Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Những tiến bộ trong các cấu trúc và bề mặt có thể triển khai cho các khẩu độ lớn trong không gian
Tóm tắt
Các khẩu độ lớn trong không gian có ứng dụng trong viễn thông, quan sát trái đất và các nhiệm vụ khoa học. Bài báo này xem xét những tiến bộ trong các kiến trúc cơ khí và công nghệ cho các khẩu độ có thể triển khai lớn phục vụ cho các anten và kính thiên văn trong không gian. Hai cách tiếp cận bổ sung được mô tả để giải quyết thách thức này: triển khai cấu trúc dựa trên các bộ phận gần như cứng và các cấu trúc linh hoạt cao. Đối với cách tiếp cận đầu tiên, các cấu trúc có thể triển khai dạng khớp được phân loại dựa trên động học của chúng thành các liên kết 3D hoặc phẳng trong nhiều biến thể, dẫn đến các kiến trúc khác nhau như cấu trúc tỏa tròn, ngoại vi hoặc mô-đun. Một cuộc thảo luận dành riêng về số lượng bậc tự do và các ràng buộc đề cập đến độ tin cậy khi triển khai và độ ổn định nhiệt – đàn hồi của các cấu trúc đàn hồi lớn trong điều kiện có gradient nhiệt. Khía cạnh này đã được xác định là yếu tố thúc đẩy thiết kế các phát triển mới của các cấu trúc vòng ngoại vi và mô-đun. Trong khi đó, các yếu tố thiết kế khác cũng được duy trì, chẳng hạn như tối ưu hóa khối lượng và độ cứng, độ chính xác và độ ổn định tổng thể, và các khía cạnh thực tiễn bao gồm phát triển công nghiệp có kiểm soát và cam kết đáp ứng nhu cầu của người vận hành. Hơn nữa, các công nghệ và khái niệm bề mặt phản chiếu được đề cập với quan điểm tương lai, trình bày những tiến bộ trong các giải pháp kỹ thuật nhằm tăng cường khẩu độ và giảm mật độ khối lượng diện tích xuống mức có thể chấp nhận cho các nhiệm vụ trong tương lai. Các vật liệu linh hoạt cao có khả năng tạo ra các vỏ cực kỳ ổn định được mô tả với tham chiếu đến công nghệ tiên tiến và các phát triển mới. Những khái niệm này có thể cho phép các bề mặt có thể triển khai lớn cho các anten và kính thiên văn, cũng như các khái niệm quang học sáng tạo như lưới quang photons. Việc điều chỉnh hình dạng và kiểm soát hình dạng của các bề mặt này được mô tả dựa trên công nghệ hiện có và nhu cầu trong tương lai, đặc biệt là cho việc tái cấu hình anten viễn thông. Tóm lại, hai cách tiếp cận bổ sung được mô tả và xem xét bao quát lĩnh vực ứng dụng không gian hiện tại và có thể xảy ra. Các phát triển gần đây ở châu Âu được thảo luận trong bối cảnh toàn cầu và một đánh giá phản biện về công nghệ tiên tiến và các tiến bộ gần đây với việc tính đến độ tin cậy và độ ổn định cấu trúc như những yếu tố thiết kế.
Từ khóa
#khẩu độ lớn #cấu trúc có thể triển khai #anten #kính thiên văn #viễn thông #công nghệ bề mặtTài liệu tham khảo
Mangenot, C., et al.: Large Antenna Working Group, ESA Final Report, TEC-EEA/2010.595/CM (2010)
Amyotte, E., Martins Camelo, L.: Antennas for satellite communications. In: Imbriale, W., Gao, S., Boccia, L. (eds.) Space Antenna Handbook, Chap. 12. Wiley, New York (2012)
Capece, P., Torre, A.: SAR antennas. In: Imbriale, W., Gao, S., Boccia, L. (eds.) Space Antenna Handbook, Chap. 13. Wiley, New York (2012)
BIOMASS—Report for Mission Selection: An Earth Explorer to Observe Forest Biomass, ESA SP-1324/1 (2013). http://www.esa.int/livingplanet
Meschini, A., Milano, M., Rigato, R., Cammarata, A., Santiago-Prowald, J.: Orbital manoevre disturbances of a large deployable antenna. In: International Scientific Conference on Advanced Lightweight Structures and Reflector Antennas, 14–16 October 2009, Tbilisi, Georgia
Puig, L., Barton, A., Rando, N.: A review on large deployable structures for astrophysics missions. Acta Astronaut. 67, 12–26 (2010)
Medzmariashvili, E.: Transformable Space and Ground Constructions. Valemar S&T Ltd–Gregory & Co., Georgia (1995). (in Russian)
Medzmariashvili, E., Kinteraya, G., Datashvili, L., Bedukadze, G., Siradze, N., Efremov, I., Chernyavski, A., Kravchenko, Y.: Space experiment “Reflector” on testing the large-scale deployable high precision offset antenna reflector of a new generation at the orbital station MIR. In: AP2000 Millennium Conference on Antennas & Propagation, Davos, Switzerland, 9–14 April 2000
Scialino, G.L., Cherniavski, A., Korneev, V., Magjanov, R., Medzmariashvili, E., Gulyayev, V., Scolamiero, L., Santiago-Prowald, J.: Presentation of Reflector Dish Development Activities and Achieved Performances, 28th ESA Antenna Workshop, June 2005, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Roederer, A.: Historical overview of the development of space antennas. In: Imbriale, W., Gao, S., Boccia, L. (eds.) Space Antenna Handbook, chap. 7. Wiley, New York (2012)
Pellegrino, S. (ed.): Deployable structures in engineering, in deployable structures. CISM Courses and Lectures, vol. 412. International Center for Mechanical Sciences. Springer, Berlin (2001)
Datashvili, L.: Review and evaluation of the existing designs/technologies for space large deployable apertures. In: International Scientific Conference on Advanced Lightweight Structures and Reflector Antennas, 14–16 October 2009, Tbilisi, Georgia
Ozawa, S., Shintate, K., Tsujihata, A.: Tri-fold deployable reflector for communication satellites. In: AIAA 29th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC-2011). AIAA2011-8082
Arkhipov, M., Fedorchuk, S., Kardashev, N., Vinogradov, I.: “RadioAstron”: the largest space deployable solid reflector antenna. In: 33rd ESA Antenna Workshop, October 2011 ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Sarrus, P.F.: Note sur la transformation des mouvements rectilignes alternatifs, en mouvements circulaires; et reciproquement. Acad. Sci. 36, 1036–1038 (1853)
Bennett, G.T.: A new mechanism. Engineering 76, 777–778 (1903)
Chen, Y., You, Z.: Spatial overconstrained linkages—the lost jade. In: Koetsier, T., Ceccarelli, M. (eds.) Explorations in the History of Machines and Mechanisms. Proceedings of HMM2012 History of Mechanism and Machine Science, vol. 15, pp. 535–550. Springer, Berlin (2012)
Baker, E.J.: The Bennett, Goldberg and Myard linkages-in perspective. J. Mech. Mach. Theory. 14, 239–253 (1979)
Chen, Y.: Design of Structural Mechanisms. PhD thesis dissertation, University of Oxford (2003)
Goldberg, M.: New five-bar and six-bar linkages in three dimensions. Trans. ASME 65, 649–663 (1943)
Myard, F.E.: Contribution à la géométrie des systèmes articulés. Societé Mathématique de France 59, 183–210 (1931)
Fraux, V., Lawton, M., Reveles, J.R., You, Z.: Novel large deployable antenna backing structure concepts for foldable reflectors. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Qi, X., Li, B., Deng, Z., Liu, R., Guo, H.: Design and optimisation of large deployable mechanism constructed by Myard linkages. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Fanning, P., Hollaway, L.: The modal analysis of a unit building block for a 5 metre deployable antenna for space applications. In: Proceedings of the 4th International Conference on Space structures, vol. 1, pp. 432–441. Space Structures 4, Surrey (1993)
You, Z.: Deployable Structures for Masts and Reflector Antennas. PhD thesis dissertation, University of Cambridge (1994)
Tibert, G.: Deployable Tensegrity Structures for Space Applications. Doctoral thesis, KTH Royal Institute of Technology Department of Mechanics, Stockholm (2002)
Ganga, P.L., Zolesi, V., Scolamiero, L., Micheletti, A., Podio-Guidugli, P., Tibert, G., Donati, A., Ghiozzi, M.: Tensegrity structures for large deployable reflectors. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Narayanan, S.: Space Structures: Principles and Practice, vol. 2. Multi-Science Publishing Co. Ltd., Essex. ISBN: 0 906522 42 0 (2006)
Miura, K., Miyazaki, Y.: Concept of the tension truss antenna. AIAA J. 28(6), 1098–1104 (1990)
Hirosawa, H., et al.: Space VLBI satellite HALCA and its engineering accomplishments. Acta Astronaut. 50(5), 301–309 (2002)
Thomson, M., Marks, G., Hedgepeth, J.: Light-Weight Reflector for Concentrating Radiation. Patent US5680145 (1997)
Thomson, M.: The AstroMesh deployable reflector. In: Pellegrino, S., Guest, S.D. (eds.) IUTAM-IASS Symposium on Deployable Structures: Theory and Applications (Cambridge, UK, 6–9 September 1998), pp. 435–446. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (2000)
Medzmariashvili, E.: Constructive logic of reflector created with double pantograph deployable load-bearing ring. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
You, Z., Pellegrino, S.: Structural concept of a deployable mesh reflector. In: ESA Antenna Workshop, ESA-WPP-100 (1995)
Harris Corporation: Development of the 15 metre Diameter Hoop Column Antenna, NASA-CR-4038 (1986)
Mini, F., Scialino, G.L., Milano, M., Lubrano, V., Conforto, P., Pellegrino, P., Caswell, D., Santiago Prowald, J., Van’t Klooster, C.G.M., Cherniavski, A., Korneev, V., Vorobey, I., Fedoseev, A.: European large deployable antenna: development status and applications. In: Proceedings of the European Conference on Antennas and Propagation ‘EuCAP 2006’, Nice, France, 6–10 November 2006 (ESA Publication SP-626, October 2006)
Santiago-Prowald, J.: Large Deployable Antennas Mechanical Concepts. http://www.kiss.caltech.edu/workshops/apertures2008/talks/santiagoprowald.pdf
Datashvili, L.: Foldability aspects of hinged-rod systems applicable to the deployable space structures. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Datashvili, L., Endler, S., Baier, H., Langer, H., Friemel, M. Tsignadze, N., Santiago-Prowald, J.: Study of mechanical architectures of large deployable space antenna apertures: from design to tests. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Meguro, A., Mitsugi, J., Ando, K.: Modular Deployable Antenna. Patent US62023791 (2001)
Meguro, A., Shintate, K., Usui, M., Tsujihata, A.: In-orbit deployment characteristics of large deployable antenna reflector onboard engineering test satellite VIII. Acta Astronaut. 65, 1306–1316 (2009)
Kellog, K.: Presentation on Galileo Antenna Failure and Mission Recovery. Jet Propulsion Laboratory/CalTech, USA (1995)
Santiago-Prowald, J., Such Taboada, M.: Innovative deployable reflector design. In: 33rd ESA Antenna Workshop, October 2011 ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Medzmariashvili, N, Medzmariashvili, E., Tsignadze, N., Tusishvili, O., Santiago-Prowald, J., Mangenot, C., Baier, H., Scialino, L., Philipenko, L.: Possible options for jointly deploying a ring provided with v-fold bars and a flexible pre-stressed center. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Rodrigues, G., Such-Taboada, M., Datashvili, L., Tsignadze, N., Medzmariashvili, E., Santiago-Prowald, J.: Isostatic cable net for large deployable antenna reflector. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2-3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Tserodze, S., Medzmariashvili, E., Tusishvili, O., Tsignadze, N., Santiago-Prowald, J., Van ‘t Klooster, C.: Mechanical supporting ring structure. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Scialino, L., Migliorelli, M., Gatti, N., Breunig, E., Ihle, A., Datashvili, L., van ‘t Klooster, K., Santiago Prowald, J.: Reflector technology trade-off for lda on telecom and earth observation applications. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Ihle, A., Breunig, E., Datashvili, L., Migliorelli, M., Scialino, L., van’t Klooster, K., Santiago-Prowald, J.: Large deployable reflector technologies for future european telecom and earth observation missions. In; Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Frank Pai, P.: Highly Flexible Structures: Modelling, Computation and Experimentation. AIAA Education Series (2007)
Santiago-Prowald, J., Henriksen, T., Stavrinidis, C.: Modelling and testing of large deployable space apertures. In: Proceedings of the International Scientific Conference “Advanced Lightweight Structures and Reflector Antennas”, 14–16 October 2009, Tbilisi, Georgia
Santiago-Prowald, J., Salghetti Drioli, L.: Space environment and materials. In: Imbriale, W., Gao, S., Boccia, L. (eds.) Space Antenna Handbook, Chap. 4. Wiley, New York (2012)
Tan, L.T., Soykasap, O., Pellegrino, S.: Design and manufacture of stiffened spring back reflector demonstrator. In: Proceedings of the 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, April 2005, AIAA 2005-2048
Baier, H., Darashvili, L., Nathrath, N., Pellegrino, S.: Technical Assessment of High Accuracy Large Space Borne Reflector Antenna. Final Report, Contract16757/02/NL/LvH/bj
Baier, H., Darashvili, L., Nathrath, N.: The deployable precision flexible shell-membrane reflector SMART. In: Proceedings EuCAP 2006, Nice, France, ESA SP-626 (2006)
Malllikarachchi, H.M.Y.C., Pellegrino, S.: Composite deployable tubular antenna booms. In: Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Schmidt, T., Schiller, M., Schmalbach, M., Fix, A., Scolamiero, L.: Recent EM testing results for ultra-light deployment mechanism for sectioned large deployable antenna reflectors. Large Deployable Antenna Workshop, 2–3 October 2012, ESA-ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
Salama, M., Jenkins, C.H.: Intelligent gossamer structures: a review of recent developments and future trends. AIAA paper 2001-1196 (2001)
Thomson, M.: The Astromesh deployable reflector. In: Proceedings of Antennas and Propagation International Symposium (1999). doi:10.1109/APS.1979.838231 Israel
TecSar: Encyclopedia Astronautica. http://www.astronautix.com/craft/tecsar.htm
Wade, W.D.: Development of low PIM, zero CTE mesh for deployable communication antennas. In: Proceedings of MILCOM 90 Conference, pp. 1175–1178 (1990)
Miura, A., Tanaka, M.: A mesh reflecting surface with electrical characteristics independent on direction of incident wave. In: Proceedings of Antennas and Propagation Symposium 2004. doi:10.1109/APS.2004.1329546
Di, J., Duan, B., Zheng, F.: Reflector shape adjusting methods for cable mesh deployable antennas. In: 1st International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics (2006). doi:10.1109/ISSCAA.2006.1627522
Datashvili, L., Baier, H., Wehrle, E., Kuhn, T., Hoffmann, J.: Large shell-membrane space reflectors. In: Proceedings of AIAA Structures, Dynamics, and Materials Conference, Honolulu, Hawaii (2010)
Datashvili, L., Baier, H.: Flexible fiber composites for space structures. In: Chang, G. (ed.) Fiber Composite Structures. Nova Science Publishers, Inc., USA (2011)
Schmid, M., Barho, R.: Development of an Unfurlable CFRP skin reflector. In: Proceedings of 25th Antenna Workshop, ESTEC, Noordwijk (2002)
Devilliers, C., Kroedel, M.: CESIC—optomechanical developments for space mirrors. In: 7th International Conference on Space Optics, October 2008
Sein, E., Toulemont, Y., Safa, F., Duran, M., Deny, P., De Chambure, D., Passvogel, T., Pilbratt, G.: A 3.5 M SiC Telescope for HERSCHEL mission. In: Conference Proceedings Space Telescopes and Instruments, SPIE 4850 (2003)
Flint, E., Lindler, J. Hall, J., Rankine, C., Regelbrugge, M.: Overview of form stiffened thin film shell characteristic behavior. In: 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (2006). doi:10.2514/6.2006-1900
Pearson, J.C., Unroe, M.R.: Precision Tooling for Thin Film Membrane Reflectors. AMPTIAC Q. 8(1) (2004)
Jenkins, C.H., Tampi, M., Kalanovic, V.D., Padmanabhan, K.: Practical aspects of precision membrane antenna shape control. In: IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (1998). doi:10.1109/ICSMC.1998.726494
Andersen, G.: Large optical photon sieve. Opt. Lett. 30(22) (2005)
Baier, H., Datashvili, L., Endler, S., Roose, S., Rodrigues, G.: Large deployable telescopes—also for μm-wavelengths? In: Proceedings of ESA Large Deployable Antenna Workshop, Noordwijk, Octobre 2012
Rapp, S., Baier, H.: Shape memory polymer actuator patches for shape adjustment of fiber composite parts. In: Proceedings of 19th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference, Denver, USA, 2011
Leng, J., Du, S.: Shape Memory Polymers and Multifunctional Composites. CRC Press, New York (2010)
Bar-Cohen, Y., Leary, S.: Electroactive polymer characterization methods. In: Proceedings of SPIE Symposium Smart Structures and Materials, Newport (2000)
Nella, J., Atcheson, P., Atkinson, C., Au, D., Blair, M., Bronowicki, A., Fitzgerald, D., Heideng, J., Lightsey, P., Kelly, T., Matthews, G., Pohner, J., Reynolds, P., Shuckstes, D., Texter, S., Waldie, D., and Whitley, R.: Next Generation Space Telescope (NGST) observatory architecture and performance. In: Proceedings of the 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference (2009)
Denoyer, K.K., Flint, E.M., Main, J.A., Lindler, J.E.: Actively controlled thin-shell space optics, smart structures and materials. In: Proceedings of SPIE, San Diego, CA, vol. 5054, pp. 263–274 (2003)
Dargaville, T.R., Celina, M.C., Elliott, J.M., Chaplya, P.M., Jones, G.D., Mowery, D.M., Assink, R.A., Clough, R.L., Martin, J.W.: Characterization, Performance and Optimization of PVDF as a Piezoelectric Film for Advanced Space Mirror Concepts. Report No. SAND2005-6846, Sandia National Laboratories, 2005
Rodrigues, G., Bastaits, R., Roose, S., Stockman, Y., Gebhardt, S., Schoenecker, A., Villon, P., Preumont, A.: Large lightweight segmented mirrors for adaptive optics. In: Proceedings SPIE Conference on Astronomical Instrumentation—Adaptive Optics Systems (7015), Marseille, France, June 23–28, 2008
Fang, H., Pattom, M., Wang, K., Im, E.: Shape control of large membrane reflectors with PVDF actuation. In: AIAA Structures, Dynamics and Materials Conference, Honolulu, Hawaii, AIAA paper 2077-1842 (2007)
Rapp, S., Kang, L., Mueller, U., Han, J.H., Baier, H.: Dynamic shape estimation by modal approach using fiber bragg grating strain sensors. In: SPIE Conference on Smart Structures and Materials 2007—Sensors and Smart Structures Technologies, 18–22. March 2007, San Diego, CA. Proceedings vol. 6529 (2007)
Gawronski, W.: Dynamics and Control of Structures—A Modal Approach. Springer, New York (1998)
Preumont, A.: Vibration Control of Active Structures—An Introduction, 2nd edn. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (2004)
Su, T., Craig, R.: Model reduction and control of flexible structures using Krylov vectors. J Guid Control Dyn 14(2), 260–267 (1991)
Antoulas, A.C., Sorensen, D.C.: Approximation of large-scale dynamical systems: an overview. Int J Appl Math Comput Sci 11(5), 1093–1121 (2001)
Yoo, E.J., Baier., H.: Parametric model order reduction techniques for simulating active shape and vibration control of the large space structures. In: Proceedings of European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, Toulouse, September 2009
Yoo, E.J.: Parametric Model Order Reduction for Structural Analysis and Control. Doctoral thesis, TU Muenchen (2010) (available via www)
Clarricoats, P.J.B., Zhou, H.: Design and performance of a reconfigurable mesh reflector antenna Part 1: Antenna design. Paper 8306H (El I). In: IEE Proceedings-H, vol. 13X. No. 6, December 1991
Pontoppidan, K.: Light-weight reconformable reflector antenna dish. In: Proceedings of 28th ESA Antenna Workshop on Space Antenna Systems and Technologies, 31 May–3 June 2005 ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands (2005)
Datashvili, L., Baier, H., Wei, B., Hoffman, J., Wehrle, E., Schreider, L., Mangenot, C., Santiago-Prowald, J., Scolamiero, L., Angevain, J-C.: Mechanical investigations of in-space-reconfigurable reflecting surfaces. In: Proceedings of the 32nd ESA Antenna Workshop on Antennas for Space Applications, ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands (2010)
Datashvili, L., Baier, H., Wei B., Endler, S., Schreider, L.: Design of a morphing skin using flexible fiber composites for space-reconfigurable reflectors. In: AIAA Structures, Dynamics and Materials Conference, Boston, USA (2013)
Endler, S., Datashvili, L., Baier, H., Schreider, L.: Nano-fillers in fiber reinforced polymers for performance enhancement of satellite structures. In: Proceedings of the ESA Structures Conference, Noordwijk, The Netherlands, March 2012
Washington, G., Yoon, H.-S., Angelino, M., Theunissen, W.H.: Design, modelling, and optimization of mechanically reconfigurable aperture antennas. IEEE Trans Antennas Propag 50, 628–637 (2002)
Rodrigues, G., Angevain, J.C., Santiago-Prowald, J.: Shape optimization of reconfigurable antenna reflectors. In: Proceedings of ESA Workshop on Large Deployable Antennas, ESTEC, Noordwijk, October 2012