环形可展天线空间环境下热-结构分析

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作为航天器与地球信息通讯的重要部件,天线的性能直接影响到通信质量的优劣。而复杂多变的太空热环境会使在轨运行的天线温度场时刻产生变化,进而影响其自身的结构性能,导致热应力、热变形的出现。本文以环形可展天线为对象,对其空间环境下的热-结构特性进行了以下的研究:提出了热-结构分析的方法,总结了空间环境的热属性,详细分析了空间低温、真空、微重力以及3种空间热源(太阳辐射、地球反照和地球辐射)的特点和其对天线产生的影响,阐述了太空中主要的热量传递方式——热辐射与热传导,并针对天线在轨运行期间的热平衡关系进行了研究。确定了受温度影响的环形可展天线的结构性能指标,包括形面精度和张力分布。考虑网面真实应力状态及空间环境的综合影响,本文提出了一种基于找形结果的环形可展天线温度场计算方法。结合斯蒂芬-玻耳兹曼热辐射、傅里叶热传导理论分析了一维杆件的热辐射-传导耦合计算方法;根据环形可展天线的结构拓扑及尺寸参数等计算节点坐标,并设定单元属性,通过ABAQUS建立了相应模型并进行找形优化;进而通过UG计算了天线在地球同步轨道上不同时节的温度场分布情况。结果表明,春分时天线整体温度梯度较大,在两侧照位置天线呈现一侧温度高而另一侧温度低的特点,正照位置前后索网面温差较大,背照位置位于地球阴影区,整体温度偏低;夏至时天线整体温度较春分而言明显升高,变化范围收窄,轨道各位置上的索网面温度较高,分布较均匀,周边桁架各部分温度差异较大;秋分和冬至由于轨道的对称性分别与春、夏温度场相类似。分析了考虑温度的热变形理论及相应计算公式,结合ABAQUS与MATLAB编程计算了春分和夏至温度场对天线结构的影响。结果表明,温度场分布状态可以改变天线的应力分布,夏至的热应力要高于春分时节,形面精度在相应温度场作用下均发生了不同程度的恶化,春分尤以正照位置最为严重;对于张力分布而言,除侧照与背照位置前后索网面的张力比明显增大外,其余位置变化并不明显,纵向调节索的张力分布较为均匀。此外,研究了天线热变形对温度场分布的影响,发现热变形对温度场分布的影响十分微弱。
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