充气展开平面天线热变形特性研究

论文摘要

平面天线的反射面大小决定了天线的灵敏度、精度等性能,大面积平面天线是卫星高性能的保证。充气展开平面天线具有质量轻、折叠效率高、收藏体积小、展开可靠性的优点。在轨工作的平面天线受太阳、地球等的空间热辐射,由于整个结构温度场的不均匀分布,将发生显著的热变形,天线热变形分析对提高天线形面精度及天线性能具有重要意义;同时,在轨飞行时,受卫星变轨、天线姿态调控等影响,天线将产生振动现象,天线的振动将影响卫星的动力学特性。本文设计了一种新型的充气展开平面天线,并对天线及其支撑管的热变形和振动问题进行了研究。根据平面天线结构性能的要求,并综合考虑充气展开结构特点,进行了充气展开天线的结构设计和材料设计;对所设计的平面天线及其复合材料充气管进行了模态分析,分析了支撑管直径和壁厚对充气管和充气天线振动特性的影响。利用有限元方法,分析了空间热环境下的支撑管和充气天线的温度场分布和热变形问题。考虑了太阳辐射热流、地球辐照等空间热流对复合材料充气支撑管温度场和热变形的影响,研究了热性能参数对结构热变形的影响,分析了太阳直射区和地球的本影区两种极端条件下的温度场的热变形;讨论了支撑管直径和壁厚对支撑管温度场和热变形的影响;计算了充气天线的温度场和热变形,讨论了膨胀系数好弹性模量这两个材料参数对热变形的影响。在此基础上,提出了减小热变形的几点措施,以保证充气天线等精密空间结构能够正常工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国外研究综述
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 空间充气天线的研究概述
• 1.3.2 空间结构的热分析研究概述
• 1.3.3 国内空间充气展开结构热研究概况
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 热弹性力学分析理论
• 2.1 太空中的主要传热方式
• 2.2 航天器热平衡
• 2.3 热弹性理论基础
• 2.3.1 温度场、温度梯度
• 2.3.2 热传导方程
• 2.3.3 导热过程的定解条件
• 2.4 热弹性力学方程
• 2.5 有限单元法
• 2.6 Boley热振理论
• 2.7 稳定性分析的理论基础
• 2.8 本章小结
• 第3章 平面天线结构设计及分析
• 3.1 引言
• 3.2 平面天线设计
• 3.2.1 设计的原则
• 3.2.2 目前平面天线
• 3.2.3 充气天线的结构设计
• 3.3 充气管计算模型的建立
• 3.4 复合材料支撑管的模态分析
• 3.4.1 直径对充气管模态的影响
• 3.4.2 壁厚对充气管模态的影响
• 3.5 充气天线的结构分析
• 3.5.1 直径对充气天线模态的影响
• 3.5.2 壁厚对充气天线模态的影响
• 3.6 本章总结
• 第4章 支撑管及平面天线的热变形分析
• 4.1 空间热环境
• 4.1.1 空间真空
• 4.1.2 空间低温
• 4.1.3 微重力
• 4.1.4 空间热源
• 4.2 充气管的热变形分析
• 4.2.1 太阳直射区和地球的本影区的热分析
• 4.2.2 充气管的热变形分析
• 4.2.3 直径变化对支撑管温度场的影响
• 4.2.4 直径变化对支撑管热变形的影响
• 4.2.5 壁厚对支撑管温度场的影响
• 4.2.6 壁厚对支撑管热变形的影响
• 4.3 充气天线的热变形分析
• 4.3.1 不同材料参数对充气天线热变形的影响
• 4.3.2 减小充气天线热变形的措施
• 4.4 本章小结
• 结论和进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢