田大可 郭振偉 劉榮強(qiáng) 高海明 范小東 劉兆晶 鄧宗全
(1沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 110168)
(2哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,哈爾濱 150001)
(3哈爾濱乾行達(dá)科技有限公司,哈爾濱 150028)
空間可展開天線是航天器的關(guān)鍵有效載荷之一[1-2],廣泛應(yīng)用于移動通信、深空探測、電子偵察、數(shù)據(jù)中繼和導(dǎo)航遙感等領(lǐng)域[3]。固面式[4]、網(wǎng)狀式[5]、充氣式[6]、自回彈式[7]、薄膜式[8]等多種天線結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)。近年來,可展開天線大型化/超大型化的發(fā)展需求與運(yùn)載火箭整流罩有限的容積形成了強(qiáng)烈的矛盾,現(xiàn)有典型在軌應(yīng)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(jié)構(gòu)集成度高、耦合性強(qiáng)、擴(kuò)展性差,難以發(fā)展成更大口徑的天線。模塊化構(gòu)架式可展開天線在保留網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)重量輕、展開剛度大、形面精度高等優(yōu)點的基礎(chǔ)上,采用模塊化思想設(shè)計,結(jié)構(gòu)的通用性好、靈活性高、拓展性強(qiáng),可通過改變模塊的大小、數(shù)量及其組合和排布方式等便捷地實現(xiàn)天線口徑的快速縮放,是滿足大口徑衛(wèi)星使用需求的一種較為理想的結(jié)構(gòu)形式[10]。支撐機(jī)構(gòu)是模塊化構(gòu)架式可展開天線的重要組成部分,對網(wǎng)面起到展開、支撐和定位作用。因此,開展模塊化構(gòu)架式空間可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。
在模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計方面,日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)[11-13](JAXA)對其研究與應(yīng)用較早,該機(jī)構(gòu)于2006年12月在發(fā)射的工程試驗衛(wèi)星-8(ETS-8)上使用了兩個口徑為13 m的模塊化構(gòu)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(jié)構(gòu)收攏后的高度和直徑分別為4 m×1 m;為滿足通信衛(wèi)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(dá)到30 m,收攏后的高度和直徑分別為4 m×1.8 m。可見,日本對該構(gòu)型的研究和應(yīng)用較為成熟,已有型號實現(xiàn)在軌服役,但公開報道的文獻(xiàn)尚未涉及詳細(xì)的構(gòu)型方案、鎖定原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法。文獻(xiàn)[16]提出了一種采用伸縮桿驅(qū)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(shè)計了一個展開尺寸為5 m×2.88 m 的拋物面天線原理樣機(jī),但模塊內(nèi)部無鎖緊機(jī)構(gòu),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(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu),開展了總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,從肋單元結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、運(yùn)動學(xué)仿真分析、支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計、緩釋裝置設(shè)計等4個方面開展了具體的設(shè)計工作,并對研制的可展開天線原理樣機(jī)在微重力條件下進(jìn)行了展開功能試驗。
地球生物經(jīng)歷了約35億年的優(yōu)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(fā)。蜜蜂能夠利用自身分泌的蠟質(zhì)制作出材料最省、合成空間最大、結(jié)構(gòu)最牢固的六角模塊型蜂窩。借鑒蜂窩形態(tài),本文提出一種模塊截面為六邊形的六棱柱模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案,總體結(jié)構(gòu)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?fù)洹钡脑瓌t進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shù)量,提高整體結(jié)構(gòu)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(gòu)架式可展開天線總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of deployable truss antenna
圖2 模塊拓?fù)潢P(guān)系Fig.2 Topological relationship of modules
每個模塊主要包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)兩個組成部分,如圖3所示。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是天線的工作部分,由多個柔性網(wǎng)面組成,包括前索網(wǎng)、金屬反射網(wǎng)、調(diào)節(jié)索和后索網(wǎng)。前索網(wǎng)用于連接金屬反射網(wǎng);金屬反射網(wǎng)采用鍍金鉬絲編織而成,是可展開天線的工作表面,用于衛(wèi)星信號的接收和發(fā)射,展開后呈拋物面形狀;調(diào)節(jié)索用于連接前、后索網(wǎng),主要起到精確調(diào)節(jié)網(wǎng)面形狀的作用;后索網(wǎng)是網(wǎng)面結(jié)構(gòu)的基層,為前索網(wǎng)、金屬反射網(wǎng)、調(diào)節(jié)索的連接和張緊提供載體。
圖3 模塊結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structure of module
支撐結(jié)構(gòu)是天線的骨架,對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要由支撐機(jī)構(gòu)和張緊索組成,支撐機(jī)構(gòu)是支撐結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu);張緊索安裝在支撐機(jī)構(gòu)外側(cè)的豎桿上,用于加強(qiáng)機(jī)構(gòu)展開后的剛度。
肋單元是支撐機(jī)構(gòu)的最小可展開單元,為一平面八桿機(jī)構(gòu),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(jié)構(gòu)如圖4所示。中心桿在機(jī)構(gòu)展開過程中相對靜止,可將其視作機(jī)架,機(jī)構(gòu)中有7個活動構(gòu)件,運(yùn)動副均為低副;滑塊為機(jī)構(gòu)中的原動件,沿中心桿上下移動,其余構(gòu)件可以拆分為3 個II級桿組,如圖5所示,則機(jī)構(gòu)的自由度為
圖4 肋單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of rib unit
圖5 肋單元機(jī)構(gòu)拆分Fig.5 Disassembly of rib unit
式中:n 為機(jī)構(gòu)中自由構(gòu)件數(shù),pl為機(jī)構(gòu)中低副數(shù),ph為機(jī)構(gòu)中高副數(shù)。
由此可見,肋單元機(jī)構(gòu)具有1個自由度,當(dāng)給定滑塊的運(yùn)動規(guī)律,機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動條件。
彈簧是機(jī)構(gòu)的驅(qū)動源,電機(jī)為展開速度控制裝置。肋單元在收攏狀態(tài)時,主彈簧處于被壓縮的儲能狀態(tài),滑塊處于中心桿的底部;當(dāng)機(jī)構(gòu)展開時,電機(jī)緩慢釋放繩索,主彈簧驅(qū)動滑塊向上移動,支撐桿旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)處于“死點”位置,整個機(jī)構(gòu)鎖死,肋單元變成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
由于本文提出的六棱柱構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想,7個模塊具有幾乎相同的結(jié)構(gòu)參數(shù),同時每個模塊又由6個肋單元組成,因此,肋單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。建立肋單元尺寸計算模型,如圖6 所示。所建立的直角坐標(biāo)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(gòu)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(yīng)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(gòu)件的種類和數(shù)量,模塊化可展開天線支撐機(jī)構(gòu)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(tài),圖6(b)是肋單元完全收攏狀態(tài),即這兩個圖是肋單元運(yùn)動過程中的兩個極限位置,也是確定肋單元主要構(gòu)件尺寸參數(shù)的重要依據(jù)。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(luò)圓的半徑。支撐機(jī)構(gòu)完全展開后,關(guān)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(luò)四邊形的4個角點的坐標(biāo)為已知。
圖6 肋單元尺寸參數(shù)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(gòu)件的尺寸參數(shù),計算的主要步驟為:首先,對其余構(gòu)件的長度預(yù)先給定初值;其次,根據(jù)兩個極限狀態(tài)及構(gòu)件間的位置關(guān)系,建立對應(yīng)的尺寸鏈;再次,建立各尺寸鏈的參數(shù)方程組;最后,對各方程組進(jìn)行求解,得到5 個構(gòu)件的具體參數(shù),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(gòu)件的參數(shù)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(jù)肋單元的兩個極限位置及直角三角形ΔJNC 中各邊長的關(guān)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(gòu)件的尺寸均可確定。
采用Matlab數(shù)值分析軟件,對支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。設(shè)定滑塊的行程為55 mm,并且讓滑塊以1 mm/s的速度勻速運(yùn)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(tài),如圖7所示。
對圖7所示的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,t=0 s時,天線支撐機(jī)構(gòu)呈完全收攏狀態(tài),此時體積達(dá)到最小;t=55 s時,天線支撐機(jī)構(gòu)完全展開,體積最大;0 s<t<55 s時,支撐機(jī)構(gòu)處于展開的中間狀態(tài),機(jī)構(gòu)中各模塊能夠?qū)崿F(xiàn)同時、同步展開,未出現(xiàn)重疊、分離等問題,表明機(jī)構(gòu)在設(shè)計原理及桿件參數(shù)方面是正確的。
圖7 支撐機(jī)構(gòu)展開過程仿真Fig.7 Mechanism deployment process simulations
支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,中心桿、斜腹桿和豎桿是3處設(shè)計的難點。主要原因是:①中心桿是模塊中承擔(dān)功能最多的構(gòu)件,一方面要作為機(jī)架,支撐上弦桿、下弦桿、斜腹桿和滑塊的運(yùn)動,另一方面還要作為動力源主/輔彈簧的支撐結(jié)構(gòu);②斜腹桿是機(jī)構(gòu)中最有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉的構(gòu)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(guī)的圓桿形設(shè)計難以滿足要求;③豎桿是用于模塊間連接的構(gòu)件,豎桿上面節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響模塊連接的準(zhǔn)確性,進(jìn)而影響支撐機(jī)構(gòu)的展開精度。故本文主要對這3處重點構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹。
2.3.1 中心桿設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)行連接,此外,連接桿還作為主驅(qū)動彈簧伸縮運(yùn)動和滑塊上下運(yùn)動的支撐結(jié)構(gòu)。
為保證上連接塊與連接桿、下連接塊與連接桿兩組結(jié)構(gòu)之間安裝的準(zhǔn)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(jìn)行周向定位;軸向定位均采用軸肩實現(xiàn)。安裝及定位關(guān)系如圖8(b)和圖8(c)所示。
圖8 中心桿結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of center link
2.3.2 斜腹桿設(shè)計
收納率是可展開天線的一項技術(shù)指標(biāo)[4],通常是指可展開天線在收攏狀態(tài)與展開狀態(tài)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(chǎn)生比較大的影響。為了盡可能減小結(jié)構(gòu)的收攏體積,應(yīng)保證收攏后兩個構(gòu)件在不發(fā)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(jié)構(gòu)簡單的圓柱形桿狀結(jié)構(gòu),而是將其設(shè)計成鏤空槽型結(jié)構(gòu);同時,將大斜腹桿的接頭設(shè)為長扁平狀,使其在收攏狀態(tài)下可以折疊到小斜腹桿的內(nèi)部,最大限度地減小收攏后的體積,兩個構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 斜腹桿結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of diagonal link
2.3.3 豎桿設(shè)計
模塊間通過豎桿上面安裝的連接節(jié)點進(jìn)行連接,節(jié)點設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容,節(jié)點設(shè)計的原則為:模塊連接精度高、連接可靠性好、結(jié)構(gòu)裝拆靈活。
基于這3 點原則,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,具體的措施是:首先,將豎桿分解成上節(jié)點、中間桿、下節(jié)點等3個子結(jié)構(gòu),構(gòu)件間采用圓柱面定心,銷釘鉚接定位結(jié)構(gòu);其次,觀察發(fā)現(xiàn),模塊連接時最多有3個肋單元同時連在一起,即對應(yīng)有3個豎桿進(jìn)行連接,肋單元之間的夾角為120°,所以將上、下節(jié)點的連接面設(shè)計為120°,并重點在上節(jié)點處設(shè)計有凹凸槽口,通過槽口的相互嚙合實現(xiàn)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(jié)構(gòu)裝拆及維護(hù)的便利性。豎桿結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 豎桿結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of vertical link
2.3.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于前述設(shè)計及分析結(jié)果,在三維軟件中建立構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)三維模型。將肋單元以中心桿為旋轉(zhuǎn)中心,沿周向陣列,即可得到可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的模塊單元模型,其展開與收攏狀態(tài)如圖11(a)所示;將7個模塊單元按拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行裝配即可以得到構(gòu)架式可展開天線整體支撐機(jī)構(gòu)的三維模型,展開與收攏狀態(tài)如圖11(b)所示。
從圖11可以看出,支撐機(jī)構(gòu)在收攏狀態(tài)時,機(jī)構(gòu)外包絡(luò)體為近似等直徑的圓柱體,表明機(jī)構(gòu)處于最小體積狀態(tài);展開后,各模塊間能夠準(zhǔn)確連接,機(jī)構(gòu)形成空間球面構(gòu)型,表明支撐機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面符合預(yù)期要求。
圖11 支撐機(jī)構(gòu)三維模型Fig.11 Three dimensional model of supporting mechanism
如前所述,在模塊化構(gòu)架式可展開天線中,收納率為結(jié)構(gòu)在收攏與展開兩種狀態(tài)時的直徑之比,即
式中:d 為收攏狀態(tài)的直徑,D 為展開狀態(tài)直徑。本文設(shè)計的支撐機(jī)構(gòu)整體狀態(tài)下的2個參數(shù)分別為d=292 mm,D=3174 mm,故支撐機(jī)構(gòu)的收納率約為0.09。根據(jù)文獻(xiàn)[4],網(wǎng)狀可展開天線的收納率通常為0.06~0.22,由此可見本文設(shè)計的支撐機(jī)構(gòu)具有較小的收納率,這對于將其發(fā)展成更大口徑的支撐機(jī)構(gòu)是較為有利的。
構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)中采用彈簧作為動力源的優(yōu)點是,彈簧體積小、質(zhì)量輕,可以在機(jī)構(gòu)中靈活布置,同時彈簧驅(qū)動的可靠性較高,降低故障率及展開風(fēng)險。但引入的缺點是彈簧在恢復(fù)彈性變形的過程中,機(jī)構(gòu)展開速度不均勻,結(jié)構(gòu)展開有沖擊。對此,為了減小沖擊對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,本文設(shè)計了控制可展開天線支撐機(jī)構(gòu)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(jī)、后蓋和吊環(huán)等部分組成。為減輕質(zhì)量,外殼及后蓋都設(shè)有減重結(jié)構(gòu)。緩釋裝置通過外殼安裝在中心模塊上,電機(jī)安裝在卷筒內(nèi),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(jī)工作時驅(qū)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
為了驗證本文提出的模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計的正確性,研制了一套支撐機(jī)構(gòu)原理樣機(jī),樣機(jī)中單個模塊展開后外包絡(luò)尺寸約為1 m×1.2 m,7個模塊組裝后的樣機(jī)展開后的外包絡(luò)尺寸約為3 m×3.1 m。為降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,同時兼顧關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,機(jī)構(gòu)中除在受力較大的中心桿等位置采用鋼質(zhì)材料,其余桿件均采用硬鋁,經(jīng)試裝及評估,樣機(jī)選材滿足設(shè)計要求。機(jī)構(gòu)的驅(qū)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(qū)動機(jī)構(gòu)展開。將支撐機(jī)構(gòu)懸掛到微重力試驗裝置上,并進(jìn)行展開功能試驗,機(jī)構(gòu)由收攏至完全展開的部分過程如圖13所示。
圖13 支撐機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)進(jìn)行了10次展開功能測試,在每次試驗過程中,機(jī)構(gòu)均能夠順利展開,展開過程未出現(xiàn)卡滯等情況,完全展開后機(jī)構(gòu)實現(xiàn)鎖緊;同時在展開過程中,機(jī)構(gòu)在緩釋裝置的控制下緩慢展開且較為平穩(wěn),機(jī)構(gòu)展開速度可控。以上試驗結(jié)果表明:本文提出的支撐機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計方案上均是可行的。
本文提出一種模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu),詳細(xì)闡述了機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及鎖定原理,并針對重點結(jié)構(gòu)開展了詳細(xì)設(shè)計。該項研究工作對于豐富我國模塊化構(gòu)架式空間可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)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(jié)論。
(1)提出的將肋單元作為最小可展開機(jī)構(gòu)單元,并由此進(jìn)行陣列而得到模塊單元及多模塊支撐機(jī)構(gòu)的方案是可行的;所設(shè)計機(jī)構(gòu)的收納率約為0.09,與網(wǎng)狀可展開天線通常為0.06~0.22的收納率相比,本文所設(shè)計的支撐機(jī)構(gòu)的收納率較小。
(2)展開試驗過程中機(jī)構(gòu)展開平緩、順暢,展開到位后能夠順利實現(xiàn)鎖緊,表明支撐機(jī)構(gòu)在展開原理、鎖緊方案、參數(shù)計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計方面是正確的。
(3)本文提出的六棱柱模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了由1個模塊至7個模塊的組合變化,結(jié)構(gòu)拓展性較好,具有發(fā)展成大口徑天線的潛力,后續(xù)將開展更多模塊、更大口徑的模塊化構(gòu)架式可展開天線支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究。