六棱柱模块化可展开天线形面精度分析

田大可; 范小东; 金路; 刘荣强; 张珂

doi:10.37188/OPE.20212912.2855

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六棱柱模块化可展开天线形面精度分析

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-12

- 六棱柱模块化可展开天线形面精度分析
- Surface accuracy analysis for hexagonal prism modular deployable antenna
- 光学精密工程 2021年29卷第12期页码：2855-2867
- 作者机构：
  
  1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168
  2.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168
  3.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001
- 作者简介：
  
  田大可（1981-），男，辽宁西丰人，博士，副教授，硕士生导师，2004年于武汉理工大学获得学士学位，2007年于东北大学获得硕士学位，2011年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要研究方向为宇航空间折展机构创新设计、航空发动机总体结构。Email：tiandake@sjzu.edu.cn
  金　路（1982-），女，辽宁鞍山人，博士，副教授，硕士生导师，2004年、2006年、2011年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要研究方向为宇航空间可展开结构动力学、钢结构分析与设计方法。Email：jinlu@sjzu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金重点项目(51835002);中国博士后科学基金面上项目(2019M661126);辽宁省教育厅科学研究面上项目(LJKZ0563);辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目(XLYC1807188)
- DOI：10.37188/OPE.20212912.2855
  中图分类号： V443.4
- 收稿：2021-05-17，
  
  修回：2021-07-01，
  
  纸质出版：2021-12-15
- 稿件说明：
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田大可,范小东,金路等.六棱柱模块化可展开天线形面精度分析[J].光学精密工程,2021,29(12):2855-2867.

TIAN Da-ke,FAN Xiao-dong,JIN Lu,et al.Surface accuracy analysis for hexagonal prism modular deployable antenna[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2855-2867.
田大可,范小东,金路等.六棱柱模块化可展开天线形面精度分析[J].光学精密工程,2021,29(12):2855-2867. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2855.

TIAN Da-ke,FAN Xiao-dong,JIN Lu,et al.Surface accuracy analysis for hexagonal prism modular deployable antenna[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2855-2867. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2855.

摘要

针对空间可展开天线大型化、模块化、高精度化发展趋势，提出一种六棱柱模块化空间可展开天线支撑结构形面精度分析模型。阐述了六棱柱模块化空间可展开天线的结构组成，分析了六棱柱模块化结构的拓扑规律。基于等包络圆思想及机器人学基本理论，提出了点面法和两点法2种包络圆数学建模方法，并由此建立了等包络圆交点数学模型及肋单元夹角数学模型，进而构建了用于六棱柱模块化可展开天线支撑结构形面精度分析的数学模型。最后，采用数值仿真与试验验证相结合的方式对建立的模型进行了验证。仿真及试验结果表明：包络圆能紧密地贴合在球面上，与球面吻合良好；数值仿真模型状态下，六棱柱模块间实现了准确连接；试验中特征点的绝对误差主要分布在5~10 mm，相对误差主要集中在0.05%~0.1%，肋单元夹角绝对误差多分布在0.05°~0.1°之间，表明测量值和理论值间偏差较小、吻合较好。所提出的形面精度分析模型能够求解出所有模块连接点的空间坐标，为超多模块可展开天线形面精度的分析及研究提供了理论基础。

Abstract

A surface accuracy analysis model for the support structure of a hexagonal prism modular deployable antenna is proposed because of the large-scale， modular， and high-precision development trend of deployable antennas. The structural composition of the hexagonal modular deployable antenna is elaborated， and the topological rules of the hexagonal modular structure are analyzed. Based on the idea of equal envelope circles and the basic theory of robotics， two mathematical modeling methods of envelope circle， point-surface method and two-point method， are proposed， from which the mathematical model of the intersection point of the equal envelope circle and the mathematical model of the included angle of rib unit are established； the mathematical model for accuracy analysis of the shape surface of the support structure of a modular deployable antenna with a hexagonal prism is built. Finally， the model is verified using a combination of numerical simulations and experimental verifications. The simulation and experimental results show that the enveloping circle can closely fit on the spherical surface， and it is in good agreement with the spherical surface. In the numerical simulation model， the modules of the hexagonal prism are connected accurately. In the experiment， the absolute error of feature points is mainly distributed in 5 to 10 mm， the relative error is mainly concentrated in the range of 0.05% to 0.1%， and the absolute error of the rib unit angle is mostly distributed in the range of 0.05°to 0.1°. The deviation between the measured and the theoretical values is small， and the values are in good agreement. The proposed model can solve the spatial coordinates of all module connection points， which provides a theoretical basis for the analysis and research of the shape accuracy of multi-module deployable antennas.

关键词

Keywords

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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 ）： 1 - 12 . doi: 10.3901/jme.2020.05.001 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.05.001

LIU R Q ， SHI CH ， GUO H W ， et al . Review of space deployable antenna mechanisms ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 5 ）： 1 - 12 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2020.05.001 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.05.001

LEE N ， BACKES P ， BURDICK J ， et al . Architecture for in-space robotic assembly of a modular space telescope ［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems ， 2016 ， 2 （ 4 ）： 041207 . doi: 10.1117/1.JATIS.2.4.041207 http://dx.doi.org/10.1117/1.JATIS.2.4.041207

杨慧，范硕硕，刘荣强 . 光学薄膜折展机构单元胞豆荚蜂窝杆优化［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2244 - 2251 . doi: 10.37188/ope.20202810.2244 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202810.2244

YANG H ， FAN SH SH ， LIU R Q . Optimization of single lenticular honeycomb boom for optical film deployable mechanism ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2244 - 2251 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20202810.2244 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202810.2244

LI W J ， CHENG D Y ， LIU X G ， et al . On-orbit service （OOS） of spacecraft： a review of engineering developments ［J］. Progress in Aerospace Sciences ， 2019 ， 108 ： 32 - 120 . doi: 10.1016/j.paerosci.2019.01.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.01.004

王建东，郭宏伟，刘荣强，等 . 可展开固体反射面机构设计及运动学分析［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2940 - 2948 . doi: 10.3788/ope.20182612.2940 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2940

WANG J D ， GUO H W ， LIU R Q ， et al . Mechanism design and kinematic analysis of deployable solid reflector mechanism ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2940 - 2948 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182612.2940 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2940

王玫羽，田大鹏，郭立红 . 面向机载光电平台的串联球面机构运动学建模与验模［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 8 ）： 1725 - 1732 . doi: 10.3788/OPE.20202808.1725 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202808.1725

WANG M Y ， TIAN D P ， GUO L H . Kinematics modeling and model validation of series spherical mechanism for photoelectric platform ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 8 ）： 1725 - 1732 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20202808.1725 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202808.1725

MORTEROLLE S ， MAURIN B ， QUIRANT J ， et al . Numerical form-finding of geotensoid tension truss for mesh reflector ［J］. Acta Astronautica ， 2012 ， 76 ： 154 - 163 . doi: 10.1016/j.actaastro.2012.02.025 http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.02.025

YANG G G ， YANG D W ， ZHANG Y Q ， et al . Form-finding design of cable-mesh reflector antennas with minimal length configuration ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2017 ， 63 ： 9 - 17 . doi: 10.1016/j.ast.2016.11.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.ast.2016.11.010

LIU R W ， GUO H W ， LIU R Q ， et al . Shape accuracy optimization for cable-rib tension deployable antenna structure with tensioned cables ［J］. Acta Astronautica ， 2017 ， 140 ： 66 - 77 . doi: 10.1016/j.actaastro.2017.07.047 http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.07.047

AGRAWAL P ， ANDERSON M ， CARD M . Preliminary design of large reflectors with flat facets ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation ， 1981 ， 29 （ 4 ）： 688 - 694 . doi: 10.1109/tap.1981.1142631 http://dx.doi.org/10.1109/tap.1981.1142631

杨东武，尤国强，保宏 . 抛物面索网天线的最佳型面设计方法［J］. 机械工程学报， 2011 ， 47 （ 19 ）： 123 - 128 . doi: 10.3901/JME.2011.19.123 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2011.19.123

YANG D W ， YOU G Q ， BAO H . Best geometry design method for paraboloid reflectors of mesh antenna ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2011 ， 47 （ 19 ）： 123 - 128 . （in Chinese） . doi: 10.3901/JME.2011.19.123 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2011.19.123

范叶森，李团结，马小飞，等 . 一种等张力空间索网结构找形方法［J］. 西安电子科技大学学报， 2015 ， 42 （ 1 ）： 49 - 55 . doi: JournalArticle/5b3b7428c095d70f00761856 http://dx.doi.org/JournalArticle/5b3b7428c095d70f00761856

FAN Y S ， LI T J ， MA X F ， et al . Form-finding method of equal tension cable networks for space mesh antennas ［J］. Journal of Xidian University ， 2015 ， 42 （ 1 ）： 49 - 55 . （in Chinese） . doi: JournalArticle/5b3b7428c095d70f00761856 http://dx.doi.org/JournalArticle/5b3b7428c095d70f00761856

杨癸庚，杨东武，杜敬利，等 . 一种基于力密度的网状可展开天线索网结构初始形态设计方法［J］. 机械工程学报， 2016 ， 52 （ 11 ）： 34 - 41 . doi: 10.3901/JME.2016.11.034 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2016.11.034

YANG G G ， YANG D W ， DU J L ， et al . Method for deployable mesh antenna cable network structures' form-finding design based on force density ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2016 ， 52 （ 11 ）： 34 - 41 . （in Chinese） . doi: 10.3901/JME.2016.11.034 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2016.11.034

李团结，杨丽，李洋，等 . 绳索-金属丝网组合结构力热匹配设计［J］. 西安电子科技大学学报， 2018 ， 45 （ 2 ）： 48 - 53 . doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2018.02.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-2400.2018.02.009

LI T J ， YANG L ， LI Y ， et al . Mechanical-thermal matching design for the rope-wire mesh composite structure ［J］. Journal of Xidian University ， 2018 ， 45 （ 2 ）： 48 - 53 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2018.02.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-2400.2018.02.009

MEGURO A ， SHINTATE K ， USUI M ， et al . In-orbit deployment characteristics of large deployable antenna reflector onboard Engineering Test Satellite VIII ［J］. Acta Astronautica ， 2009 ， 65 （ 9/10 ）： 1306 - 1316 . doi: 10.1016/j.actaastro.2009.03.052 http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2009.03.052

TIBERT G . Deployable Tensegrity Structures for Space Applications ［D］. Stockholm， Sweden ： Royal Institute of Technology Department of Mechanics ， 2002 . doi: 10.2514/6.2003-1978 http://dx.doi.org/10.2514/6.2003-1978

MITSUGI J ， YASAKA T . Deployable modular mesh antenna and its surface adjustment ［J］. International Journal of Space Structures ， 1993 ， 8 （ 1/2 ）： 53 - 61 . doi: 10.1177/0266351193008001-206 http://dx.doi.org/10.1177/0266351193008001-206

刘兆晶 . 模块化可展开抛物面天线支撑机构设计与研制［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2011 . doi: 10.7666/d.D261695 http://dx.doi.org/10.7666/d.D261695

LIU ZH J . Design and Manufacture of Supporting Structure for Modular Deployable Parabpolic Antenna ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2011 . （in Chinese） . doi: 10.7666/d.D261695 http://dx.doi.org/10.7666/d.D261695

田大可，刘荣强，邓宗全，等 . 构架式可展开天线工作表面母线拟合方法［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2010 ， 31 （ 9 ）： 1240 - 1247 . doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.2010.09.019 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-7043.2010.09.019

TIAN D K ， LIU R Q ， DENG Z Q ， et al . Fitting method of working surface generatrix for deployable truss antennas ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2010 ， 31 （ 9 ）： 1240 - 1247 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.2010.09.019 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-7043.2010.09.019

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