1、文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0276-07大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究金路1，李勃衡1，田大可2(1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168；2.沈阳建筑大学机械工程学院，沈阳110168)摘要：在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击，这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应，选用 ANSYS/AUTODYN 有限元软件，建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型，模拟天线展开锁定时遭遇 2.5mm7.5mm 的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑 1.0km/s15.0k
2、m/s 的撞击速度和不同撞击位置工况下，天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明：空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段，撞击点越靠近天线形心，结构响应越明显，结构的平均变形越大；随着撞击速度增大，可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势，当撞击速度大于 12.5km/s 时，天线受撞击的影响区域逐渐缩小；空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视，可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。关键词：空间可展开天线；空间碎片；撞击响应；金属反射面；防护设计中图分类号：V443+.4文
3、献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S011IMPACTDYNAMICRESPONSERESEARCHONLARGEAPERTURESPACEDEPLOYABLEANTENNAWITHCABLE-MESHJINLu1,LIBo-heng1,TIANDa-ke2(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang1101
4、68,China)Abstract:Thelargeaperturespacedeployableantennainorbitmayencounterhigh-speedimpactsfromtinyspacedebris,whichseriouslythreatensthesafeserviceoftheantennaonboard.Inordertostudythedynamicresponseofthesupportstructureofthespacemeshdeployableantennaandtheparaboliccable-meshduringhighspeedimpact,
5、ANSYS/AUTODYNisselectedtobuildadynamicimpactsimulationmodelofthelargeaperturespacemeshdeployableantennatosimulatethedynamicresponseoftheantennaduringtheimpactwithspacedebris of 2.5 mm-7.5 mm when the antenna is deployed and locked.The overall dynamic response of thestructure,thedamagestateofkeyrodsa
6、ndparaboliccablenetworkaswellasthedeformationperformanceofthestructureasawholeareconsideredforimpactvelocitiesof1.0km/s-15.0km/sanddifferentimpactpositionconditions.Theresultsshowthatthestructuralresponseofthespatiallyexpandableantennastructuretospacedebrisimpactcanbedividedintothreestages:localvibr
7、ation,cablerestraintandoverallvibration.Acloserdistancebetweentheimpactpointandthecentreoftheantennaleadstomoreobviousstructuralresponseandlargeraveragedeformationofthestructure.Astheimpactvelocityincreases,theaveragestructuraldeformationofthespreadingantennatendstoincreaseinitiallyandthendecrease.W
8、hentheimpactvelocityisgreaterthan12.5km/s,theimpactareaoftheantennaisgraduallyreduced.Theoveralldeformationofthespreadingantenna收稿日期：2022-06-08；修改日期：2023-01-18基金项目：辽宁省教育厅科学研究面上项目(LJKZ0563)；中国博士后科学基金面上项目(2019M661126)；辽宁省自然科学基金面上项目(2022-MS-278)通讯作者：田大可(1981)，男，辽宁人，副教授，博士，主要从事宇航空间折展结构方面研究(E-mail:).作者简介
9、：金路(1982)，女，辽宁人，教授，博士，主要从事高层与轻型钢结构、折展结构方面研究(E-mail:);李勃衡(1998)，男，辽宁人，硕士生，主要从事空间结构方面研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS276isnotnegligiblewhenitisimpactedbytinyspacedebrisathighvelocity,whichcanprovidereferenceforthesubsequentstructuralprotectionandvulnerabilityanaly
10、sis.Keywords:spacedeployableantenna;spacedebris;impactresponse;metalreflectivesurfaces;protectivedesign随着星载天线在深空探测、遥感导航、军事侦察等领域应用需求不断提高，星载天线的大口径化、轻量化已成为目前空间宇航技术领域研究的前沿和热点问题1。模块化空间可展天线是为解决大型航天器结构需求与火箭发射舱壁包络尺寸要求而发展的一种新型空间可展结构，通过改变模块的形状与数量、组合排布方式等，实现未来极大口径星载天线的设计需求2。随着人类空间活动次数的不断增加，由航天器剥落、溅射或意外解体等产生的空间
11、碎片数量以每年 10%的数量增长，从而增加了与在轨飞行器碰撞的风险34。目前，针对 1mm 以下的微小空间碎片可采取防护措施，针对 10mm 以上的较大空间碎片可以进行在轨编目并规避，而 1mm10mm 的危险碎片目前暂无有效解决对策5。从20 世纪50 年代至今，美国、俄罗斯、NASA、ESA、COSPAR 等主要航天国及国际组织开展了大量的空间碎片防护研究，尤其在航天器撞击后的易损性分析、整星撞击解体模型等方面取得了丰硕的成果67。我国在载人航天器的空间碎片防护方面也取得一定成果，在先进防护材料的开发、航天器撞击效应与特性等方面取得了一定进展。西北核技术研究所、上海卫星工程研究所等单位开展
12、了二级轻气炮高速及超高速撞击实验8，哈尔滨工业大学管公顺等9开展了单、多层板的超高速撞击实验，浙江大学王宏建等10针对充气天线的空间碎片碰撞问题进行了研究，为我国载人航天器及卫星的空间防护技术提供技术保障。综上，目前国内外专家学者对载人航天器及卫星遭遇空间碎片撞击的易损性及防护研究较多，对星载天线的撞击结构响应分析较少。空间可展天线结构复杂，展开后几何尺寸远大于载人航天器且刚度较大，天线网面及结构形变要求精度高，对撞击变形敏感。因此，星载天线受空间碎片撞击致网面精度变化的问题不可忽视，也是空间可展天线的易损性分析及防护设计亟需解决的问题。本文针对大口径模块化网面空间可展天线，分析可展天线结构在
13、微小空间碎片高速撞击时的结构动力响应，研究撞击位置及撞击物速度对天线结构动力响应的影响机制，可为空间可展天线后续的损伤识别与防护设计提供参考。1空间可展天线模型建立1.1几何模型天线结构六边形单模块各部件组件如图 1 所示，六边形单模块由 6 个肋单元组成，边长为600mm，竖杆高度为 150mm，其中天线索网面通过竖杆安装在支承桁架上11。金属反射网张紧索调节索前索网后索网肋单元索网结构支撑结构可展开模块单元竖杆图1天线单模块结构构成Fig.1Thesinglemodulestructureoftheantenna图 2 为加工制作的单模块原理样机模型，通过样机的展开收拢试验验证了单模块样机
14、的可行性。空间几何结构的建模过程如图 3 所示，采用齐次坐标变换法将六边形模块拓扑组成的平面几何构型等效成包络圆，并投影至球面，通过联立方程组求解出相邻包络圆的交点坐标，从而建立网面式空间可展天线结构的几何模型12，其中平面拓扑示意图如图 4 所示。四层六边形模块化空间可展天线由 37 个尺寸基本相同的单模块组成，图2单模块原理样机模型Fig.2Singlemoduleprincipleprototypemodel工程力学277当天线入轨完全展开锁定时，其整体结构包络矩形尺寸为 6000mm7275mm。模块对应的包络圆模块化结构求包络圆交点坐标模块化可展开天线包络圆模型xoyzRr图3空间几
15、何建模过程Fig.3Processofspacegeometrymodelingyx6000 mm7225 mm约束点第三层第四层图4四层模块拓扑图Fig.4Four-layermoduletopologyview1.2有限元模型采用有限元软件 ANSYS 建立空间可展天线整体结构数值模型，天线结构各弦杆采用 BEAM188单元，拉索采用 LINK180 单元，MASS21 单元模拟集中质量。杆件材质为 2A12 铝合金13，拉索材质为不锈钢，在交叉拉索间施加预紧力 200N。空间可展天线结构材料特性及杆件参数如表 1 所示。天线组装时，相邻模块通过连接件拼接竖杆连接，在模型建立时对此部分连接
16、采用单竖杆进行等刚度代换。考虑空间可展天线在轨运行时的工作环境为微重力(104g，g 为重力加速度)，因此，模拟时忽略重力加速度作用14。结构有限元模型如图 5 所示。由于金属反射面面密度较小，在研究中考虑将金属反射面以均布荷载等效施加到索网上。天线的展开与收纳通过安装在中心杆上的驱动模块实现，将滑块及驱动模块、连接铰链的质量等效为集中荷载施加在竖杆端，滑块及驱动模块质量为 0.04kg，铰链质量为 0.02kg。卫星入轨后，伸展臂自动展开并将天线送至工作位置，将结构最外层中间竖杆两端设为固定支座，模拟天线结构的约束情况。表1结构材料特性及杆件参数Table1Structuralmaterialpropertiesandbarparameters部件弹性模量E/GPa密度P/(kgm3)泊松比 内径Ri/mm 外径Ro/mm竖杆71.727700.335.006.00弦杆、腹杆71.727700.334.005.00拉索150.078000.300.000.50约束图5四层网面空间可展天线有限元模型Fig.5Finiteelementmodeloffourlayerspacedeplo