本發(fā)明涉及有效載荷天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法。

背景技術(shù)：

隨著有效載荷天線的飛躍式發(fā)展，對(duì)天線多功能、多波段、遠(yuǎn)距離、高功率等性能要求越來越高，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸容量的要求越來越大，衛(wèi)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(dǎo)得到廣泛應(yīng)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(duì)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(huán)境設(shè)計(jì)成為星載無源平面反射陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的難點(diǎn)之一。綜合考慮高功率電性能傳輸?shù)牡蛽p特性、產(chǎn)品加工成型的工藝成熟度以及星載產(chǎn)品重量等要求，星載無源平面反射陣列采用金屬饋電波導(dǎo)的方式進(jìn)行電性能傳輸。

公開號(hào)為CN201857337U的專利文獻(xiàn)公開了一種錫槽升溫過程大罩鋼結(jié)構(gòu)膨脹熱變形的控制裝置，容易引起金屬內(nèi)部應(yīng)力集中。非專利文獻(xiàn)《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(dá)(SAR)系統(tǒng)的縫隙天線陣，其饋源主要通過折疊展開矩形波導(dǎo)進(jìn)行饋電，但未能考慮星載環(huán)境下的熱學(xué)特性以及折疊結(jié)構(gòu)引起的電磁損耗。非專利文獻(xiàn)《折疊波導(dǎo)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(dǎo)，主要分析了波導(dǎo)內(nèi)部壓力、材料厚度等條件對(duì)折疊波導(dǎo)空間形變的影響，忽略了外部環(huán)境因素對(duì)其力學(xué)環(huán)境的影響。非專利文獻(xiàn)《殷鋼波導(dǎo)變形分析及控制》分析了溫度線性變化對(duì)采用殷鋼材料波導(dǎo)傳輸性能的影響，未考慮殷剛波導(dǎo)的工藝成熟度。非專利文獻(xiàn)《S波段氣象雷達(dá)天線饋線設(shè)計(jì)與測(cè)量》介紹了一款用于氣象雷達(dá)的鋁型材饋電波導(dǎo)，波導(dǎo)采用分段式配合旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，忽略了空間熱環(huán)境引起波導(dǎo)變形導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電磁泄露等影響。非專利文獻(xiàn)《變形對(duì)梯形單脊波導(dǎo)衰減等傳輸特性影響》介紹了錯(cuò)位與受力變形對(duì)矩形單脊波導(dǎo)電性能的影響，無相應(yīng)改進(jìn)措施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法，通過設(shè)計(jì)彈性支架，解決金屬饋電波導(dǎo)的抗熱學(xué)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，可指導(dǎo)金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下及發(fā)射階段的形變控制設(shè)計(jì)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法，其特點(diǎn)是，包含以下步驟：

S1、根據(jù)星載無源平面反射陣列天線，確定金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性；

S2、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)布局、邊界條件、性能要求，確定彈性支架的結(jié)構(gòu)；

S3、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，建立金屬饋電波導(dǎo)的有限元模型；

S4、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的約束條件及熱載荷環(huán)境，計(jì)算金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下的熱應(yīng)力分布及熱變形值；

S5、根據(jù)熱應(yīng)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(dǎo)在空間環(huán)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(dǎo)，所述的金屬饋電波導(dǎo)分為依次連接的四個(gè)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(shè)置，并與所述支架固定，下端平直段通過彈性支架進(jìn)行約束，下端面通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器連接到星體內(nèi)部。

所述的步驟S1中，金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包含：金屬饋電波導(dǎo)的截面尺寸、金屬饋電波導(dǎo)的高度、金屬饋電波導(dǎo)的彎折角度、金屬饋電波導(dǎo)的法蘭尺寸。

所述的步驟S1中，確定金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包含：

根據(jù)饋源距天線陣面安裝高度確定金屬饋電波導(dǎo)的高度；

根據(jù)支架的外形結(jié)構(gòu)與饋電輸入端口位置，確定金屬饋電波導(dǎo)的彎折角度和平直段長(zhǎng)度；

根據(jù)輸入端電接口法蘭尺寸，確定金屬饋電波導(dǎo)端口與之匹配的法蘭尺寸；

根據(jù)星載無源平面反射陣列天線的工作頻率指標(biāo)要求，計(jì)算出金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁尺寸，根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的重量、剛度與加工工藝要求，確定金屬饋電波導(dǎo)的壁厚，由內(nèi)壁尺寸及壁厚確定金屬饋電波導(dǎo)的截面尺寸。

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

所述的金屬饋電波導(dǎo)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(shè)置在所述支撐架的上方；

傳輸波導(dǎo)法蘭，設(shè)置在所述支撐架與固定板之間，金屬饋電波導(dǎo)的下端平直段穿過所述傳輸波導(dǎo)法蘭；

一對(duì)固定螺釘，依次穿過所述固定板、傳輸波導(dǎo)法蘭與所述支撐架連接；

一對(duì)上部彈簧，分別套接在一對(duì)固定螺釘上，并且位于固定板與傳輸波導(dǎo)法蘭之間；

一對(duì)下部彈簧，分別套接在一對(duì)固定螺釘上，并且位于支撐架與傳輸波導(dǎo)法蘭之間。

所述的步驟S3中，金屬饋電波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)有限元模型表示為：

式中，M表示質(zhì)量陣，C表示阻尼陣，K表示剛度陣，F(xiàn)表示外載荷陣，與δ分別表示節(jié)點(diǎn)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(dǎo)的約束條件，金屬饋電波導(dǎo)的上端面與饋源連接，主體段沿所述支架設(shè)置，并與所述支架固定，下端平直段通過彈性支架進(jìn)行約束，下端面通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器連接到星體內(nèi)部；

根據(jù)星載無源平面反射陣列天線的工作環(huán)境，確定金屬饋電波導(dǎo)的高溫環(huán)境、低溫環(huán)境以及不同溫度環(huán)境下的工作時(shí)間；

分別計(jì)算金屬饋電波導(dǎo)在高溫環(huán)境下的熱應(yīng)力分布和熱變形值，低溫環(huán)境下的熱應(yīng)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(shù)和彈簧長(zhǎng)度，其中，彈性系數(shù)的計(jì)算公式為：

S＝(a+2h)·(b+2h)-ab

式中，k表示彈性系數(shù)，δ表示空間環(huán)境下的熱變形值，n表示安全系數(shù)，P表示空間環(huán)境下的熱應(yīng)力，S為波導(dǎo)截面積，a表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁長(zhǎng)度，b表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁寬度，h表示金屬饋電波導(dǎo)的壁厚；

彈簧長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

l＝b+2h+δ

式中，l表示彈簧長(zhǎng)度，b表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁寬度，h表示金屬饋電波導(dǎo)的壁厚，δ表示空間環(huán)境下的熱變形值。

本發(fā)明一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠解決金屬饋電波導(dǎo)空間形變控制問題，可用于解決金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下的抗力學(xué)設(shè)計(jì)及抗熱學(xué)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，可指導(dǎo)金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下及發(fā)射階段的形變控制設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法的流程圖；

圖2為金屬饋電波導(dǎo)的空間結(jié)構(gòu)布局圖；

圖3為金屬饋電波導(dǎo)剖面尺寸示意圖；

圖4為安裝在金屬饋電波導(dǎo)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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，一種金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下形變控制方法，包含以下步驟：

S1、根據(jù)星載無源平面反射陣列天線，確定金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)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(dǎo)3，所述的金屬饋電波導(dǎo)3分為依次連接的四個(gè)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(shè)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(jìn)行約束，下端面34通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器連接到星體內(nèi)部。

金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包含：金屬饋電波導(dǎo)的截面尺寸、金屬饋電波導(dǎo)的高度、金屬饋電波導(dǎo)的彎折角度、金屬饋電波導(dǎo)的法蘭尺寸。

確定金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包含：

根據(jù)饋源距天線陣面安裝高度確定金屬饋電波導(dǎo)的高度；

根據(jù)支架的外形結(jié)構(gòu)與饋電輸入端口位置，確定金屬饋電波導(dǎo)的彎折角度和平直段長(zhǎng)度；

根據(jù)輸入端電接口法蘭尺寸，確定金屬饋電波導(dǎo)端口與之匹配的法蘭尺寸；

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

金屬饋電波導(dǎo)的材料屬性包含：金屬饋電波導(dǎo)的材料類型、密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容。

常用的金屬饋電波導(dǎo)的材料類型為鋁材、銅材及殷鋼中的一種，，根據(jù)材料工藝成熟度以及衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求，在本實(shí)施例中選用鋁材制作金屬饋電波導(dǎo)，其材料屬性如表1所示。

表1

S2、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)布局、邊界條件、性能要求，確定彈性支架的結(jié)構(gòu)。

如圖5，并結(jié)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(shè)置在所述支撐架41的上方；傳輸波導(dǎo)法蘭43，設(shè)置在所述支撐架41與固定板42之間，金屬饋電波導(dǎo)的下端平直段33穿過所述傳輸波導(dǎo)法蘭43；一對(duì)固定螺釘44，依次穿過所述固定板42、傳輸波導(dǎo)法蘭43與所述支撐架41連接；一對(duì)上部彈簧45，分別套接在一對(duì)固定螺釘44上，并且位于固定板42與傳輸波導(dǎo)法蘭43之間；一對(duì)下部彈簧46，分別套接在一對(duì)固定螺釘44上，并且位于支撐架41與傳輸波導(dǎo)法蘭43之間。一對(duì)上部彈簧45和一對(duì)下部彈簧46有一定的彈力，達(dá)到可以上下調(diào)節(jié)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(huán)境較為惡劣，高溫環(huán)境時(shí)，金屬饋電波導(dǎo)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(dāng)星載無源平面反射陣列天線處于低溫環(huán)境，金屬饋電波導(dǎo)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(dǎo)軸向一定范圍的自由延展性，又提高了金屬饋電波導(dǎo)的抗力學(xué)性及太空環(huán)境下的熱脹冷縮的物理特性。傳輸波導(dǎo)法蘭43的間距為c，上部彈簧45(下部彈簧46)的彈簧長(zhǎng)度為l，固定板42的厚度為e，傳輸波導(dǎo)法蘭43的高度為f，支撐架41的高度為g+d+i。

S3、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，建立金屬饋電波導(dǎo)的有限元模型。

金屬饋電波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)有限元模型表示為：

式中，M表示質(zhì)量陣，C表示阻尼陣，K表示剛度陣，F(xiàn)表示外載荷陣，與δ分別表示節(jié)點(diǎn)加速度、速度和位移矢量。

S4、根據(jù)金屬饋電波導(dǎo)的約束條件及熱載荷環(huán)境，計(jì)算金屬饋電波導(dǎo)在空間環(huán)境下的熱應(yīng)力分布及熱變形值。

確定金屬饋電波導(dǎo)的約束條件，金屬饋電波導(dǎo)的上端面與饋源連接，主體段沿所述支架設(shè)置，并與所述支架固定，下端平直段通過彈性支架進(jìn)行約束，下端面通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器連接到星體內(nèi)部；

根據(jù)星載無源平面反射陣列天線的工作環(huán)境，確定金屬饋電波導(dǎo)的高溫環(huán)境、低溫環(huán)境以及不同溫度環(huán)境下的工作時(shí)間；

分別計(jì)算金屬饋電波導(dǎo)在高溫環(huán)境下的熱應(yīng)力分布和熱變形值，低溫環(huán)境下的熱應(yīng)力分布和熱變形值。

熱載荷環(huán)境主要為冷熱交變(-110℃～+110℃)的溫度環(huán)境。

S5、根據(jù)熱應(yīng)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(dǎo)在空間環(huán)境下的形變控制。

根據(jù)應(yīng)力分布F與形變值δ，結(jié)合波導(dǎo)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)n，計(jì)算彈性支架彈簧(上部彈簧及下部彈簧)彈力范圍(0～nF)和伸長(zhǎng)或壓縮量，由胡克定理計(jì)算出彈簧彈性系數(shù)k和彈簧長(zhǎng)度l。其中，根據(jù)應(yīng)力，結(jié)合胡克定律，彈性系數(shù)的計(jì)算公式為：

S＝(a+2h)·(b+2h)-ab

式中，k表示彈性系數(shù)，δ表示空間環(huán)境下的熱變形值，n表示安全系數(shù)，P表示空間環(huán)境下的熱應(yīng)力，S為波導(dǎo)截面積，a表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁長(zhǎng)度，b表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁寬度，h表示金屬饋電波導(dǎo)的壁厚；

彈簧長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

l＝b+2h+δ

式中，l表示彈簧長(zhǎng)度，b表示金屬饋電波導(dǎo)的內(nèi)壁寬度，h表示金屬饋電波導(dǎo)的壁厚，δ表示空間環(huán)境下的熱變形值。

螺釘長(zhǎng)度應(yīng)大于2l+e+f+g。

具體地，空間環(huán)境下鋁型材金屬饋電波導(dǎo)空間環(huán)境下熱應(yīng)力P最大值為1.24×106Pa，熱變形值δ最大值為0.88mm，帶入公式計(jì)算可得：k＝30.2N/mm。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。