环形可展开大型卫星天线结构设计与研究
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摘要
卫星天线结构日益面临着大型化的需求，而这又与有效的运载容积和能力之
间的存在着矛盾，解决的方法是采用各种合理的空间展开结构。国外为此进行了
大量的研究工作，取得了诸多成果，形成了缠绕肋天线、径向肋天线、环-柱天
线、单元构架式天线等多种类型的天线结构形式。而近期一种新兴的结构形式更
是将天线口径扩展至150米，称其为环形桁架可展开天线。目前国内有多家研究
机构和大学也开展了大型卫星天线技术的研究，且所研究的天线结构类型都集中
在径向肋天线、单元构架式天线方面。由于多种因素的影响，尚没有一个完整的
天线结构。本文以环形桁架可展开结构为研究对象，以完成环形桁架可展开结构
原型样机的设计工作为研究目的，并通过本项研究工作探索一种新的、可行的大
型卫星天线结构。
本文详细阐述了环形可展开天线的结构组成和各部的工作原理，以展开时的
刚度条件为准则，对其整体结构形式进行模态分析计算，根据计算结果确定结构
参数。本文重点研究了有关空间桁架结构、展开单元、空间铰链以及展开机构的
设计工作，在通用CAD平台上完成了原型样机的全参数化结构设计和工程化图纸，
并在虚拟的原型样机上进行的展开与收拢过程的运动仿真。另外，本文还对展开
机构的可靠性进行了分析研究工作。通过研究表明，环形可展开天线结构形式简
明，工作原理清晰，是目前大型卫星天线理想的结构形式。
The structure of satellite antenna is increasingly faced to the
requirement of enlargement, which is contradict to the effective
transportation capacity. The solution is to use a variety of space
deployable structures. Lot's of research has been launched and many
successes have been made in many countries, Various forms of antenna
structures have been used, such as Wrapped Rib Antenna (WRA), Radial Rib
Antenna (RRA), Hoop Column Deployable Antenna (UCDA), Truss Modular
Deployable Antenna (TMDA). Recently, a newly researched structure form
called Hoop Truss Deployable Antenna (HTDA) can be deployed 150?
meter梐perture. Research in large satellite antenna technology has been
undertaken in many research organization and universities domestic,allly.
Their solution is focused on Radial Rib Antenna, Truss Modular Deployable
Antenna, and has not reached a whole antenna structure. This paper objected
in HTDA and aimed with the fulfillment of the design of prototype of HTDA.
Meanwhile, it抯 expected to explore a new and available large satellite
antenna structure through the process of the research.
Jn~this paper, the structural organization and the working theory of
HTDA are descried in detail. The modular analysis calculation of the whole
structure is subjected to the criteria of stiffness conditions; the
definition of the structural variables depended on the calculation results.
The paper emphasizes on the research of the truss structure, the truss
modular, and the space joints. The whole variable structure design and
engineering drawing of the prototype are realized through the use of CAD
platform and the simulation of the process of deployment and retraction
is fulfilledwith the virtual prototype. Meanwhile the reliability analysis
of deployable structure is also described in this paper. Through the
research, the HTDA, with its simple structure and distinct working theoryr
is the ideal structural form of large satellite antenna at present.
间的存在着矛盾，解决的方法是采用各种合理的空间展开结构。国外为此进行了
大量的研究工作，取得了诸多成果，形成了缠绕肋天线、径向肋天线、环-柱天
线、单元构架式天线等多种类型的天线结构形式。而近期一种新兴的结构形式更
是将天线口径扩展至150米，称其为环形桁架可展开天线。目前国内有多家研究
机构和大学也开展了大型卫星天线技术的研究，且所研究的天线结构类型都集中
在径向肋天线、单元构架式天线方面。由于多种因素的影响，尚没有一个完整的
天线结构。本文以环形桁架可展开结构为研究对象，以完成环形桁架可展开结构
原型样机的设计工作为研究目的，并通过本项研究工作探索一种新的、可行的大
型卫星天线结构。
本文详细阐述了环形可展开天线的结构组成和各部的工作原理，以展开时的
刚度条件为准则，对其整体结构形式进行模态分析计算，根据计算结果确定结构
参数。本文重点研究了有关空间桁架结构、展开单元、空间铰链以及展开机构的
设计工作，在通用CAD平台上完成了原型样机的全参数化结构设计和工程化图纸，
并在虚拟的原型样机上进行的展开与收拢过程的运动仿真。另外，本文还对展开
机构的可靠性进行了分析研究工作。通过研究表明，环形可展开天线结构形式简
明，工作原理清晰，是目前大型卫星天线理想的结构形式。
The structure of satellite antenna is increasingly faced to the
requirement of enlargement, which is contradict to the effective
transportation capacity. The solution is to use a variety of space
deployable structures. Lot's of research has been launched and many
successes have been made in many countries, Various forms of antenna
structures have been used, such as Wrapped Rib Antenna (WRA), Radial Rib
Antenna (RRA), Hoop Column Deployable Antenna (UCDA), Truss Modular
Deployable Antenna (TMDA). Recently, a newly researched structure form
called Hoop Truss Deployable Antenna (HTDA) can be deployed 150?
meter梐perture. Research in large satellite antenna technology has been
undertaken in many research organization and universities domestic,allly.
Their solution is focused on Radial Rib Antenna, Truss Modular Deployable
Antenna, and has not reached a whole antenna structure. This paper objected
in HTDA and aimed with the fulfillment of the design of prototype of HTDA.
Meanwhile, it抯 expected to explore a new and available large satellite
antenna structure through the process of the research.
Jn~this paper, the structural organization and the working theory of
HTDA are descried in detail. The modular analysis calculation of the whole
structure is subjected to the criteria of stiffness conditions; the
definition of the structural variables depended on the calculation results.
The paper emphasizes on the research of the truss structure, the truss
modular, and the space joints. The whole variable structure design and
engineering drawing of the prototype are realized through the use of CAD
platform and the simulation of the process of deployment and retraction
is fulfilledwith the virtual prototype. Meanwhile the reliability analysis
of deployable structure is also described in this paper. Through the
research, the HTDA, with its simple structure and distinct working theoryr
is the ideal structural form of large satellite antenna at present.
引文
[1] 宋燕平，环形可展开天线反射器技术研究，504研究所报告，1999． 12
[2] 宋剑鸣、伞型网状可展开反射面节点布局设计计算，504研究学术会议论文集(97)
[3] 韦娟芳、星载天线结构分析，504研究学术会议论文集(97)
[4] 宋剑鸣、冀有志等，通信卫星可展天线结构设计，97西安空间技术国际会议录
[5] 赵人杰、韦娟芳等，大型可折叠平面阵天线的结构设计，96电子协会论文集，湖南省张 家界：203-206
[6] 陈务军，空间展开桁架结构设计原理与展开动力学分析理论研究，浙江大学博士论文， 1998． 8
[7] 冯达武、赵人杰，空间大型网状展开天线展开机构的研究，中国空间技术，1997． 1(2) ：64-70
[8] 齐春子、吕振铎，卫星大型扰性天线弹性振动抑制的研究，宇航学报，1998． 4(10) ：60-64
[9] 关富玲、罗尧治，陈向阳等，国内外可展开天线最新进展，浙江大学土木系空间结构研究 室研究报告，1996． 12
[10] 闵桂荣，空间技术及其发展趋势，科技报告
[11] 朱光亚，航天技术发展趋势，科技报告
[12] 刘锡良、朱海涛，折叠网架节点设计与构造，空间结构，1997． 1(3) ：36-42
[13] 吴德隆、王 毅，空间站大型伸展机构动力学研究中的若干问题，中国空间科学技术，1996． 6
[14] 阎绍泽、吴德隆，空间站自适应结构技术研究，(一)概念与应用，(二)工作原理与设计， 国家高技术航天领域空间站技术学术交流会论文，1997． 5
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[16] 金恂叔，美国的航天器环境试验标准评述，环境技术，1999． 3：5-9
[17] 夏人伟，自适应结构综述，北京航空航天大学学报，1999． 6(12) ，623-627
[18] 王松等，柔性航天器姿态的在线神经网络控制，飞行力学，1998． 6：83-89
[19] 宋宇等，航天器柔性附件伸展过程动力学分析，哈尔滨工业大学学报，1998． 5(10) ：115-117
[20] 頋晓勤、刘延柱，空间机械动力学奇点与回避，宇航学报，1998． 4(10) ：32-36
[21] 朱桂东等，框架结构模态分析的行波方法，宇航学报，1999． 3(7) ：1-6
[22] 于德介，一种结构固有频率和局部振型修改方法，机械强度，1998． 1(3) ：26-29
[23] 鲍 菊等，模态振型对系统参数的敏感度分析，现代电力，1998． 4(11) ：35-39
[24] 李华英，模态分析技术和振动系统幅频响应表达式，云南农业大学学报，1998． 6(2) ：175-182
[25] 李 书、卓家寿、任青文，对称结构动力学设计中的广义逆特征值问题，计算力学学报， 1999． 5(2) ：138-142
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[27] 汪树玉、刘国华、包志仁，结构优化设计的现状与进展，基建优化，1999． 4：3-14
[28] 胡 峰、孙国基，航天仿真技术的现状及展望，系统仿真学报，1999． 2(4) ，83-88
[29] 周 军等，挠性卫星大角度机动变结构控制的全物理仿真实验研究，宇航学报，1999． 1(1) ： 66-70
[30] 周前祥、曲战胜，在航天仿真研究中应用的探讨，中国航天，1998． 12
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[32] 周继胜、张圣坤、魏 东，桁架结构鲁棒设计，上海交通大学学报，2000． 1：137-139
[33] 钟诗胜等，结构运动方案设计支持系统的总体设计，哈尔滨工业大学学报，1998． 4：26-29
[34] 陈金盾、孙海龙，可靠性增长评估方法及其在航天产品研制中的应用，航天医学与医学工 程，1999． 4(2) ：116-120
[35] 周振宝，机械零件的可靠性设计，机械设计与制造，1998． 5(10)
[36] 陈健元编著，机械可靠性设计，机械工业出版社，1988． 6
[37] 徐福祥主编，卫星工程学讲义
[38] 张宗美等著，航天故障手册，宇航出版社，1994． 11
[39] 阳 日、燕柳斌，结构分析的计算机方法及程序，重庆大学出版社，1998． 10
[40] 沈世创、陈昕，网壳结构稳定性，科学出版社，1999． 2
[41] 庄表中等，结构随机振动，国防工业出版社，1995． 3
[42] 黄玉盈，结构振动分析基础，华中工学院出版社，1988
[43] 贺兴书，机械振动学，上海交通大学出版社，1985． 12
[44] 刘方抗，机械振动学，航空工业出版社，1992． 9
[45] 孙靖民等，现代机械设计方法选讲，哈尔滨工业大学出版社，1992． 12
[46] 叶尚辉，李在贵，天线结构设计，西安电子科技大学出版社，1986． 2
[47] 谢存禧等著，空间机构设计，上海科学技术出版社
[48] 华大年等著，连杆机构设计，上海科学技术出版社
[49] 饶振纲著，行星传动机构设计，国防工业出版社
[50] 机械传动手册(修订本上、下册)，煤炭工业出版社，1990． 10
[51] 航空机械设计手册，国防工业出版社，1975
[52] 机械设计手册(第三版)1-5卷，化学工业出版社，1993． 5
[53] 齿轮手册(上、下册)，机械工业出版社，1990． 11
[54] 机械设计通用手册，中国劳动出版社，1993． 3
[55] 机械设计与制造简明手册，同济大学出版社 1991． 5
[56] Asia Pacific Mobile Telecommunications Preliminary Design Review，Space Segment， Day 3． December 1996．
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[58] M．Chew and P．Kumar：Conceptual Design of Deployable Space Structures form the Viewpoint of symmetry，Int．J．Space Structures，1993． 8(1＆2) ：17-27
[59] NASA CP-2258，Analysis and Design of Space Structures，Williamsburg，Virginia US， May 13-14，1982
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[62] Depankar Neogi，Design And Development of A Self-deployable Structural Element， Int．J．of Space Structures，1995． 10(2) ：77-87
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[64] Miura K. and Takano T. , Structural Design of a 10-meter Diameter Tension Truss Antenna, IAF-91-316, 42nd Congress of the Int. Astronaumical Federation, Montreal Canada, Oct. 5-11, 1991
[65] Masayoshi Misawa et al: Analytical and Experimental Investigation for Satellite Antenna Deployment Mechanism, J. Spacecraft. Vol.26, May-June 1989． 3:181-187
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