開(kāi)天線(xiàn)的反射面進(jìn)行了形態(tài)分析。得到的結(jié)論是：當(dāng)上弦節(jié)點(diǎn)位置全部落在設(shè)計(jì)拋物面上時(shí)，由上弦桿圍成的三角平面所組成的曲面與標(biāo)準(zhǔn)拋物面的均方根誤差最小。進(jìn)而推導(dǎo)了三角平面組成曲面的最佳擬合拋物面的計(jì)算公式，編制了相應(yīng)的程序。通過(guò)算例估算了Agrawal算法的誤差大小。 所有對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的研究都是以獲得優(yōu)良的電磁場(chǎng)性能為目的，因此精確的電磁場(chǎng)綜合算法顯得尤為

3、重要。針對(duì)可展反射面形態(tài)的具體特點(diǎn)，基于幾何光學(xué)原理，推導(dǎo)了可展天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式，再通過(guò)把口徑面劃分成矩形網(wǎng)格，用解析方法把遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行積分，編制了相應(yīng)程序。由于該程序同樣適用于標(biāo)準(zhǔn)拋物面或者任何已知缺陷的反射面的輻射場(chǎng)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算同～個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線(xiàn)在相同饋源激勵(lì)下的輻射場(chǎng)，與Rahmat-Samii的經(jīng)典算法進(jìn)行比較，證明了本算法的準(zhǔn)確性。本算法直接把結(jié)構(gòu)和電性能相聯(lián)系，省卻了均方根誤差這個(gè)中間值，使得設(shè)計(jì)更直觀(guān)、準(zhǔn)確。

4、 空間可展天線(xiàn)進(jìn)入軌道展開(kāi)以后整個(gè)結(jié)構(gòu)的形態(tài)會(huì)受到空間外熱流和儲(chǔ)能彈簧的影響，進(jìn)而影響天線(xiàn)的電性能。本文計(jì)算了在夏至和冬至這兩天天線(xiàn)運(yùn)行時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，及其帶來(lái)的熱彈性變形，和部分彈簧失效帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變形，根據(jù)反射面與輻射特性的內(nèi)在關(guān)系，求出了饋源的最佳安裝位置。 賦形天線(xiàn)能夠把有限的能量集中在感興趣的敏感區(qū)域，因此受到普遍關(guān)注．構(gòu)架式可展開(kāi)天線(xiàn)由于其特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不能照搬實(shí)體反射面天線(xiàn)的賦形方法。論文運(yùn)用懲罰函數(shù)法構(gòu)造了以

5、反射面上法線(xiàn)方程的參數(shù)作為優(yōu)化變量的目標(biāo)函數(shù)，針對(duì)多變量復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù)，選擇了直接搜索法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。編制了相關(guān)賦形程序，結(jié)合算例進(jìn)行了賦形計(jì)算，結(jié)果顯示區(qū)域內(nèi)得到的總輻射功率增加，功率分布更加均勻；如果節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的范圍越大，這種趨勢(shì)越明顯。 空間光學(xué)擺鏡要求有極高的鏡面質(zhì)量，同時(shí)有相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)諧振頻率，因此對(duì)擺鏡的結(jié)構(gòu)和裝卡提出了苛刻的要求。論文設(shè)計(jì)了150mm擺鏡的背架結(jié)構(gòu)形式，把．Zemike多項(xiàng)式引入到平板彈性力學(xué)方程，運(yùn)

6、用彈性地基理論建立了外圈力學(xué)方程，推導(dǎo)出兩個(gè)等價(jià)的Bessl方程，根據(jù)特殊函數(shù)理論解出其通解。通過(guò)內(nèi)外圈的變形協(xié)調(diào)條件，得到以Zemike多項(xiàng)式系數(shù)為變量求解外圈變形的方程組。利用廣義逆求解出能夠表征擺鏡所有可能變形的一組零空間的基底向量。構(gòu)造勢(shì)能泛函。通過(guò)求解已知支臂裝卡力作用下的最小勢(shì)能，得到零空間基底函數(shù)的組合系數(shù)，進(jìn)而求出每一個(gè)模態(tài)下的真實(shí)位移，各項(xiàng)系數(shù)對(duì)應(yīng)的是各項(xiàng)Seidl像差；如果把所有位移疊加就得到了鏡面誤差。 對(duì)