一種大型桁架衛(wèi)星通信天線座架的優(yōu)化設(shè)計

米月英

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

桁架式天線是指天線座架［1］為桁架的天線，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，但是精度較低，剛度較差。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，為了降低成本，桁架天線越來越多被采用，由于大型天線［2］口徑大，波瓣窄，對天線座架結(jié)構(gòu)要求更高，需要采用復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)和繁瑣的調(diào)整軸系，而且大型桁架天線在大風(fēng)等情況下易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，也就是座架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛性差，間隙大，天線定位不準(zhǔn)問題。為了較好地解決該問題，在天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮了各結(jié)構(gòu)件實際工作環(huán)境下的剛度強度問題和精度問題，對大型桁架天線座架關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)定精度保證設(shè)計。

在天線結(jié)構(gòu)整體設(shè)計階段，采用了Pro/E三維設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用仿真軟件MSC．Patran/Nastran對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和仿真，加強和優(yōu)化主結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵部位。根據(jù)仿真和實驗結(jié)果以及實際使用效果顯示，天線的結(jié)構(gòu)特性均優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)和使用要求。下面以13 m桁架天線為例，介紹解決這個問題的過程。

1 影響天線指向穩(wěn)定精度的因素

據(jù)系統(tǒng)要求，天線系統(tǒng)在任意工作條件下要實現(xiàn)準(zhǔn)確的手動/自動跟蹤衛(wèi)星功能。為此天線座結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度、強度［3］和傳動精度，才能保證天線指向的穩(wěn)定性，從而才能保證整個伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)。

影響天線指向精度的因素主要有溫差、風(fēng)載荷、軸系精度、傳動精度和同步系統(tǒng)的聯(lián)接精度。

在上述幾個精度指標(biāo)中，最難以解決的是以風(fēng)載荷和溫差引起的天線位移，天線在工作時，由于天線本身自重原因，俯仰方向受風(fēng)力影響較小，方位方向受風(fēng)力影響較大，特別是在天線側(cè)吹的情況下最為嚴(yán)重。

如何在最大限度減輕天線重量的前提下，能夠排除和降低在工作環(huán)境下對天線產(chǎn)生的不利影響，保證其可靠工作的天線結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

2 座架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

技術(shù)指標(biāo)要求:60°C溫差和工作風(fēng)速18 m/s下保精度［4］;風(fēng)速25 m/s降精度;天線穩(wěn)定精度為0.08°和相心變化為10 mm;風(fēng)速40 m/s(天線任意位置)和56 m/s天線朝天收藏狀態(tài)不破壞。

為了能夠使大型桁架天線座架滿足高穩(wěn)定使用要求和最大限度的降低成本，對已有的天線座架進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)

2.1 主座架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計

原有仿制進(jìn)口的座架采用桁架式方位－俯仰型結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，方位驅(qū)動安裝在上部，需要座架采用強壯的5根直徑140 mm桿件支撐，這樣才能保證方位驅(qū)動裝置穩(wěn)定和保證天線在方位方向的穩(wěn)定性;俯仰驅(qū)動安裝在圓筒上，需要圓筒承受俯仰所有的力，座架結(jié)構(gòu)龐大，重量達(dá)到26 000 Kg，但是效果卻不理想，常常由于大風(fēng)產(chǎn)生晃動，且方位驅(qū)動在維護(hù)時需要在高空作業(yè)。針對以上問題，對座架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，選用同等鋼材Q235，優(yōu)化后天線座架重量為16 000 Kg，方位穩(wěn)定精度為0.055°。

圖2 仿制進(jìn)口的天線結(jié)構(gòu)

2.1.1 主座架結(jié)構(gòu)形式改變

方位驅(qū)動放置從上部放置到下方，把方位驅(qū)動裝置通過驅(qū)動支座與地基相連接，方位方向上的力全部由地基承受，只需在地基上安裝相應(yīng)的地腳螺栓就能夠滿足要求。這樣后支桿僅承受俯仰方向上的力，完全沒有必要采用五根支撐桿，在保證方位轉(zhuǎn)動方位的情況下，改為了3根桿件。俯仰驅(qū)動位置由圓筒處改為了后置安裝，使圓筒僅承受方位方向的扭轉(zhuǎn)力矩，如圖3所示。

圖3 主座架優(yōu)化

2.1.2 主座架底座變小

在滿足天線方位轉(zhuǎn)動范圍和驅(qū)動轉(zhuǎn)動范圍的情況下，根據(jù)天線所承受的風(fēng)力矩和風(fēng)載荷確定后支桿底座的大小。

風(fēng)力矩和風(fēng)載荷可按下式計算:

式(1)和式(2)中:CM為風(fēng)力矩系數(shù);CF為風(fēng)力系數(shù);q為動壓;A為天線面積。

底座三角形大小由底邊長和高均為6.2 m經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化變?yōu)榈走呴L5.4 m和高為3.8 m(是原來大小的1/2)，在溫差和風(fēng)載荷的影響下，由于桿件長度變短和合理布局，后支桿為三根桿座架穩(wěn)定精度優(yōu)于五根較大的后桁架座架(座架用的桿件直徑均相同)，使得簡易的三桿結(jié)構(gòu)滿足了高精度的定位要求。

2.1.3 圓筒直徑變粗

由于方位扭矩較大，為了提高方位扭轉(zhuǎn)剛度，圓筒直徑由原仿制圓筒直徑900 mm，增加為1 060 mm，壁厚均為16 mm。經(jīng)過公式:

式中:θ為扭轉(zhuǎn)角;M為扭矩;L為主筒長;J為扭轉(zhuǎn)慣性矩;D為圓筒外徑;d為圓筒內(nèi)徑。方位扭轉(zhuǎn)角度誤差由0.076°減小為0.055°。

2.2 軸系精度

座架為方位軸和俯仰軸，軸系精度分方位和俯仰軸系精度，軸系精度除間隙引起的間隙誤差在天線安裝和設(shè)計過程中可以通過調(diào)整等措施避免，其它誤差同軸和垂直造成的誤差一般均為固定誤差，由于結(jié)構(gòu)的龐大，很難達(dá)達(dá)到很高精度。

固定誤差過大對座架的長期使用會造成不良影響，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動不靈活造成伺服無法跟蹤及出現(xiàn)異常噪音和磨損不均勻。因此要求固定誤差方位軸與地基安裝天線平面的垂直度誤差［5，6］小于 20″;方位軸和俯仰軸垂直度誤差小于30″;天線由0°至90°時的俯仰絲杠運動軸線垂直于俯仰軸，其不垂直度不大于20″。由于結(jié)構(gòu)龐大，使固定誤差變小是技術(shù)上的一個難點。

以前均采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸座安裝后靠人工調(diào)整達(dá)到設(shè)計要求，調(diào)整不僅浪費大量時間，加工成本高，而且安裝精度也不宜保證，調(diào)整完成后，即使打銷定位，也隨著長期使用個別天線軸座會產(chǎn)生定位變化，誤差增大，天線會在使用過程中，轉(zhuǎn)動電機電流過大，天線轉(zhuǎn)動不靈活，出現(xiàn)噪音和抖動，由于結(jié)構(gòu)龐大維修調(diào)整非常困難，常常需要停機天線，仰天收藏后重新調(diào)整。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)降低上方位軸和簡化優(yōu)化俯仰軸座，使得方位軸座和俯仰軸座與主筒一體化設(shè)計，一次成型加工，靠加工保證了同軸度精度和垂直度。安裝后無需調(diào)整，即能夠達(dá)到比調(diào)整要高的精度，經(jīng)過長期使用，不會產(chǎn)生支座位移。

方位軸和俯仰軸的軸系精度的保證與優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化如圖4所示。

圖4 軸系設(shè)計優(yōu)化過程

2.3 同步裝置的連接精度設(shè)計

同步裝置采用無回差波紋管聯(lián)軸節(jié)設(shè)計如圖5所示，波紋管聯(lián)軸節(jié)保證無回差連接，且對連接兩軸的同軸精度要求僅為0.1 mm，就能滿足要求。波紋管聯(lián)軸節(jié)即能夠保證無回差連接，又使得安裝和調(diào)整方便。

圖5 同步裝置無回差連接

2.4 驅(qū)動裝置的高精度設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)采用高精度的平面二次包絡(luò)面蝸桿副和可調(diào)的高精度絲杠傳動結(jié)構(gòu)如圖6所示。［3］絲杠和螺母采用了高精度的制造，絲杠的總誤差不大于0.08 mm，對于特殊使用間隙可以調(diào)整為0.02 mm，方位轉(zhuǎn)動支臂約為1 300 mm造成方位轉(zhuǎn)角誤差為0.000 9°，全程使用可調(diào)整間隙為0.09 mm，造成方位轉(zhuǎn)角誤差為0.004°。由于間隙微小，可以采用式(5)計算:

式中:L為轉(zhuǎn)動支臂長;H為間隙;δ為轉(zhuǎn)角誤差。

圖6 驅(qū)動裝置高精度設(shè)計

3 天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

由于天線的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，很難用解析的方法得到其解析解，因此采用專業(yè)有限元分析軟件MSC．PATRAN/NASTRAN進(jìn)行力學(xué)分析和仿真。

3.1 有限元模型的建立和分析

此天線系統(tǒng)由天線和座架兩大部分組成:天線結(jié)構(gòu)部分主要由主反射面、副反射面、反射體骨架、副反射面支撐裝置和饋源套筒等組成;天線座架結(jié)構(gòu)部分主要由主座架、方位和俯仰驅(qū)動組合組成。

由天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)其工作的實際情況，建立了其力學(xué)分析 模 型［7－9］如 圖 7所示。

為降低軟件的計算量和復(fù)雜度，先對天線整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，去掉冗余節(jié)點，再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網(wǎng)格，最后將劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行組裝，進(jìn)行分析計算。天線所受的載荷，主要包括天線的自重、風(fēng)載荷和溫差。

根據(jù)工作需要，方位轉(zhuǎn)動范圍為180°，俯仰為90°。在此工作范圍，計算天線在18 m/s風(fēng)速、25 m/s風(fēng)速、40 m/s風(fēng)速、56 m/s風(fēng)速和 60°C 溫差的受力情況，經(jīng)過對各個特殊工作角度的計算，找出了天線仰角45°和方位185°工作位置，背吹天線應(yīng)力最大，側(cè)吹變形最大。

圖7 工作狀態(tài)有限元模型

3.2 分析計算結(jié)果

3.2.1 有限元靜力分析結(jié)果

有限元靜力分析結(jié)果如表1所示。

表1 靜力學(xué)分析計算結(jié)果

從表1中可以看到如下數(shù)據(jù):鋼材的許用應(yīng)力為235 Mpa，通過計算此天線系統(tǒng)的最大應(yīng)力為180 Mpa完全滿足技術(shù)要求。在工作風(fēng)載荷影響和傳動共同影響下，最大轉(zhuǎn)角誤差為0.055°。小于允許的指向誤差0.08°。在工作風(fēng)速下相心變化小于10 mm。

3.2.2 動力分析及計算

在進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)諧振頻率［10］有限元仿真分析時，由于受條件限制，分析中僅包含了天線反射體、俯仰部分、方位部分，而各部分的動力驅(qū)動系統(tǒng)(減速機及電機)沒有參與計算分析，因此計算結(jié)果為天線和座架結(jié)構(gòu)支撐部分的結(jié)構(gòu)諧振頻率。而實際測試時包含了驅(qū)動系統(tǒng)(減速機、電機)，因此實測結(jié)果要比有限元仿真分析的結(jié)果低。

天線結(jié)構(gòu)的諧振頻率(包含驅(qū)動系統(tǒng))與減速機的扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，天線結(jié)構(gòu)諧振頻率［1］的計算式:

式中:f為天線結(jié)構(gòu)諧振頻率;k為負(fù)載軸扭轉(zhuǎn)剛度;J為轉(zhuǎn)動慣量。

經(jīng)三維模型計算天線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量J=155 124 kg·m2，所選用的減速機扭轉(zhuǎn)剛度折算到負(fù)載軸k=4.06×107N·m/rad。將天線反射體的轉(zhuǎn)動慣量J和減速機的扭轉(zhuǎn)剛度k代入，計算后得出結(jié)構(gòu)諧振頻率f=2．57 Hz。滿足使用要求。

3.3 實際使用效果驗證

該桁架天線已經(jīng)實際安裝的有20余套，遍布國內(nèi)外，均使用超過5年以上，經(jīng)歷了包括臺風(fēng)、地震和冰雪災(zāi)害在內(nèi)的各種惡劣天氣考驗，均完全滿足使用要求，未出現(xiàn)由于設(shè)計原因造成的傳輸誤碼和信號不穩(wěn)現(xiàn)象。主座架經(jīng)優(yōu)化過的關(guān)鍵部件未出現(xiàn)以往相似工程中出現(xiàn)的剛度、強度不足的問題;軸系結(jié)構(gòu)的高精度設(shè)計不僅安裝方便快捷，而且連接穩(wěn)定可靠;驅(qū)動裝置和同步裝置的高精度設(shè)計，使得傳輸信號準(zhǔn)確也起到了保障作用。

4 結(jié)束語

13 m桁架天線的設(shè)計針對桁架天線的工作模式和環(huán)境特點進(jìn)行了較為深入的研究，找出了結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要增強或優(yōu)化的多個關(guān)鍵點，驗證了天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能完全滿足設(shè)計要求。在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化過程中，采用專業(yè)軟件，較好地解決了天線結(jié)構(gòu)重量、強度和剛度的優(yōu)化設(shè)計，高精度軸系設(shè)計，同步連軸設(shè)計和驅(qū)動裝置高精度等主要問題，保證了天線系統(tǒng)精度較高，結(jié)構(gòu)性能良好等指標(biāo)，從五年來實際使用過程中的具體通信效果來看，結(jié)構(gòu)各項性能指標(biāo)均完全滿足系統(tǒng)要求。

由于國內(nèi)的大型桁架衛(wèi)星通信天線用途越來越廣，13 m桁架天線的研究結(jié)果對類似的桁架通信天線的研發(fā)可以提供相應(yīng)的技術(shù)參考和借鑒。需要指出的是，各種桁架天線擁有各自不同的特性，相應(yīng)的對天線結(jié)構(gòu)的要求也有所不同，建議今后對不同的桁架天線，應(yīng)進(jìn)一步增加針對性的設(shè)計工作。

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