星載天線支撐桁架的結構設計、模型研制及實驗

段濤杰，祝 巍，郭瑞桁，王明方，吳瑞琴

（1.天津理工大學機械工程學院天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心（天津理工大學），天津 300384）

星載天線技術在深空探測、對地遙感等方面作用凸顯。考慮運載成本和空間任務需求，星載天線朝著大型化、高精度方向發展。大型天線中的可展結構對其工作可靠性有很大影響，眾多學者在可展結構設計方面開展了研究。Prowald 和Baier[1]提供了多種可展天線結構設計方面的折展方案。Qi 等[2]基于平面六桿連接結構設計了較大折展比的可展機構。史創等[3]研制了利用彈性鉸鏈驅動曲柄滑塊式平面可展開單元的可展機構。

近年來可展桁架式天線發展迅速，多款產品已研制成功并投入使用，如美國研制的AstroMesh 天線[4]。AstroMesh 天線由伸展臂、環狀可展桁架、張力索網和金屬反射網等部分組成，其環狀可展桁架是實現天線反射器收展的重要功能部件。研究人員在AstroMesh 天線環狀支撐桁架的基礎上又研發出了多種類型的類環狀桁架結構。Scialino 等[5]提出了一種新的錐狀環形桁架結構，并通過實驗發現這種結構比柱狀環形桁架的剛度特性要好。韓博等[6]提出了一種新型剪叉式過約束雙環桁架結構。吳新燕和關富玲[7]設計研制出了一種雙圈六面體環形桁架可展開結構。天線入軌后能否順利進入工作狀態取決于可展機構能否可靠展開。Li 等[8]利用絕對節點坐標法將天線系統分解成幾個獨立的子系統從而分析了天線的展開過程。Nie 等[9]將剛體旋轉、索網幾何非線性、剛柔耦合特性等考慮進來，開展了大型可展天線在軌展開動力學特性研究。Lu 等[10]研究了空間可展開天線支撐臂和反射器展開過程中的動力學問題。

在地面進行環形天線的展開實驗有重要的實踐意義。為了開展充分的地面實驗，本文對環形星載天線的反射器支撐桁架進行了結構優化設計，改進了支撐桁架的接頭結構使其適用于多種單胞數目，利用三維建模和運動仿真分析了提出的支撐桁架設計方案的可行性，制作了可展桁架實物模型，通過實驗驗證了可展支撐桁架結構設計的可行性。

1 結構設計

環形星載天線的反射器支撐桁架由眾多桿件和接頭組成，其中桿件有斜桿、橫桿和豎桿三種，接頭分為三向接頭和五向接頭兩種，如圖1 所示。桁架的接頭是其實現收展的關鍵部件，接頭中有實現同步收展的齒輪和鉸鏈，也有實現鎖緊的限位裝置。能夠同時滿足收展功能和適用于單胞數量可變是接頭結構設計的關鍵。要達到這兩個要求需要接頭結構能夠同時具備豎直方向可旋轉和橫向夾角可改變。

圖1 環狀桁架結構示意圖

三向接頭主要包括接頭主體、橫桿連接件和異形齒輪，通過采用異形齒輪作為同步傳動構件來應對橫向夾角改變帶來的傳動問題，主體內部安裝兩個異形齒輪，主體底部圓柱用來連接豎桿，主體和橫桿連接件通過螺栓連接來實現連接件的轉動，主體內壁設置凸臺用來對橫桿連接件展開到位進行限位，如圖2（a） 所示。五向接頭主要由接頭主體和連接件組成，主體中間圓柱用來連接豎桿，連接件分為斜桿連接件和橫桿連接件，主體內壁設置擋板用來對斜桿收攏到位進行約束，如圖2（b） 所示。將接頭與相應的豎桿、橫桿和斜桿進行裝配，得到如圖3 所示的六邊環狀支撐桁架。

圖2 接頭

圖3 環狀支撐桁架

2 運動仿真

根據桁架機構的展開特征設置運動副和驅動，確保構件之間的相對運動。在設置齒輪運動時，只驅動一個齒輪，以此來驗證異形齒輪的傳動能力和同步收展功能。利用ADAMS 軟件對六邊支撐桁架展開的運動仿真過程如圖4 所示。

圖4 六邊支撐桁架展開

通過ADAMS 分析后處理得到各個豎桿質心速度變化曲線如圖5 所示。圖中，豎桿質心速度隨桁架收攏先逐漸增大直到收攏完成瞬間降為零，在桁架剛要展開時豎桿質心速度先由零瞬間增大到某一值然后隨桁架逐步展開而緩慢減小。豎桿的速度發生突變導致機構中存在沖擊，這在實際應用中應該避免。

圖5 六個豎桿質心的速度曲線

3 實物模型制作及實驗

選用尼龍塑料并利用3D 打印制作接頭結構中的非標件，采用PVC 材料制作橫桿、豎桿和斜桿，連接緊固件采用塑料材質的普通螺栓。裝配完成六邊支撐桁架后，將接頭兩個外殼之間連接的小螺栓松開，調整橫桿間夾角，增加單胞數量，可裝配組成十邊支撐桁架機構，實現單胞數量可調。將十邊支撐桁架懸吊在實驗臺上，采用電機進行驅動，測試桁架展開過程，搭建的實驗臺如圖6（a） 所示。通過電機帶動卷筒轉動，驅動支撐桁架展開。將加速度傳感器貼在最外端的桁架接頭上，測量得到測點豎直方向位移曲線如圖6（b） 所示。桁架展開初期，外端接頭下降平緩，隨著展開直徑增大，受重心影響外端接頭快速下降。松緊展開后期，機構剛度隨著驅動索逐漸拉緊而增強，位移會有一個小幅的抬升。

圖6 展開實驗

4 結論

為方便開展環形星載天線桁架支撐結構的地面驗證試驗，本文設計了通用桁架接頭結構，使其既能實現支撐桁架收展功能，又能滿足桁架單胞數目可調的需求。采用3D 打印技術制作了可展桁架實物模型，通過仿真分析和展開實驗，驗證了可展支撐桁架設計方案的可行性，研究結論對環形星載天線桁架支撐結構設計和地面實驗有一定參考價值。