載人航天器天線技術(shù)發(fā)展

李德洪

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 北京市電磁兼容與天線測試工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

天線是載人航天器與外界聯(lián)系的一個關(guān)口，承擔(dān)著發(fā)射段、在軌運(yùn)行段、交會對接段、返回再入段、著陸后等飛行全過程的遙測、遙控、話音通信、數(shù)據(jù)傳輸和各種信標(biāo)的發(fā)射任務(wù)。載人航天器天線在設(shè)計上除了遠(yuǎn)區(qū)輻射場要滿足覆蓋要求外，還需滿足以下六項(xiàng)要求：

(1)返回前后都需要工作的天線，不能影響返回艙的氣動外形，因此要采用平裝型式，同時要具有承受返回時由于高速與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)g能力；

(2)返回艙、軌道艙、實(shí)驗(yàn)艙天線自身要采用密封設(shè)計；

(3)僅需要返回后工作的天線，要采用伸展天線型式設(shè)計；

(4)對于頻率較低的高頻(HF)天線原則上需采用電小天線型式設(shè)計；

(5)返回著陸后，返回艙上仍要工作的天線，不論落地后為何姿態(tài)，均應(yīng)正常工作，并需采取防水設(shè)計措施；

(6)返回艙、軌道艙、實(shí)驗(yàn)艙天線在選材和設(shè)計時要滿足防火、無毒、無異味、無揮發(fā)要求、能耐濕熱交變等載人環(huán)境要求。

在此要求基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了滿足神舟飛船[1-2]使用的平裝、小型化、耐燒蝕、寬波束統(tǒng)一S頻段(USB)和BD-GPS天線；解決了船載天線的自身密封設(shè)計難題，解決了飛船返回后無論是著陸在沙地上、還是海上，船載信標(biāo)天線都能可靠工作的難題，解決了船載天線之間的電磁兼容性問題，完成了高頻電纜網(wǎng)和高頻穿艙密封連接器的研制工作。設(shè)計開發(fā)的天線產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于神舟系列載人飛船[3]、空間實(shí)驗(yàn)室[4]、天舟[5]系列貨運(yùn)飛船和天宮空間站[6]工程，并將應(yīng)用于巡天空間望遠(yuǎn)鏡和新一代載人飛船。另一方面，隨著國內(nèi)天鏈中繼衛(wèi)星的在軌部署，在推進(jìn)艙又增加了二軸跟蹤中繼衛(wèi)星終端天線，極大提高了飛船的通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

圖1為最新狀態(tài)的載人飛船測控通信鏈路，圖2為地基測控天線組成。

圖1 載人飛船測控通信鏈路Fig.1 Antenna system of TT&C for manned spacecraft

圖2 載人飛船地基測控天線系統(tǒng)組成Fig.2 Antenna system for ground-based TT&C for manned spacecraft

在載人航天工程三步走的歷次飛行過程中，天線設(shè)計和實(shí)施經(jīng)受了飛行試驗(yàn)的檢驗(yàn)，對飛行數(shù)據(jù)的分析表明，天線的設(shè)計是成功的，圓滿完成了預(yù)定的試驗(yàn)任務(wù)。

1 載人航天工程中的天線技術(shù)發(fā)展

1.1 載人飛船天線技術(shù)發(fā)展

神舟飛船采用三艙結(jié)構(gòu)[7]，即由返回艙、軌道艙、推進(jìn)艙構(gòu)成，軌道艙在前，返回艙居中，推進(jìn)艙在后，對接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件安裝在軌道艙前端。

神舟飛船天線系統(tǒng)產(chǎn)品包括：返回艙USB天線、BD-GPS天線、甚高頻(VHF)通信、信標(biāo)天線以及HF天線；軌道艙USB天線、L頻段海事中繼相控陣天線；推進(jìn)艙S頻段數(shù)傳天線、VHF天線、C頻段應(yīng)答機(jī)天線、Ka/S頻段中繼天線、寬波束中繼S天線等。

1.1.1 返回艙天線

載人飛船對天線的電氣性能要求高。天線布局、結(jié)構(gòu)尺寸、自身質(zhì)量、密封、防熱及抗燒蝕、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、天線之間的電磁兼容性等要求也是極高的，并且要求無論是著陸在戈壁沙漠上還是大海上，返回艙天線都要可靠的工作。載人飛船返回艙天線在設(shè)計上具有很多特點(diǎn)，主要有如下幾個方面。

1)返回艙上各頻段、各類型的天線數(shù)量多

飛船返回艙天線共包含有返回艙USB天線、BD-GPS天線、VHF通信、信標(biāo)天線和HF天線等。饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，天線型式多樣，總數(shù)量13副天線。整個天線系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)中要完成發(fā)射段、軌道運(yùn)行段、返回段和著陸后等各個不同階段的特定工作。天線系統(tǒng)的正常工作是飛船圓滿完成飛行試驗(yàn)任務(wù)的必要保證。需強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，如何保證如此繁多的天線在有限的返回艙上工作時互不影響也是很關(guān)鍵的。

2)天線自身和安裝面的雙重密封

返回艙天線均安裝在飛船密封艙表面，除了跟密封艙壁連接處需要密封外，還要保證天線自身密封。天線自身密封設(shè)計也很復(fù)雜，要統(tǒng)籌考慮機(jī)械接口、電氣性能、防熱性能、力學(xué)性能等各個方面。

3)天線平裝、小型化、防熱、抗燒蝕、波束寬

返回艙上天線數(shù)量多，但安裝空間有限，因此天線小型化設(shè)計要求就特別高，為此天線系統(tǒng)在方案設(shè)計上采取了許多有效的措施。安裝在返回艙側(cè)壁上的平裝天線，要防熱抗燒蝕，通過采取機(jī)、電、熱一體化最佳設(shè)計，不僅使天線電尺寸小，而且使天線的抗熱性能比以前同類天線提高200 ℃。由于方案設(shè)計的優(yōu)化，返回艙天線實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)總體要求的寬波束和準(zhǔn)全向覆蓋。同時，在系統(tǒng)設(shè)計中實(shí)現(xiàn)了天線在各種工作狀態(tài)下發(fā)射與接收功率的最佳分配，使能量的損耗降至最低。

4)返回艙防熱層表面涂覆導(dǎo)電涂層消除防熱層對天線電性能的影響

返回艙USB天線和BD-GPS天線設(shè)計時必須考慮返回艙防熱介質(zhì)層的影響。當(dāng)電磁波照射到防熱介質(zhì)層時，產(chǎn)生表面波，表面波將引起天線輻射方向圖畸變、極化扭轉(zhuǎn)、阻抗失配等。飛船返回艙的防熱介質(zhì)層為蜂窩結(jié)構(gòu)，表面不光滑，難以實(shí)現(xiàn)金屬薄膜與防熱介質(zhì)層的完全貼合，為此必須采用在天線周圍噴涂導(dǎo)電涂層的方案達(dá)到消除表面波的影響。導(dǎo)電涂層噴覆在防熱介質(zhì)層上面及熱控涂層下面。導(dǎo)電涂層與防熱介質(zhì)層、熱控涂層相容，粘接牢固。

5)采用雙層微帶天線型式

該天線與返回艙艙門共體，具有占用空間小、質(zhì)量輕、多頻點(diǎn)工作等優(yōu)點(diǎn)。

6)返回艙著陸后，在艙體狀態(tài)不確定情況下，天線能正常工作

飛船返回后，無論是著陸在沙地上、還是大海上，船載信標(biāo)天線和BD-GPS天線都需要可靠地工作，確保宇航員的生命安全。

返回艙天線按功能分成了四個部分，現(xiàn)對各個部分的設(shè)計分別加以說明。

(1)USB天線

返回艙USB天線是在飛船總裝、綜合測試、發(fā)射段、在軌運(yùn)行段、返回再入段等各種情況下使用的統(tǒng)一S頻段測控體制天線。

該天線在飛船運(yùn)行的發(fā)射段、交會對階段、軌道運(yùn)行段和返回再入段均需要工作。拋整流罩前，通過整流罩上的透波口使天線工作。拋罩后和返回再入段，天線應(yīng)具有準(zhǔn)全向波束覆蓋。根據(jù)上述使用要求，僅靠1副天線是不能滿足要求的。通過理論分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定接收和發(fā)射各由2副天線組成，以保證滿足系統(tǒng)使用要求。

返回艙USB天線的工作原理：發(fā)射段和返回再入段，發(fā)射和接收各需要2副天線同時工作，這時，通過指令，使2副發(fā)射天線和2副接收天線均和收發(fā)信機(jī)接通，從而達(dá)到4副天線同時工作。軌道運(yùn)行段，當(dāng)發(fā)射和接收各需要1副天線工作時，通過指令，使1副發(fā)射天線和1副接收天線與收發(fā)信機(jī)接通，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收各1副天線工作。

返回艙USB天線由于其本身的特殊用途，因此在設(shè)計上有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

首先，按照飛船統(tǒng)一S頻段測控體制的規(guī)定，天線的工作頻率為S頻段，分為上行、下行兩個頻段，上下行頻率相干并采用固定轉(zhuǎn)發(fā)比。上行天線為左旋圓極化，下行天線為右旋圓極化。天線電氣性能技術(shù)指標(biāo)要求主要包括電壓駐波比、極化方式、方向圖、增益和收發(fā)隔離度等。

安裝在載人飛船返回艙密封艙的天線，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電氣性能基礎(chǔ)上，還要保證在耐燒蝕的基礎(chǔ)上隔熱保溫并密封，既要防止艙外的上千度高溫通過天線傳入艙內(nèi)，確保宇航員的生命安全，同時天線本體需要結(jié)構(gòu)密封，確保真空狀態(tài)下，艙內(nèi)的空氣不外泄。出于載人的要求，天線在選材和設(shè)計時要滿足防火、無毒、無異味、無揮發(fā)等要求，能耐濕熱交變或恒定濕熱等載人環(huán)境要求，滿足空間電子環(huán)境使用要求。

綜合各方面因素考慮，并借鑒以前類似衛(wèi)星天線設(shè)計方面的成功經(jīng)驗(yàn)，返回艙USB天線采用了平裝嵌入式十字腔體圓極化天線設(shè)計方案，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 返回艙USB天線主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of return capsule antenna

(2)BD-GPS天線

BD-GPS天線是用來接收北斗衛(wèi)星等系統(tǒng)所發(fā)出的信號，從而確定飛行器的坐標(biāo)參數(shù)。按使用要求，BD-GPS天線在飛船飛行的全過程都要發(fā)揮作用，用于精確測軌，故在設(shè)計該天線系統(tǒng)時要滿足以下要求：①發(fā)射段/返回段，天線系統(tǒng)在其視區(qū)內(nèi)，在一定時間內(nèi)，能捕捉到四顆以上的導(dǎo)航衛(wèi)星；②軌道運(yùn)行段，飛船上的BD-GPS天線需要且僅需要覆蓋上半空間；③飛船返回艙著陸后，不論船體姿態(tài)如何，返回艙上的天線能夠收到來自北斗衛(wèi)星等系統(tǒng)的信號，確?？煽慷ㄎ?；④天線密封耐燒蝕，重返大氣層后仍能正常工作。

為兼顧各種工作狀態(tài)，BD-GPS天線系統(tǒng)需由2副天線組成，但始終處于工作狀態(tài)的只有1副天線。

BD-GPS天線的工作過程是：在發(fā)射段、軌道運(yùn)行段、返回再入段直至著陸前，通過指令，接通位于飛船上III象限附近的天線并使之工作。著陸后，通過指令，由重力開關(guān)控制2副天線，使其中相對于水平面較高的1副天線工作。

BD-GPS天線與返回艙USB天線相比，除了電氣性能要求不同外，其余技術(shù)指標(biāo)要求均相同，也要求工作在-60～1400 ℃等，因此二者具有相同的設(shè)計難點(diǎn)。同時由于BD-GPS天線工作頻率低，但橫向安裝尺寸與USB天線相同，因而安裝空間更加狹小，因此該天線在保證電性能基礎(chǔ)上，還要考慮設(shè)進(jìn)一步小型化，這極大地增加了天線研制上的難度。通過采用腔體內(nèi)填充介質(zhì)等方法，比較圓滿地解決了天線設(shè)計上的小型化問題。

(3)VHF通信、信標(biāo)天線

VHF通信、信標(biāo)天線是超短波通信、著陸搜索信標(biāo)及國際救援等系統(tǒng)使用的天線，它在返回艙再入大氣層之后開始使用。

在返回艙穿過黑障后開始工作的超短波通信、著陸搜索信標(biāo)天線采用與返回艙艙門共體的雙層微帶天線型式，即返回艙艙門天線。該天線的特點(diǎn)是：多頻點(diǎn)工作，與同類天線相比工作環(huán)境溫度高。作為艙門，除了天線功能外，還具有隔熱保溫作用。

之所以采用雙層微帶天線型式是由于普通的微帶天線帶寬都比較窄，無法滿足3個頻點(diǎn)同時工作的需要，但如果采用3層微帶以使每個頻點(diǎn)對應(yīng)1層金屬微帶貼片，則有這樣2個問題：一是受結(jié)構(gòu)限制，天線的總高度有限，無法安置3層微帶；二是3個工作頻點(diǎn)中有2個比較接近，對應(yīng)的金屬微帶貼片尺寸相仿，這2層疊在一起時，上層微帶會抑制下層微帶的輻射。綜合考慮，最終采用雙層微帶，下層對應(yīng)的工作頻率較低，除作為輻射單元外還充當(dāng)上層微帶的接地板，上層微帶的外形作一些變化，使之產(chǎn)生寄生的分布電容和電感，從而使這一片微帶諧振在2個頻點(diǎn)上，以達(dá)到3個頻點(diǎn)同時工作的目的。

由于采用了雙層微帶天線型式，因此加工成型裝配工藝極其復(fù)雜,電性能調(diào)試工作困難。該天線在飛船飛行試驗(yàn)中取得圓滿成功。參加飛行試驗(yàn)后的返回艙艙門天線見圖3。

圖3 參加飛行試驗(yàn)后的返回艙艙門天線Fig.3 Hatch door antenna of return capsule after flight test

返回艙艙門天線的雙層金屬微帶貼片選用特定厚度的不銹鋼薄板沖壓成型，上、下層介質(zhì)基片選用由石英增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制成蒙皮的特種泡沫夾層結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證和飛行結(jié)果表明，返回艙艙門天線方案設(shè)計合理可行，性能優(yōu)良。

為使VHF信標(biāo)天線在飛船著陸后無論姿態(tài)如何均能正常工作，在飛船側(cè)壁和大底安裝了3副彈射振子天線。該3副天線和返回艙艙門天線兩兩組陣，在飛船著陸后，由重力開關(guān)判定每2副天線中相對于地平面較高的1副工作。

安裝在飛船側(cè)壁和大底的VHF信標(biāo)天線為可壓縮的彈射振子天線。該天線波長較長，因此天線的縱向尺寸較大，而安裝空間窄小。天線不工作時，要壓縮在艙體內(nèi)，著陸后彈出工作。天線周圍電磁環(huán)境復(fù)雜，這些均給天線設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過分析以及大量的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，在不影響其他分系統(tǒng)的情況下，研制出了利用扇形接地板和增加頂負(fù)載的彈射天線，它既能滿足電性能指標(biāo)，又能滿足總裝要求的多節(jié)可壓縮。該天線通過設(shè)計分析和試驗(yàn)驗(yàn)證圓滿解決了超細(xì)長彈簧的設(shè)計問題和天線小型化問題。在飛船測試和試驗(yàn)中工作狀況良好。VHF彈射振子天線設(shè)計的另一個突出特點(diǎn)是采用柔韌性材料設(shè)計制造了可壓縮式天線透波罩，成功解決了飛船濺落海上后該信標(biāo)天線能正常工作問題。

4副VHF天線均很好地解決了自身的密封設(shè)計問題。

VHF通信、信標(biāo)天線隨返回艙參加了低海況綜合漂浮試驗(yàn)。根據(jù)國際救援衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收資料，在整個試驗(yàn)過程中，只要有衛(wèi)星經(jīng)過試驗(yàn)區(qū)域上空，就能收到VHF通信、信標(biāo)天線發(fā)射的載波信息。在過境衛(wèi)星測量幾何較好的情況下，定位偏差在1 km范圍內(nèi)。在搜救船的海上拉距試驗(yàn)過程中，VHF通信、信標(biāo)天線一直工作狀態(tài)良好；整個試驗(yàn)過程中，搜救直升機(jī)均能順利地接收VHF通信、信標(biāo)天線發(fā)射的載波定位信息。在上述試驗(yàn)中，多次人為地往天線上澆海水，或是用交通艇拖著返回艙在海上跑，天線隨著返回艙一會兒浸沒海中，一會兒露出海面，在這兩種狀態(tài)下，VHF通信、信標(biāo)天線均工作正常。

(4)HF通信、信標(biāo)天線

HF通信、信標(biāo)天線采用3副天線組成系統(tǒng)。2副為自解鎖式彈簧伸展天線，1副為傘繩天線。

自解鎖式彈簧HF伸展天線[8]，其工作波長為15 m。若采用半波振子，天線尺寸約為3.75 m，由于天線在飛行器發(fā)射時和返回前，均需壓縮在天線艙內(nèi)，著陸后才解鎖展開，見圖4。

圖4 返回艙HF伸展天線Fig.4 HF antenna of return capsule

HF天線系統(tǒng)的工作程序是：著陸前，傘繩天線隨減速傘一起被拉出，收發(fā)信機(jī)開始工作。著陸后，天線艙內(nèi)和大底的HF伸展天線分別展開，由重力開關(guān)選擇相對地平面較高的1副天線工作。

(5)移動通信天線

為了保證著陸后，應(yīng)急搜救功能，在返回艙上還配置了微帶形式的全球移動衛(wèi)星通信天線，確保返回艙著陸后，宇航員可在艙內(nèi)撥打和接聽衛(wèi)星電話。

1.1.2 軌道艙天線

軌道艙主任務(wù)天線是用于飛船軌道艙留軌運(yùn)行段的測控、跟蹤、有效載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，它在軌道艙和返回艙解鎖分離前開始工作。采用的是統(tǒng)一S頻段測控體系，數(shù)傳天線和測控天線共用，簡稱軌道艙USB天線。

軌道艙USB天線主要技術(shù)要求是對地張角±72°范圍內(nèi)，天線增益不小于-4 dBi。因此選用適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)分開的兩副天線單元分別安裝在軌道艙的I象限即可滿足使用要求。由于載人要求，天線自身要采用密封設(shè)計。

實(shí)際設(shè)計時，天線單元采用螺旋腔天線技術(shù)，常規(guī)的螺旋腔天線單元波束寬度僅為100°左右，為了滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求的±72°覆蓋要求，創(chuàng)造性地設(shè)計了一種天線波束展寬補(bǔ)償裝置。在螺旋腔天線單元口面上，加裝上天線波束展寬補(bǔ)償裝置，天線波束就可達(dá)±72°，從而滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。天線外形見圖5。

圖5 軌道艙USB天線外形圖Fig.5 USB antenna of orbital capsule

另外，軌道艙上專為出艙活動，配置了出艙通信天線[9]；還配置了L頻段相控陣形式海事衛(wèi)星通信天線，用于在軌撥打/接聽海事衛(wèi)星電話[10]。

針對交會對接任務(wù)需求，配置了空空通信天線、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)以及差分GPS-GLONASS天線等。

1.1.3 推進(jìn)艙天線

神舟飛船推進(jìn)艙主任務(wù)天線包括推進(jìn)艙S頻段數(shù)傳天線、推進(jìn)艙C頻段應(yīng)答機(jī)天線和推進(jìn)艙VHF天線、Ka/S中繼天線、寬波束中繼S天線等。

推進(jìn)艙S頻段天線用于飛船的數(shù)據(jù)傳輸，C頻段應(yīng)答機(jī)天線用于飛船C頻段應(yīng)答機(jī)信號的傳輸，推進(jìn)艙VHF天線用于飛船話音信號的傳輸。所有這些天線在飛船發(fā)射段，軌道運(yùn)行段以及推進(jìn)艙和返回艙解鎖分離前均需要正常工作。與返回艙天線相比，推進(jìn)艙天線安裝面可以凸出于艙體表面，也不需要采用特殊的防熱抗燒蝕設(shè)計技術(shù)和天線自身密封設(shè)計技術(shù)。

1)推進(jìn)艙S頻段數(shù)傳天線

為了保證飛船發(fā)射段推進(jìn)艙S頻段數(shù)傳天線的準(zhǔn)全向覆蓋，采用了兩副天線單元組陣的形式，1副天線安裝在推進(jìn)艙I象限，另1副天線安裝在推進(jìn)艙III象限。天線單元形式與軌道艙USB天線相同，拋整流罩前，通過整流罩上的透波口使天線工作。

在飛船發(fā)射段，需要2副天線同時工作。這時，通過指令，使2副推進(jìn)艙S頻段數(shù)傳天線均和數(shù)傳發(fā)射機(jī)接通，2副天線同時工作。在軌道運(yùn)行段，僅需要1副天線工作時，通過指令，僅使I象限1副天線和數(shù)傳發(fā)射機(jī)接通并工作。

2)推進(jìn)艙C頻段應(yīng)答機(jī)天線

推進(jìn)艙C頻段應(yīng)答機(jī)天線采用收發(fā)分開的形式，收發(fā)天線均安裝在推進(jìn)艙I象限。天線單元形式與軌道艙USB天線相同。該天線主要是做為返回艙USB天線的備份，在技術(shù)上是很成熟的。

3)推進(jìn)艙VHF天線

推進(jìn)艙VHF天線是在飛船起飛到推進(jìn)艙與返回艙分離這一階段為航天員提供超短波話音通信服務(wù)的設(shè)備。該天線安裝在推進(jìn)艙I象限，天線形式為長度λ/2的π形單元振子，阻抗匹配采用調(diào)諧栓沿天線底座橫向移動方式，天線諧振在中心頻率f0上。

拋整流罩前，通過整流罩上的透波口使天線工作。

4)推進(jìn)艙上配置的其他天線

推進(jìn)艙上還配置了寬波束中繼S天線以及Ka/S中繼天線，用于天基測控通信，相對于地基測控通信，碼速率提升50倍以上。

1.1.4 小結(jié)

神舟五號之前，主要采用了地基測控通信體制。

神舟六號配置了L頻段相控陣形式海事衛(wèi)星通信天線。隨著技術(shù)的發(fā)展，神舟七號配置了Ka/S中繼天線、出艙通信天線，采用全球移動衛(wèi)星通信天線替代了HF天線。神舟八號開始配置了空空通信天線、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。從神舟十二號開始，全面采用了北斗三號定位技術(shù)。

1.2 空間實(shí)驗(yàn)室、貨運(yùn)飛船天線技術(shù)發(fā)展

2017年4月20日，天舟一號貨運(yùn)飛船發(fā)射，與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室交會對接[11]，先后進(jìn)行3次交會對接和3次推進(jìn)劑補(bǔ)加，突破了推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)。

1.2.1 空間實(shí)驗(yàn)室天線

天宮一號目標(biāo)飛行器[12]、天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室各配置了十臺天線，包括實(shí)驗(yàn)艙的2臺S頻段接收天線、2臺S頻段發(fā)射天線、1臺S頻段數(shù)傳天線、1臺GNSS天線、1臺BD2雙頻天線、2臺空空通信天線及資源艙的1臺中繼天線，實(shí)驗(yàn)艙天線在飛行器上的安裝布局見圖6，直徑約1 m的中繼天線在資源艙的安裝布局見圖7[13]。

圖6 實(shí)驗(yàn)艙天線安裝布局圖Fig.6 Layout diagram of experimental capsule antenna

空間實(shí)驗(yàn)室天線是在載人飛船天線研制基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的，天線自密封設(shè)計完全繼承了載人飛船的成熟技術(shù)。

天宮一號目標(biāo)飛行器的BD2雙頻天線為全新研制產(chǎn)品，能同時接收北斗二號衛(wèi)星多模導(dǎo)航信號和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息，是我國第一副航天器北斗二號導(dǎo)航終端天線。其在軌成功使用，為我國導(dǎo)航系統(tǒng)在航天器上應(yīng)用奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

專為交會對接設(shè)計開發(fā)的GNSS天線，采用四臂螺旋天線型式，其相位中心穩(wěn)定性優(yōu)于2 mm，在首次交會對接任務(wù)中表現(xiàn)突出。

1.2.2 貨運(yùn)飛船天線

從天舟一號貨運(yùn)飛船開始，載人航天器正式進(jìn)入了天基測控時代[5，14]。貨運(yùn)飛船配置了4臺寬波束中繼S天線，1臺Ka/S中繼天線，2臺S頻段接收天線和2臺S頻段發(fā)射天線，1臺S頻段數(shù)傳天線，以及主要用于快速交會對接的高相位中心穩(wěn)定性的2臺BD-GPS天線，貨運(yùn)飛船配置了2臺空空通信天線。

寬波束中繼S天線為一種平頂型高可靠高性能天線，120°范圍內(nèi)增益≥3 dBi，140°范圍內(nèi)增益≥0.5 dBi，實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)急情況下的寬視場、高可靠的測控能力，在軌飛行突破了單天線140°、組陣280°的視場穩(wěn)定建鏈能力，技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)。

同空間實(shí)驗(yàn)室，貨運(yùn)飛船資源艙安裝了Ka/S中繼天線。

1.2.3 多通道高頻密封連接器

載人二期隨著數(shù)據(jù)量暴增，單通道高頻密封連接器已無法滿足應(yīng)用要求，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了多通道高頻密封連接器。

完成了“氣密封8同軸轉(zhuǎn)接器”新品元器件(圖8)的研制工作，其中1套產(chǎn)品隨天宮一號目標(biāo)飛行器參加了飛行試驗(yàn)，2套產(chǎn)品隨神舟八號參加了飛行試驗(yàn)，用于微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等的信號傳輸，工作正常。

圖8 氣密封8同軸轉(zhuǎn)接器Fig.8 Airtight seal 8 coaxial adapter

完成了“3芯射頻密封推拉連接器”新品元器件(圖9)的研制工作，其中1套產(chǎn)品隨神舟八號參加了飛行試驗(yàn)，安裝于軌道艙與返回艙對界面，用于GPS-GLONASS、圖像等的信號傳輸，工作正常。

圖9 3芯射頻密封推拉連接器Fig.9 Airtight seal 3 coaxial channel radio frequency connector

1.3 天宮空間站天線技術(shù)發(fā)展

2021年4月29日11時22分，我國空間站天和核心艙由長征五號B遙二運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射，正式邁出我國載人航天工程“三步走”的第三步。

中國載人航天正式進(jìn)入了長壽命高可靠的天宮空間站建造和運(yùn)營階段。

天宮空間站由天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙組成，各艙均配置了天線系統(tǒng)。

天宮空間站配置常規(guī)USB天線、Ka/s中繼天線、寬波束中繼S天線、空空通信天線等。在交會對接段全面采用了中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

專為駐留航天員設(shè)計開發(fā)了Wi-Fi天線和出艙通信天線等，確保高效互聯(lián)互通[15]。全面助力天宮空間站建造和運(yùn)營。

2 后續(xù)載人航天工程對天線技術(shù)發(fā)展的需求與展望

我國在完成載人航天工程三步走后，將開展巡天空間望遠(yuǎn)鏡建造以及空間站運(yùn)營和應(yīng)用研究，在不遠(yuǎn)的將來，還將開展載人月球探測，進(jìn)行長期有人駐留月球探測。

在后續(xù)載人航天工程天線研制過程中，為了滿足深空高速再入返回，需要進(jìn)一步提升返回艙天線的耐溫能力[16]，研發(fā)完善的搜救天線系統(tǒng)。

未來載人航天器需多次往返太空，天線需具有重復(fù)使用能力[17]。

為了滿足海上回收應(yīng)用需求，天線需防水。

為了滿足航天員以及多器之間組網(wǎng)通信需求，需進(jìn)一步提升艙內(nèi)、艙外無線通信天線研發(fā)能力。采用相控陣天線技術(shù)，以滿足高速通信等應(yīng)用需求。

3 結(jié)束語

30年載人航天工程的實(shí)施，推動了我國航天器天線技術(shù)的長足發(fā)展，基本形成了針對載人飛船、貨運(yùn)飛船和空間站等的天線技術(shù)體系。展望后續(xù)載人登月任務(wù)，建議進(jìn)一步開發(fā)可重復(fù)使用耐燒蝕天線技術(shù)，大力發(fā)展星間組網(wǎng)通信天線技術(shù)，采用相控陣天線技術(shù)，全力提升載人航天器天線研制能力。

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