星载可展开天线机构设计与研究

宇航领域的研究与发展对太空探测、军事防御、国家通信、环境监测等至关重要。宇航技术的科研与应用也越来越受到重视。本书是宇航领域基础研究的重要分支，以星载大口径模块化可展开天线为对象，结合国家科技发展规划、重大航天工程等顶层需求，针对空间可展开天线大型化、高精度化、在轨装配等发展趋势，重点围绕超多模块组网方法、超多模块运动学特性、展开过程多柔体系统动力学、动力源优化配置方法、在轨服役动力学特性及驱动力试验等内容开展了较为深入的探索和研究。内容系统，逻辑清晰。同时本书研究内容是前沿科技理论，对天线机构理论的发展有指导意义。

发展航天科技是我国“十四五”规划和“中国制造2025”等科技发展规划的重要内容。星载可展开天线是机器人与机构学的一个重要分支是近三十年来随着航天技术的快速发展而产生的一种新型空间结构是航天与国防领域不可或缺的一种关键航天装备。可展开天线广泛应用于移动通信、电子侦察、导航遥感和深空探测等领域。近年来随着我国探月工程、火星深空探测、新型载人飞船、长期在轨空间站、巡天望远镜、太阳极轨望远镜等一批国家重大航天工程的陆续实施对可展开天线提出了大口径、高精度、低功耗的新的发展需求。模块化星载可展开天线采用模块化思想设计可通过改变模块的大小、数量及其组合和阵列方式实现天线口径的灵活缩放可满足未来大口径、超大口径天线发展的迫切需求。
本书是笔者在多年从事宇航空间折展机构领域理论研究与工程实践的基础上撰写而成的。以六棱柱模块化星载可展开天线机构为研究对象系统论述了模块化星载可展开天线机构超多模块组网方法和驱动策略等相关内容。全书共5章第1章概述了星载可展开天线的技术发展与工程应用、相关理论方法、当前研究存在的问题以及本书的主要内容;第2章介绍了模块化可展开天线超多模块空间几何建模方法;第3章阐述了模块化可展开天线超多模块协调联动运动学建模方法;第4章介绍了模块化可展开天线机构展开速度曲线规划方法;第5章介绍了模块化可展开天线机构动力源优化配置方法。
本书作者均为从事宇航空间折展机构与空间结构研究的科研人员。在本书的编写过程中作者参考和引用了大量国内外学者的研究内容和学术著作在此向所有文献的作者表示衷心感谢。作者指导的研究生和本科生为本书的撰写做了大量的工作研究生范小东、郭振伟、高海明、张珺威、宋玉群、杨希华、石祖玮、张春丽、曹全宇、李勃衡等为本书提供了相关资料本科生戚一凡、许捷巍、胡安军、张昊、谭有、孙校聪、于皓轩等参与了部分章节的文字校对、图表绘制等工作在此一并表示感谢。
本书所涉及的研究工作得到了中国博士后科学基金面上项目“空间大型模块化可展天线机构拓扑组网及多构态综合优化” (2019M661126)和辽宁省教育厅面上项目“大口径星载天线支承桁架结构高速撞击动力响应研究”(LJKZ0563)的资助在此对项目的资助单位表示特别感谢。
由于笔者水平和经验有限书中不妥之处恳请读者批评指正笔者在此表示感谢!

著者

本书密切联系国家航天需求和国际学术前沿以六棱柱模块化星载可展开天线机构为研究对象围绕模块化可展开天线超多模块精确连接与协同联动、平稳展开与高效驱动即组网方法和驱动策略两个关键科学问题开展研究。内容包括：模块化星载可展开天线机构超多模块空间几何建模、超多模块协调联动运动学建模、模块化可展开天线机构展开速度曲线规划方法和模块化可展开天线机构动力源优化配置等。本书提出的模块化星载可展开天线机构组网方法和驱动策略在理论上实现了超多个六棱柱模块的精确连接、协调联动以及精确驱动为模块化星载可展开天线的工程应用拓展了理论基础。
本书面向航天折展机构领域的科研工作者同时可供航空宇航科学与技术、机械工程、土木工程等相关专业的高等院校师生阅读和参考。

第1章　绪论 001
1.1　概述 001
1.2 可展开天线国内外发展现状 002
1.2.1 可展开天线国外发展现状 002
1.2.2 可展开天线国内发展现状 010
1.2.3 相关理论方法研究现状 013
1.3 当前存在的主要问题 016
1.4 本书的主要内容 017

第2章　模块化可展开天线超多模块空间几何建模及分析 019
2.1　概述 019
2.2 模块化可展开天线的组成、展开原理及拓扑规律 019
2.2.1 模块化可展开天线的组成 019
2.2.2 模块化可展开天线的展开原理 021
2.2.3 支撑机构的三维模型 021
2.2.4 模块拓扑规律 023
2.3 空间几何建模 025
2.3.1 建模流程 025
2.3.2 包络圆数学模型 026
2.3.3 包络圆圆心坐标的计算方法 027
2.3.4 包络圆交点坐标计算模型 036
2.3.5 肋单元夹角数学模型 036
2.4 数值仿真及分析 038
2.4.1 包络圆模型验证 038
2.4.2 空间几何模型验证 039
2.4.3 肋单元夹角与结构参数的关系分析 040
2.4.4 影响模块极限层数的参数分析 043
2.5 本章小结 048

第3章　模块化可展开天线超多模块协调联动运动学建模 049
3.1　概述 049
3.2 运动学基础理论 049
3.2.1 D-H 法 050
3.2.2 欧拉角 051
3.2.3 四元数 052
3.3 运动学建模 055
3.3.1 肋单元运动学建模 055
3.3.2 单模块运动学建模 063
3.3.3 多模块联动运动学建模 064
3.4 数值仿真及分析 070
3.4.1 运动学模型数值仿真 070
3.4.2 运动学模型分析 081
3.5 本章小结 087

第4章　模块化可展开天线机构展开速度曲线规划 088
4.1　概述 088
4.2 肋单元展开过程的动力学建模 088
4.3 展开速度曲线规划 093
4.3.1 速度曲线基本理论 093
4.3.2 速度曲线基本公式推导 096
4.3.3 速度曲线规划 100
4.4 本章小结 106

第5 章　模块化可展开天线机构动力源优化配置 107
5.1　概述 107
5.2 肋单元动力源优化配置 107
5.2.1 驱动方案的选择 107
5.2.2 重力对驱动的影响 109
5.2.3 弹簧和扭簧的组合 110
5.3 多模块联动动力源优化配置 114
5.3.1 基于ADAMS的刚柔耦合多体系统动力学模型 114
5.3.2 机械臂与可展开天线连接点位置的选择 115
5.4 本章小结 122

结论和展望 123

参考文献 125