一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法与流程

本发明属于抛物柱面可展天线设计技术领域，具体涉及一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法。

背景技术：

大型星载天线被广泛应用于电子侦察、空间通信、气象监测、导航等领域，正朝着大口径、高精度、轻质量的方向发展。星载抛物柱面天线是各类型星载天线的一种，由于其具有方向性强、增益高、易于光束自动扫描等特点，已成为星载天线新的发展方向之一。鉴于火箭运载空间和能力的限制，可展开性成为现代大口径抛物柱面天线的典型特征之一。抛物柱面天线的优点在于可用较低成本实现较大的接收面积，主要用于射电巡天观测，可以实现对大尺度结构的精确测量和对暗能量的探测。目前，世界上一些发达国家比如美国、日本等已开始将抛物柱面天线应用于降水雷达、通信卫星等多类航天器上。然而，同国外发达国家相比，我国在星载抛物柱面天线技术的研究起步较晚，虽然在该技术领域获得了一些进展，但与世界上一些发达国家相比还存在较大差距。因此，随着太空空间事业的持续发展，鉴于抛物柱面天线大口径、高精度、轻质量的发展趋势，提出一种新型的抛物柱面网状可展开天线设计方法具有重要意义。

抛物柱面可展开天线主要由反射面、支撑结构、可调节装置、展开结构等组成。其中，天线背架结构与索网形态设计是设计抛物柱面网状可展开天线的基础，其往往决定着该星载天线能否正常地实现赋予的天线功能。在抛物柱面天线设计中，天线背架结构与索网形态设计主要满足以下两个要求：一方面，天线背架结构、索网的几何构型以及天线展开的驱动方式应尽量简单、可靠性高；另一方面，轻质量、大口径的背架结构和索网构型在载荷(温度、太阳光压等)作用下，应能满足形面精度、电性能的要求。

模块化设计由于其加工周期短、形面精度易保证、拓展能力强、适用于大口径天线等优点，成为可展天线的研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法，通过该方法可设计一种新型的大口径、高精度、轻质量的抛物柱面网状可展开天线，对实际工程具有一定的指导意义。

本发明的技术方案是：一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法，包括如下步骤：

步骤101：给定抛物柱面天线背架的结构参数，包含天线背架抛物线方向的展开口径c、基线方向的展开长度l、背架高度h、抛物线方向横杆长度lp、基线方向横杆长度lb，三向接头长度h1、五向接头长度h2以及抛物线方向模块拼接上接头长度tup；

步骤102：计算天线背架抛物线方向的模块总数目num_p；

步骤103：计算天线背架基线方向的模块总数目num_b；

其中，int()代表对括号中的计算结果取整；

步骤104：给定天线背架抛物线方向与基线方向肋条数目，确定背架最终构型；

步骤105：根据给定的天线背架结构和索网原理误差的设计要求δ^*，计算索网抛物线方向的分段数num_l，进而确定索网的拓扑关系，得到索网的理想几何构型；

步骤106：在索网理想几何构型不变的条件下，建立节点力平衡方程，并求解该节点力平衡方程得到满足条件的索网预张力分布，实现索网的形态设计；

步骤107：建立索网-背架结构的有限元模型，并对其进行组合找形，使得天线变形后的形面精度满足设计要求。

上述的步骤102，包括如下步骤：

步骤201：给定天线背架所在的抛物线方程z＝ax²,其中，f是天线的焦距；

步骤202：设置天线背架抛物线方向模块编号的初始值i＝1；

步骤203：计算第i个模块的旋转角度θi；

步骤204：计算第i个模块的远端竖杆的上端点坐标与下端点坐标

步骤205：计算第i个模块近端竖杆的下端点坐标与中心竖杆的上端点坐标

步骤206：当模块编号i≥2时，执行步骤207，否则转到步骤208；

步骤207：计算天线背架抛物线方向第i个模块与第i-1个模块的拼接下接头长度

步骤208：计算当前抛物线方向的展开口径ci-1；

步骤209：若抛物线方向的展开口径ci-1＜c，则转到步骤210，否则转到步骤211；

步骤210：更新模块编号i＝i+1；

步骤211：计算抛物线方向模块总数目num_p＝2i-1；

步骤212：输出模块旋转角度以及模块拼接下接头长度。

上述的步骤105，包括如下步骤：

步骤501：给定索网原理误差的设计要求δ*；

步骤502：计算索网抛物线方向索段的最大长度

步骤503：给定索网的口径da，计算索网抛物线方向的分段数num_l；

步骤504：生成上索网抛物线方向的理想几何构型；

步骤505：将上索网看成是由两个口径为da/2的局部上索网构成，分别对两个局部上索网的理想几何构型关于其局部坐标系的x′轴进行反对称，得到下索网的理想几何构型；

步骤506：连接上、下索网对应的索网节点，建立其竖向索，得到一个索网抛物线方向的理想几何子构型；

步骤507：沿着天线的基线方向均匀地生成(2*num_b-1)个索网抛物线方向的理想几何子构型；

步骤508：沿基线方向连接相邻的理想几何子构型，最终生成索网的整体理想几何构型。

上述的步骤107，包括如下步骤：

步骤701：给定索网边界点到天线背架模块拼接上接头的法向距离，从而建立天线背架的小竖杆，实现天线背架与索网的连接；

步骤702：基于有限元分析软件ansys，建立索网和天线背架的有限元模型，得到索网-背架组合结构模型；

步骤703：对索网-背架组合结构模型进行静力学分析，得到索网变形后的上索网节点均方根误差rms和天线背架的最大变形量；

步骤704：采用逆迭代方法，对索网几何构型的上索网节点坐标迭代更新，使得索网-背架组合结构模型进行静力学分析后，上索网节点均方根误差rms满足天线形面精度的设计要求。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法，该方法主要是基于模块化设计思想，通过种类较少的模块组成抛物柱面天线的可展背架，对索网形态进行了分块设计，可有效降低天线的展开高度与抛物柱面天线的面密度，从而得到了天线整体结构的设计方案，具体技术优点如下：

1)能够通过采用种类较少的模块拼接成抛物柱面天线的可展背架；

2)对索网形态进行了分块设计，可有效降低天线的展开高度，进而降低天线的面密度；

3)可实现一种新型的大口径、高精度、轻质量的抛物柱面网状可展开天线的设计。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为基于模块拼接思想的抛物柱面天线的设计方法主流程图；

图2为抛物柱面天线背架展开状态示意图；

图3为构成天线背架的模块种类示意图；

图4为天线背架抛物线方向模块拼接示意图；

图5为天线背架基线方向的模块拼接示意图；

图6为天线的背架基础框架示意图；

图7为天线背架最终方案示意图；

图8为天线背架抛物线方向模块总数目计算流程图；

图9为天线背架抛物线方向模块拼接示意图；

图10为索网抛物线的分段情况；

图11为索网理想几何构型的分块设计示意图；

图12(a)为天线背架边界处的索网抛物线方向理想几何子构型；

图12(b)为天线背架内部索网抛物线方向的理想几何子构型；

图13为抛物柱面天线索网的整体理想几何构型；

图14为索网形态设计时给定的索网边界点示意图；

图15为索网-背架组合结构模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种基于模块化拼接思想的抛物柱面网状可展开天线的设计方法，包括如下步骤：

步骤101：抛物柱面天线背架展开状态如图2所示，给定抛物柱面天线背架的结构参数，整体结构参数包含天线抛物线方向的展开口径c、基线方向的展开长度l、背架高度h。展开基本单元如图3所示，单元结构参数包含横杆长度(抛物线方向单元横杆长度lp、基线方向单元横杆长度lb)、三向接头长度h1、五向接头长度h2以及抛物线方向模块拼接上接头长度tuptup，图2中背架的拼接模块种类如图4所示，其中，①是构成天线背架的最基本模块，②是背架的抛物线方向与基线方向的连接模块，③是背架肋条与基础框架的连接模块，④是抛物线方向肋条与基线方向肋条的连接模块；

步骤102：计算天线背架抛物线方向的模块总数目，天线背架抛物线方向的模块拼接如图5所示，首先计算x轴正半轴的模块数目；

步骤103：计算天线背架基线方向的模块总数目num_b，由于基线方向的模块间没有旋转角度，故可将模块拼接处的竖杆简化为一根竖杆，如图6所示，根据基线方向展开长度可得模块数目为：

步骤104：给定天线桁架抛物线方向与基线方向肋条数目，确定背架最终构型，由步骤102、103确定的天线背架基础框架如图7所示，为了保证天线的刚度，在背架的基础框架上增加给定数目的肋条如图8所示；

步骤105：根据给定的天线背架结构和索网原理误差的设计要求δ^*，计算索网抛物线方向的分段数num_l，进而确定索网的拓扑关系，得到索网的理想几何构型；

步骤106：在索网理想几何构型不变的条件下，建立节点力平衡方程，并通过求解该平衡方程得到满足条件的索网预张力分布，实现索网的形态设计；

步骤107：建立索网-背架结构的有限元模型，并对其进行组合找形，使得天线变形后的形面精度满足设计要求。

如图9所示，图1中所述的步骤102，包括如下步骤：

步骤201：给定背架所在的抛物线方程z＝ax²,f是天线的焦距；

步骤202：设置背架抛物线方向对称中心的模块编号i＝1；

步骤203：计算第i个模块的旋转角度θi；

如图5所示，i＝1时，令θi＝0，当i≥2时，令模块的上端投影与抛物线相切，设切线方程为z＝kx+b，由于该切线通过点故可表示为；

由于抛物线与直线相切，故方程ax²-kx-b＝0有一个解，因此：

k²+4ab＝0(3)

联立上述两式可得：

取k＝max{k1k2}，则旋转角度θi＝arctan(k)。

步骤204：如图10所示，计算第i个模块的远端竖杆的上端点坐标与下端点坐标

当i＝1时，

当i≥2时，

步骤205：计算第i个模块近端竖杆的下端点坐标与中心竖杆的上端点坐标

步骤206：当模块编号i≥2时，执行步骤207，否则转到步骤208；

步骤207：计算天线背架抛物线方向第i个模块与第i-1个模块的拼接下接头长度

步骤208：计算当前抛物线方向的展开口径ci-1；

步骤209：如果抛物线方向的展开口径ci-1＜c，则转到步骤210，否则转到步骤211；

步骤210：更新模块编号i＝i+1；

步骤211：计算抛物线方向模块总数目num_p＝2i-1；

步骤212：输出模块旋转角度以及模块拼接下接头长度；

图1中所述的步骤105，包括如下步骤：

步骤501：给定索网原理误差的设计要求δ^*；

步骤502：计算索网抛物线方向索段的最大长度

步骤503：给定索网的口径da，确定索网抛物线方向的分段数num_l：

其中，索网抛物线方向分段的情况如图10所示，图中的黑点表示索网的分段点；

步骤504：生成上索网抛物线方向的理想几何构型；

步骤505：将上索网看成是由两个口径为da/2的局部上索网构成，如图11所示，以点pa1与点pb的连线作为局部坐标系1的x1′轴，z1′轴垂直于x1′轴，局部坐标系1的原点为点pa1与点pb的连线的中点；对左边局部上索网关于局部坐标系x1′轴作反对称投影，并将其投影沿z1′轴负方向平移δz1的距离，得到下索网的理想几何构型，如图11所示。同理，对右边的局部上索网作相同处理；

步骤506：连接上、下索网对应的索网节点，建立其竖向索，得到一个索网抛物线方向的理想几何子构型；其中，索网抛物线方向的理想几何子构型可分为两类，如图12所示，图12(a)为天线背架边界处的索网抛物线方向理想几何子构型，图12(b)为天线背架内部索网抛物线方向的理想几何子构型；

步骤507：沿着天线的基线方向均匀地生成(2·num_b-1)个索网抛物线方向的理想几何子构型；

步骤508：沿基线方向连接相邻的理想几何子构型，最终生成天线索网的整体理想几何构型，如图13所示；

图1中所述的步骤106，包括如下步骤：

步骤601：在索网理想几何构型不变的条件下，给定几何构型的边界点，如图14所示；

步骤602：建立索网节点的力平衡方程；

步骤603：通过求解该平衡方程得到满足条件的索网预张力分布，进而实现索网的形态设计；

图1中所述的步骤107，包括如下步骤：

步骤701：给定索网边界点到天线背架模块拼接上接头的法向距离，从而建立天线背架的小竖杆，实现天线背架与索网的连接；

步骤702：基于有限元分析软件ansys，建立索网和天线背架的有限元模型，得到索网-背架组合结构模型，如图15所示；

步骤703：对索网-背架组合结构模型进行静力学分析，得到索网变形后的上索网节点均方根误差rms和天线背架的最大变形量；

步骤704：采用逆迭代的思路，对索网几何构型的上索网节点坐标迭代更新，使得索网-背架组合结构模型进行静力学分析后，上索网节点均方根误差rms满足天线形面精度的设计要求。

综上，本发明提出了一种基于模块拼接思想的抛物柱面网状可展天线的设计方法，该方法主要是基于模块化设计思想，采用种类较少的模块拼接成抛物柱面天线的可展背架；并对索网形态进行了分块设计，可有效降低天线的展开高度与抛物柱面天线的面密度。通过该方法可设计一种新型的大口径、高精度、轻质量的抛物柱面网状可展开天线，对实际工程具有一定的指导意义。

本发明的优点包括：1)通过采用种类较少的模块拼接成抛物柱面天线的可展背架；2)对索网形态进行了分块设计，可有效降低天线的展开高度，进而降低天线的面密度；3)可实现一种新型的大口径、高精度、轻质量的抛物柱面网状可展开天线的设计。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。