大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究.pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0276-07大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究金路1，李勃衡1，田大可2(1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168；2.沈阳建筑大学机械工程学院，沈阳110168)摘要：在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击，这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应，选用 ANSYS/AUTODYN 有限元软件，建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型，模拟天线展开锁定时遭遇 2.5mm7.5mm 的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑 1.0km/s15.0km/s 的撞击速度和不同撞击位置工况下，天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明：空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段，撞击点越靠近天线形心，结构响应越明显，结构的平均变形越大；随着撞击速度增大，可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势，当撞击速度大于 12.5km/s 时，天线受撞击的影响区域逐渐缩小；空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视，可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。关键词：空间可展开天线；空间碎片；撞击响应；金属反射面；防护设计中图分类号：V443+.4文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S011IMPACTDYNAMICRESPONSERESEARCHONLARGEAPERTURESPACEDEPLOYABLEANTENNAWITHCABLE-MESHJINLu1,LIBo-heng1,TIANDa-ke2(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)Abstract:Thelargeaperturespacedeployableantennainorbitmayencounterhigh-speedimpactsfromtinyspacedebris,whichseriouslythreatensthesafeserviceoftheantennaonboard.Inordertostudythedynamicresponseofthesupportstructureofthespacemeshdeployableantennaandtheparaboliccable-meshduringhighspeedimpact,ANSYS/AUTODYNisselectedtobuildadynamicimpactsimulationmodelofthelargeaperturespacemeshdeployableantennatosimulatethedynamicresponseoftheantennaduringtheimpactwithspacedebris of 2.5 mm-7.5 mm when the antenna is deployed and locked.The overall dynamic response of thestructure,thedamagestateofkeyrodsandparaboliccablenetworkaswellasthedeformationperformanceofthestructureasawholeareconsideredforimpactvelocitiesof1.0km/s-15.0km/sanddifferentimpactpositionconditions.Theresultsshowthatthestructuralresponseofthespatiallyexpandableantennastructuretospacedebrisimpactcanbedividedintothreestages:localvibration,cablerestraintandoverallvibration.Acloserdistancebetweentheimpactpointandthecentreoftheantennaleadstomoreobviousstructuralresponseandlargeraveragedeformationofthestructure.Astheimpactvelocityincreases,theaveragestructuraldeformationofthespreadingantennatendstoincreaseinitiallyandthendecrease.Whentheimpactvelocityisgreaterthan12.5km/s,theimpactareaoftheantennaisgraduallyreduced.Theoveralldeformationofthespreadingantenna收稿日期：2022-06-08；修改日期：2023-01-18基金项目：辽宁省教育厅科学研究面上项目(LJKZ0563)；中国博士后科学基金面上项目(2019M661126)；辽宁省自然科学基金面上项目(2022-MS-278)通讯作者：田大可(1981)，男，辽宁人，副教授，博士，主要从事宇航空间折展结构方面研究(E-mail:).作者简介：金路(1982)，女，辽宁人，教授，博士，主要从事高层与轻型钢结构、折展结构方面研究(E-mail:);李勃衡(1998)，男，辽宁人，硕士生，主要从事空间结构方面研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS276isnotnegligiblewhenitisimpactedbytinyspacedebrisathighvelocity,whichcanprovidereferenceforthesubsequentstructuralprotectionandvulnerabilityanalysis.Keywords:spacedeployableantenna;spacedebris;impactresponse;metalreflectivesurfaces;protectivedesign随着星载天线在深空探测、遥感导航、军事侦察等领域应用需求不断提高，星载天线的大口径化、轻量化已成为目前空间宇航技术领域研究的前沿和热点问题1。模块化空间可展天线是为解决大型航天器结构需求与火箭发射舱壁包络尺寸要求而发展的一种新型空间可展结构，通过改变模块的形状与数量、组合排布方式等，实现未来极大口径星载天线的设计需求2。随着人类空间活动次数的不断增加，由航天器剥落、溅射或意外解体等产生的空间碎片数量以每年 10%的数量增长，从而增加了与在轨飞行器碰撞的风险34。目前，针对 1mm 以下的微小空间碎片可采取防护措施，针对 10mm 以上的较大空间碎片可以进行在轨编目并规避，而 1mm10mm 的危险碎片目前暂无有效解决对策5。从20 世纪50 年代至今，美国、俄罗斯、NASA、ESA、COSPAR 等主要航天国及国际组织开展了大量的空间碎片防护研究，尤其在航天器撞击后的易损性分析、整星撞击解体模型等方面取得了丰硕的成果67。我国在载人航天器的空间碎片防护方面也取得一定成果，在先进防护材料的开发、航天器撞击效应与特性等方面取得了一定进展。西北核技术研究所、上海卫星工程研究所等单位开展了二级轻气炮高速及超高速撞击实验8，哈尔滨工业大学管公顺等9开展了单、多层板的超高速撞击实验，浙江大学王宏建等10针对充气天线的空间碎片碰撞问题进行了研究，为我国载人航天器及卫星的空间防护技术提供技术保障。综上，目前国内外专家学者对载人航天器及卫星遭遇空间碎片撞击的易损性及防护研究较多，对星载天线的撞击结构响应分析较少。空间可展天线结构复杂，展开后几何尺寸远大于载人航天器且刚度较大，天线网面及结构形变要求精度高，对撞击变形敏感。因此，星载天线受空间碎片撞击致网面精度变化的问题不可忽视，也是空间可展天线的易损性分析及防护设计亟需解决的问题。本文针对大口径模块化网面空间可展天线，分析可展天线结构在微小空间碎片高速撞击时的结构动力响应，研究撞击位置及撞击物速度对天线结构动力响应的影响机制，可为空间可展天线后续的损伤识别与防护设计提供参考。1空间可展天线模型建立1.1几何模型天线结构六边形单模块各部件组件如图 1 所示，六边形单模块由 6 个肋单元组成，边长为600mm，竖杆高度为 150mm，其中天线索网面通过竖杆安装在支承桁架上11。金属反射网张紧索调节索前索网后索网肋单元索网结构支撑结构可展开模块单元竖杆图1天线单模块结构构成Fig.1Thesinglemodulestructureoftheantenna图 2 为加工制作的单模块原理样机模型，通过样机的展开收拢试验验证了单模块样机的可行性。空间几何结构的建模过程如图 3 所示，采用齐次坐标变换法将六边形模块拓扑组成的平面几何构型等效成包络圆，并投影至球面，通过联立方程组求解出相邻包络圆的交点坐标，从而建立网面式空间可展天线结构的几何模型12，其中平面拓扑示意图如图 4 所示。四层六边形模块化空间可展天线由 37 个尺寸基本相同的单模块组成，图2单模块原理样机模型Fig.2Singlemoduleprincipleprototypemodel工程力学277当天线入轨完全展开锁定时，其整体结构包络矩形尺寸为 6000mm7275mm。模块对应的包络圆模块化结构求包络圆交点坐标模块化可展开天线包络圆模型xoyzRr图3空间几何建模过程Fig.3Processofspacegeometrymodelingyx6000 mm7225 mm约束点第三层第四层图4四层模块拓扑图Fig.4Four-layermoduletopologyview1.2有限元模型采用有限元软件 ANSYS 建立空间可展天线整体结构数值模型，天线结构各弦杆采用 BEAM188单元，拉索采用 LINK180 单元，MASS21 单元模拟集中质量。杆件材质为 2A12 铝合金13，拉索材质为不锈钢，在交叉拉索间施加预紧力 200N。空间可展天线结构材料特性及杆件参数如表 1 所示。天线组装时，相邻模块通过连接件拼接竖杆连接，在模型建立时对此部分连接采用单竖杆进行等刚度代换。考虑空间可展天线在轨运行时的工作环境为微重力(104g，g 为重力加速度)，因此，模拟时忽略重力加速度作用14。结构有限元模型如图 5 所示。由于金属反射面面密度较小，在研究中考虑将金属反射面以均布荷载等效施加到索网上。天线的展开与收纳通过安装在中心杆上的驱动模块实现，将滑块及驱动模块、连接铰链的质量等效为集中荷载施加在竖杆端，滑块及驱动模块质量为 0.04kg，铰链质量为 0.02kg。卫星入轨后，伸展臂自动展开并将天线送至工作位置，将结构最外层中间竖杆两端设为固定支座，模拟天线结构的约束情况。表1结构材料特性及杆件参数Table1Structuralmaterialpropertiesandbarparameters部件弹性模量E/GPa密度P/(kgm3)泊松比 内径Ri/mm 外径Ro/mm竖杆71.727700.335.006.00弦杆、腹杆71.727700.334.005.00拉索150.078000.300.000.50约束图5四层网面空间可展天线有限元模型Fig.5Finiteelementmodeloffourlayerspacedeployableantennawithcable-mesh1.3有限元撞击模型验证为验证撞击动力响应模型的有效性，采用ANSYS/AUTODYN 有限元软件对文献 15 中弹丸超高速撞击单层薄板试验的 05 工况进行数值模拟，将数值模拟结果与试验结果比较。试验及图像采集装置如图 6 所示，薄板材料为 2A12 铝合金，厚度 0.5mm，弹丸为球形，直径 6.35mm，材料为Al2017-T4；经有限元全过程模拟得到的碎片云与地面试验结果对比如图 7 所示，由此可知撞击速度为 5km/s 在 7.02s 时刻的两种碎片云结构基本相同，靶板成孔大小及形态基本一致，地面试验靶舱薄板X射线成像板观察板窗口X射线光源弹丸碎片云图6超高速撞击碎片云试验及图像采集方案Fig.6Hypervelocityimpactdebriscloudexperimentandimageacquisitionscheme278工程力学的碎片云图像相对数值模拟结果较为平缓，主要原因为地面射线照片有一定的视觉偏差。地面试验结果如图 7(a)所示，数值模拟结果如图 7(b)所示。为进一步对比试验与模拟结果，在地面试验结果及数值模拟结果中分别设置特征点(V1a,V2a)进行比较，结果如表 2 所示，数值模型与试验结果相差均不超过 5%，两者吻合较好，由此可说明该撞击模型及方法的正确性。V1aV2aV2aV1a(a)地面试验结果(b)数值模拟结果图7地面试验与数值模拟结果比较Fig.7Comparisonbetweentheresultsofgroundexperimentandnumericalsimulation表2特征点速度比较Table2Comparisonofthespeedsatcharacteristicpoints工况特征点速度/(kms1)相差/(%)地面试验数值模拟V1a4.544.764.85V2a4.444.624.052空间可展天线结构撞击动力分析6m 口径模块化空间可展天线由模态分析可知结构具有刚度低、挠度大、阻尼小的特点，结构绕 Z 轴柔性较大16。为研究空间可展天线受撞击后的结构动力响应过程，撞击物取 5mm 球形弹丸沿天线索网面方向径向撞击天线形心，撞击位置及方向如图 8 所示，撞击速度为 12.5km/s。精确模拟空间可展天线受微小空间碎片超高速撞击需建立精确的数值模型，对计算资源需求较高且计算时间较长17。本文采用简化的数值模型，提取撞击物撞击时产生的撞击力，将空间碎片撞击过程通过冲量转化为对撞击点短暂而强烈的动荷载18。图 9 为天线结构受到空间碎片撞击后，前 1.5s内的平均变形及最大变形曲线。从图 9 可以看出，天线结构在遭遇空间碎片撞击后的形变发展分为 3 个阶段，第 1 阶段变形是由撞击产生的，其时间范围是从起始时刻至 24.45ms，天线在受到撞击后变形急剧增加，在 2.222ms 达到最大变形峰值，峰值变形为 10.909mm，达到峰值后迅速衰减并有数次微小波动，表明天线变形由撞击点局部逐渐扩展至整体，结构的平均变形逐渐增加，但未在此阶段内达到峰值，结构的撞击点处的位移量最大；在 2.446ms 进入第 2 阶段，此阶段变形受天线拉索预紧力的影响，当撞击力较小时，拉索预紧力可以将第 2 阶段的变形控制在较小范围，变形曲线反复震荡但较为平缓。此阶段平均变形逐渐增加并达到峰值为 10.976mm，天线的最大变形为 27.183mm；第 3 阶段是天线整体的振动，结构变形随时间逐渐减小，此时天线的最大变形达到 39.977mm，相较于第 2 阶段变形增幅 32.0%。约束点等效动荷载图8模型加载示意图Fig.8Modelloadingdiagram0.000.250.500.751.001.2501020304050变形量/mm时间/s平均变形最大变形(27.183)(39.977)(10.976)(16.423)(10.909)图9撞击后结构时程响应Fig.9Structuralresponsedeformationprocessafterimpact天线索网面在施加预拉力张紧后可在一定程度保持形面精度，可近似看作刚性面19。在单个六边形模块中，索网面直接与各竖杆相连，其变形受竖杆变形影响。提取天线各模块中心竖杆上弦的各向位移时程间接反映索网面的变形情况。选取 3 个阶段的最大变形时刻分别为 0.0022s、0.3289s、1.0039s。提取索网面在 Z 方向变形结果如图 10 所示。通过对 133 根竖杆的 X、Y、Z 三方向变形的提取结果可知，当天线受到撞击时，天线形面关键点在 X、Y 方向位移值为 Z 向的 1/10以上，天线受到撞击后整体变形趋势为绕约束点的 Z 方向的转动。从图 10 中可以看出，空间可展工程力学279天线受撞击后，撞击点处模块发生变形，撞击点处产生最大位移，此时为第 1 阶段，随后变形逐渐扩展至整个模块，结构进入周期性振动，此时为第 2 阶段及第 3 阶段。3参数影响分析3.1撞击位置设计 8 个模块中心点 AH 作为撞击位置工况，如图 11 所示。分析不同撞击位置对结构整体位移响应的影响。结合单模块的显式动力学的破坏及损伤结果，撞击物为 5mm 球体，撞击速度为 10km/s，等效撞击荷载峰值为 2965kN，方向为径向。约束点DAEHBFCG图11天线撞击点及模块位置分布Fig.11Impactpointandmodulelocationdistributionoftheantenna图 12 为各撞击位置下的结构平均变形时程，从图 12 中可以看出，当撞击点靠近天线的第四层边缘的 D 模块中心竖杆时，可展天线的平均变形曲线为一单峰曲线，第 2 阶段、第 3 阶段的变形区分不明显，说明边缘模块受到撞击后更容易引起天线的整体振动，但整体变形幅度较小。从 A、B、C 模块中心竖杆的撞击平均变形曲线可以看出，三个模块由撞击引起的平均变形分别为 6.859mm、12.359 mm、17.575 mm，依 次 增 幅 为 44.5%、29.68%。0.00.20.40.60.81.01.21.405101520平均变形/mm时间/sABCDEFGH图12各撞击位置下的平均变形曲线Fig.12Averagedeformationcurveunderdifferentimpactpositions同时可以看出空间可展天线桁架结构整体具有较大柔度，整体形变较大。撞击点离约束点越32101233210123X轴坐标/m3210123X轴坐标/m3210123X轴坐标/m0.375 000.158 100.058 750.275 600.492 500.709 400.926 301.143 001.360 00Z向位移/mmZ向位移/mmZ向位移/mm(a)0.0022 s32101230.58000.15750.89501.63302.37003.10803.84504.58305.3200(b)0.3289 s(c)1.0039 s3210123Y轴坐标/mY轴坐标/mY轴坐标/m1.9001.7505.4009.05027.30023.65020.00016.35012.700图10撞击三阶段 Z 向最大位移图Fig.10MaximumZ-displacementdiagramofthreestagesofimpact280工程力学远，结构受撞击引起的平均变形越大，当撞击点位于可展天线离约束最远端的 G 模块中心竖杆时，其最大平均变形量为 19.334mm，较中心轴线上的 C 模块变形增幅为 9.09%；通过对比平均变形曲线可知，B 和 H 模块的平均变形曲线较为接近，但 H 模块受撞击后明显变形较大，其变形量为 12.359mm 和 11.397mm，主要原因是 H 模块距离约束处距离增加，其变形幅度也增大。3.2撞击速度选 取 5 mm 球 形 弹 丸 2.5 km/s、5.0 km/s、7.5km/s、10.0km/s、12.5km/s、15.0km/s 作为空间碎片对可展天线的相对撞击速度工况，依次提取等效动荷载作用施加至天线形心处，从单模块撞击可知，其撞击后效果均为成坑，即对结构节点无明显损伤，因此不考虑节点及杆件失效的情况。从图 13 可以看出，天线桁架结构受到撞击后，第 2 阶段内的变化峰值均存在小于第 3 阶段峰值的现象，当撞击速度为 2.5km/s 时，其第 2 阶段的变形为反复波动的平缓曲线，其主要原因是天线拉索的预拉力对结构变形的约束作用。空间可展天线受撞击后，其结构的撞击影响区域受撞击速度的影响趋势为先增大后减小，其主要原因是空间碎片撞击速度越快，动能越大，撞击区的能量沉积速度增加，并且在撞击区会发生汽化等现象加快自身消耗速度，导致其虽然总能量大、撞击力大，但其作用持时会逐渐缩短，由此导致其影响区域会缩小。0.000.250.500.751.001.25024681012141618平均变形/mm时间/s2.5 km/s5.0 km/s7.5 km/s10.0 km/s12.5 km/s15.0 km/s图135mm 粒径不同速度下的平均变形Fig.13Averagedeformationatdifferentvelocitiesfor5mm图 14 为不同撞击速度工况下结构响应各阶段的峰值对比图。从图 14 可知，空间可展天线受空间碎片撞击时，第 1 阶段的峰值位移变化程度均小于第 2 阶段及第 3 阶段。结构的平均变形量随着撞击速度的增加而增大，在 12.5km/s 时达到峰值，最大平均变形为 16.423mm。当撞击速度大于15.0km/s 时，工况内各阶段的最大平均变形均变小，其最大平均变形为13.453mm，相对于12.5km/s工况的最大平均变形降低 18.08%。5.07.510.012.515.0024681012141618峰值位移/mm第1阶段第2阶段第3阶段撞击速度/(km/s)图14各阶段峰值位移对比图Fig.14Comparisonofpeakdisplacementsatdifferentstages表 3 汇总了不同撞击速度的峰值位移对比结果，从表 3 中可以看出，随着撞击速度从 5.0km/s增加至 15.0km/s，结构的最大平均变形分别相较最低速度工况时相差 22.96%、28.79%、24.75%、22.08%，可以看出结构平均变形率较均匀，且撞击速度对空间可展天线的影响较为明显。表3不同撞击速度峰值位移Table3Peakdisplacementatdifferentimpactvelocities撞击速度/(kms1)撞击阶段/mm第1阶段第2阶段第3阶段5.00.8191.6576.8087.50.9233.5698.83710.01.0747.01112.35912.51.28410.94716.42315.01.1308.07313.4534结论本文对四层模块化空间可展天线进行了高速撞击动力响应分析，模拟了空间可展天线在轨运行时遭遇微小空间碎片撞击全过程，研究了空间可展天线受撞击后的结构动力响应以及索网面的形变发展规律，得到以下主要结论：(1)大口径空间可展天线桁架结构受微小空间碎片高速撞击的结构动力响应过程共分为 3 个阶段，第 1 阶段为撞击后结构产生最大变形，第 2 阶段为天线受拉索预紧力影响的较小变形，第 3 阶段为结构进入整体振动。(2)不同撞击点对空间可展天线的结构响应有明显影响，撞击点越靠近天线形心，结构响应越工程力学281明显，天线结构的平均变形越大。(3)随着撞击速度增大，可展天线结构平均变形表现为先增加后减小，当撞击速度大于 12.5km/s时，天线受撞击的影响区域逐渐缩小。(4)大口径空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形变不可忽视，局部撞击处杆件发生屈曲，但结构整体未发生明显破坏，可为后续星载天线防护设计提供依据。参考文献：刘荣强,史创,郭宏伟,等.空间可展开天线机构研究与展望J.机械工程学报,2020,56(5):112.LIU Rongqiang,SHI Chuang,GUO Hongwei,et al.Review of space deployable antenna mechanismsJ.JournalofMechanicalEngineering,2020,56(5):112.(inChinese)1MAXF,LITJ,MAJY,etal.Recentadvancesinspace-deployablestructuresinChinaJ.Engineering,2022,17:207219.2庞宝君,王东方,肖伟科.小卫星星座爆炸解体对空间碎片环境影响分析J.空间碎片研究,2018,18(3):715.PANGBaojun,WANGDongfang,XIAOWeike.StudyofeffectofconstellationexplosioneventonspacedebrisenvironmentJ.SpaceDebrisResearch,2018,18(3):715.(inChinese)3ESASpaceDebrisOffice.ESAsannualspaceenviron-mentreportR/OL.https:/www.sdo.esoc.esa.int/environment_report/Space_Environment_Report_latest.pdf,2022-06-08.4龚自正,高珂佳,宋光明,等.超高速碰撞研究在航天领域的应用现状与展望J.现代应用物理,2018,9(4):040101.GONGZizheng,GAOKejia,SONGGuangming,etal.Researchprogressandprospectofhypervelocityimpactand its space applicationJ.Modern Applied 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