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本研究的主要作者包括Guang-Yu Lu、Ji-Yang Zhou、Guo-Ping Cai、Guang-Qiang Fang、Liang-Liang Lv和Fu-Jun Peng。他们的研究机构分别为上海交通大学工程力学系、海洋工程国家重点实验室以及上海航天系统工程研究所。该研究发表于2019年7月的《Aerospace Science and Technology》期刊上。
本研究的主要科学领域为航天科学与技术，具体聚焦于大型平面相控阵天线在太空环境中的热变形及其形状控制方法。随着观测卫星对高分辨率和宽幅成像的需求增加，天线的尺寸逐渐增大。然而，太空热环境会导致天线结构发生热变形，严重影响天线的指向精度。因此，研究天线在太空环境中的热变形及其补偿方法具有重要意义。
研究背景知识包括相控阵天线的基本组成及其工作原理。相控阵天线主要由大量天线单元、移相器和馈电系统组成，通常由桁架结构支撑。为了确保天线的高增益和指向精度，天线单元的辐射波相位必须严格校准，这就要求支撑结构能够保证天线面板的形状精度。然而，太空热环境会导致航天器柔性附件的热变形和扭曲，进而影响航天器的整体稳定性，最终可能导致航天器上的仪器故障。
本研究的主要目标是开发一种新的形状控制方法，利用电缆作为执行器，通过优化执行器的布局和控制力，补偿天线结构的热变形，从而保持天线的形状精度。
本研究包括以下几个主要步骤：
天线结构的热变形分析
研究首先采用有限元方法（FEM）建立天线结构的模型，并获取其稳态温度场。基于温度场，进一步分析天线结构在热载荷下的变形形式。研究假设太空环境接近真空，因此主要考虑热传导和辐射两种热传递方式。热传导是天线结构各组件之间的主要热传递方式，而辐射则是天线结构与太空环境之间的热交换方式。
形状控制方法的提出
研究提出了一种新的形状控制方法，利用电缆作为执行器，将控制问题转化为执行器布局的优化问题。通过离散粒子群优化算法（PSO）和二次优化算法，确定执行器的最优布局及其对应的控制力。
数值模拟与验证
研究以一个100米规模的天线结构为例，通过数值模拟验证所提出方法的有效性。模拟结果表明，该方法能够成功控制结构的热变形，并保持天线的形状精度。
热变形分析的具体实施
研究详细分析了天线结构在不同轨道位置下的温度场和变形场。通过设定五种不同的工作条件，研究分析了天线结构在这些条件下的热变形形式。结果表明，天线结构的主要变形形式为沿y轴的弯曲变形，最大变形值可达±100毫米。
形状控制分析的具体实施
研究通过离散PSO算法和二次优化算法，优化了执行器的布局及其控制力。结果表明，至少需要20根电缆作为执行器，才能满足天线的形状精度要求。研究还验证了所提出方法在不同工作条件下的可移植性，表明在极端工作条件下获得的执行器布局方案能够有效控制其他工作条件下的变形。
热变形分析结果
研究分析了天线结构在不同工作条件下的温度场和变形场。结果表明，天线结构的主要变形形式为沿y轴的弯曲变形，最大变形值可达±100毫米。特别是在工作条件1和工作条件4下，变形最为显著。
形状控制结果
通过优化执行器的布局及其控制力，研究成功将天线结构的最大变形控制在预设的精度范围内。在工作条件1和工作条件4下，最大变形从±100毫米降至±10毫米，均方根误差（RMS）也显著降低。
执行器布局的可移植性
研究验证了所提出方法在不同工作条件下的可移植性。结果表明，在极端工作条件下获得的执行器布局方案能够有效控制其他工作条件下的变形，表明该方法具有良好的适应性和可移植性。
本研究提出了一种新的形状控制方法，利用电缆作为执行器，通过优化执行器的布局和控制力，成功补偿了大型平面相控阵天线在太空环境中的热变形。该方法能够有效保持天线的形状精度，具有重要的科学价值和应用价值。
创新性方法
本研究提出了一种新的形状控制方法，利用电缆作为执行器，通过优化执行器的布局和控制力，补偿天线结构的热变形。该方法具有创新性和实用性。
数值模拟验证
研究通过数值模拟验证了所提出方法的有效性，表明该方法能够成功控制结构的热变形，并保持天线的形状精度。
执行器布局的可移植性
研究验证了所提出方法在不同工作条件下的可移植性，表明在极端工作条件下获得的执行器布局方案能够有效控制其他工作条件下的变形。
本研究还详细分析了天线结构在不同轨道位置下的温度场和变形场，为后续研究提供了重要的参考数据。此外，研究还探讨了执行器布局的优化方法，为类似大型空间结构的形状控制提供了新的思路。