一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法與流程

文檔序號：11155705閱讀：1043來源：國知局

本發明涉及有效載荷天線結構設計領域，具體涉及一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法。

背景技術：

隨著有效載荷天線的飛躍式發展，對天線多功能、多波段、遠距離、高功率等性能要求越來越高，衛星數據傳輸容量的要求越來越大，衛星的有效載荷隨之增加。高傳輸功率、低損耗和高可靠性的金屬饋電波導得到廣泛應用。

某大口徑星載無源平面反射陣列天線采用空饋形式的剛性反射陣列天線，其饋源與反射面之間的相對位置精度較高，高傳輸功率、低損耗和高可靠性的饋電方式選擇及抗空間熱環境設計成為星載無源平面反射陣列天線結構設計技術的難點之一。綜合考慮高功率電性能傳輸的低損特性、產品加工成型的工藝成熟度以及星載產品重量等要求，星載無源平面反射陣列采用金屬饋電波導的方式進行電性能傳輸。

公開號為CN201857337U的專利文獻公開了一種錫槽升溫過程大罩鋼結構膨脹熱變形的控制裝置，容易引起金屬內部應力集中。非專利文獻《Helgesson Propagation in dielectric slab loaded rectangular wave-guide》介紹了國外NASA Langley研究中心與L'Garde公司合作研制用于大口合成孔徑雷達(SAR)系統的縫隙天線陣，其饋源主要通過折疊展開矩形波導進行饋電，但未能考慮星載環境下的熱學特性以及折疊結構引起的電磁損耗。非專利文獻《折疊波導空間展開縱向形變控制分析》介紹了一種采用充氣薄膜形式制作波導，主要分析了波導內部壓力、材料厚度等條件對折疊波導空間形變的影響，忽略了外部環境因素對其力學環境的影響。非專利文獻《殷鋼波導變形分析及控制》分析了溫度線性變化對采用殷鋼材料波導傳輸性能的影響，未考慮殷剛波導的工藝成熟度。非專利文獻《S波段氣象雷達天線饋線設計與測量》介紹了一款用于氣象雷達的鋁型材饋電波導，波導采用分段式配合旋轉關節，忽略了空間熱環境引起波導變形導致旋轉關節電磁泄露等影響。非專利文獻《變形對梯形單脊波導衰減等傳輸特性影響》介紹了錯位與受力變形對矩形單脊波導電性能的影響，無相應改進措施。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法，通過設計彈性支架，解決金屬饋電波導的抗熱學設計難點，可指導金屬饋電波導在空間環境下及發射階段的形變控制設計。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法，其特點是，包含以下步驟：

S1、根據星載無源平面反射陣列天線，確定金屬饋電波導的幾何結構參數和材料屬性；

S2、根據金屬饋電波導的結構布局、邊界條件、性能要求，確定彈性支架的結構；

S3、根據金屬饋電波導的幾何結構參數和材料屬性，建立金屬饋電波導的有限元模型；

S4、根據金屬饋電波導的約束條件及熱載荷環境，計算金屬饋電波導在空間環境下的熱應力分布及熱變形值；

S5、根據熱應力分布及熱變形值，確定彈性支架的彈力范圍，以完成金屬饋電波導在空間環境下的形變控制。

所述的星載無源平面反射陣列天線包含天線陣面、支架、饋源及金屬饋電波導，所述的金屬饋電波導分為依次連接的四個部分，分別為上端面、主體段、下端平直段及下端面，其中，所述的上端面與所述饋源連接，所述的主體段沿所述支架設置，并與所述支架固定，下端平直段通過彈性支架進行約束，下端面通過波導同軸轉化器連接到星體內部。

所述的步驟S1中，金屬饋電波導的幾何結構參數包含：金屬饋電波導的截面尺寸、金屬饋電波導的高度、金屬饋電波導的彎折角度、金屬饋電波導的法蘭尺寸。

所述的步驟S1中，確定金屬饋電波導的幾何結構參數包含：

根據饋源距天線陣面安裝高度確定金屬饋電波導的高度；

根據支架的外形結構與饋電輸入端口位置，確定金屬饋電波導的彎折角度和平直段長度；

根據輸入端電接口法蘭尺寸，確定金屬饋電波導端口與之匹配的法蘭尺寸；

根據星載無源平面反射陣列天線的工作頻率指標要求，計算出金屬饋電波導的內壁尺寸，根據金屬饋電波導的重量、剛度與加工工藝要求，確定金屬饋電波導的壁厚，由內壁尺寸及壁厚確定金屬饋電波導的截面尺寸。

所述的步驟S1中，金屬饋電波導的材料屬性包含：金屬饋電波導的材料類型、密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、導熱系數及比熱容。

所述的金屬饋電波導的材料類型為鋁材、銅材及殷鋼中的一種。

所述的步驟S2中，彈性支架包含：

支撐架；

固定板，設置在所述支撐架的上方；

傳輸波導法蘭，設置在所述支撐架與固定板之間，金屬饋電波導的下端平直段穿過所述傳輸波導法蘭；

一對固定螺釘，依次穿過所述固定板、傳輸波導法蘭與所述支撐架連接；

一對上部彈簧，分別套接在一對固定螺釘上，并且位于固定板與傳輸波導法蘭之間；

一對下部彈簧，分別套接在一對固定螺釘上，并且位于支撐架與傳輸波導法蘭之間。

所述的步驟S3中，金屬饋電波導的結構有限元模型表示為：

式中，M表示質量陣，C表示阻尼陣，K表示剛度陣，F表示外載荷陣，與δ分別表示節點加速度、速度和位移矢量。

所述的步驟S4包含：

確定金屬饋電波導的約束條件，金屬饋電波導的上端面與饋源連接，主體段沿所述支架設置，并與所述支架固定，下端平直段通過彈性支架進行約束，下端面通過波導同軸轉化器連接到星體內部；

根據星載無源平面反射陣列天線的工作環境，確定金屬饋電波導的高溫環境、低溫環境以及不同溫度環境下的工作時間；

分別計算金屬饋電波導在高溫環境下的熱應力分布和熱變形值，低溫環境下的熱應力分布和熱變形值。

所述的步驟S5中，確定彈性支架的彈力范圍即確定彈性支架中上部彈簧及下部彈簧的彈性系數和彈簧長度，其中，彈性系數的計算公式為：

S＝(a+2h)·(b+2h)-ab

式中，k表示彈性系數，δ表示空間環境下的熱變形值，n表示安全系數，P表示空間環境下的熱應力，S為波導截面積，a表示金屬饋電波導的內壁長度，b表示金屬饋電波導的內壁寬度，h表示金屬饋電波導的壁厚；

彈簧長度的計算公式為：

l＝b+2h+δ

式中，l表示彈簧長度，b表示金屬饋電波導的內壁寬度，h表示金屬饋電波導的壁厚，δ表示空間環境下的熱變形值。

本發明一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法與現有技術相比具有以下優點：能夠解決金屬饋電波導空間形變控制問題，可用于解決金屬饋電波導在空間環境下的抗力學設計及抗熱學設計難點，可指導金屬饋電波導在空間環境下及發射階段的形變控制設計。

附圖說明

圖1為本發明一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法的流程圖；

圖2為金屬饋電波導的空間結構布局圖；

圖3為金屬饋電波導剖面尺寸示意圖；

圖4為安裝在金屬饋電波導下端平直段的彈性支架的立體圖；

圖5為彈性支架的剖面圖。

具體實施方式

以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。

如圖1所示，一種金屬饋電波導在空間環境下形變控制方法，包含以下步驟：

S1、根據星載無源平面反射陣列天線，確定金屬饋電波導的幾何結構參數和材料屬性。

如圖2所示，星載無源平面反射陣列天線包含天線陣面、支架1(碳纖維材料制成)、饋源2及金屬饋電波導3，所述的金屬饋電波導3分為依次連接的四個部分，分別為上端面31、主體段32、下端平直段33及下端面34，其中，所述的上端面31與所述饋源2連接(上端面的法蘭與饋源喇叭的法蘭通過螺釘連接)，所述的主體段32沿所述支架1設置，并與所述支架1固定(通過線扎固定)，下端平直段33通過彈性支架4進行約束，下端面34通過波導同軸轉化器連接到星體內部。

金屬饋電波導的幾何結構參數包含：金屬饋電波導的截面尺寸、金屬饋電波導的高度、金屬饋電波導的彎折角度、金屬饋電波導的法蘭尺寸。

確定金屬饋電波導的幾何結構參數包含：

根據饋源距天線陣面安裝高度確定金屬饋電波導的高度；

根據支架的外形結構與饋電輸入端口位置，確定金屬饋電波導的彎折角度和平直段長度；

根據輸入端電接口法蘭尺寸，確定金屬饋電波導端口與之匹配的法蘭尺寸；

根據星載無源平面反射陣列天線的工作頻率指標要求，計算出金屬饋電波導的內壁尺寸，根據金屬饋電波導的重量、剛度與加工工藝要求，確定金屬饋電波導的壁厚，由內壁尺寸及壁厚確定金屬饋電波導的截面尺寸。如圖3所示。

金屬饋電波導的材料屬性包含：金屬饋電波導的材料類型、密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、導熱系數及比熱容。

常用的金屬饋電波導的材料類型為鋁材、銅材及殷鋼中的一種，，根據材料工藝成熟度以及衛星產品對質量的嚴格要求，在本實施例中選用鋁材制作金屬饋電波導，其材料屬性如表1所示。

表1

S2、根據金屬饋電波導的結構布局、邊界條件、性能要求，確定彈性支架的結構。

如圖5，并結合圖3及圖4所示，彈性支架4包含支撐架41(鋁制)；固定板42，設置在所述支撐架41的上方；傳輸波導法蘭43，設置在所述支撐架41與固定板42之間，金屬饋電波導的下端平直段33穿過所述傳輸波導法蘭43；一對固定螺釘44，依次穿過所述固定板42、傳輸波導法蘭43與所述支撐架41連接；一對上部彈簧45，分別套接在一對固定螺釘44上，并且位于固定板42與傳輸波導法蘭43之間；一對下部彈簧46，分別套接在一對固定螺釘44上，并且位于支撐架41與傳輸波導法蘭43之間。一對上部彈簧45和一對下部彈簧46有一定的彈力，達到可以上下調節的作用。星載無源平面反射陣列天線暴露在星體外部，溫度環境較為惡劣，高溫環境時，金屬饋電波導3熱漲引起的向下變形，上部彈簧45拉伸、下部彈簧46收縮，當星載無源平面反射陣列天線處于低溫環境，金屬饋電波導3熱冷縮引起的向上變形，上部彈簧45收縮、下部彈簧46拉伸。彈性支架4即保證了金屬饋電波導軸向一定范圍的自由延展性，又提高了金屬饋電波導的抗力學性及太空環境下的熱脹冷縮的物理特性。傳輸波導法蘭43的間距為c，上部彈簧45(下部彈簧46)的彈簧長度為l，固定板42的厚度為e，傳輸波導法蘭43的高度為f，支撐架41的高度為g+d+i。

S3、根據金屬饋電波導的幾何結構參數和材料屬性，建立金屬饋電波導的有限元模型。

金屬饋電波導的結構有限元模型表示為：