星载抛物面天线热变形敏感性分析

热变形是影响星载天线精度的主要因素,分析影响星载天线在轨热变形因素的敏感性是控制其变形的基础.基于经典薄壳变形理论,采用一种曲线坐标系下的样条壳体单元,研究了不同太阳辐射角度下抛物面天线热变形均方根(RMS)对正交各向热传导系数的敏感性.为确定计算参数对抛物面天线在运行中变形RMS的影响,以运行一周中最大RMS(MRMS)为目标,基于正交试验方法分析了正交各向热传导系数、热膨胀系数、弹性模量和比热容对MRMS的敏感性.结果表明,在其所取水平条件下,热膨胀系数影响最大,热传导系数次之,弹性模量的影响较小,比热容最小.优化获得的参数为星载抛物面天线的复合材料铺层设计提供参考.     

地球同步轨道卫星对地点波束天线在轨热分析

卫星在轨运行期间,卫星天线部件的温度会随着不断变化的外热流和辐射交换而变化。对温度变化敏感的部件如天线反射器在这种情况下易发生热致振动现象,从而影响其正常功能。对在轨运行的卫星天线所进行的热分析为卫星天线的热控设计和热致振动的预测提供了温度数据。首先建立某型号卫星天线系统的物理模型,然后利用UG-TMG软件对其进行在轨运行空间瞬态热分析,最后分析天线反射器的温度结果,为以后的热致振动研究提供参考和数据支持。     

星载蜂窝夹层结构固面天线反射器的热变形

针对固面天线反射器在轨运行时自身结构因素受环境温度变化引起热变形的问题,以一口径为1.2 m的星载蜂窝夹层结构固面反射器为研究对象,首先采用有限元仿真软件详细分析了温度由20℃降到-80℃时,不同蒙皮材料、胶层厚度、蜂窝刚度和蜂窝的热膨胀系数（CTE）对反射器热变形型面精度均方根（RMS）的影响规律,其次采用热压罐成型工艺制备了M55J和T300蒙皮材料的两种典型蜂窝夹层结构反射器对仿真结果进行试验验证。结果表明：M55J蒙皮材料发射器的热变形比T300蒙皮材料反射器的小,同时发现发射器的热变形与胶层的厚度基本呈线性关系,胶层厚度越薄,反射器的热变形越小,且当胶层厚度一定时,蜂窝的热变形占主导因素,其刚度变化值提升2倍时影响趋势突变,此时蒙皮刚度对蜂窝热变形的抑制作用明显,当蜂窝的CTE改变11倍时,反射器热变形RMS改变值大于80%。经试验测得环境温度由20℃降到-80℃时两种典型反射器的热变形的RMS值和仿真计算差值分别为15.7%和15.2%,证明仿真结果可靠,可通过优化相应的结构参数为星载天线反射器的设计提供参考。     

空间超高频遥感反射器热变形优化及零膨胀材料的制备

空间超高频遥感反射器（工作频段600 GHz以上）在轨运行过程中,由于空间温度变化不均匀会产生热变形问题。为了保证反射面的电气性能,空间超高频遥感反射器要求反射面的型面精度均方差值r ≤ 10 μm。本文创新性地提出了一种单曲面板栅格结构反射器,利用有限元仿真分析软件对反射器进行热变形分析。研究了反射器的不同结构参数对反射面热变形的影响,并以低热变形为原则对反射器结构参数进行优化。优化后的结果仍然不能满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求,因此设计并制备了一种热膨胀系数α ≤ 0.5×10-7℃-1的零膨胀材料。这种零膨胀材料是将碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与芳纶（Kevlar）纤维织物按照一定比例交错循环铺层,利用该比例调整反射器层压板铺层,可以使反射面热变形降低至7.94 μm,满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求。      

地球低轨道卫星天线在轨热致振动分析

由于地球的频繁遮挡,当地球卫星在低轨道运行时,卫星的可展开天线会处在高低温交替的环境中,从而形成剧烈变化的温度场。剧烈的温度梯度变化会导致柔性较大的可展开天线发生热致振动,降低卫星全极化探测头部等关键部件的寿命。首先建立某型号卫星的物理模型,然后利用有限元法对其进行在轨时的空间瞬态热分析,得到可展开天线的温度场,将温度作为约束映射到结构仿真中,再在结构有限元模型上分析卫星的热变形,实现卫星天线热致振动的预测并为天线结构优化设计提供数据支持。对卫星模型进行热分析可以监测各时期的温度场以及预测有可能发生的热致振动,从而在不断优化设计的基础上避免这种不利的扰动。     

中继卫星在轨控制技术研究

针对中继卫星轨道、姿态和天线指向控制高度耦合的特性,研究了适应中继卫星特性及工作模式的在轨控制技术.分析了地球形状、太阳光压、日月引力等中继卫星轨道摄动;在此基础上,设计了中继卫星平台控制中的东西、南北位置保持环和控制策略;并在考虑轨道、姿态限制基础上,建立了中继卫星天线指向控制计算模型,分析了天线指向控制模式及捕获跟踪控制流程;从而从卫星平台控制和天线指向控制两个方面研究了中继卫星在轨控制技术.     

计及金属铰链的环形可展天线热-结构分析

空间热环境对环形可展天线在轨服役稳定性的影响很大，时刻变化着的热环境会造成天线温度的剧烈波动，从而导致天线结构的热变形，使得天线的形面精度恶化，影响天线电信号的传输甚至导致天线失效，因此有必要对天线进行热-结构分析。以环形可展天线为研究对象，考虑天线在轨服务环境中的各类因素（包括空间真空、空间低温、微重力和空间热源等），基于斯忒藩-玻尔兹曼定律和傅里叶热传导理论，利用有限元软件建立计及金属铰链的环形可展天线的热辐射-热传导分析模型，研究了环形可展天线的非均匀温度场；基于弹性热力学理论及有限元理论，建立计及与不计及金属铰链的环形可展天线的热变形分析模型，研究了非均匀温度场对环形可展天线形面精度和张力比的影响规律。研究结果表明：相较于不计及金属铰链的环形可展天线，计及金属铰链的环形可展天线的形面精度和张力比均发生恶化，其中形面精度变化值已达到毫米级。研究结果对同类型环形可展天线的热-结构分析有重要的借鉴意义，可为天线的结构设计提供参考。     

HY-2A卫星大气校正微波辐射计在轨数据定标和检验研究

海洋二号(HY-2A)卫星大气校正微波辐射计(ACMR)是为雷达高度计提供大气路径延迟校正的微波辐射计。本文针对ACMR热真空定标试验的原理、方法、实施过程及试验结果进行了阐述和分析,得到了ACMR 3个频率的辐射传输系数和非线性系数,并进行了天线订正的发射前算法分析,给出了天线温度系数。利用这些系数对在轨数据进行了处理,得到了在轨天线温度转换系数,并与Jason-1、Jason-2卫星上搭载的微波辐射仪(JMR)进行了匹配比较,结果表明一致性良好。     

上海65 m射电望远镜太阳辐射作用分析

利用 ANSYS 热分析模块分别对天线主副反射面板结构和天线的杆系结构建立有限元模型, 计算夏季7月15 日晴天无云这一最不利气候之一的天气各时刻的空气对流换热、太阳辐射、环境长波辐射换热以及阴影遮挡等各种边界条件, 研究分析了主面板、副面板在日照作用下的温度场分布, 特别是由于主面板反射太阳辐射热量并聚焦于副面板从而使副面板温度剧增的“太阳灶”现象;同时为获取天线结构在日照下指向误差变化规律, 还对天线杆系结构进行了日照非均匀热变形分析, 给出日照下主反射面型面精度随时间的变化规律。结果表明:主副面板之间存在的“太阳灶”效应使的副面板最高温度达135℃, 由于日照非均匀温度场的作用, 杆系结构中最大温差达到10.8℃。太阳照射引起的阴阳面造成主反射面不均匀热变形, 在俯仰角90°工况下导致RMS(反射面表面各点误差平方和均方根)最大增加0.35mm。这些数据为下一步结构的施工、传感器的布设以及局部温度控制措施提供了参考信息。     

数字摄影测量技术在抛物面天线型面精度、重力变形测试中的应用

对大口径抛物面天线而言,自重较大,型面精度会随天线俯仰角度的变化而变化,数字摄影测量技术可以量出天线任意姿态下型面精度,计算天线反射体重力变形数值,根据测量数据进行精度及重力预变形调整。66米口径天线实际应用中,型面调整精度0.25mm。测试结果表明数字摄影测量技术可用于天线重力变形测试和形面精度在位测量、调整。     

空间热载荷作用下星载天线耦合动态影响分析

为了研究空间热载荷对星载天线刚柔耦合多体系统的扰动,根据抛物反射面几何特征,采用壳体单元有限元离散化法,并考虑壳体厚度方向上的温度变化,建立了有限元列式的热传导方程;引入与应变能有关的耦合项,利用拉格朗日法推导了星载天线系统的大范围刚柔耦合动力学方程,研究了温度载荷对星载天线多体系统的动力学特性影响。仿真结果表明:空间热效应引起了动态的温度载荷,与结构变形发生耦合,诱发耦合颤振,加剧柔性反射面的弹性振动,造成卫星姿态和天线指向的扰动,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

基于BRDF的在轨卫星反射特性

基于卫星的背景特性、材料特性、轨道特性及太阳帆板与卫星本体的相对运动特性,研究了在轨卫星的可见光反射特性.实验测量了三种卫星表面常用材料典型角度的双向反射分布函数,并构建了三种材料改进的SunBRDF模型.提出了一种单自由度运动的太阳帆板入射光线矢量计算方法.根据卫星的几何尺寸和表面材料特性,仿真获得了在轨卫星不同观测...     

Thermo-structural analysis of space structures using Fourier tube elements

Space structures consisting of thin walled beams are subjected to incident solar heat flux and emit thermal energy by radiation. An improved thermo-structural analysis has been developed taking into account the nonlinear and time-dependent heat conduction and structural response in a circular tube space structure. The tube is modeled using the finite element method in the longitudinal direction, and the temperature gradient in the circumferential direction is predicted based on the Fourier series. The thermal and deflection analyses of a thin-walled tube beam suggests that the Fourier elemental model developed in this study can simulate accurately the thermo-structural behavior of tube structure, which agrees well with the predictions based on a conventional FE analysis and an analytical solution. The thermo-structural analysis of a more complex space parabolic antenna indicates that the Fourier elemental analysis can predict the change in focal length due to solar heat flux more accurately than the conventional FE analysis because of the consideration of the temperature difference in the cross-section of the beam in the Fourier elemental analysis.     

An Estimate of the Temperature Field of the Curvilinear Reflector of an Antenna under Unsteady Conditions

A mathematical model of the formation of the temperature field of the curvilinear reflector of a microwave antenna under unsteady conditions is proposed, based on an analytical solution of this problem for the individual faces of a polyhedron, which approximates the surface of the reflector. An estimate is made of the varying temperature field, taking into account the nonuniform heating of the surface by solar radiation, and also the corresponding changes in the directional characteristics of the antenna.     

Absorber design for a compound parabolic concentrator collector without transmission loss

A new design method for a compound parabolic concentrator heat collector is described. The conventional design of the ideal compound parabolic concentrator collector has a touching point between a light absorber and the reflectors. This structure is not preferable from the standpoint of conductive heat leakage and thermal stress on reflector materials. On the other hand, if the absorber and the reflectors are separated from each other, the gap between them usually causes optical errors such as light transmission loss or an increase in the reflection number. We discuss the fact that ideal heat collection is possible, in spite of the gap, by introducing the idea of an effective heat concentration ratio.