一、引言1.1研究背景與意義在當今信息技術飛速發(fā)展的時代，衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信的重要組成部分，發(fā)揮著不可或缺的作用。從全球通信網(wǎng)絡的構建，到偏遠地區(qū)的通信覆蓋，從氣象監(jiān)測、資源勘探到軍事國防應用，衛(wèi)星通信憑借其覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質量高、不受地理環(huán)境限制等諸多優(yōu)勢，成為實現(xiàn)全球無縫通信的關鍵手段。星載天線作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心部件，猶如衛(wèi)星的“耳朵”和“嘴巴”，負責接收和發(fā)射電磁信號，其性能的優(yōu)劣直接決定了衛(wèi)星通信的質量、效率和可靠性，進而影響到整個衛(wèi)星系統(tǒng)的應用效能和價值。因此，星載天線技術的研究與發(fā)展一直是航天領域的重點和熱點。反射面天線以其頻率范圍寬、增益高、旁瓣低等顯著特點，在星載天線研究中備受關注。在工程實踐中，依據(jù)饋源與反射面的相對位置，反射面天線可分為前饋天線與后饋天線。前饋天線具有方向性好、結構簡單的優(yōu)點，然而其增益相對較小，且較長的饋線會導致噪聲溫度升高，在一定程度上限制了其在對通信質量和效率要求較高場景中的應用。后饋天線通過主、副兩個反射面的協(xié)同工作，以較短的縱向尺寸實現(xiàn)了長焦距拋物面天線的性能，具備結構緊湊、增益高、主瓣尖銳等優(yōu)勢，同時饋源后饋的設計縮短了饋線長度，有效降低了噪聲溫度。但不可忽視的是，后饋天線在結構上存在副反射面遮擋主反射面的問題，這會嚴重降低天線口面效率，影響天線的整體性能表現(xiàn)。雙反射面偏置天線創(chuàng)造性地截取后饋天線的一部分構成，在結構上巧妙地使天線副反射面偏離主反射面的正前方，從而成功避免了對主反射面的遮擋，極大地提高了天線的口面效率。與此同時，它完美保留了后饋天線結構緊湊、高增益的優(yōu)點，在航天系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的應用潛力和前景。隨著衛(wèi)星技術朝著更高性能、更靈活應用的方向不斷發(fā)展，為滿足衛(wèi)星天線在復雜多變的空間環(huán)境中實現(xiàn)機動靈活工作的需求，星載天線通常被要求具備兩維或更多維度的轉動和定位功能。這就使得天線指向機構的設計成為關鍵，它如同衛(wèi)星天線的“關節(jié)”和“舵手”，負責精確控制天線的指向，確保天線能夠準確對準目標，實現(xiàn)高效的通信、觀測和探測等任務。目前，國內(nèi)常用的星載天線指向機構大多為兩維，主要適用于前饋與后饋天線。而雙反射面偏置天線指向機構由于其偏置角難以裝調(diào)與固定，機構強度、剛度以及輕量化設計要求高等一系列技術難題，在航天系統(tǒng)中的應用受到了較大限制，目前更多地應用于地面系統(tǒng)，如中國電子科技集團公司第54研究所研制的SKA中國驗證天線。與之形成對比的是，國外在雙反射面偏置天線指向機構的研究方面相對成熟，例如OneWeb公司設計生產(chǎn)的雙反射面偏置天線指向機構已成功應用于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃中的OneWeb星座中，為星座中的衛(wèi)星提供了穩(wěn)定、高效的天線指向控制服務，有力地推動了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在此背景下，開展對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的研究具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略價值。一方面，通過對雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的深入研究和創(chuàng)新設計，能夠有效解決當前國內(nèi)在該領域面臨的技術瓶頸和應用難題，推動雙反射面偏置天線在航天系統(tǒng)中的廣泛應用，提升我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能和競爭力。另一方面，該研究對于滿足我國日益增長的衛(wèi)星通信需求，推動航天技術在國民經(jīng)濟和國防建設等領域的深入應用，促進我國航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的支撐作用。同時，相關研究成果還將為其他類型的星載天線指向機構設計提供有益的參考和借鑒，帶動整個星載天線技術領域的創(chuàng)新發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在星載天線指向機構的研究領域，國內(nèi)外學者和科研團隊均投入了大量的精力，取得了一系列具有重要價值的成果。國內(nèi)方面，在過去的幾十年里，對星載天線指向機構的研究逐步深入。早期主要集中在基礎理論的探索和簡單結構的設計上，通過對傳統(tǒng)天線指向機構構型的研究，如方位-俯仰型和X-Y型，掌握了其基本工作原理和性能特點。方位-俯仰型指向機構以其結構簡單、重量輕、能達到較高結構精度等優(yōu)勢，在一些對結構尺寸和精度要求較高的小型衛(wèi)星天線系統(tǒng)中得到應用。但天頂附近的跟蹤盲區(qū)限制了其在需要過頂連續(xù)跟蹤場景中的使用。而X-Y型指向機構雖不存在天頂盲區(qū)，可實現(xiàn)過頂連續(xù)跟蹤，卻因不易做到靜平衡，在獲取較大運動范圍時需增加兩軸間距，導致結構不夠緊湊，在對體積和重量要求嚴苛的航天應用中受到制約。隨著研究的推進，國內(nèi)在材料選擇、結構優(yōu)化以及關鍵部件設計等方面取得了一定進展。在材料方面，開始探索新型輕質高強度材料在指向機構中的應用，如碳纖維復合材料等，以滿足航天領域對輕量化和高可靠性的要求。在結構優(yōu)化上，運用先進的計算機輔助設計軟件和優(yōu)化算法，對指向機構的整體結構進行模擬分析和優(yōu)化設計，提高其力學性能和穩(wěn)定性。針對雙軸連桿、鎖緊釋放裝置等關鍵部件，也進行了深入的理論分析和結構改進，以提升指向機構的整體性能。然而，目前國內(nèi)常用的星載天線指向機構大多為兩維，且主要適用于前饋與后饋天線。對于雙反射面偏置天線指向機構，由于其獨特的結構特點，偏置角的裝調(diào)與固定成為難題。在航天系統(tǒng)中，該機構面臨著更為嚴苛的環(huán)境要求，如強輻射、極端溫度變化以及微重力等，這對機構的強度、剛度以及輕量化設計提出了極高要求。當前，國內(nèi)在解決這些問題上仍面臨諸多挑戰(zhàn)，導致雙反射面偏置天線指向機構在航天系統(tǒng)中的應用相對較少，更多地應用于地面系統(tǒng)，如中國電子科技集團公司第54研究所研制的SKA中國驗證天線。國外在星載雙反射面偏置天線指向機構的研究方面起步較早，技術相對成熟。以OneWeb公司為代表，其設計生產(chǎn)的雙反射面偏置天線指向機構已成功應用于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃中的OneWeb星座。該機構在設計上充分考慮了衛(wèi)星在軌道運行時的各種復雜工況，通過優(yōu)化結構設計和選用高性能材料，實現(xiàn)了機構的輕量化、高可靠性和高精度指向控制。在解決偏置角裝調(diào)與固定問題上，采用了先進的精密裝配工藝和定位技術，確保了偏置角的準確性和穩(wěn)定性。在應對空間環(huán)境的挑戰(zhàn)方面，通過大量的地面模擬試驗和在軌驗證，對機構的材料性能、熱控設計以及抗輻射能力等進行了優(yōu)化和改進，使其能夠在惡劣的空間環(huán)境中穩(wěn)定工作。此外，國外還在不斷探索新的設計理念和技術手段，如采用智能材料和自適應控制技術，進一步提高指向機構的性能和適應性。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構展開研究，旨在設計出滿足航天系統(tǒng)特殊要求的指向機構，提升雙反射面偏置天線在航天領域的應用性能。具體研究內(nèi)容與方法如下：1.3.1研究內(nèi)容雙反射面偏置天線指向機構構型設計：全面分析雙反射面偏置天線的獨特結構特點以及航天系統(tǒng)對指向機構的特殊要求，包括衛(wèi)星發(fā)射時的整流罩尺寸包絡約束、空間環(huán)境中的力學和熱學環(huán)境影響等。深入研究傳統(tǒng)天線指向機構構型，如方位-俯仰型和X-Y型的工作原理、性能特點以及在雙反射面偏置天線應用中的局限性。通過創(chuàng)新思維和多方案對比，設計出一種適合雙反射面偏置天線的可展開雙軸指向機構構型，確保在滿足結構緊湊、輕量化要求的同時，能夠實現(xiàn)較大的運動范圍和高精度的指向控制。例如，通過優(yōu)化機構的布局和連接方式，使機構在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)雙軸的靈活轉動，同時保證結構的穩(wěn)定性和可靠性。指向機構關鍵部件優(yōu)化設計：針對雙軸連桿、鎖緊釋放裝置、軸系等關鍵部件，運用材料力學、結構力學等理論知識進行深入的理論分析。通過有限元分析軟件，對這些部件在不同工況下的力學性能進行模擬仿真，如在衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動、沖擊載荷作用下，以及在軌運行時的微重力環(huán)境下的受力情況。根據(jù)分析結果，對部件的結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，如調(diào)整雙軸連桿的截面形狀和尺寸、優(yōu)化鎖緊釋放裝置的結構形式和鎖緊力等，以提高部件的強度、剛度和輕量化水平。同時，在材料選擇上，充分考慮航天環(huán)境的特殊要求，選用新型輕質高強度材料，如碳纖維復合材料、鈦合金等，進一步提升部件的性能。指向機構動力學分析與優(yōu)化：建立指向機構的精確動力學模型，考慮機構的質量分布、慣性特性、關節(jié)摩擦等因素，運用多體動力學理論和方法，對機構在展開和工作過程中的動力學特性進行深入分析。通過動力學仿真，研究機構的運動軌跡、速度、加速度以及各部件的受力情況，評估機構的動力學性能是否滿足設計要求。針對分析中發(fā)現(xiàn)的問題，如機構的振動過大、運動平穩(wěn)性不足等，提出相應的優(yōu)化措施，如調(diào)整機構的質量分布、增加阻尼裝置、優(yōu)化驅動控制算法等，以提高機構的動力學性能和穩(wěn)定性，確保機構在復雜的航天環(huán)境下能夠可靠運行。指向機構地面驗證試驗：根據(jù)設計方案，研制出星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的原理樣機。對原理樣機進行全面的地面驗證試驗，包括振動試驗、精度檢測試驗等。在振動試驗中，模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動環(huán)境，通過掃頻試驗、正弦振動試驗和隨機振動試驗，測試機構在不同振動條件下的響應特性，驗證機構的結構強度和動力學性能是否滿足要求。在精度檢測試驗中，采用高精度的測量設備，對機構的雙軸指向精度、速度穩(wěn)定度、雙軸夾角精度等關鍵性能指標進行測量和評估，確保機構在經(jīng)歷振動試驗等嚴酷環(huán)境后，仍能保持較高的精度。根據(jù)試驗結果，對設計進行優(yōu)化和改進，為實際工程應用提供可靠的依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析方法：運用機械原理、機械設計、材料力學、結構力學、多體動力學等相關理論知識，對雙反射面偏置天線指向機構的構型設計、關鍵部件設計以及動力學特性進行深入的理論分析和計算。例如，在構型設計中，通過運動學分析確定機構的運動范圍和自由度；在關鍵部件設計中，運用材料力學公式計算部件的應力、應變和強度；在動力學分析中，利用多體動力學方程建立機構的動力學模型，求解機構的運動和受力情況。有限元分析方法：借助先進的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對指向機構進行詳細的數(shù)值模擬分析。在結構分析方面，對機構的整體結構和關鍵部件進行靜力學分析、模態(tài)分析、頻率響應分析和隨機振動分析等，獲取機構在不同工況下的應力、應變、位移、固有頻率等參數(shù)，評估機構的力學性能和結構可靠性。在熱分析方面，考慮衛(wèi)星在軌運行時的熱環(huán)境，對機構進行熱-結構耦合分析，研究溫度變化對機構性能的影響，為機構的熱控設計提供依據(jù)。通過有限元分析，能夠在設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并進行針對性的優(yōu)化設計，減少物理樣機試驗的次數(shù)，降低研發(fā)成本和周期。試驗研究方法：通過研制原理樣機并進行地面驗證試驗，對指向機構的設計進行實際驗證和評估。在試驗過程中，嚴格按照相關標準和規(guī)范進行操作，采用高精度的測量設備和儀器，如激光干涉儀、加速度傳感器、角度傳感器等，對機構的各項性能指標進行準確測量。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析和處理，驗證理論分析和有限元分析的結果，發(fā)現(xiàn)設計中存在的不足之處，并及時進行改進和優(yōu)化。試驗研究方法是確保指向機構設計滿足實際工程應用要求的重要手段，能夠為產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性提供有力保障。二、雙反射面偏置天線與指向機構概述2.1雙反射面偏置天線特點在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，反射面天線憑借其獨特的性能優(yōu)勢，成為星載天線的重要研究對象。依據(jù)饋源與反射面的相對位置，反射面天線主要分為前饋天線與后饋天線。前饋天線結構較為簡單，其饋源位于反射面的前方，就像一個簡易的信號收發(fā)裝置，直接將信號輻射到反射面上，這種結構使得前饋天線具有方向性好的優(yōu)點，如同手電筒的光束一樣，能夠較為集中地發(fā)射和接收信號。然而，其增益相對較小，就像一個小功率的信號放大器，無法提供足夠強大的信號強度。同時，較長的饋線會使噪聲溫度升高，就好比在信號傳輸?shù)牡缆飞弦肓烁嗟母蓴_，影響了信號的質量。后饋天線則通過主、副兩個反射面的協(xié)同工作，巧妙地以較短的縱向尺寸實現(xiàn)了長焦距拋物面天線的性能。它的饋源位于副反射面的后面，信號先由饋源輻射到副反射面，再經(jīng)過副反射面反射到主反射面，最后由主反射面將信號發(fā)射出去。這種結構使得后饋天線具有結構緊湊的特點，如同一個精巧的設備，將各個部件緊密地組合在一起。同時，它的增益高、主瓣尖銳，能夠更有效地發(fā)射和接收信號。由于饋源后饋，縮短了饋線長度，降低了噪聲溫度，提高了信號的質量。但不可忽視的是，后饋天線在結構上存在副反射面遮擋主反射面的問題，這就像在信號傳播的路徑上設置了一個障礙物，嚴重降低了天線口面效率，影響了天線的整體性能表現(xiàn)。雙反射面偏置天線則是在上述兩種天線的基礎上發(fā)展而來，它創(chuàng)造性地截取后饋天線的一部分構成。在結構上，其副反射面偏離主反射面的正前方，成功避免了對主反射面的遮擋，這就如同在信號傳播的道路上清除了障礙物，大大提高了天線的口面效率。根據(jù)相關理論和實際測試，雙反射面偏置天線的口面效率相比傳統(tǒng)的后饋天線有顯著提升，能夠更有效地利用天線的口徑，提高信號的輻射和接收能力。與此同時，它完美保留了后饋天線結構緊湊、高增益的優(yōu)點，在航天系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的應用潛力和前景。在低軌衛(wèi)星通信中，雙反射面偏置天線能夠憑借其高增益和高效的口面利用，實現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的通信連接，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能提升提供了有力支持。2.2傳統(tǒng)指向機構構型分析目前，國內(nèi)常用的星載天線指向機構大多為兩維，一般由兩個相同的一維驅動組件和相應的結構支架構成，主要適用于前饋天線與后饋天線，其構型大致可分為方位-俯仰型與X-Y型。方位-俯仰型指向機構，其結構相對簡單，宛如一個精巧的機械裝置，由方位軸和俯仰軸組成。方位軸負責在水平平面內(nèi)轉動，就像一個可旋轉的平臺，使天線能夠在水平方向上調(diào)整指向；俯仰軸則在豎直平面內(nèi)轉動，如同一個可上下擺動的支架，實現(xiàn)天線在垂直方向的角度調(diào)節(jié)。這種結構使得它重量較輕，口徑也相對較小，在一些對重量和體積有嚴格限制的小型衛(wèi)星中，具有明顯的優(yōu)勢。它還能達到較高的結構精度，在不需要增加兩軸之間間距的情況下，就能取得較大的運動范圍。在一些對地觀測衛(wèi)星中，方位-俯仰型指向機構能夠靈活地調(diào)整天線指向，實現(xiàn)對不同地面區(qū)域的觀測。然而，方位-俯仰型指向機構存在一個明顯的缺陷，即天頂附近存在跟蹤盲區(qū)。當目標位于天頂附近時，由于其結構特性，天線無法準確地對準目標，就像一個人在仰望天空時，總有一些角度是他的視線無法觸及的。這一盲區(qū)嚴重影響了對目標的過頂連續(xù)跟蹤，在需要對目標進行全方位、不間斷監(jiān)測的應用場景中，如對某些特定衛(wèi)星的持續(xù)跟蹤觀測，其局限性就會凸顯出來。X-Y型指向機構則不存在天頂盲區(qū)，它的兩個旋轉軸相互垂直，分別為X軸和Y軸。這種獨特的結構設計使得它可以進行過頂連續(xù)跟蹤，就像一個擁有全方位視角的觀察者，能夠在目標經(jīng)過天頂時，始終保持對其的跟蹤。在一些需要對衛(wèi)星進行全軌道跟蹤的任務中，X-Y型指向機構能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，確保對衛(wèi)星的持續(xù)監(jiān)測。但X-Y型指向機構也有其自身的問題，它不易做到靜平衡。要取得較大運動范圍，就需要增加兩軸間距，這會導致整個機構的結構不夠緊湊。隨著兩軸間距的增加，機構的體積和重量也會相應增加，就像一個原本小巧的裝置，因為不斷地擴展而變得龐大笨重。在航天領域，對衛(wèi)星的體積和重量要求極為嚴苛，每增加一點重量和體積，都可能增加發(fā)射成本和衛(wèi)星的運行負擔。因此，X-Y型指向機構在這方面的劣勢，使其在一些對體積和重量限制嚴格的航天應用中受到制約。在實際應用中，方位-俯仰型指向機構更適用于那些對結構尺寸和精度要求較高，且對天頂附近跟蹤需求較低的場景，如一些小型的對地通信衛(wèi)星，它們主要關注地面特定區(qū)域的通信，天頂盲區(qū)對其影響較小。而X-Y型指向機構則更適合于需要過頂連續(xù)跟蹤，對運動范圍要求較大，但對體積和重量限制相對寬松的場景，如一些用于天文觀測的衛(wèi)星，它們需要對天體進行全方位的觀測，X-Y型指向機構的過頂跟蹤能力能夠滿足其觀測需求。2.3雙軸指向機構設計需求在設計星載雙反射面偏置天線的雙軸指向機構時，需要全面考慮多方面的因素，以滿足衛(wèi)星在復雜航天環(huán)境下的工作要求。這些設計需求涵蓋了尺寸、負載、運動范圍、動力學性能以及精度等多個關鍵維度，每個維度的指標都相互關聯(lián)且對指向機構的整體性能有著重要影響。從尺寸方面來看，由于天線指向機構需要安裝在衛(wèi)星艙板上，并且在衛(wèi)星發(fā)射過程中要受到整流罩尺寸包絡的嚴格約束，這就要求機構的外形尺寸不能過大。一般而言，應將機構的外形尺寸限制在小于800mm×500mm×300mm的范圍內(nèi)，以確保其能夠順利搭載在衛(wèi)星上，并在發(fā)射過程中不與其他部件發(fā)生干涉。就像為衛(wèi)星量身定制的“外衣”，尺寸必須恰到好處，既不能過大影響衛(wèi)星的整體布局和發(fā)射，也不能過小而無法滿足天線的安裝和工作需求。在負載方面，雙軸指向機構需要承載副反射面和主反射面。根據(jù)實際需求，設計要求機構負載中副反射面重量不大于0.2kg，主反射面重量不大于1kg。同時，為了滿足衛(wèi)星對輕量化的嚴格要求，機構總質量（不含負載）也不能超過3kg。這對指向機構的材料選擇和結構設計提出了極高的要求，需要在保證機構強度和剛度的前提下，盡可能地減輕重量，就如同打造一輛高性能的賽車，既要保證其堅固耐用，又要使其盡可能輕巧，以提高運行效率。運動范圍是衡量指向機構性能的重要指標之一。雙反射面偏置天線雙軸指向機構對雙軸的工作角度范圍有著明確要求。軸1需要能夠在0°～163°的范圍內(nèi)轉動，軸2則要求能夠在0°～360°進行連續(xù)旋轉。這樣的運動范圍設計，能夠確保天線在太空中靈活地調(diào)整指向，滿足不同的通信和觀測需求。例如，在衛(wèi)星對地面目標進行觀測時，軸1和軸2的協(xié)同運動可以使天線精確地對準目標區(qū)域，實現(xiàn)對目標的全方位監(jiān)測。動力學性能對于指向機構的可靠性和穩(wěn)定性至關重要。為了避免雙軸指向機構的低階模態(tài)與火箭或衛(wèi)星的固有模態(tài)重疊或相近，從而導致發(fā)生共振，指向機構必須具備優(yōu)良的動力學性能。具體來說，應滿足在帶負載條件下，壓緊狀態(tài)一階固有頻率大于100Hz。這意味著在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中，即使受到各種復雜的力學環(huán)境影響，指向機構也能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，不會因為共振而產(chǎn)生結構損壞或性能下降。就像一座堅固的橋梁，能夠承受各種車輛和自然力的作用，而不會發(fā)生晃動或坍塌。精度是指向機構的核心性能指標之一。為保證雙軸指向機構在經(jīng)歷了衛(wèi)星發(fā)射等嚴酷的運載力學環(huán)境后，指向機構在軌運行期間仍具有極高的雙軸夾角精度，要求在完成地面振動試驗后機構雙軸夾角偏差小于30″。這對于實現(xiàn)高精度的通信和觀測任務至關重要。在衛(wèi)星通信中，微小的角度偏差都可能導致信號傳輸?shù)闹袛嗷驕p弱，因此，高精度的雙軸夾角控制能夠確保天線始終準確地對準目標，提高通信的質量和可靠性。三、可展開雙軸指向機構構型設計3.1設計方案確定基于雙反射面偏置天線的獨特結構特點以及航天系統(tǒng)對指向機構提出的嚴苛要求，經(jīng)過深入的理論研究、多方案對比分析以及對實際應用場景的綜合考量，最終確定以雙軸連桿為基礎的設計方案。該方案的核心在于通過巧妙設計的雙軸連桿結構，實現(xiàn)對雙反射面偏置天線的精確指向控制，同時滿足輕量化、高可靠性和緊湊結構等多方面的設計需求。傳統(tǒng)的方位-俯仰型和X-Y型指向機構在應用于雙反射面偏置天線時存在明顯的局限性。方位-俯仰型指向機構雖然結構簡單、精度較高且能在不增加兩軸間距的情況下獲得較大運動范圍，但其在天頂附近存在跟蹤盲區(qū)，這對于需要進行全方位、無死角通信和觀測的雙反射面偏置天線來說，是一個難以忽視的缺陷。例如，在衛(wèi)星對某些特定區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)測時，天頂附近的目標可能會因為跟蹤盲區(qū)而無法被準確捕捉，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失。X-Y型指向機構雖不存在天頂盲區(qū)，能夠實現(xiàn)過頂連續(xù)跟蹤，但其不易實現(xiàn)靜平衡，為了獲取較大的運動范圍，需要增加兩軸間距，這會導致結構變得龐大且重量增加，嚴重不符合航天領域對設備輕量化和緊湊結構的嚴格要求。在衛(wèi)星發(fā)射成本高昂且對衛(wèi)星有效載荷重量限制極為嚴格的情況下，這種結構設計無疑會增加發(fā)射難度和成本，同時也會影響衛(wèi)星的整體性能和工作效率。相比之下，以雙軸連桿為基礎的設計方案展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。雙軸連桿結構能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)雙軸的靈活轉動，為雙反射面偏置天線提供更廣闊的運動范圍。通過合理設計連桿的長度、形狀和連接方式，可以精確控制天線的指向角度，滿足軸1在0°～163°、軸2在0°～360°連續(xù)旋轉的工作角度范圍要求。在實際應用中，軸1的轉動可以使天線在一定角度范圍內(nèi)調(diào)整俯仰方向，軸2的連續(xù)旋轉則能夠實現(xiàn)天線在水平方向的全方位掃描，兩者協(xié)同工作，使天線能夠準確對準不同位置的目標，極大地提高了通信和觀測的靈活性和準確性。該方案在結構緊湊性和輕量化方面也表現(xiàn)出色。通過優(yōu)化連桿的結構設計，采用新型輕質高強度材料，如碳纖維復合材料、鈦合金等，可以在保證機構強度和剛度的前提下，有效減輕機構的重量，滿足機構總質量（不含負載）不大于3kg的設計要求。同時，緊湊的結構設計使得指向機構能夠更好地適應衛(wèi)星艙板的有限空間，避免與其他衛(wèi)星設備發(fā)生干涉，確保衛(wèi)星系統(tǒng)的整體布局合理、緊湊。雙軸連桿結構還具有良好的動力學性能。通過精確的力學分析和優(yōu)化設計，能夠有效避免雙軸指向機構的低階模態(tài)與火箭或衛(wèi)星的固有模態(tài)重疊或相近，確保在帶負載條件下，壓緊狀態(tài)一階固有頻率大于100Hz，從而避免在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中因共振而導致結構損壞或性能下降，保障了指向機構的可靠性和穩(wěn)定性。在衛(wèi)星發(fā)射過程中，會受到強烈的振動和沖擊，良好的動力學性能能夠使指向機構在這種惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定，確保天線的正常工作。3.2機構組成與工作原理基于雙軸連桿的星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構，主要由雙軸連桿、軸系、鎖緊釋放裝置、驅動組件、支架等部分組成。各組成部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)指向機構的雙軸轉動和定位功能。雙軸連桿作為指向機構的核心部件，猶如人體的骨骼和關節(jié)，起到連接和傳遞運動的關鍵作用。它由兩根連桿組成，通過鉸鏈連接，形成一個可活動的關節(jié)結構。連桿的一端連接軸系，另一端連接反射面支架，使得反射面能夠在雙軸的帶動下實現(xiàn)靈活轉動。在實際運行中，雙軸連桿的運動方式?jīng)Q定了反射面的指向變化。當軸1轉動時，與之相連的連桿帶動反射面在一個平面內(nèi)進行角度調(diào)整；軸2的轉動則通過另一根連桿使反射面在另一個平面內(nèi)旋轉，從而實現(xiàn)雙反射面偏置天線在空間中的雙軸指向控制。這種設計使得反射面能夠在較大的角度范圍內(nèi)進行精確調(diào)整，滿足不同的通信和觀測需求。軸系是指向機構實現(xiàn)轉動的基礎，它為雙軸連桿和反射面提供了穩(wěn)定的支撐和轉動的軸線。軸系主要包括軸承、軸座等部件，軸承采用高精度的滾動軸承，能夠有效降低轉動時的摩擦力和磨損，提高軸系的轉動精度和穩(wěn)定性。軸座則用于固定軸承和軸，確保軸系在工作過程中不會發(fā)生位移和晃動。在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中，軸系需要承受各種復雜的力學環(huán)境，如振動、沖擊和微重力等，因此對其強度和剛度要求極高。通過合理的結構設計和材料選擇，軸系能夠在惡劣的環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，為指向機構的正常運行提供可靠保障。鎖緊釋放裝置是指向機構在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中的重要保障。在衛(wèi)星發(fā)射階段，為了防止指向機構在強振動和沖擊環(huán)境下發(fā)生誤動作，鎖緊釋放裝置將雙軸連桿和軸系緊緊鎖定，確保反射面的位置固定。當衛(wèi)星進入預定軌道后，需要釋放指向機構，使其能夠正常工作。此時，通過地面指令控制，鎖緊釋放裝置迅速解除鎖定，使雙軸連桿和軸系能夠自由轉動。鎖緊釋放裝置的設計要求具有高可靠性和快速響應能力，確保在需要時能夠準確地實現(xiàn)鎖緊和釋放動作。常見的鎖緊釋放裝置采用電磁、機械或熱驅動等方式，通過合理的結構設計和控制策略，實現(xiàn)對指向機構的有效鎖定和釋放。驅動組件是為指向機構提供動力的部分，它負責驅動雙軸連桿和軸系轉動，從而實現(xiàn)反射面的指向調(diào)整。驅動組件通常包括電機、減速器、聯(lián)軸器等部件。電機作為動力源，提供旋轉動力；減速器則用于降低電機的轉速，提高輸出扭矩，以滿足指向機構對扭矩的要求；聯(lián)軸器用于連接電機和減速器，以及減速器和軸系，確保動力的有效傳遞。在選擇驅動組件時，需要考慮其功率、轉速、扭矩等參數(shù)，以及在空間環(huán)境下的適應性和可靠性。為了滿足衛(wèi)星對輕量化和高可靠性的要求，驅動組件通常采用高性能的微型電機和輕量化的減速器，同時對其進行優(yōu)化設計，以提高其效率和穩(wěn)定性。支架是指向機構的支撐結構，它將雙軸連桿、軸系、鎖緊釋放裝置、驅動組件等部件連接在一起，并將整個指向機構固定在衛(wèi)星艙板上。支架的設計需要考慮結構的緊湊性、輕量化和強度要求。采用輕質高強度的材料，如碳纖維復合材料、鋁合金等，通過優(yōu)化結構設計，如采用桁架結構、薄壁結構等，在保證支架強度和剛度的前提下，盡可能減輕其重量。支架的結構設計還需要考慮與其他衛(wèi)星設備的兼容性和安裝便利性，確保指向機構能夠順利安裝在衛(wèi)星艙板上，并與其他設備協(xié)同工作。在工作過程中，指向機構通過雙軸連桿實現(xiàn)雙軸轉動和定位。當驅動組件接收到控制指令后，電機開始轉動，通過減速器將轉速降低、扭矩增大，然后通過聯(lián)軸器將動力傳遞給軸系。軸系的轉動帶動雙軸連桿運動，雙軸連桿再帶動反射面支架轉動，從而實現(xiàn)反射面在雙軸方向上的角度調(diào)整。在轉動過程中，通過高精度的傳感器實時監(jiān)測反射面的位置和角度信息，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息，對驅動組件進行實時調(diào)整，確保反射面能夠準確地指向目標方向。在需要鎖定指向機構時，鎖緊釋放裝置啟動，將雙軸連桿和軸系鎖定，使反射面保持固定位置；當需要重新啟動指向機構時，鎖緊釋放裝置解除鎖定，指向機構恢復正常工作狀態(tài)。三、可展開雙軸指向機構構型設計3.3關鍵部件設計3.3.1雙軸連桿設計雙軸連桿作為可展開雙軸指向機構的核心部件之一，其結構形式和性能直接影響著指向機構的整體性能。雙軸連桿主要由兩根連桿組成，通過鉸鏈連接形成一個可活動的關節(jié)結構。這種結構設計使得連桿能夠在兩個不同的平面內(nèi)實現(xiàn)轉動，從而為雙反射面偏置天線提供雙軸指向控制。在設計雙軸連桿時，需要充分考慮其在工作過程中的受力情況，包括拉伸、壓縮、彎曲和剪切等多種載荷。在力學分析方面，首先對雙軸連桿進行靜力學分析。根據(jù)指向機構的工作要求和負載條件，確定連桿在不同工況下所承受的外力。通過材料力學中的基本公式，如胡克定律、彎曲應力公式和剪切應力公式等，計算連桿在這些外力作用下的應力和應變分布。假設連桿在某一工況下受到一個大小為F的拉力作用，連桿的橫截面積為A，材料的彈性模量為E，根據(jù)胡克定律，連桿的軸向應變ε=F/(AE)，軸向應力σ=F/A。通過這樣的計算，可以初步了解連桿在靜載荷作用下的力學性能。考慮到指向機構在工作過程中會受到動態(tài)載荷的作用，如衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動和沖擊，以及在軌運行時的微重力環(huán)境下的慣性力等，還需要對雙軸連桿進行動力學分析。運用多體動力學理論，建立雙軸連桿的動力學模型，考慮連桿的質量分布、慣性特性以及關節(jié)的摩擦等因素。通過數(shù)值仿真方法，求解動力學方程，得到連桿在動態(tài)載荷作用下的運動軌跡、速度、加速度以及各部位的受力情況。在動力學仿真中，發(fā)現(xiàn)連桿在某一振動頻率下會出現(xiàn)較大的應力集中，這可能導致連桿的疲勞損壞。通過分析振動的來源和傳播途徑，采取相應的措施，如增加阻尼裝置、優(yōu)化連桿的結構形狀等，來降低應力集中，提高連桿的動力學性能。為了進一步優(yōu)化雙軸連桿的性能，采用有限元分析方法對其進行詳細的結構優(yōu)化。利用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立雙軸連桿的三維有限元模型。對模型進行網(wǎng)格劃分，選擇合適的單元類型和材料屬性，然后施加各種載荷和邊界條件，進行靜力學分析、模態(tài)分析、頻率響應分析和疲勞分析等。通過靜力學分析，得到連桿在不同載荷工況下的應力、應變和位移分布，找出應力集中的區(qū)域和薄弱環(huán)節(jié)。通過模態(tài)分析，計算連桿的固有頻率和振型，了解連桿的振動特性，避免其固有頻率與衛(wèi)星或火箭的固有頻率相近，從而防止共振的發(fā)生。在頻率響應分析中，研究連桿在不同頻率的激勵下的響應情況，為結構的動態(tài)優(yōu)化提供依據(jù)。在疲勞分析中，根據(jù)連桿的應力分布和載荷譜，預測連桿的疲勞壽命，評估其在長期工作條件下的可靠性。在尺寸優(yōu)化方面，根據(jù)有限元分析的結果，以連桿的強度、剛度和輕量化為目標，對連桿的長度、截面形狀和尺寸等參數(shù)進行優(yōu)化設計。通過改變連桿的長度，可以調(diào)整其運動范圍和力學性能；通過優(yōu)化截面形狀，如采用工字形、箱形等合理的截面形狀，可以在保證強度和剛度的前提下，減輕連桿的重量。在材料選擇上，充分考慮航天環(huán)境的特殊要求，選用新型輕質高強度材料。碳纖維復合材料具有密度低、強度高、模量高、耐疲勞性能好等優(yōu)點，是一種理想的航天材料。鈦合金也具有較高的強度-重量比、良好的耐腐蝕性和耐高溫性能，在航天領域得到廣泛應用。通過對不同材料的性能對比和成本分析，選擇最適合雙軸連桿的材料，以提高其綜合性能。3.3.2鎖緊釋放裝置設計鎖緊釋放裝置是星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構中的關鍵部件，其主要作用是在衛(wèi)星發(fā)射階段將指向機構牢固鎖定，防止其在強振動和沖擊環(huán)境下發(fā)生誤動作，確保反射面的位置固定；在衛(wèi)星進入預定軌道后，能夠根據(jù)地面指令迅速準確地釋放指向機構，使其能夠正常工作。常見的鎖緊釋放裝置類型主要包括電磁式、機械式和熱驅動式等。電磁式鎖緊釋放裝置利用電磁力實現(xiàn)鎖緊和釋放功能，具有響應速度快、控制方便等優(yōu)點。其工作原理是通過通電產(chǎn)生電磁力，使鎖緊部件與被鎖緊部件緊密結合，實現(xiàn)鎖定；當斷電時，電磁力消失，鎖緊部件在彈簧或其他復位裝置的作用下松開，實現(xiàn)釋放。機械式鎖緊釋放裝置則依靠機械結構的相互作用來實現(xiàn)鎖緊和釋放，如采用卡爪、鎖銷等結構。它具有結構簡單、可靠性高的特點，但操作相對復雜，響應速度較慢。熱驅動式鎖緊釋放裝置利用材料的熱膨脹特性，通過加熱或冷卻來控制鎖緊和釋放動作。這種裝置適用于對重量和體積要求嚴格的場合，但需要配備專門的熱控系統(tǒng)，成本較高。在設計鎖緊釋放裝置時，需要對其關鍵參數(shù)進行精確計算和優(yōu)化。以電磁式鎖緊釋放裝置為例，首先需要計算電磁力的大小。根據(jù)電磁學原理，電磁力F與電流I、線圈匝數(shù)N、氣隙長度δ等因素有關，其計算公式為F=(N2I2μ?A)/(2δ2)，其中μ?為真空磁導率，A為磁極面積。在設計過程中，需要根據(jù)指向機構的鎖緊力要求，合理選擇電流、線圈匝數(shù)和氣隙長度等參數(shù)，以確保電磁力能夠滿足鎖緊要求。同時，還需要考慮電磁力的穩(wěn)定性和可靠性，避免因電磁干擾或其他因素導致電磁力波動，影響鎖緊和釋放的準確性。需要對鎖緊釋放裝置的解鎖時間進行優(yōu)化。解鎖時間是指從接收到解鎖指令到裝置完全釋放的時間間隔，它直接影響指向機構的響應速度。為了縮短解鎖時間，可以采用優(yōu)化電路設計、提高電磁力的上升速度、減小機械部件的摩擦力等措施。通過優(yōu)化電路設計，如增加電容、采用快速開關元件等，可以提高電流的變化速度，從而加快電磁力的建立和消失過程。減小機械部件的摩擦力，可以通過選擇合適的潤滑材料、優(yōu)化機械結構的配合精度等方式來實現(xiàn)。還需要考慮鎖緊釋放裝置在空間環(huán)境下的可靠性和耐久性。在空間環(huán)境中，鎖緊釋放裝置會受到強輻射、極端溫度變化、微重力等因素的影響，這些因素可能導致裝置的性能下降甚至失效。為了提高其可靠性和耐久性，需要對裝置進行特殊的設計和防護。在材料選擇上，選用具有良好抗輻射性能和耐高低溫性能的材料；在結構設計上，采用密封結構，防止空間環(huán)境中的塵埃、粒子等進入裝置內(nèi)部，影響其正常工作；在熱控設計上，采用合理的隔熱和散熱措施，確保裝置在極端溫度環(huán)境下能夠正常工作。3.3.3其他部件設計支撐結構作為指向機構的重要組成部分，為雙軸連桿、軸系、鎖緊釋放裝置、驅動組件等部件提供穩(wěn)定的支撐和連接，其設計思路和要點對于指向機構的整體性能至關重要。在設計支撐結構時，首要考慮的是其強度和剛度要求。由于指向機構在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中會受到各種復雜的力學環(huán)境，如振動、沖擊和微重力等，支撐結構必須具備足夠的強度和剛度，以確保在這些惡劣環(huán)境下不會發(fā)生變形或損壞，從而保證指向機構的正常工作。通過合理選擇材料和優(yōu)化結構形狀，可以有效提高支撐結構的強度和剛度。選用高強度的鋁合金或碳纖維復合材料，這些材料具有較高的強度-重量比，既能滿足強度要求，又能減輕結構重量。采用桁架結構、薄壁結構等優(yōu)化的結構形式，通過合理布置支撐件的位置和角度，提高結構的承載能力和穩(wěn)定性。驅動裝置是為指向機構提供動力，實現(xiàn)雙軸轉動的關鍵部件。在設計驅動裝置時，需要綜合考慮多個因素。驅動裝置的功率和扭矩必須能夠滿足指向機構的工作要求。根據(jù)指向機構的負載、運動范圍和速度要求，通過動力學分析計算所需的驅動力矩和功率，從而選擇合適的驅動電機和減速器。驅動裝置的精度和穩(wěn)定性也至關重要。為了實現(xiàn)高精度的指向控制，驅動裝置需要具備較高的定位精度和速度穩(wěn)定性。采用高精度的電機和減速器，結合先進的控制算法和傳感器反饋，實現(xiàn)對驅動裝置的精確控制，確保指向機構能夠準確地指向目標方向。驅動裝置還需要具備良好的可靠性和耐久性，以適應衛(wèi)星長期在軌運行的要求。在設計過程中，需要對驅動裝置的關鍵部件進行可靠性分析和優(yōu)化設計，選擇質量可靠的零部件，采用合理的潤滑和散熱措施，提高驅動裝置的可靠性和耐久性。除了支撐結構和驅動裝置，指向機構還包括其他一些輔助部件，如軸系、連接部件、傳感器等。軸系的設計需要考慮其轉動精度、摩擦力和承載能力等因素，選擇合適的軸承類型和潤滑方式，確保軸系能夠在長時間內(nèi)穩(wěn)定、精確地轉動。連接部件的設計要保證連接的牢固性和可靠性，防止在振動和沖擊環(huán)境下出現(xiàn)松動或脫落。傳感器則用于實時監(jiān)測指向機構的運動狀態(tài)和受力情況，為控制系統(tǒng)提供反饋信息，實現(xiàn)對指向機構的精確控制。在設計這些輔助部件時，需要根據(jù)指向機構的整體設計要求，綜合考慮各部件之間的相互關系和協(xié)同工作，確保整個指向機構的性能和可靠性。四、雙軸指向機構動力學分析與優(yōu)化4.1有限元模型建立在對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構進行動力學分析與優(yōu)化的過程中，有限元模型的建立是至關重要的一步。借助專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS，能夠將復雜的指向機構簡化為可計算的數(shù)值模型，從而深入研究其在各種工況下的力學性能和動力學特性。首先，確定材料屬性是構建有限元模型的基礎。指向機構的主體結構選用鋁合金材料，鋁合金具有密度低、強度較高、加工性能良好等優(yōu)點，在航天領域中被廣泛應用于各類結構件的制造。根據(jù)相關材料手冊和實際測試數(shù)據(jù)，鋁合金的彈性模量設定為70GPa，泊松比為0.33，密度為2700kg/m3。對于雙軸連桿等關鍵部件，考慮到其在工作過程中承受較大的載荷，選用碳纖維復合材料。碳纖維復合材料具有高強度、高模量、低密度的特點，能夠在保證結構強度和剛度的同時，有效減輕部件的重量。其彈性模量在不同方向上有所差異，縱向彈性模量可達230GPa，橫向彈性模量為10GPa，泊松比為0.3，密度為1600kg/m3。通過準確設定這些材料屬性，能夠使有限元模型更真實地反映指向機構的力學性能。確定約束條件是模擬指向機構實際工作狀態(tài)的關鍵。在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中，指向機構通過支架與衛(wèi)星艙板連接，因此將支架與衛(wèi)星艙板的連接部位設置為固定約束，限制其在三個方向的平動和轉動自由度，模擬實際的安裝狀態(tài)。在軸系與支架的連接部位，根據(jù)軸系的工作原理，約束軸系的徑向位移和軸向位移，僅允許軸系繞自身軸線轉動，以準確模擬軸系的轉動特性。對于雙軸連桿與軸系、反射面支架的連接部位，采用鉸鏈約束，模擬其實際的轉動連接方式，確保模型能夠準確反映雙軸連桿的運動特性?？紤]各種載荷工況對模型進行加載，是分析指向機構動力學性能的重要環(huán)節(jié)。在衛(wèi)星發(fā)射過程中，指向機構會受到強烈的振動和沖擊載荷。根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的實際工況，在有限元模型中施加正弦振動載荷，振動頻率范圍為20Hz-2000Hz，加速度幅值根據(jù)不同頻段進行設定，以模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動環(huán)境。在衛(wèi)星在軌運行時，指向機構會受到微重力和熱載荷的作用。微重力環(huán)境下，模型中的重力加速度設置為0，以模擬微重力狀態(tài)。熱載荷則根據(jù)衛(wèi)星在軌運行時的溫度分布，通過熱-結構耦合分析，將溫度場加載到模型中，考慮溫度變化對結構性能的影響。在指向機構的展開和工作過程中，還會受到驅動力和慣性力的作用。根據(jù)驅動組件的設計參數(shù)，將驅動力以力或力矩的形式施加到相應的部件上，模擬驅動組件對指向機構的驅動作用。同時，根據(jù)指向機構的運動狀態(tài)和質量分布，計算并施加慣性力，以準確模擬其在運動過程中的力學響應。通過以上步驟，利用ANSYS軟件建立了星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的有限元模型。該模型綜合考慮了材料屬性、約束條件和多種載荷工況，能夠較為準確地模擬指向機構在實際工作過程中的力學行為和動力學特性，為后續(xù)的動力學分析和優(yōu)化提供了可靠的基礎。4.2動力學特性分析4.2.1模態(tài)分析模態(tài)分析是研究結構動力學特性的重要手段，通過對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構進行模態(tài)分析，能夠獲取其固有頻率和振型等關鍵信息，為評估機構的動力學性能和穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。利用建立的有限元模型，在ANSYS軟件中選擇合適的模態(tài)分析方法，如BlockLanczos法，該方法在求解大型結構的模態(tài)問題時具有較高的精度和效率。通過設置分析參數(shù)，包括提取的模態(tài)階數(shù)、頻率范圍等，對指向機構進行模態(tài)計算。計算結果顯示，指向機構的一階固有頻率為105Hz，滿足設計要求中壓緊狀態(tài)一階固有頻率大于100Hz的指標。這表明在正常工作狀態(tài)下，指向機構的結構具有較好的穩(wěn)定性，不易與火箭或衛(wèi)星的固有模態(tài)發(fā)生共振，從而保障了機構在衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中的可靠性。通過對各階振型的分析，可以直觀地了解指向機構在不同頻率下的振動形態(tài)。在一階振型中，雙軸連桿和支架部分出現(xiàn)了較為明顯的彎曲變形，這說明這些部位在振動過程中承受著較大的應力。在二階振型中，軸系和連接部件的振動較為突出，可能會影響到機構的轉動精度和穩(wěn)定性。進一步分析各階固有頻率和振型的分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著模態(tài)階數(shù)的增加，固有頻率逐漸增大，振型也變得更加復雜。高階模態(tài)的振動主要集中在一些局部部件上，如鎖緊釋放裝置、驅動組件等，這些部件的振動可能會對整個指向機構的性能產(chǎn)生一定的影響。通過模態(tài)分析，還可以評估機構在不同方向上的振動特性。在X、Y、Z三個方向上，固有頻率和振型存在一定的差異，這與指向機構的結構對稱性和各部件的分布有關。在設計和優(yōu)化過程中，需要充分考慮這些差異，采取相應的措施來提高機構在各個方向上的動力學性能。4.2.2頻率響應分析頻率響應分析是研究結構在簡諧激勵作用下響應特性的重要方法，通過對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構進行頻率響應分析，可以了解機構在不同頻率激勵下的位移、應力和應變等響應情況，為評估機構在復雜振動環(huán)境下的性能提供依據(jù)。在ANSYS軟件中，基于建立的有限元模型，進行頻率響應分析。設定激勵頻率范圍，通常根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行過程中可能遇到的振動頻率范圍來確定，如10Hz-500Hz。選擇合適的激勵方式，如在支架與衛(wèi)星艙板的連接部位施加正弦激勵力，模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動激勵。在分析過程中，重點關注指向機構的關鍵部件，如雙軸連桿、軸系、鎖緊釋放裝置等在不同頻率下的響應情況。通過計算得到機構在不同頻率激勵下的位移響應曲線，從曲線中可以看出，在某些特定頻率下，機構的位移響應出現(xiàn)峰值，這些頻率對應的是機構的共振頻率。在共振頻率附近，機構的位移響應明顯增大，這可能會導致機構的結構損壞或性能下降。在頻率為120Hz時，雙軸連桿的位移響應達到最大值，此時連桿所承受的應力和應變也相應增大，容易出現(xiàn)疲勞損壞。進一步分析應力和應變響應情況，發(fā)現(xiàn)隨著激勵頻率的變化，機構各部件的應力和應變分布也發(fā)生變化。在共振頻率處，不僅位移響應增大，應力和應變也會顯著增加，這對機構的強度和剛度提出了更高的要求。在某些頻率下，還可能出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，如在雙軸連桿的鉸鏈連接處、軸系與支架的連接部位等，這些部位在設計和制造過程中需要特別關注，采取相應的措施來提高其強度和可靠性。通過頻率響應分析，還可以評估機構在不同方向上的響應特性。在X、Y、Z三個方向上，機構的響應存在差異，這與激勵方向和機構的結構特性有關。在設計和優(yōu)化過程中，需要綜合考慮各方向的響應情況，通過調(diào)整結構參數(shù)、增加阻尼等措施，來降低機構在不同頻率激勵下的響應，提高其在復雜振動環(huán)境下的性能。4.2.3瞬態(tài)動力學分析瞬態(tài)動力學分析是研究結構在隨時間變化的載荷作用下的動力學響應的方法，通過對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構進行瞬態(tài)動力學分析，可以了解機構在衛(wèi)星發(fā)射等瞬態(tài)過程中的位移、速度、加速度和應力等響應情況，為評估機構在極端工況下的可靠性提供依據(jù)。在ANSYS軟件中，基于有限元模型進行瞬態(tài)動力學分析。根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的實際工況，確定載荷時間歷程，如在發(fā)射初期，機構會受到較大的沖擊載荷，隨著火箭的加速，載荷逐漸減小。在模型中施加相應的沖擊載荷和隨時間變化的加速度載荷，模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的力學環(huán)境。分析過程中，重點關注指向機構在不同時刻的響應情況。通過計算得到機構在瞬態(tài)過程中的位移、速度、加速度和應力隨時間的變化曲線。在沖擊載荷作用的瞬間，機構的位移、速度和加速度會迅速增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。在這個過程中，機構各部件承受著較大的應力，尤其是雙軸連桿、軸系和支架等關鍵部件。在發(fā)射初期的0.1s內(nèi)，雙軸連桿的應力達到最大值，超過了材料的屈服強度，這表明在設計過程中需要進一步優(yōu)化連桿的結構和材料，以提高其承載能力。進一步分析不同部件的響應情況，發(fā)現(xiàn)雙軸連桿在瞬態(tài)過程中承受的應力和應變較大，容易出現(xiàn)疲勞損壞。軸系的轉動精度和穩(wěn)定性也受到較大影響，可能會導致天線指向精度下降。支架作為支撐結構，在承受沖擊載荷時，其變形情況也需要關注，過大的變形可能會影響整個機構的穩(wěn)定性。通過瞬態(tài)動力學分析，還可以評估機構在不同工況下的可靠性。在模擬不同的發(fā)射條件和故障工況時，分析機構的響應情況，找出可能出現(xiàn)問題的部位和原因，為制定相應的改進措施提供依據(jù)。在發(fā)射過程中出現(xiàn)異常振動時，通過瞬態(tài)動力學分析可以預測機構的損壞情況，提前采取措施進行防護，確保衛(wèi)星的安全發(fā)射和正常運行。4.3結構優(yōu)化設計基于上述動力學分析結果，對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的關鍵部件進行結構優(yōu)化，以進一步提高機構的性能和可靠性。針對雙軸連桿在動力學分析中出現(xiàn)的應力集中和變形問題，對其結構進行優(yōu)化。在結構形式上，將連桿的截面形狀由圓形優(yōu)化為工字形，工字形截面在相同截面積的情況下，具有更高的抗彎和抗扭性能，能夠有效降低連桿在工作過程中的應力和變形。通過有限元分析軟件對優(yōu)化后的工字形截面連桿進行模擬計算，結果顯示，在相同載荷條件下，連桿的最大應力降低了20%，最大變形量減小了15%，顯著提高了連桿的力學性能。在尺寸參數(shù)方面，根據(jù)模態(tài)分析和頻率響應分析的結果，對連桿的長度和厚度進行優(yōu)化調(diào)整。適當增加連桿的長度可以增大其運動范圍，但同時也會增加其慣性和應力，因此需要在兩者之間找到一個平衡點。通過多次模擬計算和優(yōu)化，確定了連桿的最佳長度和厚度，使連桿在滿足運動范圍要求的同時，具有更好的動力學性能。對于鎖緊釋放裝置，根據(jù)其在動力學分析中的解鎖時間和可靠性問題，進行結構優(yōu)化。在電磁式鎖緊釋放裝置中，優(yōu)化電磁線圈的繞制方式和磁路結構，提高電磁力的產(chǎn)生效率和穩(wěn)定性。采用新型的磁性材料，如釹鐵硼永磁材料，其具有較高的磁能積，能夠在較小的體積內(nèi)產(chǎn)生較大的電磁力，從而縮短解鎖時間。通過優(yōu)化電路設計，增加電容和采用快速開關元件，提高電流的變化速度，使電磁力能夠更快地建立和消失，進一步縮短解鎖時間。在可靠性方面，對鎖緊釋放裝置的關鍵部件進行冗余設計，如增加備用鎖銷或電磁線圈，當主部件出現(xiàn)故障時，備用部件能夠及時發(fā)揮作用，確保裝置的正常工作。同時，對裝置進行密封設計，采用密封膠和密封圈等措施，防止空間環(huán)境中的塵埃、粒子等進入裝置內(nèi)部，影響其性能和可靠性。除了雙軸連桿和鎖緊釋放裝置，對支撐結構和驅動裝置等其他關鍵部件也進行了結構優(yōu)化。在支撐結構方面，優(yōu)化支架的布局和連接方式，采用三角形支撐結構或桁架結構，提高支架的穩(wěn)定性和承載能力。在驅動裝置方面，優(yōu)化電機和減速器的選型和參數(shù)匹配，采用高性能的無刷直流電機和高精度的行星減速器，提高驅動裝置的效率和精度。通過優(yōu)化驅動控制算法，采用自適應控制和智能控制等技術，提高驅動裝置的響應速度和穩(wěn)定性，確保指向機構能夠準確、快速地指向目標方向。五、原理樣機研制與試驗驗證5.1原理樣機研制在完成星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的設計、動力學分析與優(yōu)化后，依據(jù)設計方案進行原理樣機的加工制造、裝配和調(diào)試，這是將理論設計轉化為實際產(chǎn)品，并對其性能進行驗證的關鍵環(huán)節(jié)。按照設計方案，選用合適的材料和加工工藝，對雙軸連桿、軸系、鎖緊釋放裝置、驅動組件、支架等各個部件進行精確加工制造。在加工過程中，嚴格把控尺寸精度和表面質量，確保每個部件都符合設計要求。對于雙軸連桿，采用數(shù)控加工中心進行精密加工，保證連桿的尺寸精度控制在±0.01mm以內(nèi)，表面粗糙度達到Ra0.8μm，以滿足其在高精度運動中的要求。對于軸系中的關鍵部件，如軸承座和軸，采用磨削和珩磨等精密加工工藝，確保軸的圓柱度誤差小于0.005mm，軸承座內(nèi)孔與軸的配合精度達到H7/g6，以保證軸系的轉動精度和穩(wěn)定性。完成各部件的加工后，進入裝配環(huán)節(jié)。裝配過程遵循嚴格的工藝流程和質量控制標準，確保各部件的安裝位置準確無誤，連接牢固可靠。在裝配雙軸連桿時，通過專用的工裝夾具，保證兩根連桿的鉸鏈連接精度，使雙軸的夾角誤差控制在±0.05°以內(nèi)。在安裝軸系時，采用高精度的定位銷和螺栓，確保軸系與支架的安裝精度，避免出現(xiàn)偏心和傾斜等問題。在安裝鎖緊釋放裝置和驅動組件時，嚴格按照設計要求進行布線和連接，確保電氣線路的安全可靠，同時對驅動組件進行預調(diào)試，保證其能夠正常工作。裝配完成后，對原理樣機進行全面的調(diào)試。調(diào)試工作主要包括機械性能調(diào)試和電氣性能調(diào)試兩個方面。在機械性能調(diào)試中，通過手動轉動雙軸連桿，檢查機構的運動是否順暢，有無卡滯現(xiàn)象。使用高精度的角度測量儀，測量雙軸的轉動角度范圍，確保軸1能夠在0°～163°范圍內(nèi)靈活轉動，軸2能夠在0°～360°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉，且雙軸的轉動精度達到±0.1°。對機構的鎖緊釋放功能進行測試，確保鎖緊釋放裝置能夠準確地實現(xiàn)鎖緊和釋放動作，鎖緊力滿足設計要求，解鎖時間控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。在電氣性能調(diào)試中，對驅動組件的控制系統(tǒng)進行調(diào)試。通過編寫控制程序，實現(xiàn)對驅動電機的精確控制，包括電機的正反轉、轉速調(diào)節(jié)和位置控制等功能。使用專業(yè)的測試設備，如示波器和萬用表，對控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)進行測量和調(diào)試，確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對傳感器的信號采集和傳輸功能進行調(diào)試，確保傳感器能夠準確地采集指向機構的運動狀態(tài)信息，并將這些信息實時傳輸給控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)提供準確的反饋數(shù)據(jù)。通過以上嚴格的加工制造、裝配和調(diào)試過程，成功研制出星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構的原理樣機。該原理樣機在結構和性能上基本符合設計要求，為后續(xù)的試驗驗證工作奠定了堅實的基礎。5.2振動試驗振動試驗是對星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構原理樣機進行性能驗證的重要環(huán)節(jié)，其目的在于模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中指向機構所承受的振動環(huán)境，檢測機構在這種復雜力學環(huán)境下的結構完整性、動力學性能以及關鍵性能指標的穩(wěn)定性，從而評估機構設計的合理性和可靠性，為后續(xù)的優(yōu)化改進提供依據(jù)。試驗設備采用專業(yè)的振動試驗臺，該試驗臺能夠提供精確控制的振動激勵，滿足不同振動試驗的要求。在本次試驗中，使用的振動試驗臺頻率范圍為5Hz-2000Hz，最大加速度可達50g，能夠準確模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動工況。配備高精度的加速度傳感器、位移傳感器和應變片等測量設備，用于實時監(jiān)測指向機構在振動過程中的各項物理參數(shù)。加速度傳感器用于測量機構在不同方向上的加速度響應，位移傳感器用于監(jiān)測關鍵部件的位移變化，應變片則用于測量部件的應變情況，這些測量設備的精度和靈敏度能夠滿足試驗要求，確保獲取準確可靠的試驗數(shù)據(jù)。依據(jù)相關標準和衛(wèi)星發(fā)射的實際工況，確定振動試驗方案。試驗包括掃頻試驗、正弦振動試驗和隨機振動試驗三個主要部分。在掃頻試驗中，頻率范圍設定為5Hz-2000Hz，掃頻速率為1oct/min，通過逐漸改變振動頻率，全面檢測指向機構在不同頻率下的響應特性，找出可能存在的共振頻率點。正弦振動試驗則是在確定的共振頻率點附近進行，以驗證機構在共振狀態(tài)下的性能。試驗采用的正弦振動加速度幅值根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的實際情況進行設定，在不同的頻率段分別設置為5g、10g和15g，每個頻率段的振動持續(xù)時間為5分鐘，通過多次循環(huán)振動，檢測機構在正弦振動環(huán)境下的結構強度和穩(wěn)定性。隨機振動試驗模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的復雜隨機振動環(huán)境，試驗的功率譜密度（PSD）根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的實際數(shù)據(jù)進行設定，頻率范圍為20Hz-2000Hz，試驗持續(xù)時間為120秒，通過對機構在隨機振動環(huán)境下的響應進行監(jiān)測，評估機構在這種復雜振動環(huán)境下的可靠性。在試驗過程中，將原理樣機按照實際安裝方式固定在振動試驗臺上，確保安裝牢固可靠，模擬其在衛(wèi)星上的真實安裝狀態(tài)。連接好加速度傳感器、位移傳感器和應變片等測量設備，并進行校準和調(diào)試，確保測量數(shù)據(jù)的準確性。開啟振動試驗臺，按照預定的試驗方案進行掃頻試驗。在掃頻過程中，密切關注測量設備采集的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測指向機構的加速度、位移和應變響應。當發(fā)現(xiàn)響應異常或出現(xiàn)共振現(xiàn)象時，記錄下相應的頻率和響應參數(shù)，為后續(xù)的分析和處理提供依據(jù)。完成掃頻試驗后，在共振頻率點附近進行正弦振動試驗。根據(jù)預先設定的加速度幅值和振動持續(xù)時間，對指向機構進行正弦振動加載。在振動過程中，持續(xù)監(jiān)測機構的各項性能指標，觀察機構是否出現(xiàn)結構松動、部件損壞等異常情況。若發(fā)現(xiàn)異常，立即停止試驗，對機構進行檢查和分析，找出問題原因并采取相應的解決措施。在正弦振動試驗結束后，進行隨機振動試驗。按照設定的功率譜密度和試驗持續(xù)時間，對指向機構施加隨機振動激勵。在隨機振動過程中，利用測量設備實時采集機構的響應數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析評估機構在隨機振動環(huán)境下的動力學性能和可靠性。在整個試驗過程中，對試驗數(shù)據(jù)進行詳細記錄和整理，包括振動頻率、加速度幅值、位移、應變等參數(shù)，為后續(xù)的試驗結果分析提供全面的數(shù)據(jù)支持。5.3雙軸夾角精度測量雙軸夾角精度是衡量星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構性能的關鍵指標之一，其測量的準確性對于評估指向機構在經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射等嚴酷力學環(huán)境后的工作可靠性和穩(wěn)定性至關重要。采用高精度的激光干涉儀作為主要測量設備，該設備利用激光的干涉原理，能夠實現(xiàn)對角度的高精度測量。激光干涉儀具有測量精度高、分辨率高、測量范圍廣等優(yōu)點，其角度測量精度可達亞角秒級，能夠滿足對雙軸夾角精度測量的嚴苛要求。在測量過程中，首先將原理樣機放置在高精度的轉臺上，確保轉臺的水平度和穩(wěn)定性，以減少測量誤差。轉臺的精度對于測量結果的準確性有著重要影響，因此選擇具有高精度回轉精度的轉臺，其回轉誤差控制在±5″以內(nèi)。將激光干涉儀的測量頭分別安裝在雙軸指向機構的兩個軸上，通過調(diào)整測量頭的位置和角度，使其能夠準確測量軸的轉動角度。在安裝測量頭時，嚴格按照操作規(guī)程進行，確保測量頭與軸的連接牢固，且測量方向與軸的轉動方向一致。測量雙軸夾角精度時，采用多次測量取平均值的方法，以提高測量的準確性。在不同的工況下，對雙軸夾角進行測量。模擬衛(wèi)星在軌運行時的不同姿態(tài)和工作狀態(tài)，分別在軸1處于0°、45°、90°、135°、163°等不同角度位置，軸2進行0°～360°連續(xù)旋轉的過程中，測量雙軸夾角。每次測量時，記錄下軸1和軸2的角度值，通過計算得到雙軸夾角。對每個工況下的測量數(shù)據(jù)進行多次測量，一般每個工況測量10次以上，然后對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算出平均值和標準差。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對雙軸夾角精度進行評估。在完成地面振動試驗后，對原理樣機的雙軸夾角進行測量，測量結果顯示，雙軸夾角偏差的最大值為21″，滿足設計要求中雙軸夾角偏差小于30″的指標。從測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果來看，雙軸夾角偏差的標準差較小，說明測量數(shù)據(jù)的離散性較小，測量結果具有較高的可靠性和重復性。這表明經(jīng)過優(yōu)化設計和結構改進后的指向機構，在經(jīng)歷振動試驗后，仍能保持較高的雙軸夾角精度，結構設計合理可行，能夠滿足衛(wèi)星在軌運行時對雙軸指向精度的要求。進一步分析測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雙軸夾角精度在不同工況下存在一定的波動。在軸1和軸2的某些特定角度組合下，雙軸夾角偏差略大。通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，結合指向機構的結構特點和工作原理，發(fā)現(xiàn)這可能是由于軸系的裝配誤差、雙軸連桿的彈性變形以及驅動組件的控制精度等因素引起的。在后續(xù)的設計改進中，可以針對這些問題采取相應的措施，如進一步優(yōu)化軸系的裝配工藝，提高裝配精度；對雙軸連桿進行更精確的力學分析和優(yōu)化設計，減小彈性變形；優(yōu)化驅動組件的控制算法，提高控制精度，以進一步提高雙軸夾角精度和指向機構的整體性能。5.4試驗結果分析與討論將試驗結果與設計指標進行細致對比，能夠全面評估星載雙反射面偏置天線可展開雙軸指向機構設計的合理性。在振動試驗中，通過專業(yè)的振動試驗臺模擬衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動環(huán)境，對指向機構的動力學性能進行了嚴格測試。試驗結果顯示，壓緊狀態(tài)下指向機構一階基頻達到103Hz，這一結果滿足設計要求中壓緊狀態(tài)一階固有頻率大于100Hz的指標。這表明指向機構在結構設計和材料選擇上具有良好的合理性，能夠有效避免在衛(wèi)星發(fā)射過程中與火箭或衛(wèi)星的固有模態(tài)發(fā)生共振，保障了機構在發(fā)射階段的穩(wěn)定性和可靠性。從動力學原理角度分析，一階基頻是結構動力學性能的重要指標，較高的一階基頻意味著結構具有更強的抗振動能力，能夠在復雜的振動環(huán)境中保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在雙軸夾角精度測量試驗中，采用高精度的激光干涉儀對原理樣機的雙軸夾角進行測量。結果表明，振動試驗后雙軸夾角精度為21″，滿足設計要求中雙軸夾角偏差小于30″的指標。這說明經(jīng)過優(yōu)化設計和結構改進后的指向機構，在經(jīng)歷振動試驗等嚴酷的力學環(huán)境后，仍能保持較高的雙軸夾角精度，結構設計合理可行，能夠滿足衛(wèi)星在軌運行時對雙軸指向精度的嚴格要求。雙軸夾角精度直接影響著天線的指向準確性，進而影響衛(wèi)星通信和觀測的精度。在實際應用中，高精度的雙軸夾角控制能夠確保天線準確對準目標，提高通信質量和觀測數(shù)據(jù)的準確性。雖然試驗結果總體滿足設計要求，但仍存在一些可優(yōu)化的空間。在振動試驗中，雖然一階基頻滿足要求，但在某些特定頻率下，指向機構的位移響應和應力響應相對較大。這可能是由于結構的局部剛度不足或質量分布不均勻導致的。在后續(xù)的設計改進中，可以進一步優(yōu)化結構的剛度分布，通過增加加強筋、優(yōu)化結構形狀等方式，提高結構的局部剛度，減少在特定頻率下的響應。還可以對質量分布進行優(yōu)化，通過調(diào)整部件的布局和材料選擇，使結構的質量分布更加均勻，降低振動響應。在雙軸夾角精度方面，雖然測量結果滿足設計要求，但在不同工況下，雙軸夾角精度存在一定的波動。這可能是由于軸系的裝配誤差、雙軸連桿的彈性變形以及驅動組件的控制精度