閆森浩, 周佐新, 胡幗杰

(中國空間技術(shù)研究院, 北京 100094)

近年來隨著深空探測、對地通信、空間科學(xué)等事業(yè)的快速發(fā)展,大口徑、高精度星載天線的需求量日益增加,天線各項性能指標(biāo)要求也越來越高。由于航天器運(yùn)載工具的限制,星載天線向可展開方向發(fā)展,而網(wǎng)狀天線因其在展開口徑、收納率、面密度、型面精度和工作頻率等方面的優(yōu)勢,是目前應(yīng)用最廣泛的一種可展開天線類型,國內(nèi)外學(xué)者對各類網(wǎng)狀天線的結(jié)構(gòu)形式、指向精度、在軌熱變形等進(jìn)行了大量研究[1-3]。

研究表明受空間熱環(huán)境的影響,大型網(wǎng)狀天線在軌運(yùn)行中要經(jīng)歷較大范圍的周期性高低溫變化,并在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度梯度,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱變形。大型網(wǎng)狀天線對型面變形十分敏感,熱變形將直接影響天線的電性能,特別對高頻段天線影響尤為顯著。為將天線熱變形控制在一定范圍內(nèi),保證在軌正常工作,需確保其具有良好的熱穩(wěn)定性。因此,大型網(wǎng)狀天線在軌熱穩(wěn)定性及其影響因素分析是大型網(wǎng)狀天線的研究重點。馬建等人[4]通過RVE(representative volume element)方法對天線支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計及熱致變形分析。朱敏波等人[5]利用正交試驗法分析了影響星載天線溫度場的主要因素,指出影響天線表面溫度的主要因素是吸收-發(fā)射比,其次是比熱容,再其次是熱傳導(dǎo)率,影響最小的是密度。楊艷妮等人[6]分析了溫度梯度對天線熱變形的影響,結(jié)合星載天線溫度平均偏差和變形均方根誤差,得出影響天線在軌熱穩(wěn)定性的判據(jù)。王婧等人[7]通過對比分析得出衛(wèi)星平臺對大型網(wǎng)狀天線溫度影響較大,并分析了天線反射網(wǎng)面與柔性繩索所用材料對溫度梯度的影響。綜上目前國內(nèi)外學(xué)者對大型網(wǎng)狀天線在軌熱穩(wěn)定性開展了大量研究,但對于天線關(guān)鍵柔性部件,如金屬網(wǎng)反射面、張力繩索及其支撐結(jié)構(gòu)等關(guān)注較少,對于柔性部件連接關(guān)系對天線熱響應(yīng)的影響尚不清楚。天線在軌運(yùn)行期間,金屬網(wǎng)反射面自身熱變形以及與其相連接的肋組件和張力繩索的熱變形均會影響天線型面精度,因此需對柔性連接結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)進(jìn)行研究。當(dāng)前熱響應(yīng)研究的主要方法包括地面熱試驗和熱仿真分析,但考慮到地面熱試驗費用高昂,且對于大型星載部件來說,全尺寸熱試驗開展難度較大,因此,熱仿真分析是研究大型網(wǎng)狀天線更為常用的方法。

本文使用有限元軟件構(gòu)建大型網(wǎng)狀天線熱分析模型,開展天線柔性連接結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)分析。文中基于熱平衡試驗數(shù)據(jù)修正獲得準(zhǔn)確的熱分析模型,仿真分析得到天線金屬網(wǎng)反射面、張力繩索、肋組件等柔性連接結(jié)構(gòu)對不同形式連接關(guān)系的熱響應(yīng)規(guī)律,從而為大型網(wǎng)狀天線的柔性連接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。

1 大型網(wǎng)狀天線熱分析建模

1) 有限元模型

大型網(wǎng)狀天線主要由金屬網(wǎng)反射面、張力繩索、肋組件、展開機(jī)構(gòu)、饋源等組成,如圖1所示,其中金屬網(wǎng)反射面由鍍金鉬絲編織而成,通過綁扎固定在肋組件與張力繩索上;張力繩索施加有預(yù)緊力,并與肋組件相連接,兩者共同為天線保證其型面精度提供支持;主肋連接在展開機(jī)構(gòu)上,在軌到位展開后相對位置不再發(fā)生變化。由于天線在軌運(yùn)行期間溫度分布對其型面精度有重要影響,且張力繩索和肋組件作為金屬網(wǎng)反射面的支撐結(jié)構(gòu),其熱變形會直接影響天線型面精度,因此,為保證型面精度滿足設(shè)計要求,需重點關(guān)注金屬網(wǎng)反射面、張力繩索、肋組件等結(jié)構(gòu)的溫度分布。

圖1 網(wǎng)狀可展開天線

本文利用有限元熱分析軟件構(gòu)建大型網(wǎng)狀天線有限元模型,為方便分析計算,同時考慮到傳熱關(guān)系,在有限元建模中采用了如下簡化與假設(shè)[8]:簡化肋板條與主肋的螺孔、螺釘?shù)燃?xì)小凸起部件及肋板條減輕孔;忽略金屬網(wǎng)熱物性的各向差異;金屬網(wǎng)為帶孔拋面,由于金屬網(wǎng)孔徑較小無法精確建模,因此建模時簡化為實體;金屬網(wǎng)太陽吸收率為0.15,紅外發(fā)射率為0.3,由于在模型中選用2D殼單元構(gòu)建的金屬網(wǎng)反射面為連續(xù)的實體單元,其輻射面積較真實狀態(tài)的金屬網(wǎng)有所增加,因此需要根據(jù)金屬網(wǎng)的孔隙率對太陽吸收率等各項輻射屬性參數(shù)進(jìn)行修正,本文所研究的金屬網(wǎng)孔隙率為0.5,經(jīng)折算后其太陽吸收率為0.075,紅外發(fā)射率為0.15。構(gòu)建有限元模型如圖2所示。

圖2 天線有限元模型

在熱分析中主要部件的熱物性參數(shù)如表1所示,金屬網(wǎng)太陽透過率為0.5,紅外透過率為0.7。此外,天線結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,包含主肋與展開機(jī)構(gòu)、金屬網(wǎng)與張力繩索、金屬網(wǎng)與肋組件以及張力繩索與肋組件等多種連接方式,其中主肋與展開機(jī)構(gòu)、展開機(jī)構(gòu)各部分之間均為螺栓連接,其熱耦合系數(shù)已有成熟經(jīng)驗值可供選取,但對于肋板條與金屬網(wǎng)、張力繩索與金屬網(wǎng)、張力繩索與肋組件3類柔性連接關(guān)系的熱耦合系數(shù)尚未有確定取值標(biāo)準(zhǔn),需通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,具體見表2。

表1 材料熱物理屬性

表2 主要連接關(guān)系熱耦合系數(shù)

2) 模型修正

本文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)修正金屬網(wǎng)反射面與肋板條、金屬網(wǎng)反射面與張力繩索以及張力繩索與肋組件3類柔性連接關(guān)系的熱耦合參數(shù),并以不同工況下的試驗數(shù)據(jù)對參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。前期以大型網(wǎng)狀天線為對象開展了熱試驗,試驗在真空罐中進(jìn)行,環(huán)境溫度為-175℃,輻射熱流分別為1 322 W/m2,1 414 W/m2以及1 760 W/m2,參與試驗的結(jié)構(gòu)包括金屬網(wǎng)反射面、張力繩索以及肋組件,并在試驗件上布置多個測溫點,其中測溫點1～6位于肋板條上,測溫點7～18位于主肋上,測溫點19～33位于張力繩索上。根據(jù)輻射熱流為1 322 W/m2工況條件下試驗數(shù)據(jù),迭代修正各連接關(guān)系熱耦合參數(shù),最終確定當(dāng)前連接關(guān)系下金屬網(wǎng)與張力繩索連接關(guān)系熱耦合系數(shù)為15 W/(m2·K),金屬網(wǎng)與肋板條連接關(guān)系熱耦合系數(shù)為7 W/(m2·K),張力繩索與肋組件連接關(guān)系熱耦合系數(shù)為2 W/(m2·K)。圖3為光源輻射強(qiáng)度為1 322 W/m2工況下計算值與試驗值的溫度對比情況,試驗測試值與有限元模型計算值偏差平均值為4.01℃,可見當(dāng)前參數(shù)下模擬擬合狀況良好。

以當(dāng)前模型分別計算輻射強(qiáng)度為1 414 W/m2和1 760 W/m2時的溫度分布,溫度偏差平均值分別為4.11℃,4.44℃,與試驗測試值擬合狀況良好,認(rèn)為該熱耦合參數(shù)準(zhǔn)確,具體情況如圖4、圖5所示:

圖3 1 322 W/m2溫度擬合情況 圖4 1 414 W/m2溫度擬合情況 圖5 1 760 W/m2溫度擬合情況

3) 計算結(jié)果分析

根據(jù)模型計算結(jié)果可知,天線各部件間溫度有較大差異。相同光照條件下肋組件溫度最高,張力繩索次之,金屬網(wǎng)反射面溫度最低。這是由于金屬網(wǎng)反射面太陽吸收率為0.15,張力繩索太陽吸收率為0.35,肋組件太陽吸收率為0.9,各部件表面輻射屬性的差異導(dǎo)致其吸收輻射量有所不同,因此金屬網(wǎng)溫度低于對應(yīng)位置張力繩索和肋組件的溫度。

天線各柔性連接結(jié)構(gòu)溫度最值出現(xiàn)的區(qū)域有所不同。金屬網(wǎng)反射面最高溫度出現(xiàn)在與肋板條相連接區(qū)域,主要是由于肋板條溫度較高,對金屬網(wǎng)接觸區(qū)域有加熱作用;張力繩索與肋組件最高溫度出現(xiàn)在光照區(qū)域中心,主要由其表面輻射屬性所決定;而三者最低溫度均出現(xiàn)在無光照區(qū)。

各柔性連接結(jié)構(gòu)自身溫度均勻性有所差異。由于金屬網(wǎng)自身熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于張力繩索和肋組件,因此對于同處于局部受照工況下的區(qū)域,金屬網(wǎng)反射面溫度分布均勻性優(yōu)于張力繩索與肋組件的溫度分布均勻性。

2 柔性連接結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析

大型網(wǎng)狀天線柔性連接結(jié)構(gòu)包括金屬網(wǎng)反射面、張力繩索以及肋組件,其中肋組件和張力繩索分別通過綁扎、繞縫等方式與金屬網(wǎng)反射面連接,使其保持良好的型面狀態(tài),張力繩索則通過與肋組件相連接,保持自身預(yù)緊力。為確定柔性連接結(jié)構(gòu)溫度分布對其連接關(guān)系的敏感度,需給出合理判據(jù)。

`本文開展對上述柔性連接結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析,分別以金屬網(wǎng)反射面、張力繩索、肋組件的最高溫度、最低溫度以及溫度平均偏差隨連接關(guān)系變化的情況作為其對相應(yīng)柔性連接關(guān)系熱響應(yīng)的判據(jù)。為使大型網(wǎng)狀天線在軌正常工作,需確保其具有較高的熱穩(wěn)定性。保證熱穩(wěn)定性一方面要求天線溫度波動在一定范圍內(nèi),本文為準(zhǔn)確反映柔性連接結(jié)構(gòu)對金屬網(wǎng)、肋組件及張力繩索溫度的影響程度,因此選用各部件的最高溫度、最低溫度隨熱耦合強(qiáng)度變化的情況作為其對相應(yīng)柔性連接關(guān)系的敏感度判據(jù)。另一方面要求天線溫度分布的均勻程度滿足要求,當(dāng)天線處于非均勻受照,即只有部分區(qū)域能接收太陽輻射,其余部分由于結(jié)構(gòu)遮擋等原因處于陰影區(qū)的情況下時自身溫度梯度到達(dá)最大,此時溫度場均勻性最差,熱變形情況最為劇烈。因此,本文在對金屬網(wǎng)反射面、肋組件及張力繩索溫度梯度的變化情況進(jìn)行討論時,均選取各結(jié)構(gòu)非均勻受照區(qū)域溫度的平均偏差作為其溫度均勻性的判據(jù)。此外由于天線各柔性連接結(jié)構(gòu)溫度分布對其連接關(guān)系的敏感性主要受連接方式影響,與太陽熱流方向無關(guān),為避免其他因素的干擾,本文在進(jìn)行分析工作時采用與地面熱試驗相同的邊界條件,通過改變接觸傳熱系數(shù)的大小分析各柔性連接結(jié)構(gòu)溫度分布對其連接關(guān)系的敏感性。

1) 肋板條與金屬網(wǎng)熱耦合關(guān)系

試驗設(shè)計狀態(tài)中金屬網(wǎng)反射面通過細(xì)繩綁扎固定在肋板條上,其接觸界面間無填料,熱耦合系數(shù)為7 W/(m2·K)。該連接關(guān)系接觸傳熱系數(shù)主要由界面接觸壓力、接觸表面粗糙度、材料熱導(dǎo)率、溫度等因素決定,本文主要分析不同壓緊力連接關(guān)系對所連接部件的溫度響應(yīng)。

根據(jù)相關(guān)研究[9],接觸傳熱系數(shù)隨壓緊力的增大而逐漸增大;已有試驗測得界面接觸壓力為25 kPa時,Ly12硬鋁合金接觸傳熱系數(shù)為127 W/(m2·K),本文分析模型中肋板條與金屬網(wǎng)反射面所用材料分別為M40J和鍍金鉬絲,鍍金鉬絲熱導(dǎo)率與Ly12硬鋁合金接近,M40J熱導(dǎo)率約為Ly12硬鋁合金的十分之一。金峻峰[10]指出當(dāng)接觸面一方導(dǎo)熱系數(shù)減小時,其接觸換熱系數(shù)隨之降低。因此,若使金屬網(wǎng)與肋板條接觸換熱系數(shù)約為30 W/(m2·K),其連接壓緊力需控制在25～35 kPa;接觸換熱系數(shù)約為5 W/(m2·K),其連接壓緊力需控制在5～10 kPa。

通過計算結(jié)果可知,在柔性連接關(guān)系增強(qiáng)的過程中,接觸換熱量隨之增加,這是由于接觸面壓緊力改變時對應(yīng)區(qū)域溫度改變,自身輻射、導(dǎo)熱量也有所不同。依據(jù)能量守恒原理,其接觸換熱量必然發(fā)生變化。

肋板條與金屬網(wǎng)反射面的最高溫度、最低溫度隨連接強(qiáng)度變化的情況如圖6所示。

圖6 肋板條與金屬網(wǎng)溫度響應(yīng)

由圖可以看出肋板條與金屬網(wǎng)反射面對兩者連接關(guān)系的溫度響應(yīng)敏感。隨著該連接關(guān)系壓緊力的增加,肋板條的最高溫度和最低溫度在逐漸變小,而金屬網(wǎng)的最高溫度和最低溫度在逐漸變大。說明肋板條與金屬網(wǎng)反射面連接關(guān)系對兩者溫度均有一定程度的影響,且肋板條溫度受影響程度高于金屬網(wǎng)。這是由于同一區(qū)域內(nèi)金屬網(wǎng)溫度低于肋板條溫度,當(dāng)壓緊力升高時,兩者換熱量增加,考慮到金屬網(wǎng)自身熱導(dǎo)率高于肋板條,綜合作用下產(chǎn)生如圖所示的溫度變化。此外,隨連接強(qiáng)度的增加,兩者溫度變化率不斷減小。

圖7為肋板條與金屬網(wǎng)反射面溫度均勻性隨其連接關(guān)系變化的情況。

圖7 肋板條與金屬網(wǎng)溫度均勻性變化情況

由圖可知,肋板條與金屬網(wǎng)反射面溫度均勻性對其連接關(guān)系敏感。肋板條溫度平均偏差值隨界面接觸壓力的增加而逐漸減小,即其溫度均勻性變好;金屬網(wǎng)反射面徑向與周向溫度平均偏差均隨界面接觸壓力的增加而逐漸增大,即金屬網(wǎng)溫度均勻性逐漸變差。由于金屬網(wǎng)反射面自身溫度均勻性優(yōu)于肋板條,當(dāng)其相互之間連接關(guān)系增強(qiáng)時,肋板條溫度均勻性將得到改善,而金屬網(wǎng)徑向溫度場均勻性會隨之惡化。同時,由于連接關(guān)系增強(qiáng),金屬網(wǎng)反射面上接觸位置溫度隨之升高,與周向區(qū)域溫差逐漸變大,導(dǎo)致其周向溫度均勻性變差。

2) 張力繩索與金屬網(wǎng)熱耦合關(guān)系

試驗狀態(tài)中張力繩索與金屬網(wǎng)通過細(xì)繩繞縫連接,為保證該連接關(guān)系可靠,滿足其力學(xué)性能要求,在連接處加入少量硅膠,接觸傳熱系數(shù)為15 W/(m2·K)。本節(jié)分析該連接關(guān)系熱響應(yīng)時,主要研究當(dāng)纏繞強(qiáng)度變化,即接觸界面壓緊力發(fā)生改變導(dǎo)致接觸傳熱系數(shù)不同時,張力繩索和金屬網(wǎng)反射面對應(yīng)的熱響應(yīng)。本文分析模型中張力繩索熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于Ly12硬鋁合金,考慮到硅膠對導(dǎo)熱性能的提升,若使張力繩索與金屬網(wǎng)接觸傳熱系數(shù)約為10 W/(m2·K),其界面壓緊力需控制在3～8 kPa;接觸傳熱系數(shù)約為60 W/(m2·K),界面壓緊力需控制在30～40 kPa。

張力繩索與金屬網(wǎng)反射面溫度隨連接強(qiáng)度變化的情況如圖8所示。從圖中可以看出張力繩索溫度響應(yīng)對連接關(guān)系敏感,金屬網(wǎng)反射面溫度相應(yīng)對該連接關(guān)系不敏感。當(dāng)界面接觸壓力增加時,張力繩索的最高溫度隨之降低,金屬網(wǎng)的最高溫度略有升高,但其變化情況相對于張力繩索可以忽略,同時兩者的最低溫度基本保持不變。這是由于這是由于兩者連接處接觸面積相比于金屬網(wǎng)整體面積比例極小,且金屬網(wǎng)自身熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于張力繩索,因此造成該連接關(guān)系對金屬網(wǎng)溫度基本無影響。且兩者最低溫度區(qū)域都處于無光照區(qū),接觸區(qū)域溫差較小,接觸換熱效果微弱導(dǎo)致最低溫度基本無變化。

圖8 張力繩索與金屬網(wǎng)溫度響應(yīng)

由上述分析可知金屬網(wǎng)溫度不受其與張力繩索連接關(guān)系影響,因此本節(jié)重點關(guān)注張力繩索溫度均勻性的受影響程度。圖9為張力繩索溫度均勻性隨熱耦合強(qiáng)度變化曲線圖,由圖可知,張力繩索溫度均勻性對該連接關(guān)系敏感。張力繩索溫度平均偏差隨界面接觸壓力的增加而逐步減小,即溫度均勻性得到改善。因此,在天線設(shè)計工作中可充分利用金屬網(wǎng)反射面自身導(dǎo)熱系數(shù)大、溫度均勻性良好的特點,加強(qiáng)張力繩索與金屬網(wǎng)的連接,強(qiáng)化兩者接觸換熱,以此達(dá)到改善張力繩索溫度均勻性的作用,同時也對兩者的力學(xué)連接關(guān)系有所加強(qiáng),使得天線網(wǎng)面型面更加符合理想狀態(tài),對網(wǎng)面預(yù)張力及結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整有正面效應(yīng)。

圖9 張力繩索溫度均勻性變化情況

3) 張力繩索與肋組件熱耦合關(guān)系

試驗設(shè)計狀態(tài)中張力繩索端頭與螺釘相連接,并通過螺釘固定在肋組件上,即張力繩索通過第三方介質(zhì)與肋組件連接,接觸傳熱系數(shù)為2 W/(m2·K)。本節(jié)在分析張力繩索與肋組件連接結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)時,主要研究張力繩索與螺釘不同連接強(qiáng)度對張力繩索與肋組件溫度分布的影響。由于螺釘與張力繩索、螺釘與肋組件均為金屬與非金屬連接,張力繩索與肋組件熱導(dǎo)率均小于Ly12硬鋁合金,考慮到螺釘在熱傳遞過程中帶來的熱阻,若使張力繩索與肋組件的接觸傳熱系數(shù)約為1 W/(m2·K),界面壓緊力需控制在5～15 kPa;接觸傳熱系數(shù)約為5 W/(m2·K),界面壓緊力需控制在40～50 kPa。

張力繩索與肋組件連接強(qiáng)度對兩者溫度的影響如圖10所示。

圖10 張力繩索與肋組件溫度響應(yīng)

由圖可知張力繩索與肋組件溫度響應(yīng)對該連接關(guān)系均不敏感。當(dāng)界面接觸壓力增加時,張力繩索與金屬網(wǎng)的最高溫度、最低溫度均不發(fā)生變化,即張力繩索與肋組件的連接關(guān)系對其溫度分布范圍無影響。張力繩索與肋組件溫度梯度變化情況如圖11所示,從圖中可以看出張力繩索與肋組件的溫度均勻性不受兩者連接強(qiáng)度的影響。因此,本文認(rèn)為張力繩索與肋組件連接關(guān)系對兩者溫度響應(yīng)無影響。

圖11 張力繩索與肋組件溫度均勻性

衡量天線最重要的指標(biāo)是其電氣性能指標(biāo),而天線溫度分布會對其電氣性能產(chǎn)生重要影響。天線在軌運(yùn)行期間由于受到空間環(huán)境的影響產(chǎn)生溫度梯度,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生熱變形,產(chǎn)生反射面型面精度誤差,進(jìn)而影響天線電氣性能?；诒疚姆治鼋Y(jié)果,可得出準(zhǔn)確的天線溫度分布情況,從而分析其電氣性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 論

大型網(wǎng)狀天線在軌運(yùn)行期間受空間環(huán)境影響產(chǎn)生溫度梯度,由此導(dǎo)致的熱變形會直接影響天線電性能,因此需保證天線工作期間溫度穩(wěn)定性,并掌握各結(jié)構(gòu)溫度分布的影響因素。本文使用有限元軟件構(gòu)建大型網(wǎng)狀天線熱分析模型,研究金屬網(wǎng)反射面、張力繩索、肋組件等柔性連接結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)規(guī)律。分析結(jié)果表明:金屬網(wǎng)反射面與肋組件溫度對兩者的連接關(guān)系敏感,各自對其與張力繩索的連接關(guān)系均不敏感,且隨兩者連接關(guān)系增強(qiáng),肋板條溫度均勻性有所改善,而金屬網(wǎng)溫度均勻性呈惡化趨勢;張力繩索溫度對其與金屬網(wǎng)的連接關(guān)系敏感,對其與肋組件的連接關(guān)系不敏感,當(dāng)張力繩索與金屬網(wǎng)連接關(guān)系的增強(qiáng)時,前者溫度均勻性逐漸改善。根據(jù)熱響應(yīng)分析結(jié)果,金屬網(wǎng)與張力繩索、金屬網(wǎng)與肋板條的連接關(guān)系均會影響結(jié)構(gòu)溫度均勻性,在設(shè)計中建議增強(qiáng)金屬網(wǎng)與張力繩索的連接關(guān)系,改善張力繩索溫度分布均勻性;對金屬網(wǎng)與肋板條的連接關(guān)系,需綜合考慮其對兩者溫度均勻性的影響,確定最佳連接強(qiáng)度。