空间网状反射器网面序列展开管理系统及管理方法与流程

本技术所属领域为航天技术领域，本技术主要用于卫星、空间站以及其他航天器的大型可展开网状反射器在太空无重力环境下索网有序展开的运动管理。

背景技术：

星载大型环形反射器由外环、主索网面、副索网及竖向张拉索组成(图1)。星载大型环形反射器在外环解锁释放后，外环开始展开。此时位于环形中部的索网处于自由状态。由于太空没有重力，这一团索网有可能会随意展开并在空中舞动。对于大口径的反射器，网的半径是周边环桁架高度的多倍以上，因此随意舞动的网面有可能会缠绕在周边桁架上，主网、副网和牵拉索之间也可能发生缠绕，这些都造成反射器展开失败。根据文献资料，目前世界上只有美国研制过这种大口径环形反射器并已经发射成功^[1]，但美国这种反射器的网面管理方法却没有资料报道，日本的ETS-VIII卫星上的网状可展开天线曾在轨道上发生过索网缠绕而导致反射面无法展开的故障^[2]。清华大学研究过环形天线在轨与卫星控制系统的姿态动力耦合问题，西安电子科技大学研究过环形天线的在轨热变形问题，北京理工大学研究过环形天线的展开过程运动分析问题，浙江大学研制过6米双环反射器的原理样机，但国内目前也没有关于环形反射器网面管理系统的公开报道。

环形反射器由于只有在外圈有刚性桁架，环内没有刚性部件，无法在内部固定或约束其运动轨迹。由于网面和索都是柔性材料，即使在收拢时按照有序的方式折叠，但当外环展开初始阶段，在电机带动下，环的直径从收拢直径缓慢展开时，在与外环桁架相连的牵引索作用下，索网的层间微弱的摩擦力不足以维持原有的折叠展开次序，多层索网会同时展开，这就造成已展开索网的长度大于正在展开的环的直径。此时自由飘荡的网就有可能飘出环形桁架的上端或下端，继而缠上周边的桁架。同时，由于整个索网展开序列被打乱，主网、副网之间以及网与索之间都有可能发生缠绕，这些都是造成反射器展开失败的隐患。而且，反射器的口径越大，网的尺寸就越大，在环形桁架展开的初期和中期，发生缠绕的几率也更大。

如果采取事先将折叠的网面之间的个别点上涂上一点胶，让索网在周边环形桁架展开初期维持原来的折叠序列，然后，随着环形桁架直径的张大，利用展开索的展开力，将粘接的胶点脱开。由于胶具有流动性，这样做存在胶接面积和胶接力无法控制的缺点，有可能因为个别点的胶太多，粘接力过大造成发生反射器展不开或网面被撕破的故障。而且在太空的温度环境下，胶的粘接性能也能会与地面不同，因而产生提前脱粘或脱不开的故障。

也可以采用在环的对角方向拉不同长度的丝线的方式，随着环直径的增大，丝线按长度从小到大，逐个断开。在每根丝线没断开之前，该丝线穿过的网面都按照原折叠序列排列，当一根丝线断裂后，网面打开一些，直至所有丝线都断裂，网面完全打开。这种方法的缺点是，丝线的强度不好选择。如果选择强度大的，会增加展开阻力，而且断裂时丝线的绷紧力突然释放，丝线容易因冲击力有时会造成与网面缠绕，如果选用强度小的，在地面试验测试时，索网自身的重力就会把丝线拉断。

由以上所述可以看出，网面管理系统的关键技术要求是不引起附加的展开阻力，而且不能与索网产生缠绕，这样才能保证达到卫星反射器展开可靠性指标的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的空间网状反射器网面序列展开管理系统及管理方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种空间网状反射器网面序列展开管理系统，包括提供支撑作用的环型桁架可展开结构、由主索网、副索网和竖向张拉索组成的索网反射器，以及主索网和副索网之间的金属反射网；所述主索网、金属反射网以及副索网通过折叠后形成多层的结构；所述主索网、金属反射网以及副索网中折叠后形成的多层的结构上任意相连的两层之间通过丝绳穿透。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理系统的改进：所述主索网、金属反射网和副索网之间通过环向峰谷线方式折叠。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理系统的进一步改进：相对应于主索网、金属反射网以及副索网的网面的材料和网孔大小设置有弹性且表面光滑的丝绳。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理系统的进一步改进：所述主索网、金属反射网以及副索网分区后进行环向峰谷线方式折叠；任意相连的网面之间采用至少两根丝绳穿透。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理系统的进一步改进：所述主索网、金属反射网以及副索网均匀的分为六个区，每个区均分别采用环向峰谷线方式折叠。

空间网状反射器网面序列展开管理的方法：将主索网、金属反射网以及副索网以环向峰谷线方式折叠，在折叠后，任意相邻的两个在多层网面之间设置丝绳。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理的方法的改进：所述环向峰谷线方式折叠如下：将主索网、金属反射网以及副索网分为均匀的六个区，每个区均分成四个层，四个层的正中设置中线纵向贯穿四个层；将四个层的第一层和第二层正折，第一层沿着中线反折，第二层沿着中线正折；将四个层的第二层和第三层反折，第三层沿着中线反折；将四个层的第三层和第四层正折，第四层沿着中线正折。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理的方法的进一步改进：在任意相邻的两个区内，第一层与第一层之间反折，第二层与第二层之间正折，第三层与第三层之间反折，第四层与第四层之间正折。

作为对本发明所述的空间网状反射器网面序列展开管理的方法的进一步改进：所述丝绳穿透主索网、金属反射网以及副索网的方式如下：在相同区内：通过丝绳Ⅰ连续穿透第一层和第二层、丝绳Ⅱ连续穿透第二层和第三层、将丝绳Ⅲ连续穿透第三层和第四层；丝绳Ⅷ连续穿透第一层反折后的两个面、丝绳Ⅸ连续穿透第二层1正折后的两个面、丝绳Ⅹ连续穿透第三层反折后的两个面、丝绳Ⅺ连续穿透第四层正折后的两个面；在任意相邻的两个区内：通过丝绳Ⅳ依次穿透这两个区的第一层、通过丝绳Ⅴ依次穿透这两个区的第二层、通过丝绳Ⅵ依次穿透这两个区的第三层、通过丝绳Ⅶ依次穿透这两个区的第四层。

本发明解决了空间环形反射器在太空展开存在的索网与外环桁架缠绕故障隐患，提高了反射器的展开可靠性。与其他方法相比，本方法带来的结构附加质量最小，增加的展开阻力最小，也不影响反射器在轨工作的性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是环形反射器的索网结构示意图；

图2是多层网面沿短纤维两端逐层展开原理图；

图3是网面顺序收拢折叠原理图之一(收拢状态)；

图4网面顺序收拢折叠原理图之二(半展开状态状态)；

图5网面顺序收拢折叠原理图之三(全展开状态状态)；

图6是本发明的分区分层示意图。

具体实施方式

实施例1、图2～图6给出了一种空间网状反射器网面序列展开管理系统及管理方法；本技术采用短丝绳4穿过多层网面的方法，让在太空失重状态下的索及网面可以按照事先折叠的环向峰谷线序列有序展开。

本发明的空间网状反射器网面序列展开管理系统包括提供支撑作用的环型桁架可展开结构、由主索网、副索网和竖向张拉索组成的索网反射器，以及主索网和副索网之间的金属反射网5；主索网、金属反射网5以及副索网通过环向峰谷线方式折叠后形成多层的结构；以六区四层的设置方式为例，该环向峰谷线方式折叠如下：

将主索网、金属反射网5以及副索网均以金属反射网5为例，均匀的分成六个区(如图6所示，形成等边六边形，即分成区Ⅰ10、区Ⅱ20、区Ⅲ30、区Ⅳ40、区Ⅴ50、区Ⅵ60六个区)；再以圆心为中心点，向外均匀的辐射后依次形成四个层：第四层、第三层、第二层和第一层(如图6所示，第四层104、第三层103、第二层102和第一层101)；根据层与层之间的折叠次序，分别在第四层104、第三层103、第二层102和第一层101之间依次设置为正折(阳折)线6、反折(阴折)线7以及正折(阳折)线6(在图6中，以虚线表述为反折线，以实线表述为正折线)；再以圆心为中心点，在每个区设置中线70纵向贯穿四个层(由于等边六边形，所以每个区均可以看为是等边三角形，以圆形为顶点可以直接设置等边三角形的中线70纵向贯穿四个层)；沿着该中线70，在第一层101上设置为反折(阴折)线7、第二层102上设置为正折(阳折)线6、第三层103上设置为反折(阴折)线7、第四层104上设置为正折(阳折)线6。在区Ⅰ10、区Ⅱ20、区Ⅲ30、区Ⅳ40、区Ⅴ50、区Ⅵ60中，区Ⅰ10和区Ⅱ20之间的第四层104、第三层103、第二层102和第一层101之间，以圆心为中心，分别辐射设置为反折(阴折)线7、正折(阳折)线6、反折(阴折)线7、正折(阳折)线6；相对应的，区Ⅱ20和区Ⅲ30之间、区Ⅳ40和区Ⅴ50之间、区Ⅳ40和区Ⅴ50之间、区Ⅴ50和区Ⅵ60之间、区Ⅵ60和区Ⅰ10之间均通过如上的方法设置相应的反折(阴折)线7、正折(阳折)线6、反折(阴折)线7、正折(阳折)线6。

将设置好的金属反射网5沿着反折(阴折)线7或者正折(阳折)线6进行折叠，折叠后，在相同的区内，通过若干的丝绳进行连接，即通过丝绳Ⅰ连续穿透第一层101和第二层102、丝绳Ⅱ连续穿透第二层102和第三层103、将丝绳Ⅲ连续穿透第三层103和第四层104；通过丝绳Ⅷ连续穿透第一层101沿反折(阴折)线7折叠后的两个面、通过丝绳Ⅸ连续穿透第二层102沿正折(阳折)线6折叠后的两个面、通过丝绳Ⅹ连续穿透第三层103沿反折(阴折)线7折叠后的两个面、通过丝绳Ⅺ连续穿透第四层104沿正折(阳折)线6折叠后的两个面；在任意相邻的两个区内，通过丝绳Ⅳ依次穿透这两个区的第一层101、通过丝绳Ⅴ依次穿透这两个区的第二层102、通过丝绳Ⅵ依次穿透这两个区的第三层103、通过丝绳Ⅶ依次穿透这两个区的第四层104。

相对应于主索网、金属反射网5以及副索网的网面的材料和网孔大小，本发明中的丝绳选用有弹性且表面光滑的类型，且每次穿透选用至少两根以上的丝绳。

本发明的原理是通过丝绳与网孔之间存在摩擦力，在太空无重力状态，若没有外力，网面(主索网、金属反射网5或者副索网)将保持折叠时的有序状态。当外环桁架张拉网边缘时，网面从外至内，第一层脱落后，随着环直径的增加，第一层继续展开，只到拉平绷紧后，才能克服摩擦力把第二层拉脱(如图2所示的受力，金属反射网5受到拉力F_n，逐渐展开，而其网面由于短丝绳4的作用，两个相邻的面分别受到了方向相反的两个摩擦力F_i和f_i)。这样就做到了逐层脱落，网张开的长度会随外环直径的增大同步增大，不会出现多层同时脱落的现象，这样就不会在环还没有完全展开时，索网面因过度展开而缠绕在外环的桁架上。

且在本发明的方案中，采用的丝绳对整个反射器增加的质量很小(约在100克)，因此不会影响反射器的结构及力学特性，也不影响反射器发射时的振动响应。丝绳(或采用相同物理性质的纤维替代)本身设置为2到3厘米，而且需要穿插在多层之间，由于网面的阻挡，因此丝绳自身发生缠绕的概率为零。当反射器展开时，由于丝绳与网面摩擦力引起的展开阻力小于100克，这个力相对于反射器几十公斤展开驱动力，是一个非常小的力，几乎不影响展开。的当反射器完全展开时，丝绳要么脱落，要么挂在网面上，由于丝绳的材料为介质材料，而且线径很小，因此对反射器电波的反射性能没有影响，也不会存在无源交调(PIM)问题。

网面和丝绳系统事先按照预先设计的环向峰谷线有序折叠方案收拢，然后在设计好的各个位置将丝绳穿入多层网。其中丝绳的直径主要是根据网面编织网孔的直径大小决定的，一般小于网面的孔径。由于多层网面叠加后的网孔有遮挡，丝绳的直径要略大于多层网面重叠后的平均孔径，这样才能保证展开时网面与丝绳之间存在摩擦力。要求丝绳的表面光滑，以保证丝绳与网面相对运动时两者之间无钩挂，并且要求丝绳的柔软度(弯曲弹性模量)要与网面的柔软度相匹配，这样可以保证发射时当网面层与层之间有少量错动时，丝绳可以随着网面错动，不对丝网的运动产生阻力。总之丝绳的材质及表面光滑状态是根据不同网面材质、表面光滑状态及网面柔软度经过摩擦力测试后，按照摩擦力最小的原则选取的。

短丝绳4的分布位置是根据索网面收拢折叠的几何扇型分区确定的，在1平方米扇形范围内，每8-10层穿一组短丝绳4，每组短丝绳4由10-20个间距3-5厘米的短丝绳4组成，具体数量和间距要根据具体扇区所包含的索网质量确定。局部索网质量大的数量就多一些，间距就小一些；局部索网质量小的，数量就少一些，间距就大一些。每根丝绳穿过的网面层数、位置分布和丝绳长度是根据网面几何面随外环直径增大的变化规律、逐层脱落的最佳时间序列、以及最小附加展开阻力的原则分析后确定的。

本发明解决了空间环形反射器在太空展开存在的索网与外环桁架缠绕故障隐患，提高了反射器的展开可靠性。与其他方法相比，本方法带来的结构附加质量最小，增加的展开阻力最小，也不影响反射器在轨工作的性能。而根据空间环形反射器的大小，设置相应数量的区和层(并非需要六区四层的设置方式，体积越大，数量越多)，并按照环向峰谷线方式折叠后设置丝绳即可。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。