大型空间天线倾斜重力悬吊系统设计开题报告

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：高飞学 号：08020141X29学 院、系：机械工程与自动化系专 业：机械设计制造及其自动化论 文 题 目：大型空间天线倾斜展开过程重力抵消系统设计与分析指导教师:黄晋英 2012 年 2 月 28 日毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 大型空间天线重力抵消系统的设计意义卫星天线在太空轨道是出于无重力状态，但是在地面的组装，测试，实验为有重力环境。当我们模拟天线的运动轨迹时，我们必须考虑重力对天线的影响，为了方便，我们可以直接设计一套重力抵消系统。这样，我们在地面实验室就能够更好，更精确的模拟天线在太空的运动。1.2我所设计的重力抵消系统的原理（悬吊法） 由上部中心立柱将天线反射面中心节点悬挂支撑，中心柱悬挂在由角钢组成的框架上在天线内外圈节点处，通过系在节点上的索来抵消天线的重力影响。1.3 国内外空间天线重力抵消系统的发展现状 根据重力抵消的原理，目前国际上通用的研究方法主要有落塔法，悬吊法，水浮法和气浮法等35。 （1）落塔法就是通过在微重力塔中执行自由落体运动，从而能产生微重力试验环境的一种方法。 目前美国，德国，日本等都建立了微重力塔，能够实现微量级的环境。但该方法造价昂贵，试验时间仅秒级。NASDA曾在日本微重力实验室进行过此类研究。 （2）悬吊法主要是通过吊丝的垂直拉力来平衡飞行器自身重力，目前许多国家在微重力模拟试验方面均在使用此方法，例如美国卡耐基梅隆大学研制的SM2地面试验系统采用此方法。但该方法系统复杂，吊丝易倾斜晃动，重力补偿精度不高。 （3）水浮法是利用水的浮力来抵消重力的影响。代表性的为马里兰大学的Ranger 试验系统。水浮法易受水阻力和紊流的影响， 且飞行器须做防水处理，因而维护成本高，同时要求试验期间的密封性非常好，目前主要用于宇航员训练。 （4）气浮法主要通过气悬浮的方法在光滑平台将飞行器平托起来，利用托举力与重力抵消来实现微重力。该法结构简单，承载大，建造周期短、费用低易于实现，零重力模拟精度高等优点。目前加拿大公司的地面实验系统，美国斯坦福大学的自由飞行空间机器人系统均采用此方法。 然而现有的气浮法只能在水平面上进行二维仿真试验，而现有的飞行器其姿态运动复杂，展开部件很多情况下不仅要完成水平展开，而且在竖直方向，及多自由度旋转方向均要完成展开动作。现有的微重力模拟方法已不能满足地面实验需要。目前仅文献10提出一种采用气浮与气缸结合的方式用于三维微重力模拟的试验方案，但该方案忽略了气源本身压力不稳及气缸本身很重，且该方案仅用于微型机器人，则大的附加重量加剧了对空间机器人的性能测试影响，且其采用的神经网络算法需要大量样本学习，这些都影响了工程应用价值。 目前，我国内实验室研究的天线重力抵消系统主要有以下几种；(1) 悬臂可转动零重力吊架 吊架的转动轴线必须与天线展开轴的中心线在一条直线上, 吊线必须通过反射器的质量中心3。 (2) 滑轮式零重力吊架 图2所示的滑轮系统适合于天线质心沿水平直线运动的展开。图3所示的滑轮适合于同时具有水平和垂直两个方向运动的天线展开。两个系统的吊线均要求过试件的 质心, 配重的大小以刚好克服系统的动摩擦力为原则确定。 滑轮式零重力系统的特点: 原理简单, 节省安装空间, 造价低, 可重复使用。缺点是质心调节和配重过程复杂, 对轨道的水平度要求高, 对于复杂运动轨迹的天线展开不适用12。 (3) 二维平面滑轨式零重力吊架 图4为二维平面滑轨式零重力吊架的原理示意图。图中的横向导轨可以沿长轨滑动, 吊索带动试件又可沿横向导轨滑动。二维平面滑轨式零重力卸载的特点是可以在较大范围内满足水平面内任意方向运动的需要。但轴承沿导轨运动的摩擦力没有被补偿, 会引起附加的展开力矩, 因此, 研制时要通过加工和调节保证导轨达到很高的直线度、水平度和光滑度, 从而减小展开的摩擦力。这种滑轨还需要辅助的支撑吊架, 支撑吊架的刚度要保证在承载状态下变形很小。这种卸载装置的成本居中,缺点是占用空间较大, 一般适用于大尺寸( 4米以上)的平板式太阳电池阵和平面阵列天线的展开14。 (4) 绳索悬吊式零重力装置(5) 气浮式零重力装置，以下为几种结构运用的实例； 滑轮式零重力吊架应运于伞状天线的展开 伞状天线像一把雨伞, 由展开机构、多个可展开的肋和网组成。网的质量很轻, 一般不需要卸载; 肋一般为复合材料或金属材料组成, 天线肋收拢和展开两种状态的重心位置变化比较大。伞状天线展开一般采用在每根肋的重心都加卸载点的方法。图5为伞状天线反向悬吊展开的滑轮式卸载装置，展开时, 每根肋的重心吊点都随天线肋的展开运动而沿径向导轨向外滑动, 从而保证天线肋在重心的实时卸载。在导轨的末端加配重, 通过配重的自重克服摩擦力, 从而拉动滑轮, 配重不能给天线增加额外的展开动力10。 绳索悬吊式零重力装置应用于构架天线的展开构架天线由可收拢展开的四面体构架单元组成, 收拢状态时所有的杆件成为一捆, 靠弹簧展开装置展开, 展开后形成抛物面的形状。图6是一种用于构架天线展开的简单的绳索悬吊式卸载装置。绳索的长度是按照展开状态重力卸载设计的。为了保证收拢状态时绳索也有卸载作用, 在天线中间的支撑杆上设计了一个圆盘, 用于在收拢状态将吊索撑紧。通过选择圆盘的半径和不同圆周周边绳索上的吊点安装位置, 保证每一根吊索在收拢状态和展开状态都卸载。在展开过程中, 绳索并不能保证实时的卸载, 但由于展开的时间仅为1至2秒, 而且构架单元本身的刚度也较大, 因此展开过程的卸载不完全问题不会影响到展开后的形面形状, 因此这种方式对构架式天线而言, 也是一种简单经济的卸载方式3。 悬臂、滑轮组合应用于平面阵天线展开利用悬臂的周向转动和滑轮的直线运动, 通过不同组合, 可以用于各种平面阵天线的展开。 气浮式零重力装置应用于柔性天线动力学仿真实验10。参考文献：1JAKUBOWSKI Antoni，HAYNES David A，NUSS Kenet a1Phased array radio astronomy from spaceRNASN CR一192025，1992：1-482White G C，Xu Y SActive verticaldirection gravity compensationsystemJIEEE Transactions on Instrumentation and Measurement1994，43（6）：7867923韦娟芳.韦娟芳卫星天线展开过程的零重力环境模拟设备J空间电子技术，2006(2)：29324李团结，张琰，段宝岩周边桁架可展天线展开过程运动分析及控制J西安电子科技大学学报：自然科学版，2007，34(6)：916-9215 赵孟良，吴开成，关富玲空间可展桁架结构动力学分析I-J浙江大学学报：工学版，2005，39(11)：166916746张庆灵，张学锋，翟丁控制理论基础M北京：高等教育出版社，20087张德齐微波天线基础M北京：北京工业学院出版社，19852682808陈务军，关富玲，董石麟空间展开折叠桁架结构动力学分析研究J计算机力学学报2000，17(4)：4104169缪炳祺， 曲广吉，杨雷，刘银虎折叠式桁架机构展收运动动力学建模和分析J中国空间科学技术2004，1(2)：1610韦娟芳、赵人杰、关富玲星载天线结构的发展趋势空间电子技术2002，1495411洪善桃高等动力学M上海：同济大学出版社，1996162612林兰英、柯俊、马俊如主编, 中国微重力科学与空间实验 首届学术讨论会论文集, 中国科学技术出版社,( 1988) .13王景涛, 微重力应用导引, 中国科学技术出版社,( 1988) .14日本宇宙科学研究所, SFU 实验报告, 日本宇宙科学研究所报告, 特集第35 号, ( 1997) , 73.15陈三风, 梅涛, 张涛, 等. 空间零重力环境地面模拟系统的控制器设计J. 机器人, 2008, 30(3): 201-204 16 Xu Y S，Brown H B，Friedman M J Control system of theselfmobile space manipulatorJIEEE Transactions on ControlSystemsTechnology，1994，2（3）：20721917谷文韬，王三民，许家栋径射状空间可展天线展开过程的智能控制研究J机械科学与技术，2006，25(11)138O一138318冯达武，赵人杰.空间大型网状天线展开机构的研究.中国空间技术，1997,1（2）；64-7019韩大建、宋雄彬. 王海涛.带弹性支撑杆张拉结构整体找形分析的动力松法. 华南理工大学学报（自然科学版） 2005 年 11 期 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 在本次课题研究中，我主要对天线展开的重力倾斜悬吊系统进行设计2.1 本课题要研究或解决的问题 在搜集航天器天线结构和重力系统方面的资料并了解后，分析重力对天线展开的影响，设计倾斜轨道悬吊系统实现不同重力分量，学习cad，admes软件设计图纸，计算悬索尺寸，并研究悬索长度控制方案。2. 2 拟采用的研究手段 3 . 毕业设计课题工作进度计划：2012年2 月13 日 2 月20 日 查资料，准备开题；2 月21 日 2 月28 日 撰写开题报告；3 月 1 日 3 月