星载抛物面天线在轨热—结构耦合分析

论文摘要

探月工程、卫星导航等航天技术的发展对卫星天线在轨运行精度和稳定性提出了越来越高的要求。如何提高大口径星载天线在轨运行时的精度及稳定性是现今存在的一大难题。本文以抛物面型星载天线为研究对象,分析其在近地轨运行时的外热流、温度场和结构场的变化情况和影响因素,为天线的热设计和结构设计提供理论依据。本文完成了如下工作:首先,对星载天线热、结构研究现状进行总结,分析现有技术的特点、不足和未来发展趋势。对星载天线空间外热流进行系统研究:1)进行空间热辐射和在轨外热流理论分析;2)采用Monte-Carlo方法,利用C++语言进行编程,建立天线面和能束发射模型,计算得到天线面吸收轨道外热流,并验证其正确性;3)分析计算结果,得出星载天线在近地轨道运行时所受到轨道外热流的变化规律,以及天线表面特性对外热流吸收的影响情况。然后,利用有限元方法对星载天线外热流作用影响下的在轨温度场变化进行分析。建立天线面离散数学模型,采用伽辽金方法推导天线面稳态和瞬态温度场理论公式。利用Patran/Natran软件进行温度场仿真,得到天线面在轨温度场变化规律;通过改变天线表面特性和材料属性,分析天线面温度场变化的影响因素,为天线热设计提供理论依据。最后,对星载天线在空间热载荷作用下的结构响应进行分析。采用与温度场计算相同的有限元离散模型,推导天线结构场计算理论公式。利用Patran/Nastran软件对天线瞬态结构场进行仿真,得到天线在轨运行时的位移场和应力场,分析天线的热变形和振动规律;进行热膨胀系数、弹性模量等材料特性以及约束方式对结构变形的影响分析,为天线结构设计提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.3 研究目的
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 考虑热效应的结构动力学分析研究现状
• 1.2.2 星载抛物面天线热-结构分析现状
• 1.2.3 今后的发展趋势
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 星载抛物面天线在轨外热流分析
• 2.1 辐射换热基本理论
• 2.1.1 辐射换热基本概念及定律
• 2.1.2 Monte-Carlo方法
• 2.1.3 天线表面外热流
• 2.2 抛物面天线轨道外热流的计算方法
• 2.2.1 辐射能束建模
• 2.2.2 天线面元及能束发射模型建模
• 2.2.3 能束与天线面相交的判定
• 2.2.4 太阳矢量确定及地球阴影区判断
• 2.3 天线在轨外热流编程验证
• 2.4 吸收/发射比对吸收外热流的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 星载抛物面天线在轨温度场分析
• 3.1 反射面单元模式和插值函数
• 3.2 天线面温度场稳态热分析理论
• 3.3 天线面温度场瞬态热分析理论
• 3.4 抛物面天线温度场分析实例
• 3.4.1 实例分析的参数设定
• 3.4.2 温度场计算结果分析
• 3.4.3 影响天线面温度及其变化率的主要因素
• 3.5 本章小结
• 第4章 星载抛物面天线在轨结构场分析
• 4.1 天线面结构场分析有限元理论
• 4.1.1 弹性动力学基本方程
• 4.1.2 结构动力学分析有限元分析插值函数
• 4.1.3 系统求解方程的建立
• 4.2 天线面结构场分析实例
• 4.2.1 结构场分析的参数设定
• 4.2.2 结构场计算结果分析
• 4.3 影响天线面结构场变化的主要因素
• 4.3.1 热膨胀率对结构场的影响
• 4.3.2 弹性模量对结构场的影响
• 4.3.3 约束条件对结构场的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢