星载反射面天线在轨热变形性能评估方法技术

本发明专利技术提供了一种星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，在设计前期利用仿真手段对反射面天线的温度场分布、结构热变形参数和热变形后的性能进行初步评估，然后再通过地面热平衡试验和热变形测试对仿真模型进行修正，最终对天线的热变形性能进行评估确认。本发明专利技术采取了仿真计算与地面试验验证相结合的方法，可以在地面研发阶段提前对反射面天线的在轨热变形性能进行精确评估，同时可作为在轨指向角度修正的参考。度修正的参考。度修正的参考。

【技术实现步骤摘要】
星载反射面天线在轨热变形性能评估方法


[0001]本专利技术涉及星载反射面天线，具体地，涉及星载反射面天线在轨热变形性能评估方法。

技术介绍

[0002]星载反射面天线安装在卫星外表面，在轨工作期间会面临极端恶劣的温度环境。特别对于行星际探测器，在近地飞行段高温可达+100℃以上，远地飞行段低温可达
‑
180℃以下。由于剧烈的温度变化，会导致反射面天线结构产生变形。对于固定安装在卫星表面的大口径反射面天线，天线波束较窄，在轨热变形会导致天线辐射性能恶化，例如增益降低、天线波束指向偏离原设计目标，这些因素将直接影响卫星通信系统功能，甚至使得通信功能失效。
[0003]因此，为了确保反射面天线在轨工作阶段的性能符合要求，很有必要在地面研发阶段提前对其在轨热变形性能进行精确评估分析。
[0004]目前现有的热变形评估方法一般采用仿真计算的方法来进行。在名称为星载微带阵列天线热变形对电性能影响对快速预测方法的专利技术专利中采用仿真分析方法预估天线的形变量和电性能变化情况。这种方法可以初步对天线在轨热变形和电性能变化进行预估，其缺点是获取对形变量仅是仿真值，实际工程中，产品的材料特性参数，如热膨胀系数，并非是一个定值，因此仿真获取的形变量与实际在轨形变量会有一个差值，这种仅靠仿真计算的方法并不能精确评估天线实际在轨的形变情况和电性能变化。
[0005]名称为一种轴对称反射面天线热变形实时预估方法的专利技术专利中利用在轨实测的温度场数据对热仿真模型进行修正，再根据修正更新的温度场仿真计算反射面变形量。这种热变形预估方法利用获取的实测温度修正仿真温度，提高了温度场分析精度，但仍存在以下几个方面的问题，一是由于温度数据是在轨后获取的，并不能在地面研发阶段提前对天线在轨热变形进行精确评估；二是这种方法获取的在轨温度数据只能对热仿真模型进行修正，天线的变形量仍然仅是仿真值，热变形仿真模型未经过热变形实测数据修正，难以保证形变量评估精度；三是进行热变形评估的目的一般是获取热变形对天线性能对影响，该方法仅对天线对热变形量进行评估，没有与天线性能相关联。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，采用仿真分析结合实际测试验证的方法，利用实测数据对热仿真模型和热变形仿真模型进行修正完善，在地面研发阶段提前对反射面天线在轨热变形性能进行精确评估分析，以解决目前无法在地面研发阶段提前精确评估反射面天线因在轨热环境产生的热变形对天线性能影响的技术问题。
[0007]根据本专利技术提供的星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，包括如下步骤：
[0008]S1：构建所述星载反射面天线的结构模型，并基于所述结构模型构建所述星载反
射面天线的第一电磁仿真模型，并计算所述星载反射面天在线常温状态下的标准辐射方向图；
[0009]S2：构建星载反射面天线的热仿真模型，基于所述星载反射面天线在卫星上的在轨热边界环境条件，计算不同工况下的温度场分布，生成所述星载反射面天线的温度场参数；
[0010]S3：构建所述星载反射面天线的热变形仿真模型，并根据所述温度场参数，计算不同温度场分布工况下所述星载反射面天线热变形后的结构外形参数；
[0011]S4：基于所述结构外形参数构建第二电磁仿真模型，计算相对应的热变形辐射方向图，将所述热变形辐射方向图与所述标准辐射方向图进行逐一对比，获取在轨不同温度场分布工况下的所述星载反射面天线的性能变化情况；
[0012]S5：根据所述性能变化情况，初步判断所述星载反射面天线热变形后的性能是否符合预设置的要求值。
[0013]优选地，还包括如下步骤：
[0014]S6：当所述星载反射面天线热变形后的性能不符合预设置的要求值时，对所述星载反射面天线的结构模型进行优化设计，并重复步骤S1～S5，否则进行下一步S7；
[0015]S7：通过在地面开展真空热平衡试验和真空热变形测试获取所述星载反射面天线在轨不同温度边界工况下的温度场分布和结构形变参数，根据所述温度场分布和结构形变参数，修正所述热仿真模型和所述热变形仿真模型，进而更新热变形后的所述结构外形参数；
[0016]S8：根据所述结构外形参数更新反射面天线的第二电磁仿真模型，进而计算不同温度场工况下的天线性能。
[0017]优选地，所述反射面天线的结构类型包括固体反射面和网状反射面；
[0018]所述固体反射面包括金属材料反射面和复合材料反射面；所述网状反射面包括金属丝网反射面和复合材料网状反射面；
[0019]根据所述星载反射面天线的射频性能指标、重量指标、抗力学环境、热环境以及加工制造成本构建所述结构模型。
[0020]优选地，所述结构模型包括反射面天线各部件的材料类型、质量、密度、弹性模量、剪切模量以及热膨胀系数；
[0021]所标准辐射方向图的性能指标包括：峰值增益以及指定波束宽度范围内增益。
[0022]优选地，通过所述热仿真模型进行的温度场分布分析至少包括极端高温工况、极端低温工况、典型低温工况以及温度梯度分布工况；
[0023]所述温度梯度分布工况为指反射面一端温度高于另外一端温度至少100℃；
[0024]通过所述热变形仿真模型进行温度场分布分析分析至少包括极端高温工况、极端低温工况、典型低温工况以及温度梯度分布工况。
[0025]优选地，在进行所述真空热平衡试验和真空热变形测试时至少包括极端高温工况、典型低温工况以及温度梯度分布工况。
[0026]优选地，修正所述热仿真模型是指根据热平衡试验获取的温度场分，修正热仿真分析所用的材料参数，如热阻，并在修正后重新进行迭代热仿真分析，使得仿真的温度场分布与实测温度场分布差值小于3℃。
[0027]优选地，修正所述热变形仿真模型是指根据热变形测试获取的结构形变参数，修正热变形仿真分析所用材料的热特性参数，如热膨胀系数，修正后重新进行热变形迭代仿真分析，使得仿真形变量与实测形变量最大形变差值小于0.2mm。
[0028]优选地，所述真空热平衡试验和所述真空热变形测试可同时进行，也可分别独立完成。
[0029]优选地，若所述极端低温工况温度低于
‑
170℃，则能够在修正所述热仿真模型和所述热变形仿真模型后仿真获取低于
‑
170℃，如
‑
180℃的极端低温工况下的结构形变参数，进而确定极端低温工况下反射面天线的性能变化情况。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0031]本专利技术首先通过仿真分析星载反射面天线在轨不同工况下温度场分布、天线结构热变形和辐射方向图性能，初步判断天线在轨性能变化情况，随后通过地面热平衡试验和热变形测试修正热仿真模型和热变形仿真模型，更新温度场和天线结构热变形结果，进而更新反射面天线电磁仿真模型，精确获取反射面天线在轨热变形后的性能变化情况；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：构建所述星载反射面天线的结构模型，并基于所述结构模型构建所述星载反射面天线的第一电磁仿真模型，并计算所述星载反射面天在线常温状态下的标准辐射方向图；S2：构建星载反射面天线的热仿真模型，基于所述星载反射面天线在卫星上的在轨热边界环境条件，计算不同工况下的温度场分布，生成所述星载反射面天线的温度场参数；S3：构建所述星载反射面天线的热变形仿真模型，并根据所述温度场参数，计算不同温度场分布工况下所述星载反射面天线热变形后的结构外形参数；S4：基于所述结构外形参数构建第二电磁仿真模型，计算相对应的热变形辐射方向图，将所述热变形辐射方向图与所述标准辐射方向图进行逐一对比，获取在轨不同温度场分布工况下的所述星载反射面天线的性能变化情况；S5：根据所述性能变化情况，初步判断所述星载反射面天线热变形后的性能是否符合预设置的要求值。2.根据权利要求1所述的星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，其特征在于，还包括如下步骤：S6：当所述星载反射面天线热变形后的性能不符合预设置的要求值时，对所述星载反射面天线的结构模型进行优化设计，并重复步骤S1～S5，否则进行下一步S7；S7：通过在地面开展真空热平衡试验和真空热变形测试获取所述星载反射面天线在轨不同温度边界工况下的温度场分布和结构形变参数，根据所述温度场分布和结构形变参数，修正所述热仿真模型和所述热变形仿真模型，进而更新热变形后的所述结构外形参数；S8：根据所述结构外形参数更新反射面天线的第二电磁仿真模型，进而计算不同温度场工况下的天线性能。3.根据权利要求1所述的星载反射面天线在轨热变形性能评估方法，其特征在于，所述反射面天线的结构类型包括固体反射面和网状反射面；所述固体反射面包括金属材料反射面和复合材料反射面；所述网状反射面包括金属丝网反射面和复合材料网状反射面；根据所述星载反射面天线的射频性能指标、重量指标、抗力学环境、热环境以及加工制造成本构建所述结构模型。4.根据权利要求1所述的星载...

【专利技术属性】
技术研发人员：张顺波，任红宇，李春晖，刘伟栋，杨潇杰，韩伟强，匡全进，
申请(专利权)人：上海航天测控通信研究所，
类型：发明
国别省市：