某中型口徑可展開反射面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

包 鵬， 曾品松， 李克郎， 陳佳玲， 向紀(jì)邦

(湖南飛宇航空裝備有限公司， 長沙 410013)

1 引言

以無線電、激光作為傳輸方式的通信系統(tǒng)中，天線作為輻射或接收電磁波的裝置，是必不可少的。 在航天領(lǐng)域，由于運載工具的直徑限制，發(fā)展可展天線已成為一種趨勢[1]。 型面精度指標(biāo)影響天線傳輸信息的準(zhǔn)確性與天線的可靠性[2-3]，根據(jù)可展天線反射面的形式可分為固體反射面(固面)天線、網(wǎng)狀反射面天線和薄膜反射面天線3 類，盡管反射面形式各有不同，但固面天線對比其他形式的天線具有型面精度高的優(yōu)點。

現(xiàn)有的固面天線展開方式分為有源驅(qū)動及無源驅(qū)動2 種。 無源驅(qū)動方式采用機械零部件作為驅(qū)動機構(gòu)，無需用到導(dǎo)軌及電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，適用于中小型口徑可展天線的展開[4]。 潘亮來等[5]提出了一種采用扭簧驅(qū)動的無源驅(qū)動方式，可用于小口徑可展固面天線結(jié)構(gòu)；王建東等[6]設(shè)計了一種單閉環(huán)空間連桿機構(gòu)可展單元；張騫等[7]選用單頂點五折痕模式對拋物面固體反射天線進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。 以上研究主要集中于實現(xiàn)小口徑可展天線的無源驅(qū)動的機構(gòu)設(shè)計，但對天線其他重要設(shè)計指標(biāo)的滿足程度卻較少提及。

可展天線除了上述文獻進行的展開機構(gòu)設(shè)計外，反射面型面精度、整體收納率等都是重要的設(shè)計指標(biāo)，例如天線的電性能就與天線反射面精度有很大關(guān)聯(lián)。 本文選用固面形式的天線，用以保證無源驅(qū)動展開后的反射面型面精度。 在此基礎(chǔ)上，從展開反射面、無源驅(qū)動展開機構(gòu)、鎖緊釋放機構(gòu)3 個方面進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)一種精度可靠、質(zhì)量輕且具備良好收納率的中型口徑可展開固面天線，最后經(jīng)由剛度計算，并制作樣機進行試驗測試，驗證無源驅(qū)動方式可行性及型面精度水平。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某中型口徑可展開天線由片狀展開反射面、展開機構(gòu)、鎖緊釋放機構(gòu)等組成，可實現(xiàn)天線反射面的收攏和無源驅(qū)動的展開，設(shè)計總體圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計總體圖Fig.1 Overall scheme of the structure design

具體設(shè)計指標(biāo)如下:①天線展開口徑為2200 mm；②收攏后尺寸為Φ500 mm×1295 mm；③展開機構(gòu)采用無源驅(qū)動方式；④反射面型面精度RMS≤0.5 mm。

2.1 天線主反射面設(shè)計

天線主反射面采用片狀可展開固面形式，工作曲面是由30 片旋轉(zhuǎn)拋物面拼裝所得的環(huán)焦拋物面，環(huán)焦拋物面口徑為Φ2200 mm，中央開孔Φ200 mm。 為避免收攏時片狀天線之間相互影響，相鄰片狀天線拼接處留有1 mm 的避讓空隙。

主反射面采用碳纖維復(fù)合材料制成。 碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強、熱膨脹系數(shù)低及可導(dǎo)電等特性，使用該種材料制成的天線反射面，適宜應(yīng)用于各種場景，并具有高型面精度[4]。 本文針對2 種不同結(jié)構(gòu)形式的反射面:背部網(wǎng)狀筋增強的薄殼結(jié)構(gòu)(N 型)和蜂窩增強夾層結(jié)構(gòu)(H 型)，通過ABAQUS 軟件對兩者單片及組裝體的熱變形程度進行比對，確定反射面的結(jié)構(gòu)形式。

2 種結(jié)構(gòu)形式具體為:N 型反射面蒙皮厚1 mm，背部網(wǎng)狀筋厚2 mm；H 型蜂窩為碳纖維蜂窩，厚度為2.2 mm， 反射面內(nèi)外蒙皮各厚0.4 mm。 首先，將片狀反射面根部固定，按照以下方式對單片結(jié)構(gòu)施加溫度場:內(nèi)表面施加溫度180 ℃，外表面施加溫度-100 ℃，模擬空間在軌運行情況，采用穩(wěn)態(tài)熱變形分析法計算單片N 型及H 型結(jié)構(gòu)的熱變形。

2 種結(jié)構(gòu)該溫度場下的熱變形情況如圖2 所示，單片N 型結(jié)構(gòu)熱變形最大值為5.654 mm，單片H 型結(jié)構(gòu)熱變形最大值為1.622 mm，對比后初步選取變形量較小的H 型夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為片狀固面材料。

圖2 2 種結(jié)構(gòu)形式片狀反射面的位移云圖Fig.2 Displacement contour of N-type and H-type flake structure

片狀天線在展開后，兩兩之間還設(shè)計有搭接結(jié)構(gòu)，采用磁吸原理，保證其為一個整體，從而進一步保證天線的精度穩(wěn)定性和展開的重復(fù)精度。搭接結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 天線背側(cè)搭接示意圖Fig.3 Structure of antenna back lap

為了進一步確認片狀反射面結(jié)構(gòu)形式的合理性，采用ABAQUS 軟件對搭接之后形成的各結(jié)構(gòu)片狀反射面組裝體進行空間在軌環(huán)境熱變形的計算。 由于相鄰2 個片狀結(jié)構(gòu)通過背部的搭接機構(gòu)連接，變形協(xié)調(diào)，所以相鄰結(jié)構(gòu)面板采用綁定(TIE)方式連接，另外，片狀結(jié)構(gòu)的根部也采用該方式連接，保證變形協(xié)調(diào)。 按照與單片反射面同樣的方式對組裝體結(jié)構(gòu)施加溫度場，即內(nèi)表面施加溫度180 ℃，外表面施加溫度-100 ℃。

2 種結(jié)構(gòu)在該溫度場下的熱變形情況如圖4所示，N 型結(jié)構(gòu)組裝體熱變形最大值為1.806 mm，H 型結(jié)構(gòu)組裝體熱變形最大值為0.292 mm，對比驗證最終選取H 型夾層結(jié)構(gòu)形式復(fù)合材料作為片狀固面材料。

圖4 2 種結(jié)構(gòu)形式組裝體的位移云圖Fig.4 Displacement contour of N-type and H-type assembly structure

2.2 無源驅(qū)動展開機構(gòu)設(shè)計

可展開反射面設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)是其展開機構(gòu)設(shè)計，要求反射面具有可收攏、可展開功能和很高的展開可靠性及精度穩(wěn)定性；收攏體積小，總質(zhì)量輕；展開時采用無源驅(qū)動；展開狀態(tài)具有一定的剛度和較穩(wěn)定的重復(fù)精度。

本文無源展開驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用自動雨傘形式，中心彈簧蓄能驅(qū)動，通過一系列鉸鏈及連桿機構(gòu)拉動片狀反射面繞雙軸旋轉(zhuǎn)展開。 天線展開或收攏時利用中心軸導(dǎo)向，側(cè)邊滾輪按螺旋軌跡限位，保證天線展開和收攏時的精度及尺寸要求。

圖5 為天線主反射面展開機構(gòu)示意圖。 展開機構(gòu)的自由度按公式(1)計算，所得自由度為1，滿足使用要求。

圖5 天線主反射面展開機構(gòu)示意圖Fig. 5 Deployment mechanism of the antenna main reflector

式中，n為活動構(gòu)件的數(shù)量；Pi(i＝1～5)為i級副機構(gòu)的數(shù)量。

展開機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖6 所示，整個展開機構(gòu)主要由中心體保持架組件、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤組件、片狀反射面驅(qū)動連桿及鉸鏈組件和到位鎖緊彈簧機構(gòu)組成，具體如下:

圖6 天線主反射面展開機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Deployable structure of the antenna main reflector

1)中心體保持架組件。 中心體保持架組件為整個天線的安裝支座，中心的安裝板可用于副反支撐件和饋源等組件的安裝，中心軸和周邊的鉸鏈軸支座用于片狀反射面的安裝定位。 在保持架側(cè)壁上設(shè)計有弧形的螺旋導(dǎo)槽，用于控制片狀反射面在旋轉(zhuǎn)收攏或展開時的運動軌跡。

2)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤組件。 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤組件的中心部位為滑動軸承，與中心體保持架的中心軸配合，驅(qū)動盤的外圈上安裝有滾輪機構(gòu)，可以在保持架側(cè)壁的弧形限位槽內(nèi)運動。 通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤組件與中心體保持架的配合，把中心部位彈簧伸展或壓縮轉(zhuǎn)換成驅(qū)動盤外圈的旋轉(zhuǎn)上升或下降運動，從而帶動片狀反射面，實現(xiàn)其收攏與展開。

3)鉸鏈支座連接組件。 片狀反射面與中心體保持架的鉸鏈支座連接處為雙軸鉸鏈結(jié)構(gòu)，可以保證天線在驅(qū)動連桿的作用下，實現(xiàn)向整個天線的中心收攏與展開，同時也可以繞單個片狀反射面的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。

4)彈簧限位結(jié)構(gòu)。 當(dāng)天線展開到位后，安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤上的彈簧限位機構(gòu)滑入卡槽，在伸縮定位桿及止動塊的共同作用下，將天線鎖死。彈簧限位機構(gòu)在圓周上設(shè)計有3 組，保證機構(gòu)鎖緊時的穩(wěn)定性。 彈簧限位機構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 彈簧限位機構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of spring limit

2.3 天線鎖緊釋放結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線的鎖緊釋放機構(gòu)設(shè)計在片狀反射面的頂部，天線收攏后，可用捆緊繩索將其捆緊；當(dāng)天線需要展開釋放時，通過電信號控制火工品熔斷捆緊繩索。 鎖緊釋放機構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 鎖緊釋放機構(gòu)示意圖Fig.8 Locking and releasing mechanism

2.4 總體剛度計算

本文可展天線發(fā)射過程與衛(wèi)星固定，發(fā)射狀態(tài)為豎直狀態(tài)，對處于該力學(xué)環(huán)境下收攏狀態(tài)的天線采用ABAQUS 進行總體剛度計算，要求天線具有足夠的剛性。

天線收攏狀態(tài)的有限元模型如圖9 所示。 天線各部件由不同材料制成，片狀反射面部分采用蒙皮夾蜂窩芯復(fù)合材料，預(yù)埋件、球鉸組件等采用鈦合金，其他中心體保持架等組件主要采用航空鋁材。 以長征二號丙火箭發(fā)射過程中的衛(wèi)星載荷工況作為校核該可展天線靜載的工況計算，計算結(jié)果如圖10 所示。

圖9 天線有限元模型Fig.9 Finite element model of antenna

從圖10 可以看出，天線最大變形處位于葉片根部固定處，最大位移為2.05 mm，各零件應(yīng)力值及安全裕度情況列于表1(以材料種類進行分類)。 基于以上計算結(jié)果，總體剛度、強度滿足要求。

表1 發(fā)射狀態(tài)靜載工況不同材料的最大應(yīng)力值及安全裕度Table 1 Maximum stress and M.S value of different materials under launching state static load condition

圖10 發(fā)射狀態(tài)靜載工況位移云圖Fig. 10 Displacement contour of antenna under launching state static load condition

3 樣機制作及試驗驗證

3.1 樣機制作

按上述天線主反射面設(shè)計，將選用蒙皮夾蜂窩芯復(fù)合材料進行主反射面的成型制造(H 型)，反射面的成型采用熱壓罐成型方法，在Invar 鋼模具上鋪貼反射面材料后對其抽真空進罐，采用多段升溫及加壓方式使其固化，熱壓罐成型過程如圖11 所示，所制得單件片狀反射面質(zhì)量約為0.32 kg。 與展開機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)組裝后形成的原理樣機總重約為26 kg，其中片狀反射面總質(zhì)量約為9.5 kg，展開驅(qū)動機構(gòu)的質(zhì)量約為16.5 kg，實現(xiàn)了輕質(zhì)的技術(shù)要求。

圖11 片狀反射面熱壓罐成型過程圖Fig.11 Autoclave molding process of flake reflector

通過研制原理樣機，驗證本文可展開反射面收攏展開的功能，按展開時間順序?qū)⑻炀€自動展開過程做了展示，如圖12 所示，說明本文展開機構(gòu)設(shè)計可行。

圖12 原理樣機展開過程驗證Fig.12 Validation of prototype deployment process

3.2 精度測量

本文某中型口徑可展開反射面由30 片片狀反射面組成，展開到位后共同組成天線的反射面曲面。 反射面的精度主要是由單件片狀反射面的型面精度、支撐結(jié)構(gòu)制造精度及安裝精度去控制。采用數(shù)字?jǐn)z影測量方法進行樣機天線反射面精度測量，反射面表面精度測量標(biāo)志點位置圖如圖13所示。 3 次收攏展開之后的精度測試結(jié)果分別為0. 42 mm、0. 40 mm、0. 44 mm，如圖14 所示，滿足型面總裝精度RMS≤0. 5 mm 的要求，3 次測量精度差別不大，說明天線反射面重復(fù)精度可靠。

圖13 樣機精度測量標(biāo)志點位置圖Fig.13 Location of marking points for the prototype precision measurement

圖14 樣機3 次精度測量數(shù)據(jù)圖Fig.14 Three precision measurement results of the prototype

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種基于無源驅(qū)動的可重復(fù)展開收攏的中型口徑反射面天線結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，可展天線收納率為22.7%，極大地便利了運輸。

2) 完成了原理樣機的制作，經(jīng)動作演示驗證了該無源驅(qū)動展開收攏方式可行；樣機總重為26 kg；經(jīng)精度測量顯示總裝精度RMS≤0.5 mm，型面重復(fù)精度可以滿足要求。

3) 本文無源驅(qū)動展開方式主要通過中心彈簧蓄能驅(qū)動實現(xiàn)，可為中小型口徑可展反射面天線的展開驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計提供思路。