馮濤 肖勇 趙將 張欣 楊軍剛
(空間電子信息技術(shù)研究院,西安 710100)
星載環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率研究
馮濤 肖勇 趙將 張欣 楊軍剛
(空間電子信息技術(shù)研究院,西安 710100)
針對(duì)星載環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率進(jìn)行了研究,推導(dǎo)得出了驅(qū)動(dòng)力最大值的解析表達(dá)式,通過(guò)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),傳動(dòng)效率對(duì)環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)力最大值影響較大。用解析表達(dá)式對(duì)天線展開(kāi)過(guò)程中傳動(dòng)效率進(jìn)行分析,得出桁架單元數(shù)、繩索-滑輪間摩擦系數(shù)是影響驅(qū)動(dòng)繩索傳動(dòng)效率的關(guān)鍵因素。文章的研究結(jié)果可為環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
星載;環(huán)形天線;動(dòng)力系統(tǒng);傳動(dòng)效率
隨著航天技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,許多科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域都提出對(duì)大口徑空間天線的需求,以獲得微小發(fā)射功率信號(hào)[1],例如,通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星等對(duì)空間天線口徑的需求從幾米達(dá)到幾十米甚至百米以上[2]。由于受到火箭運(yùn)載能力的限制,大口徑空間天線必須制作成可展開(kāi)式空間結(jié)構(gòu),使其滿足在發(fā)射階段以收攏狀態(tài)放置于火箭整流罩內(nèi),衛(wèi)星入軌后通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將其展開(kāi)至工作狀態(tài)。與其它類型的大型可展開(kāi)天線相比,環(huán)形桁架式可展開(kāi)天線能夠?qū)崿F(xiàn)6~150m的口徑需求,且隨著天線口徑的增大,天線質(zhì)量不會(huì)成比例增加,是目前大型星載天線的理想結(jié)構(gòu)形式之一[3],并在衛(wèi)星通信等方面得到了成功的應(yīng)用[4]。
環(huán)形桁架式可展開(kāi)天線主要由環(huán)形可展開(kāi)桁架和索網(wǎng)系統(tǒng)(前索網(wǎng)、金屬網(wǎng)、張力陣和后索網(wǎng))組成,索網(wǎng)系統(tǒng)固定于桁架上,在桁架的帶動(dòng)下由收攏狀態(tài)展開(kāi)至工作狀態(tài),形成預(yù)張力結(jié)構(gòu),環(huán)形可展開(kāi)桁架為其展開(kāi)提供動(dòng)力。環(huán)形可展開(kāi)桁架的可靠展開(kāi)及其動(dòng)力設(shè)計(jì)是環(huán)形桁架式可展開(kāi)天線設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是動(dòng)力學(xué)建模仿真[5],這類研究主要針對(duì)環(huán)形天線可展開(kāi)桁架支撐桿件以及展開(kāi)鉸鏈之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系;二是考慮索網(wǎng)系統(tǒng)張力與展開(kāi)動(dòng)力之間關(guān)系的建模仿真[6]。上述研究均未考慮桁架展開(kāi)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的問(wèn)題。在環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中,摩擦對(duì)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)影響較大,可以應(yīng)用廣義逆矩陣方法進(jìn)行鉸鏈黏性阻尼和繩索滑輪摩擦對(duì)環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程的影響研究[7],但沒(méi)有分析摩擦對(duì)展開(kāi)動(dòng)力的影響。本文采用解析法對(duì)環(huán)形天線桁架單元數(shù)、驅(qū)動(dòng)繩索摩擦系數(shù)等影響環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)繩索動(dòng)力傳動(dòng)效率的因素進(jìn)行分析,給出環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容。
環(huán)形桁架式可展開(kāi)天線的桁架為多個(gè)相同的平行四邊形單元組成的環(huán)形結(jié)構(gòu),平行四邊形單元對(duì)角線桿件為套筒式可伸縮機(jī)構(gòu),四邊形各邊的桿件通過(guò)鉸鏈相互連接,驅(qū)動(dòng)繩索繞過(guò)滑輪貫穿于桁架所有單元的斜桿中,如圖1所示。初始時(shí)桁架處于收縮狀態(tài),各四邊形的對(duì)角線處于最長(zhǎng)狀態(tài)。由于平行四邊形具有改變其對(duì)角線長(zhǎng)度從而實(shí)現(xiàn)四邊形收縮與展開(kāi)的功能,因此天線展開(kāi)過(guò)程中通過(guò)電機(jī)牽拉貫穿于斜桿內(nèi)的驅(qū)動(dòng)繩索使各四邊形單元的對(duì)角線斜桿縮短,實(shí)現(xiàn)單元由收攏狀態(tài)運(yùn)動(dòng)至展開(kāi)狀態(tài),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)桁架整體結(jié)構(gòu)的展開(kāi)[3]。
須指出的是,各四邊形單元之間通過(guò)鉸鏈相互連接組成的桁架運(yùn)動(dòng)自由度并不唯一。為了使桁架展開(kāi)過(guò)程具有唯一性,增大展開(kāi)過(guò)程的穩(wěn)定性,在三桿連接處的旋轉(zhuǎn)鉸中加入同步齒輪約束,即可保證相鄰四邊形單元的展開(kāi)具有同步性,進(jìn)而保證桁架系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程中總自由度唯一。
環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中,繞過(guò)鉸鏈滑輪貫穿于桁架所有斜桿中的驅(qū)動(dòng)繩索為天線展開(kāi)的唯一驅(qū)動(dòng)源[3]。理論上,同步轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈能夠保證桁架展開(kāi)過(guò)程中相鄰四邊形單元的展開(kāi)角度保持一致,進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)整體同步展開(kāi)。然而,地面試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間的接觸摩擦力使得驅(qū)動(dòng)力在傳遞過(guò)程中發(fā)生變化,導(dǎo)致桁架各四邊形單元按照距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)由近到遠(yuǎn)的順序依次展開(kāi),這種不同步現(xiàn)象使得展開(kāi)過(guò)程中桿件發(fā)生較大變形,如果不加以控制極易發(fā)生桿件折斷,從而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)展開(kāi)失敗。因此,有必要對(duì)環(huán)形天線展開(kāi)動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率進(jìn)行深入研究。
圖1 環(huán)形天線桁架示意圖Fig.1 Schematic diagram of perimeter truss
3.1 傳動(dòng)效率與驅(qū)動(dòng)繩索最大張力的關(guān)系
驅(qū)動(dòng)繩索通過(guò)鉸鏈滑輪改變方向時(shí),驅(qū)動(dòng)繩中傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力大小會(huì)發(fā)生變化。驅(qū)動(dòng)力變化主要是庫(kù)侖摩擦引起的,主要是由于摩擦力引起的能量損耗[7]。同時(shí),驅(qū)動(dòng)繩索通過(guò)滑輪引起的力及力矩的變化可根據(jù)虛功原理進(jìn)行表述[8]。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索經(jīng)過(guò)滑輪后驅(qū)動(dòng)力的變化進(jìn)行深入分析,引入傳動(dòng)效率的概念。通過(guò)環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程分析可知,圖1中相鄰兩個(gè)四邊形單元內(nèi)驅(qū)動(dòng)繩索張力滿足如下關(guān)系。
式中:Tm-1、Tm分別表示距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)較近、較遠(yuǎn)一側(cè)的四邊形單元內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力大小,Sm-1表示索網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)桁架每個(gè)四邊形單元展開(kāi)產(chǎn)生的等效阻力,η∈[0,1]為驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率,m表示環(huán)形四邊形單元號(hào)。
環(huán)形天線展開(kāi)初期,索網(wǎng)系統(tǒng)處于松弛狀態(tài),因此對(duì)桁架展開(kāi)的影響較小,此時(shí)桁架展開(kāi)的阻力主要來(lái)自自身摩擦和慣性矩。隨著桁架結(jié)構(gòu)的展開(kāi),索網(wǎng)系統(tǒng)由松弛狀態(tài)逐漸展開(kāi)至張緊狀態(tài),其對(duì)桁架展開(kāi)的阻力急劇增大。假設(shè)此時(shí)索網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)四邊形單元的展開(kāi)阻力Sm-1相同,均用S表示,則距離驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最近的四邊形單元中繩索的張力可以表示為
式中:n為環(huán)形天線的桁架單元數(shù),一般取不小于6的偶數(shù)。
由于驅(qū)動(dòng)繩索從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)入到桁架時(shí)同樣存在一定的能量損耗,因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)繩索的張力為環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力,其與距離電機(jī)最近的四邊形內(nèi)繩索張力之間的關(guān)系可以表示為
式中:Tmax表示環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力,η0表示驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與距離電機(jī)最近的桁架四邊形之間驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)效率。
將式(3)代入式(2),可以將驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力進(jìn)一步表示為
由式(4)可以看出,環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力與驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率成指數(shù)關(guān)系,是影響環(huán)形天線展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力的關(guān)鍵因素。
3.2 分析及試驗(yàn)驗(yàn)證
以30邊環(huán)形天線為例,對(duì)環(huán)形天線展開(kāi)驅(qū)動(dòng)繩索最大張力與傳動(dòng)效率之間的關(guān)系進(jìn)行研究。圖2給出了驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力隨傳動(dòng)效率的變化規(guī)律,由圖2可知,環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力隨傳動(dòng)效率的提高而顯著降低,二者呈指數(shù)衰減關(guān)系。
圖2 驅(qū)動(dòng)繩索最大張力與傳動(dòng)效率關(guān)系Fig.2 Relationship diagram between max tension of driving-cable and transmission efficiency
為了驗(yàn)證理論分析的有效性,對(duì)不同傳動(dòng)效率下30邊環(huán)形天線進(jìn)行展開(kāi)試驗(yàn)驗(yàn)證,分別測(cè)量不同傳動(dòng)效率下天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)驅(qū)動(dòng)繩索的張力大小,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著傳動(dòng)效率的提高,天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩索的張力明顯降低。圖4給出了天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)繩索張力最大值隨傳動(dòng)效率變化的規(guī)律曲線,從圖4中可以看出驅(qū)動(dòng)繩索最大張力隨傳動(dòng)效率的提高而降低,該結(jié)論與理論分析吻合。
圖3 驅(qū)動(dòng)繩索張力試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of tension of driving-cable
圖4 驅(qū)動(dòng)繩索最大張力與傳動(dòng)效率試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of max tension of driving-cable and transmission efficiency
4.1 傳動(dòng)效率的解析表達(dá)式
環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力時(shí)刻發(fā)生在展開(kāi)末期,該階段桁架處于低勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此,可以按照靜力學(xué)[9],對(duì)該階段單個(gè)鉸鏈滑輪進(jìn)行受力分析,如圖5所示。
圖5 驅(qū)動(dòng)繩索受力分析Fig.5 Force analysis of driven-cable
通過(guò)幾何分析可知,驅(qū)動(dòng)繩索經(jīng)過(guò)斜桿中滑輪的單滑輪對(duì)稱夾角θ與桁架構(gòu)型中橫桿與斜桿夾角β有關(guān),單個(gè)鉸鏈驅(qū)動(dòng)繩索的平面對(duì)稱夾角α與n有關(guān),具體關(guān)系為
分別以單個(gè)鉸鏈中驅(qū)動(dòng)繩索繞過(guò)的3個(gè)滑輪為研究對(duì)象,建立如下平衡方程:
式中:F為左側(cè)滑輪左側(cè)繩索張力;F1為左側(cè)滑輪與中間滑輪之間繩索張力;F2為中間滑輪與右側(cè)滑輪之間繩索張力;ηF為右側(cè)滑輪右側(cè)繩索張力,ε為驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間的庫(kù)侖摩擦系數(shù)。
將式(6)、(7)代入式(8),可以得到驅(qū)動(dòng)繩索傳動(dòng)效率為
其中
由式(9)、(10)可以看出,影響環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)繩索傳動(dòng)效率的主要因素有θ、α以及ε。而θ和α則分別由β以及n決定。
4.2 分析計(jì)算
同樣以30邊環(huán)形天線為例,對(duì)不同驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪支架摩擦系數(shù)ε與傳動(dòng)效率η之間的關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算。圖6給出了不同摩擦系數(shù)下驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率隨斜桿中滑輪的對(duì)稱夾角變化的規(guī)律。從圖6中可以看出,傳動(dòng)效率會(huì)隨著天線的展開(kāi)而逐漸提高,同時(shí)降低摩擦系數(shù)能夠顯著提高天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)效率。
圖6 傳動(dòng)效率與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between transmission efficiency and friction coefficient
對(duì)環(huán)形天線驅(qū)動(dòng)繩索最大張力產(chǎn)生影響的因素有n、ε以及豎桿與斜桿之間的夾角等,在環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,須要關(guān)注n和ε,使得環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩索最大張力最小化,以提高環(huán)形天線展開(kāi)的可靠性。
5.1 桁架單元數(shù)
將n對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索最大張力影響進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力隨桁架單元數(shù)成指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),因此在環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用較小桁架單元數(shù)有利于降低驅(qū)動(dòng)繩索的最大張力。然而,在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,n與收攏尺寸、焦徑比等眾多因素有關(guān)[10],因此需要根據(jù)任務(wù)對(duì)環(huán)形天線收攏尺寸、反射面型面等參數(shù)的要求,綜合設(shè)計(jì)桁架單元數(shù)。
圖7 驅(qū)動(dòng)繩索最大張力與桁架單元數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between max tension of driving-cable and number of parallelogram
5.2 驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間摩擦系數(shù)
降低驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間的摩擦系數(shù)為環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。一般設(shè)計(jì)中滑輪采用滾動(dòng)軸承、支撐軸加滑輪的設(shè)計(jì)方案。由于滑輪不同位置驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪始終存在線速度差[11],故驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間的摩擦系數(shù)不是軸承摩擦系數(shù)和繩索與滑輪摩擦系數(shù)的最小值。驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪為相輔相成的運(yùn)動(dòng)副,滑輪對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索起承托和導(dǎo)向的作用,因此須要針對(duì)二者的配合關(guān)系進(jìn)行研究使摩擦系數(shù)降低。
5.2.1 摩擦配偶硬度
驅(qū)動(dòng)繩索的硬度決定繩索與滑輪之間接觸面積的大小,進(jìn)而決定了線速度差的大小,因此,繩索硬度是影響傳動(dòng)效率的因素之一。采用芳綸纖維繩和鋼絲繩兩種不同硬度的驅(qū)動(dòng)繩索與鋁合金滑輪進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)硬度較大的鋼絲繩的傳動(dòng)效率明顯高于硬度較小的芳綸纖維繩。因此驅(qū)動(dòng)繩索硬度越高,傳動(dòng)效率越高,但是硬度越高的繩索需要更大的拐彎半徑,故須綜合考慮安裝空間等因素進(jìn)行驅(qū)動(dòng)繩索材料的選擇。
滑輪硬度同樣對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索的傳動(dòng)效率影響較大,硬度越高其黏性越低,摩擦系數(shù)越小,使得傳動(dòng)效率越高。采用同一種纖維繩索,測(cè)試不同硬度滑輪的傳動(dòng)效率,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,滑輪硬度越高,驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)效率越高。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮滑輪選用硬度較高的材料。
圖8 不同繩索的傳動(dòng)效率Fig.8 Transmission efficiency of different driven-cable
圖9 不同滑輪的傳動(dòng)效率Fig.9 Transmission efficiency of different pulley
5.2.2 摩擦配偶潤(rùn)滑特性
對(duì)于驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪組成的接觸摩擦系統(tǒng),提高其中一者的潤(rùn)滑特性,即可降低二者之間的摩擦系數(shù)。針對(duì)同一種材料的滑輪,采用不同潤(rùn)滑特性的芳綸繩索進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試,結(jié)果如圖10所示,可以發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑特性越好的驅(qū)動(dòng)繩索,傳動(dòng)效率越高。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮對(duì)繩索進(jìn)行潤(rùn)滑處理,以提高驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率。
圖10 不同潤(rùn)滑方式的傳動(dòng)效率Fig.10 Transmission efficiency of different lubrication
環(huán)形可展開(kāi)天線是星載大口徑、超大口徑可展開(kāi)天線的理想結(jié)構(gòu)形式,其動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是環(huán)形天線設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。針對(duì)環(huán)形桁架式可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題,分析了驅(qū)動(dòng)繩索動(dòng)力傳動(dòng)效率對(duì)環(huán)形天線展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩索最大張力的影響,以及影響驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率的因素,建立了驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)效率與桁架單元數(shù)、驅(qū)動(dòng)繩索-滑輪之間摩擦系數(shù)等參數(shù)的解析關(guān)系,分別進(jìn)行了分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,二者結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了建模的正確性。同時(shí),給出了環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須要考慮桁架邊數(shù)和驅(qū)動(dòng)繩索與滑輪之間摩擦系數(shù)等影響傳動(dòng)效率的因素,可用以指導(dǎo)星載環(huán)形天線動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
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(編輯:李多)
Transmission Efficiency Study of Drive System of Space-borne Perimeter Truss Antenna
FENG Tao XIAO Yong ZHAO Jiang ZHANG Xin YANG Jungang
(Academy of Space Electronic Information Technology,Xi’an 710100,China)
The transmission efficiency of the driving system in the deployment process of a spaceborne perimeter truss deployable antenna is studied.An analytical expression of maximum drive force is derived.It is found from the numerical and experimental study that the transmission efficiency has high influence on the maximum drive force.The analytical expression of the transmission efficiency in the deployment process is modeled and analyzed.It is found that the number of truss units and the frictional coefficients between driving cables and pulleys are the key factors to the transmission efficiency.The results can offer some reference for the design of drive system of space-borne perimeter truss antenna.
space-borne;perimeter truss antenna;drive system;transmission efficiency
V443.4
:ADOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2016.01.007
2015-10-30;
:2015-11-27
國(guó)家自然科學(xué)基金(11290154,11402196)
馮濤,男,碩士研究生,從事星載天線結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。Email:daxuezi123@163.com。