大型網狀天線柔性連接結構熱響應分析

閆森浩, 周佐新, 胡幗杰

(中國空間技術研究院, 北京 100094)

近年來隨著深空探測、對地通信、空間科學等事業的快速發展,大口徑、高精度星載天線的需求量日益增加,天線各項性能指標要求也越來越高。由于航天器運載工具的限制,星載天線向可展開方向發展,而網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勢,是目前應用最廣泛的一種可展開天線類型,國內外學者對各類網狀天線的結構形式、指向精度、在軌熱變形等進行了大量研究[1-3]。

研究表明受空間熱環境的影響,大型網狀天線在軌運行中要經歷較大范圍的周期性高低溫變化,并在結構中產生較大的溫度梯度,導致結構熱變形。大型網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,保證在軌正常工作,需確保其具有良好的熱穩定性。因此,大型網狀天線在軌熱穩定性及其影響因素分析是大型網狀天線的研究重點。馬建等人[4]通過RVE(representative volume element)方法對天線支撐結構進行熱穩定性優化設計及熱致變形分析。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-發射比,其次是比熱容,再其次是熱傳導率,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定性的判據。王婧等人[7]通過對比分析得出衛星平臺對大型網狀天線溫度影響較大,并分析了天線反射網面與柔性繩索所用材料對溫度梯度的影響。綜上目前國內外學者對大型網狀天線在軌熱穩定性開展了大量研究,但對于天線關鍵柔性部件,如金屬網反射面、張力繩索及其支撐結構等關注較少,對于柔性部件連接關系對天線熱響應的影響尚不清楚。天線在軌運行期間,金屬網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構熱響應進行研究。當前熱響應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狀天線更為常用的方法。

本文使用有限元軟件構建大型網狀天線熱分析模型,開展天線柔性連接結構的熱響應分析。文中基于熱平衡試驗數據修正獲得準確的熱分析模型,仿真分析得到天線金屬網反射面、張力繩索、肋組件等柔性連接結構對不同形式連接關系的熱響應規律,從而為大型網狀天線的柔性連接結構設計提供重要參考。

1 大型網狀天線熱分析建模

1) 有限元模型

大型網狀天線主要由金屬網反射面、張力繩索、肋組件、展開機構、饋源等組成,如圖1所示,其中金屬網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;主肋連接在展開機構上,在軌到位展開后相對位置不再發生變化。由于天線在軌運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反射面的支撐結構,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計要求,需重點關注金屬網反射面、張力繩索、肋組件等結構的溫度分布。

圖1 網狀可展開天線

本文利用有限元熱分析軟件構建大型網狀天線有限元模型,為方便分析計算,同時考慮到傳熱關系,在有限元建模中采用了如下簡化與假設[8]:簡化肋板條與主肋的螺孔、螺釘等細小凸起部件及肋板條減輕孔;忽略金屬網熱物性的各向差異;金屬網為帶孔拋面,由于金屬網孔徑較小無法精確建模,因此建模時簡化為實體;金屬網太陽吸收率為0.15,紅外發射率為0.3,由于在模型中選用2D殼單元構建的金屬網反射面為連續的實體單元,其輻射面積較真實狀態的金屬網有所增加,因此需要根據金屬網的孔隙率對太陽吸收率等各項輻射屬性參數進行修正,本文所研究的金屬網孔隙率為0.5,經折算后其太陽吸收率為0.075,紅外發射率為0.15。構建有限元模型如圖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如表1所示,金屬網太陽透過率為0.5,紅外透過率為0.7。此外,天線結構形式復雜,包含主肋與展開機構、金屬網與張力繩索、金屬網與肋組件以及張力繩索與肋組件等多種連接方式,其中主肋與展開機構、展開機構各部分之間均為螺栓連接,其熱耦合系數已有成熟經驗值可供選取,但對于肋板條與金屬網、張力繩索與金屬網、張力繩索與肋組件3類柔性連接關系的熱耦合系數尚未有確定取值標準,需通過試驗數據進行修正,具體見表2。

表1 材料熱物理屬性

表2 主要連接關系熱耦合系數

2) 模型修正

本文根據試驗數據修正金屬網反射面與肋板條、金屬網反射面與張力繩索以及張力繩索與肋組件3類柔性連接關系的熱耦合參數,并以不同工況下的試驗數據對參數的準確性進行驗證。前期以大型網狀天線為對象開展了熱試驗,試驗在真空罐中進行,環境溫度為-175℃,輻射熱流分別為1 322 W/m2,1 414 W/m2以及1 760 W/m2,參與試驗的結構包括金屬網反射面、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。根據輻射熱流為1 322 W/m2工況條件下試驗數據,迭代修正各連接關系熱耦合參數,最終確定當前連接關系下金屬網與張力繩索連接關系熱耦合系數為15 W/(m2·K),金屬網與肋板條連接關系熱耦合系數為7 W/(m2·K),張力繩索與肋組件連接關系熱耦合系數為2 W/(m2·K)。圖3為光源輻射強度為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℃,可見當前參數下模擬擬合狀況良好。

以當前模型分別計算輻射強度為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,認為該熱耦合參數準確,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) 計算結果分析

根據模型計算結果可知,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,金屬網反射面溫度最低。這是由于金屬網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致其吸收輻射量有所不同,因此金屬網溫度低于對應位置張力繩索和肋組件的溫度。

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

各柔性連接結構自身溫度均勻性有所差異。由于金屬網自身熱導率遠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域,金屬網反射面溫度分布均勻性優于張力繩索與肋組件的溫度分布均勻性。

2 柔性連接結構熱響應分析

大型網狀天線柔性連接結構包括金屬網反射面、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反射面連接,使其保持良好的型面狀態,張力繩索則通過與肋組件相連接,保持自身預緊力。為確定柔性連接結構溫度分布對其連接關系的敏感度,需給出合理判據。

`本文開展對上述柔性連接結構熱響應分析,分別以金屬網反射面、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系變化的情況作為其對相應柔性連接關系熱響應的判據。為使大型網狀天線在軌正常工作,需確保其具有較高的熱穩定性。保證熱穩定性一方面要求天線溫度波動在一定范圍內,本文為準確反映柔性連接結構對金屬網、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度變化的情況作為其對相應柔性連接關系的敏感度判據。另一方面要求天線溫度分布的均勻程度滿足要求,當天線處于非均勻受照,即只有部分區域能接收太陽輻射,其余部分由于結構遮擋等原因處于陰影區的情況下時自身溫度梯度到達最大,此時溫度場均勻性最差,熱變形情況最為劇烈。因此,本文在對金屬網反射面、肋組件及張力繩索溫度梯度的變化情況進行討論時,均選取各結構非均勻受照區域溫度的平均偏差作為其溫度均勻性的判據。此外由于天線各柔性連接結構溫度分布對其連接關系的敏感性主要受連接方式影響,與太陽熱流方向無關,為避免其他因素的干擾,本文在進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的大小分析各柔性連接結構溫度分布對其連接關系的敏感性。

1) 肋板條與金屬網熱耦合關系

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

根據相關研究[9],接觸傳熱系數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為127 W/(m2·K),本文分析模型中肋板條與金屬網反射面所用材料分別為M40J和鍍金鉬絲,鍍金鉬絲熱導率與Ly12硬鋁合金接近,M40J熱導率約為Ly12硬鋁合金的十分之一。金峻峰[10]指出當接觸面一方導熱系數減小時,其接觸換熱系數隨之降低。因此,若使金屬網與肋板條接觸換熱系數約為30 W/(m2·K),其連接壓緊力需控制在25～35 kPa;接觸換熱系數約為5 W/(m2·K),其連接壓緊力需控制在5～10 kPa。

通過計算結果可知,在柔性連接關系增強的過程中,接觸換熱量隨之增加,這是由于接觸面壓緊力改變時對應區域溫度改變,自身輻射、導熱量也有所不同。依據能量守恒原理,其接觸換熱量必然發生變化。

肋板條與金屬網反射面的最高溫度、最低溫度隨連接強度變化的情況如圖6所示。

圖6 肋板條與金屬網溫度響應

由圖可以看出肋板條與金屬網反射面對兩者連接關系的溫度響應敏感。隨著該連接關系壓緊力的增加,肋板條的最高溫度和最低溫度在逐漸變小,而金屬網的最高溫度和最低溫度在逐漸變大。說明肋板條與金屬網反射面連接關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。這是由于同一區域內金屬網溫度低于肋板條溫度,當壓緊力升高時,兩者換熱量增加,考慮到金屬網自身熱導率高于肋板條,綜合作用下產生如圖所示的溫度變化。此外,隨連接強度的增加,兩者溫度變化率不斷減小。

圖7為肋板條與金屬網反射面溫度均勻性隨其連接關系變化的情況。

圖7 肋板條與金屬網溫度均勻性變化情況

由圖可知,肋板條與金屬網反射面溫度均勻性對其連接關系敏感。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,即金屬網溫度均勻性逐漸變差。由于金屬網反射面自身溫度均勻性優于肋板條,當其相互之間連接關系增強時,肋板條溫度均勻性將得到改善,而金屬網徑向溫度場均勻性會隨之惡化。同時,由于連接關系增強,金屬網反射面上接觸位置溫度隨之升高,與周向區域溫差逐漸變大,導致其周向溫度均勻性變差。

2) 張力繩索與金屬網熱耦合關系

試驗狀態中張力繩索與金屬網通過細繩繞縫連接,為保證該連接關系可靠,滿足其力學性能要求,在連接處加入少量硅膠,接觸傳熱系數為15 W/(m2·K)。本節分析該連接關系熱響應時,主要研究當纏繞強度變化,即接觸界面壓緊力發生改變導致接觸傳熱系數不同時,張力繩索和金屬網反射面對應的熱響應。本文分析模型中張力繩索熱導率遠低于Ly12硬鋁合金,考慮到硅膠對導熱性能的提升,若使張力繩索與金屬網接觸傳熱系數約為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。

張力繩索與金屬網反射面溫度隨連接強度變化的情況如圖8所示。從圖中可以看出張力繩索溫度響應對連接關系敏感,金屬網反射面溫度相應對該連接關系不敏感。當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整體面積比例極小,且金屬網自身熱導率遠高于張力繩索,因此造成該連接關系對金屬網溫度基本無影響。且兩者最低溫度區域都處于無光照區,接觸區域溫差較小,接觸換熱效果微弱導致最低溫度基本無變化。

圖8 張力繩索與金屬網溫度響應

由上述分析可知金屬網溫度不受其與張力繩索連接關系影響,因此本節重點關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度變化曲線圖,由圖可知,張力繩索溫度均勻性對該連接關系敏感。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,在天線設計工作中可充分利用金屬網反射面自身導熱系數大、溫度均勻性良好的特點,加強張力繩索與金屬網的連接,強化兩者接觸換熱,以此達到改善張力繩索溫度均勻性的作用,同時也對兩者的力學連接關系有所加強,使得天線網面型面更加符合理想狀態,對網面預張力及結構設計調整有正面效應。

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系

試驗設計狀態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與肋組件連接,接觸傳熱系數為2 W/(m2·K)。本節在分析張力繩索與肋組件連接結構熱響應時,主要研究張力繩索與螺釘不同連接強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約為1 W/(m2·K),界面壓緊力需控制在5～15 kPa;接觸傳熱系數約為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

由圖可知張力繩索與肋組件溫度響應對該連接關系均不敏感。當界面接觸壓力增加時,張力繩索與金屬網的最高溫度、最低溫度均不發生變化,即張力繩索與肋組件的連接關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度的影響。因此,本文認為張力繩索與肋組件連接關系對兩者溫度響應無影響。

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是其電氣性能指標,而天線溫度分布會對其電氣性能產生重要影響。天線在軌運行期間由于受到空間環境的影響產生溫度梯度,導致結構發生熱變形,產生反射面型面精度誤差,進而影響天線電氣性能。基于本文分析結果,可得出準確的天線溫度分布情況,從而分析其電氣性能指標是否滿足設計要求。

3 結 論

大型網狀天線在軌運行期間受空間環境影響產生溫度梯度,由此導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定性,并掌握各結構溫度分布的影響因素。本文使用有限元軟件構建大型網狀天線熱分析模型,研究金屬網反射面、張力繩索、肋組件等柔性連接結構的熱響應規律。分析結果表明:金屬網反射面與肋組件溫度對兩者的連接關系敏感,各自對其與張力繩索的連接關系均不敏感,且隨兩者連接關系增強,肋板條溫度均勻性有所改善,而金屬網溫度均勻性呈惡化趨勢;張力繩索溫度對其與金屬網的連接關系敏感,對其與肋組件的連接關系不敏感,當張力繩索與金屬網連接關系的增強時,前者溫度均勻性逐漸改善。根據熱響應分析結果,金屬網與張力繩索、金屬網與肋板條的連接關系均會影響結構溫度均勻性,在設計中建議增強金屬網與張力繩索的連接關系,改善張力繩索溫度分布均勻性;對金屬網與肋板條的連接關系,需綜合考慮其對兩者溫度均勻性的影響,確定最佳連接強度。