星载天线支撑桁架的结构设计、模型研制及实验

段涛杰，祝 巍，郭瑞桁，王明方，吴瑞琴

（1.天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津 300384）

星载天线技术在深空探测、对地遥感等方面作用凸显。考虑运载成本和空间任务需求，星载天线朝着大型化、高精度方向发展。大型天线中的可展结构对其工作可靠性有很大影响，众多学者在可展结构设计方面开展了研究。Prowald 和Baier[1]提供了多种可展天线结构设计方面的折展方案。Qi 等[2]基于平面六杆连接结构设计了较大折展比的可展机构。史创等[3]研制了利用弹性铰链驱动曲柄滑块式平面可展开单元的可展机构。

近年来可展桁架式天线发展迅速，多款产品已研制成功并投入使用，如美国研制的AstroMesh 天线[4]。AstroMesh 天线由伸展臂、环状可展桁架、张力索网和金属反射网等部分组成，其环状可展桁架是实现天线反射器收展的重要功能部件。研究人员在AstroMesh 天线环状支撑桁架的基础上又研发出了多种类型的类环状桁架结构。Scialino 等[5]提出了一种新的锥状环形桁架结构，并通过实验发现这种结构比柱状环形桁架的刚度特性要好。韩博等[6]提出了一种新型剪叉式过约束双环桁架结构。吴新燕和关富玲[7]设计研制出了一种双圈六面体环形桁架可展开结构。天线入轨后能否顺利进入工作状态取决于可展机构能否可靠展开。Li 等[8]利用绝对节点坐标法将天线系统分解成几个独立的子系统从而分析了天线的展开过程。Nie 等[9]将刚体旋转、索网几何非线性、刚柔耦合特性等考虑进来，开展了大型可展天线在轨展开动力学特性研究。Lu 等[10]研究了空间可展开天线支撑臂和反射器展开过程中的动力学问题。

在地面进行环形天线的展开实验有重要的实践意义。为了开展充分的地面实验，本文对环形星载天线的反射器支撑桁架进行了结构优化设计，改进了支撑桁架的接头结构使其适用于多种单胞数目，利用三维建模和运动仿真分析了提出的支撑桁架设计方案的可行性，制作了可展桁架实物模型，通过实验验证了可展支撑桁架结构设计的可行性。

1 结构设计

环形星载天线的反射器支撑桁架由众多杆件和接头组成，其中杆件有斜杆、横杆和竖杆三种，接头分为三向接头和五向接头两种，如图1 所示。桁架的接头是其实现收展的关键部件，接头中有实现同步收展的齿轮和铰链，也有实现锁紧的限位装置。能够同时满足收展功能和适用于单胞数量可变是接头结构设计的关键。要达到这两个要求需要接头结构能够同时具备竖直方向可旋转和横向夹角可改变。

图1 环状桁架结构示意图

三向接头主要包括接头主体、横杆连接件和异形齿轮，通过采用异形齿轮作为同步传动构件来应对横向夹角改变带来的传动问题，主体内部安装两个异形齿轮，主体底部圆柱用来连接竖杆，主体和横杆连接件通过螺栓连接来实现连接件的转动，主体内壁设置凸台用来对横杆连接件展开到位进行限位，如图2（a） 所示。五向接头主要由接头主体和连接件组成，主体中间圆柱用来连接竖杆，连接件分为斜杆连接件和横杆连接件，主体内壁设置挡板用来对斜杆收拢到位进行约束，如图2（b） 所示。将接头与相应的竖杆、横杆和斜杆进行装配，得到如图3 所示的六边环状支撑桁架。

图2 接头

图3 环状支撑桁架

2 运动仿真

根据桁架机构的展开特征设置运动副和驱动，确保构件之间的相对运动。在设置齿轮运动时，只驱动一个齿轮，以此来验证异形齿轮的传动能力和同步收展功能。利用ADAMS 软件对六边支撑桁架展开的运动仿真过程如图4 所示。

图4 六边支撑桁架展开

通过ADAMS 分析后处理得到各个竖杆质心速度变化曲线如图5 所示。图中，竖杆质心速度随桁架收拢先逐渐增大直到收拢完成瞬间降为零，在桁架刚要展开时竖杆质心速度先由零瞬间增大到某一值然后随桁架逐步展开而缓慢减小。竖杆的速度发生突变导致机构中存在冲击，这在实际应用中应该避免。

图5 六个竖杆质心的速度曲线

3 实物模型制作及实验

选用尼龙塑料并利用3D 打印制作接头结构中的非标件，采用PVC 材料制作横杆、竖杆和斜杆，连接紧固件采用塑料材质的普通螺栓。装配完成六边支撑桁架后，将接头两个外壳之间连接的小螺栓松开，调整横杆间夹角，增加单胞数量，可装配组成十边支撑桁架机构，实现单胞数量可调。将十边支撑桁架悬吊在实验台上，采用电机进行驱动，测试桁架展开过程，搭建的实验台如图6（a） 所示。通过电机带动卷筒转动，驱动支撑桁架展开。将加速度传感器贴在最外端的桁架接头上，测量得到测点竖直方向位移曲线如图6（b） 所示。桁架展开初期，外端接头下降平缓，随着展开直径增大，受重心影响外端接头快速下降。松紧展开后期，机构刚度随着驱动索逐渐拉紧而增强，位移会有一个小幅的抬升。

图6 展开实验

4 结论

为方便开展环形星载天线桁架支撑结构的地面验证试验，本文设计了通用桁架接头结构，使其既能实现支撑桁架收展功能，又能满足桁架单胞数目可调的需求。采用3D 打印技术制作了可展桁架实物模型，通过仿真分析和展开实验，验证了可展支撑桁架设计方案的可行性，研究结论对环形星载天线桁架支撑结构设计和地面实验有一定参考价值。