方永剛，肖 勇，萬小平，惠 偉

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

環(huán)形可展開天線最早由Mark W Thomson等人提出[1]，由于具有質(zhì)量小、型面精度好、結(jié)構(gòu)高度高等顯著優(yōu)點，目前已經(jīng)成為大型星載可展開天線最理想的結(jié)構(gòu)形式，近來在航天領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。大型空間可展開天線由于其涉及的專業(yè)領(lǐng)域多，對所用材料的要求高，生產(chǎn)、測試和檢驗的工藝復(fù)雜，因而其研制難度大，是目前衡量各國航天技術(shù)水平的重要標志之一[2]。環(huán)形可展開天線主要由環(huán)形桁架和索網(wǎng)系統(tǒng)(前索網(wǎng)、金屬網(wǎng)、張力陣和后索網(wǎng))組成，索網(wǎng)系統(tǒng)固定在桁架上[3]。

由于運載的限制，環(huán)形天線在發(fā)射時處于收攏狀態(tài)；衛(wèi)星進入太空軌道再進行展開。在環(huán)形天線上、中、下三個位置通過三根包帶將天線緊緊收攏成柱狀結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，包帶預(yù)緊力最高達到上千牛頓。環(huán)形可展開天線隨火箭發(fā)射過程及進入太空且展開前，在上端的包帶也需要將網(wǎng)面擋板、網(wǎng)面管理等裝置的布帶可靠的壓緊到環(huán)形天線鉸鏈上，必須防止其意外脫落(如圖2所示)。

圖1 環(huán)形天線示意圖Fig.1 Hoop-truss antenna diagram

圖2 包帶附近結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure near clampband

本文分析了星載環(huán)形天線包帶在低溫工況的變形可能導(dǎo)致的松弛情況，計算了包帶與鉸鏈之間的理論變形。通過設(shè)計、實施包帶低溫變形等效試驗，測試了包帶在低溫工況下的預(yù)緊效果。

1 溫度對包帶預(yù)緊力的影響分析

1.1 低溫變形情況分析

環(huán)形天線隨火箭發(fā)射至太空后，火箭整流罩打開，天線將直接處于真空、高低溫交變的惡劣太空環(huán)境中。在環(huán)形天線展開前，包帶必須可靠鎖定。由于鉸鏈與包帶之間的材料不同，線脹系數(shù)差別大，在溫度載荷作用下變形差別也很大。高溫工況時，鉸鏈膨脹變長、包帶縮短，預(yù)緊力將增加，則包帶預(yù)緊鎖定效果更好。低溫工況時，鉸鏈收縮變短、包帶變長，預(yù)緊力將降低。當預(yù)緊力降低到一定值時，可能導(dǎo)致包帶與鉸鏈之間的網(wǎng)管布帶壓緊失效。因此需要對包帶在低溫工況下的預(yù)緊力值進行仿真或測試，以便評估包帶預(yù)緊的效果。

包帶主體部分由碳纖維復(fù)合材料制成，線脹系數(shù)為負值(約為-0.5E-6)，在低溫工況下將會變長(即包絡(luò)直徑變大)；鉸鏈為硬鋁合金金屬材料，線脹系數(shù)為正值(約為23E-6)，在低溫工況收縮變形后有向內(nèi)收縮的趨勢(即鉸鏈處天線直徑變小)。但同時在鉸鏈驅(qū)動彈簧和桿件預(yù)彎矩的作用下，天線有向外展開的趨勢(即鉸鏈處天線直徑變大)。這兩種相反的運動趨勢，使得包帶只要不完全斷開，即使松弛，鉸鏈仍然有部分向外的作用力使其與包帶靠在一起。此過程由于接觸環(huán)節(jié)多比較復(fù)雜，且有嚴重的非線性，難以仿真計算。包帶預(yù)緊力測試系統(tǒng)基于常溫應(yīng)變測試技術(shù)設(shè)計，在低溫狀態(tài)下防護膠變硬，使得測量不準，因此難以在低溫工況下進行實測。

由于上述困難，我們將在常溫工況下采用等效方法對包帶預(yù)緊效果進行測試。

1.2 低溫工況包帶變形等效計算及驗證方法

(a)熱變形計算

由熱分析結(jié)果可知，環(huán)形天線進入太空且展開前，最低溫度約為-184℃(鑒定級)，此時熱變形最大。利用MSC.Nastran計算了包帶及鉸鏈在低溫工況下的熱變形，得到鉸鏈與包帶之間最大變形差為17.6mm。該變形絕對值僅為包帶長度的0.6%。

表1 熱變形計算結(jié)果Tab.1 Calculation result of Thermal deformation

(b)載荷估算

環(huán)形天線進入太空且展開前，主要承受來自衛(wèi)星變軌的載荷，最大加速度載荷約為0.1m/s2。每個網(wǎng)管布帶需要固定4kg的網(wǎng)面重量，考慮5倍安全系數(shù)，則每根布帶承受的最大載荷約為4×0.1×5=2N。因此，低溫工況下即使由于包帶鉸鏈變形松弛，只要其壓緊后對布帶施加的摩擦力大于2N即可保證布帶不會脫出。

(c)等效驗證方法

低溫工況包帶預(yù)緊力等效驗證的方法如下：

(1)以包帶預(yù)緊后的長度為基準，將此狀態(tài)的包帶及鉸鏈形狀視為零態(tài)；

(2)分別計算包帶和鉸鏈在低溫極限溫度工況下的變形，二者之差即為包帶相對縮短變形量△1；分別計算得到包帶長端和短端的變形量；

(3)常溫等效測試時，手動將包帶長度伸長△2，且△2等于第2步中計算得到的△1。由于變形△遠遠小于包帶長度，則可認為該過程等效于包帶低溫變形過程(如圖3所示)；

圖3 包帶變形示意圖Fig.3 Deformation of the clampband

(4)測試包帶在低溫工況下的預(yù)緊力值及對布帶的預(yù)緊效果。

3 低溫等效驗證情況

我們利用某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件進行試驗驗證，測試現(xiàn)場如圖4所示。試驗時主要步驟如下：

圖4 測試現(xiàn)場圖Fig.4 Test site diagram

(1)將天線翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，并安裝到零重力卸載系統(tǒng)；

(2)將上、中、下三根包帶分別預(yù)緊，其中上下包帶預(yù)緊力為1100N左右；

(3)將上包帶長端釋放9.4mm；

(4)用游標卡尺測試上包帶長端變形，用包帶預(yù)緊力系統(tǒng)測試包帶的預(yù)緊力，用彈簧秤測試網(wǎng)管布帶拉脫力；

(5)將上包帶短端釋放8.2mm；

(6)用游標卡尺測試上包帶短端變形，用包帶預(yù)緊力系統(tǒng)測試包帶的預(yù)緊力，用彈簧秤測試網(wǎng)管布帶拉脫力；

(7)試驗結(jié)束。

試驗時常溫初始狀態(tài)和低溫等效狀態(tài)上端包帶預(yù)緊力及布帶拉脫力的測試結(jié)果分別如下表所示：

表2 測試結(jié)果Tab.2 Test result

用彈簧秤向上拉網(wǎng)管布帶，直到出現(xiàn)布帶松動為止，測試包帶與鉸鏈之間的壓緊拉脫力。測試結(jié)果表明，所有網(wǎng)管布帶壓緊拉脫力均大于25N，滿足大于2N的指標要求。

4 結(jié)論

通過環(huán)形天線包帶低溫預(yù)緊力試驗研究，主要形成以下結(jié)論：

(1)環(huán)形天線包帶與鉸鏈熱脹系數(shù)不同，在低溫工況由于存在較大熱變形，將會導(dǎo)致包帶松弛、預(yù)緊力下降；為保證結(jié)構(gòu)安全，下降后的預(yù)緊力仍應(yīng)滿足使用需求；

(2)通過熱變形后預(yù)緊力等效驗證的方式，可以評價包帶低溫工況的預(yù)緊力是否滿足指標要求，滿足工程使用需求。

本文進行的等效驗證試驗研究，驗證了施加設(shè)計預(yù)緊力載荷的包帶在低溫工況下依然具有足夠的預(yù)緊力，可以壓住網(wǎng)面管理裝置等布帶，防止其意外脫落。但環(huán)形天線低溫工況包帶的熱變形涉及包帶、鉸鏈、布帶等相互摩擦、運動等，受力情況復(fù)雜；本文方法可以滿足工程使用需要，更準確的理論計算、測試仍需進行進一步研究。