[00360590]大型可展开索网-框架组合结构高形面精度设计理论及应用

大型可展开天线是一类由刚性支撑框架与柔性索网结构构成的组合结构，广泛应用于空间通讯、电子侦察、地球观测、陆地遥感和深空探测等航天及国防装备领域。柔性索网结构由索网与金属丝网缝制而成；金属丝网结构反射电磁信号；索网为金属丝网提供力学支撑边界和形状控制结构。索网-框架组合结构的研制水平不仅关系着大型星载可展开天线能否正常工作，而且决定其工作电性能，包括增益、无源互调(PIM)干扰等。 星载可展开天线具有大柔性、非线性、多学科等特点，且在空间极端环境下要求同时具备机械/热/射频的功能与性能，传统结构设计方法难以适用于空间索网-框架组合结构设计。此外，可展开天线巨型化(百米级或公里级)发展需求与高精度、高增益、低PIM性能要求之间日益突出的矛盾，导致索网-框架组合结构的功能性能保障设计面临前所未有的挑战。由于国外长期技术封锁，中国一直未掌握相关的设计理论与关键技术，严重制约了中国大型星载可展开天线技术的发展。项目在国家自然科学基金支持下，从网面拓扑构型的静力确定性、索网几何布局的合理性、索网张力分布的均匀性、索网结构环境适应性四个方面，建立了大型索网-框架组合结构高形面精度设计方法。主要科技创新如下： 1.提出了索网-框架组合结构网面几何秘定性设计方法：提出的静力与运动确定性网面拓扑构型综合方法，揭示了支撑框架独立机构位移数与索网结构自应力状态数的耦合关系，生成了13种环形天线与4种伞状天线新型静力与运动确定性网面拓扑构型；提出的测地线网面几何设计模型及其求解方法，实现了索段总长最短、有效面积大的高稳定性测地线网面设计，与传统三向网格网面相比(以20米口径环形天线为例)，该方法的有效面积提高了3.5％；首次从整体结构的拓扑确定性和网面节点位置稳定性角度，形成了网面几何稳定设计方法，已为中国星载可展开天线的研制提供了几何稳定的高精度网状反射面。 2.提出了索网反射面平衡预张力设计方法：考虑支撑框架与索网结构耦合变形，提出了一种两步法的预张力设计方法，突破了现有设计的刚性支撑框架假设，与传统找形设计方法相比，形面精度提高了80％；建立的考虑空-地环境差异的预张力设计方法，解决了地面设计结果不适用于空间环境的难题。 3.构建了空间索网-框架组合结构变形误差分布模型：建立的静态变形误差分布模型，揭示了索网-框架组合结构特有多种变形模式对形面精度的影响机理，包括随机加工制造误差、纤维绳索力学松弛以及反枕效应等；建立的动态变形误差分布模型，揭示了热致瞬态与简谐振动变形下索网-框架组合结构非线性功率流分布规律，为星载可展开天线形面调整与控制奠定了理论基础。 4.提出了索网-框架组合结构在轨功能性能保持设计方法：提出的索网-框架组合结构形面主动调整与控制方法，突破了多源非线性耦合、欠驱动异位振动控制、混合不确定性振动控制等技术难点，解决了在轨力学环境适应性难题；考虑丝网编织形式、材料、预张力、温度以及振动等多因素影响，建立的金属丝网结构PIM机/电/热效应模型，揭示了PIM产生的力/热机理，解决了高精度天线在轨PIM电磁干扰难题。 该项目发表索网-框架组合结构相关的SCI论文28篇，Google他引总计159篇次，授权发明专利3项，软件著作权2项。培养博士后出站1名，博士研究生5名，硕士研究生2名，获校优秀博士论文1篇。研究的理论、方法及关键技术已成功应用于航天科技集团的多项工程中，如：中国通信技术试验卫星一号环形可展开网状天线(已成功在轨工作)、中国天通一号01星大型星载环形网状天线(已成功在轨工作)、中国第二代中继卫星首发星高精度伞状天线(已成功在轨工作)。项目研究成果主要应用于中国单体星载可展开天线的研制，因而经济效应不显著，但具有明显的社会效应和技术效应。不仅对中国大型可展开天线技术的突破做出了贡献，而且对探月、深空探测等重大工程的实施贡献了力量。此外，项目研究成果对中国未来百米级、公里级巨型星载可展开天线的研制具有重要的借鉴和应用价值。