专利名称：柔性天线结构刚度增强技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高天线柔索支撑结构刚度的技术。
背景技术：
针对世界上最大的305米口径超大型天线的不足，目前我国科学家提出了相应的创新设计方案，采用并联的六根柔索3索引馈源舱1进行大范围的空间运动。这一方案的优点已在相关文献中作了充分的讨论，也得到了国内外同行专家的广泛关注与浓厚兴趣。但是，该方案存在的最大问题是绕馈源舱本身对称轴扭转刚度较低。因此，如何有效提高柔索支撑结构的扭转刚度就成为能否将其付诸工程实施的关键问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景中存在的问题，研究设计一种提高超大型天线柔索支撑结构的扭转刚度。以此为超大型天线柔索支撑结构的工程实现奠定基础。
本发明的技术解决方案由六根柔索3支撑一半球型的馈源舱1，因柔索3只能承受拉力而不能承受压力，理论上无法唯一确定馈源舱1的位置与姿态。虽然馈源舱1本身具有一定的自重，相当于有一向下的力作用在舱上，这样，在六个柔索3张力与重力作用下，当馈源舱1在所限定的工作空间内运动时，还是可以唯一确定馈源舱1位姿的。但该柔索3支撑结构属于欠约束机构，因此绕z轴转动的自由度约束依靠六索牵引显然是不足的，但绕x，y轴的转动自由度约束是充分的，因此可以用九索构型增加绕z轴方向的扭转刚度。
本发明的技术解决方案柔性天线结构刚度增强技术，在柔索塔2分布圆上均匀分布六个柔索塔2，每个柔索塔2下面固定一个过渡变向轮和驱动器，各驱动器的输入端连接柔索3，各柔索3通过各自的过渡变向滑轮和各自的柔索塔2上端的滑轮组共同连接到被控运动目标馈源舱1上，馈源舱1位于反射面4的焦点处，其特征是在馈源舱1圆周外边缘有下拉索6，下拉索6另一端经过反射面4圆周上的滑轮连接吊重5。
本发明的技术解决方案还包括所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱1圆周外边缘均布连接有下拉索6。
所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱1圆周外边缘交叉连接有下拉索6。
所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱1圆周外边缘分散连接有下拉索6。
所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是馈源舱1圆周外边缘连接的下拉索6有三个至六个。
本发明的优点和效果1、与六索结构相比，增加稳定下拉索的九索结构明显提高了系统的刚度，结构的固有频率有了明显的改变。
2、绝大部分系统结构的低频振动能量被三根稳定下拉索及其吊重吸收了，从而使舱的振幅得到了显著的控制。同时，相对较高阶(如20Hz)的舱的振动也得到了明显的抑制。
3、增加稳定索后的创新方案，简单、造价低、易于工程实现，且可满足精度要求。因此，本方案可应用于直径在30至800米范围内，特别是500m以上超大型天线的实际工程中。
4、单就稳定索方案而言，它简单、易于实现，故对其它工程也具有较大的参考价值。
5、对如何增加关于馈源舱自转轴扭转刚度问题进行了较系统的理论分析和实验研究，提出了增加稳定索的方案，物理实验结果验证了该方案的有效性和工程的可行性。
四
图1是具有稳定下拉索的超大型柔索支撑结构示意图，图2是六索与六索加稳定索的Y坐标振动情况，图3是风荷载作用下六索与六索加稳定索的X坐标振动情况，图4是优选配重的舱体扭转刚度实验结果，图5是舱体的三个轴的扭转刚度实验结果。
上述各图的标号说明1——馈源舱1，2——柔索塔，3——柔索，4——反射面，5——吊重，6——下拉索。
五具体实施例方式
参看图1，在柔索塔2分布圆上均匀分布六个柔索塔2，每个柔索塔2下面固定一个过渡变向轮和驱动器，各驱动器的输入工作状态均由控制计算机进行控制，各驱动器的输出是各自控制的柔索3，各柔索3通过各自的过渡变向滑轮和各自的柔索塔2上端的滑轮组共同连接到被控运动目标馈源舱1上。本发明特点是在馈源舱1圆周外边缘均布三个下拉索6，下拉索6另一端经过反射面4圆周上的滑轮连接吊重5。也就是说在原六索3结构中引入三根稳定下拉索6，各稳定下拉索6也均通过各自的过渡变向滑轮共同连接到馈源舱1上，稳定下拉索6的下端悬挂配重-吊重5。悬挂吊重5的质量通过超大型天线柔索支撑结构的力学计算确定，具体重量与系统的参数有关。
从柔索支撑结构的几何分析可知，三根稳定下拉索与馈源舱体的连接方式对提高结构的性能有很大的影响。通过理论分析与物理实验也验证了这一结论。因此，三根稳定下拉索采用交叉分散的方式与舱体连接。
为了增加系统刚度，特别是增加馈源舱1的扭转刚度，提出增加三根下拉索6的措施。若将馈源舱1视为刚体，则馈源舱1有六个自由度。馈源舱1的位置和姿态可用六个量表示舱体坐标系O1X1Y1Z1的原点坐标O′(xo1，yo1，zo1)，Z轴与Z1轴的夹角γ，铅垂面OXZ与铅垂面O1Y1Z1的夹角α，舱体绕自身对称轴Z1的转角θ，如图1所示。
对图1所示结构作试验，设沿X方向作用有平均风速为17m/s的随机风，馈源舱1静止于某一典型点。稳定下拉索7的吊重6均为1.5吨，上、下索3和6横截面积分别为15cm2与2cm2，经过动力分析，可知此时柔索3与舱体1的连接点B4的位移响应最大。在同一风荷样本下，分别得到了六索结构与九索结构的位移时程曲线以及三个吊重5的位移时程曲线，通过分析，得到如下结果(1)沿X，Y及Z三个坐标方向，六索与九索结构B4点位移响应的均值之比|μ6/μ9|分别为243.41，6.87及5.46。
(2)绝大部分系统结构的低频振动能量被三根稳定下拉索6及其吊重5吸收了，从而使舱的振幅得到了显著的控制。同时，相对较高阶(如20Hz)的舱的振动也得到了明显的抑制。
(3)与六索结构相比，增加稳定下拉索6的九索结构明显提高了系统的刚度。结构的固有频率有了明显的改变，下面给出了两种结构前五阶的固有频率对照情况。
表1 结构固有频率(Hz)
物理实验结果及分析上面从理论上与数值试验上说明了增加稳定索对提高系统刚度的作用，本节将通过缩比实验模型的实验来说明其有效性。
参见图1和图2，将舱稳定在位置(0，0，110)cm处，沿舱的切向拉一细绳，在其自由端施加1.5kg的力，而后突然将绳剪断，三台激光全站仪记录下舱体的振动情况。实验时，三根稳定索自由端各加0.3kg的配重，舱的自重为6kg。图2描述了六索(虚线)与六索加稳定索(三角符号线)时馈源舱1中心的Y坐标振动情况，可见，施加稳定索可明显增加系统刚度，振荡时间缩短了近8倍时程、振幅可在4秒内降为6索的1/5。
参见图3，以上实验是静态的，大家可能怀疑其动态是否还有效，为此，下面让舱沿一定轨迹运动时，在旁边加一5kw的鼓风机，以在馈源舱处产生17m/s的风速，看看结果如何？先施加50秒的17m/s的风荷载于舱索，在50秒时将鼓风机电源切断，而激光全站仪从一开始就记录下舱的振动情况，鼓风机关机后，仍然接着记录50秒。图3给出了6索(虚线)与6索加稳定索(星号线)的效果对比情况。显然，动刚度的增加也是非常明显的。
参见图4和图5，图4为关于舱自转轴Z1的扭矩与转角的关系，图4中示出了四条曲线。最右边一条为纯六索情况，从右2至右4分别为当稳定索配重5为0.3kg，0.5kg及0.9kg时的刚度曲线，显然，扭转刚度的增加是明显的。从另一角度看，对六索结构而言，我们并不担心结构关于舱两个水平轴的刚度，认为它们的刚度是足够的，唯一担心的就是关于自转轴Z1的扭转刚度。图5的实验结果已说明增加稳定索可明显增加扭转刚度，而且还可通过改变配重5来改变对扭转刚度增加的程度(图中MZ19,09表示九索时，配重5为0.9kg时，关于Z1轴的力矩)。为进一步说明可通过优选配重来实现馈源舱1绕自转轴的扭转刚度并可达到与其它两轴刚度相同量级这一问题，特将关于舱的三个轴的刚度示于同一图5中。显然，具有0.9kg配重5的加稳定索的扭转刚度与无稳定索的关于舱X1，Y1轴的刚度处于同一量级。如果进一步优选配重，可进一步提高馈源舱的扭转刚度，从而可打消一直以来对这一设计方案扭转刚度不足的疑问。而且，增加稳定索在工程上也易于实现。
同样道理馈源舱1圆周外边缘连接的下拉索6有三个至六个中的任意数字均可，比如四个、五个、六个，试验和上面一样。
权利要求
1.柔性天线结构刚度增强技术，在柔索塔(2)分布圆上均匀分布六个柔索塔(2)，每个柔索塔(2)下面固定一个过渡变向轮和驱动器，各驱动器的输入端连接柔索(3)，各柔索3通过各自的过渡变向滑轮和各自的柔索塔(2)上端的滑轮组共同连接到被控运动目标馈源舱(1)上，馈源舱(1)位于反射面(4)的焦点处，其特征是在馈源舱(1)圆周外边缘有下拉索(6)，下拉索(6)另一端经过反射面(4)圆周上的滑轮连接吊重(5)。
2.根据权利要求1所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱(1)圆周外边缘均布连接有下拉索(6)。
3.根据权利要求1所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱(1)圆周外边缘交叉连接有下拉索(6)。
4.根据权利要求1所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是在馈源舱(1)圆周外边缘分散连接有下拉索(6)。
5.根据权利要求2至4任意一个所述的柔性天线结构刚度增强技术，其特征是馈源舱(1)圆周外边缘连接的下拉索(6)有三个至六个。
全文摘要
本发明涉及提高天线柔索支撑结构刚度的技术。目前采用并联的六根柔索3索引馈源舱1进行大范围的空间运动，该方案存在的最大问题是绕馈源舱本身对称轴扭转刚度较低。本发明的目的是设计一种提高天线柔索支撑结构刚度的技术来增强超大型天线柔索支撑结构的扭转刚度。本发明的技术解决方案在馈源舱1圆周外边缘有三个下拉索6，下拉索6另一端经过反射面4圆周上的滑轮连接吊重5。优点和效果明显提高了系统的刚度，结构的固有频率有了明显的改变。绝大部分系统结构的低频振动能量被三根稳定下拉索及其吊重吸收了。简单、造价低、易于工程实现，且可满足精度要求。可应用于口径在30至800米范围内，特别是口径500m以上超大型天线的实际工程中。
文档编号H01Q1/16GK101060192SQ20071001784
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者段宝岩, 仇原鹰, 訾斌, 杜敬利, 赵泽, 保宏, 盛英 申请人:西安电子科技大学