一種大型可展開天線結構頻率調整技術研究

摘 要： 對環形桁架可展開天線的振動問題提出了一種被動控制的方法，通過對環形桁架可展開天線施加預應力來改變環形天線第一階固有頻率，使之與激振頻率錯開，從而避免共振，使振幅減小，最終使振動自由衰減下來，達到抑制共振的目的。對預應力影響結構頻率的原因進行了理論分析，計算了環形桁架可展開天線的帶寬，對不同預應力加載方式下的環形天線的頻率變化進行了仿真，最終確定了最佳的預應力加載方式。

關鍵詞： 共振； 環形天線； 預應力； 帶寬

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0075?04

0 引 言

隨著空間無線電技術的發展，大型空間結構的應用日趨廣泛。其中大型空間可展開天線作為一種特殊的空間結構得到了越來越廣泛的應用。

大型空間可展開衛星天線是近年內隨著航天科技發展需求而誕生的一種新型空間構造物，它以高比強度、高比剛度、高幾何穩定性、超低熱脹系數等特點的宇航材料為主體，并包含低副可動機構接點、驅動元件和主動或被動控制器等。此類天線在地面發射時為收攏狀態，固定在運載工具有效載荷艙內，當發射并進入軌道以后，由地面控制中心指令其在空間軌道上按設計要求，逐步完成展開動作，然后鎖定并保持為工作狀態。目前可采用的可展開天線形式有：花瓣型天線、傘狀天線、纏繞肋天線、環柱天線、構架式天線和環形可展開天線[1]。

大型空間可展開天線具有撓度大、阻尼小、模態頻率低且密集的特點[2]。在空間環境中受到低周擾動時容易引起結構的振動甚至共振，這不僅影響結構的正常工作，長期作用還會引起構件的疲勞和損傷。例如1996年，美國“斯巴達人”衛星因為振動使其天線朝一個方向翻滾，致使天線表面產生褶皺[3]。因此對大型空間可展開天線的振動進行抑制是十分有必要的。

1 環形天線

環形可展開天線是目前大型星載可展開天線理想的結構形式。環形天線口徑可應用于6～150 m的范圍，結構形式簡單，在一定范圍內口徑的增大不會改變天線的結構形式，質量也不會成比例增加，環形桁架可展開天線主要由四部分組成：可展開的周邊桁架、金屬反射網面、柔性張力索網以及展開動力機構[4]。2000年12月5日發射的名為Thyraya衛星上的天線采用的就是這種形式[5]，具體結構如圖1所示。

針對環形天線的低階振動問題，2007—2010年間，中國空間技術研究院西安分院與西安交通大學合作研制出了一種雙壓電堆作動器，當環形天線產生低階振動時，該作動器可激發環形天線做與振動方向相反方向的運動，進而達到振動抑制的目的。但該方法消耗能量較大，控制系統結構復雜且可靠性低，目前難以投入實際應用。本文針對環形桁架可展開天線的低階振動問題，提出一種被動控制的方法，通過對環形天線施加預應力改變環形天線的第一階頻率，使之與激振力頻率錯開，從而避免環形天線的共振，最終使振動自由衰減下來，達到振動抑制的目的。