大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)分析

劉 建,趙海奇

(1.西安交通大學(xué), 陜西 西安 710000;2.上海賽連信息科技有限公司西安分公司, 陜西 西安 710000)

1 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人類對(duì)航天領(lǐng)域的持續(xù)深入探索,相繼將航天飛機(jī)、載人飛船、人造衛(wèi)星、空間站等送入太空,許多問題隨之浮現(xiàn),例如相關(guān)設(shè)備發(fā)展無法脫離天線技術(shù)的有效支持,如果缺少基礎(chǔ)天線,相關(guān)設(shè)備和地面之間就不能維持順暢聯(lián)系,會(huì)影響地面和太空之間的導(dǎo)航、偵察以及順暢通信。 在空間技術(shù)持續(xù)應(yīng)用發(fā)展的背景下,空間天線逐漸成為導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)重要的組成內(nèi)容。航天器天線對(duì)航天器具體功能和應(yīng)用性能有直接影響,成為推動(dòng)航天技術(shù)發(fā)展主要因素。 當(dāng)前形勢(shì)下,空間天線技術(shù)具有較高挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性,與傳統(tǒng)模式下的天線技術(shù)相比,存在較大差異,例如地面站接收天線需要設(shè)置為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)操作形式。 地面站對(duì)應(yīng)接收天線相關(guān)技術(shù)目標(biāo)為立足視角層面而擴(kuò)大了整體增益。 從空間天線層面分析,覆蓋范圍中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)電性能指標(biāo)具有關(guān)鍵作用,比如保障邊緣覆蓋區(qū)域內(nèi)的設(shè)備參數(shù)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;未定型的單獨(dú)圓形波束以及圓形可以從視角層面順利實(shí)現(xiàn)高收益目標(biāo),但卻無法達(dá)到衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)荷載要求。 為了進(jìn)一步滿足衛(wèi)星關(guān)于信息傳輸荷載的高性能條件,必須加強(qiáng)定形天線以及賦形波束技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用。 種種差異進(jìn)一步擴(kuò)大了空間天線設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

在衛(wèi)星有效荷載技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下,微波遙感衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、移動(dòng)通信衛(wèi)星等航天器對(duì)大型空間可展開天線的技術(shù)進(jìn)一步提出要求。 大型空間可展開天線技術(shù)即擁有空間展開功能的大型星載天線設(shè)備,對(duì)應(yīng)展開口徑普遍超出4 m,普遍是以拋物面的二次曲面設(shè)計(jì)形式為主,平面展開技術(shù)形式和大型空間相關(guān)可展開天線通常不屬于同一技術(shù)范圍,處于衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)下按照收攏形式實(shí)施設(shè)置安裝,等待衛(wèi)星正式步入軌道后,基于地面發(fā)送具體控制命令條件下展開各項(xiàng)行為活動(dòng),達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。 因?yàn)樯婕岸喾N專業(yè)領(lǐng)域,進(jìn)一步擴(kuò)大了技術(shù)研究難度,也是準(zhǔn)確衡量各個(gè)國家大型空間可展開天線技術(shù)核心標(biāo)志。 基于實(shí)際應(yīng)用需求,相關(guān)航天大國進(jìn)一步擴(kuò)大了整體投入,先后研制出10 多種空間可展開天線,廣泛應(yīng)用于不同形式衛(wèi)星當(dāng)中。 而空間可展開天線在長時(shí)間發(fā)展中始終是大型結(jié)構(gòu)以及空間天線領(lǐng)域熱點(diǎn)研究內(nèi)容和重點(diǎn)研究內(nèi)容。

2 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)發(fā)展問題分析

大型空間可開展結(jié)構(gòu)按照基礎(chǔ)展開單元構(gòu)型差異,具體可以分成構(gòu)架型、徑向肋型、膨脹充氣式以及板式等形式。 對(duì)應(yīng)環(huán)形可開展結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,擁有較大收納比和良好熱穩(wěn)定性,屬于新時(shí)期可開展天線最佳理想結(jié)構(gòu)模式。 大型空間可展開天線具體表現(xiàn)形式包括以下幾種類型,分別是半剛性天線、環(huán)形天線、固面天線、充氣式天線、構(gòu)架式天線傘狀天線等形式的可展開天線。 因?yàn)樽陨碇亓恳约笆諗n體積等因素影響和限制,針對(duì)長度超出10 m 的天線,可選擇天線類型相對(duì)有限,具體包含充氣式、環(huán)形以及傘狀展開等形式天線。 其中固面可展開天線是通過數(shù)個(gè)固面反射單元共同構(gòu)成反射器系統(tǒng),因?yàn)檎w收攏體積相對(duì)較大,重量大,所以目前很少應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)中。 又因其展開后擁有較高的形面精度,和網(wǎng)狀模式的可展開天線比起來,對(duì)應(yīng)單元形面可以直接選擇利用模具成形,提高形面精度。 微波遙感領(lǐng)域中,可以選擇散射技術(shù)以及微波輻射技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),上述技術(shù)也廣泛應(yīng)用于多種航天器。

傘狀可展開天線具有多種形式,包括支桿型天線、環(huán)柱形天線以及徑向肋天線和纏繞性肋式展開天線,上述天線類型也是現(xiàn)有航天器內(nèi)廣泛應(yīng)用天線類型。構(gòu)架形式的可展開天線骨架選擇設(shè)計(jì)為可折疊形式桁架,為順利折疊桁架,在桁架連接桿件之間合理設(shè)置鉸鏈,借助彈簧系統(tǒng)順利展開天線。 該種類型天線具有較高收納率,具備良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和展開剛度,而主要缺陷是不能將口徑展開過大,具有較大重量[1]。

和前面幾種天線形式比起來,可展開環(huán)形天線的誕生時(shí)間相對(duì)較晚,以網(wǎng)面柔性成型技術(shù)以及環(huán)形桁架展開架構(gòu)為主。 比起其他結(jié)構(gòu)方式,天線口徑適用于6～150 m 型號(hào),整體結(jié)構(gòu)形式十分簡(jiǎn)單,處于某種范圍內(nèi)隨著口徑擴(kuò)展不會(huì)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生任何變化,對(duì)應(yīng)質(zhì)量也不會(huì)增加,也是當(dāng)前大型衛(wèi)星天線中的最佳形式結(jié)構(gòu)。 17 m 口徑和20 m 口徑兩種型號(hào)天線在部分系列衛(wèi)星中得到了有效應(yīng)用。

充氣式的空間天線主要按照充氣膨脹原理實(shí)施。對(duì)應(yīng)成本、包裝體積以及質(zhì)量等全部小于機(jī)械反射網(wǎng)對(duì)應(yīng)一種數(shù)量級(jí)。 未來空間引用發(fā)展典型代表,具有較高誘惑力。 主要缺陷為存在較大的技術(shù)難點(diǎn),比如其中的軌形面對(duì)應(yīng)自硬化等技術(shù)手段尚未實(shí)現(xiàn)全面創(chuàng)新突破,因?yàn)樾蚊婢炔蛔阋约奥獾葐栴},尚未實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。

半剛性天線主要是通過某種自回彈性能以及柔性薄膜材料構(gòu)成天線反射面。 對(duì)應(yīng)展開機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,并不是十分復(fù)雜,能夠大幅度減少對(duì)應(yīng)重量,提升系統(tǒng)設(shè)備整體可靠性。 結(jié)構(gòu)存在某種剛性,和網(wǎng)狀形式天線比起來,能夠更好地保障形面精度。 主要缺陷是整體收納率相對(duì)較低,適用天線口徑低于6 m 的狀況。大型空間可展開天線相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋天文觀測(cè)、數(shù)據(jù)中繼、微波遙感、電子偵察以及移動(dòng)通信等。 隨著各種大型空間可展開天線正式應(yīng)用,移動(dòng)通信以及數(shù)據(jù)中繼領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)量最大,中繼衛(wèi)星對(duì)應(yīng)天線口徑普遍低于9 m,移動(dòng)通信衛(wèi)星對(duì)應(yīng)天線口徑超出9 m。 按照不同頻段劃分,大型空間可展開天線對(duì)應(yīng)頻段涵蓋UHF 到KA 頻段,大型空間可展開天線具體應(yīng)用頻段普遍在S 段或小于S 頻段。

3 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用

在本設(shè)計(jì)中,大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要從機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、熱設(shè)計(jì)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)這3項(xiàng)技術(shù)展開細(xì)致論述與設(shè)計(jì)。

3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)

大型空間可展開天線相關(guān)機(jī)械技術(shù)涵蓋重量、強(qiáng)度、剛度以及精度等內(nèi)容,對(duì)應(yīng)精度涵蓋形面精度以及指向精度。 結(jié)合當(dāng)前空間天線系統(tǒng)表現(xiàn)形式分析,針對(duì)各種機(jī)械設(shè)計(jì)問題可以直接利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施。 反射面形式會(huì)受到所選頻率影響,至于天線所使用的非展開結(jié)構(gòu)以及展開結(jié)構(gòu)主要可以按照口徑類型進(jìn)行合理選擇。 天線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成充氣式結(jié)構(gòu)、可展開剛性結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及非展開剛性結(jié)構(gòu)等形式。實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需要綜合考慮天線頻率和天線口徑兩者關(guān)系。 通過分析發(fā)現(xiàn),在天線口徑持續(xù)擴(kuò)大條件下,可挑選結(jié)構(gòu)類型逐漸縮小。 如果天線較高尺寸超出運(yùn)載設(shè)備整流罩對(duì)應(yīng)尺寸,則可以把天線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可展開模式[2]。 環(huán)形展開反射器主要是圓環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)為主,對(duì)應(yīng)收攏和展開原理主要是按照平行四邊形對(duì)角線長度整體可伸縮性實(shí)現(xiàn)的。 環(huán)形可展開天線具體展開過程為平行四邊形伸縮感縮短,也是借助電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的展開結(jié)構(gòu),收卷穿梭于斜伸縮桿內(nèi)繩索,從而帶動(dòng)整個(gè)斜伸縮桿進(jìn)行收縮。 環(huán)形桁架展開中,對(duì)應(yīng)控制器可以檢測(cè)接收展開指示信號(hào),并發(fā)送控制命令,停止動(dòng)力機(jī)構(gòu)運(yùn)行,固定反射器展開狀態(tài),維持長時(shí)間穩(wěn)定。 反射器從最初收攏狀態(tài)到展開鎖定狀態(tài)屬于某種持續(xù)轉(zhuǎn)化過程,最終鎖定命令是顯示反射器是否順利展開的基礎(chǔ)上參數(shù)。 該參數(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性屬于其中的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。 假如指示信號(hào)不準(zhǔn),產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷,對(duì)應(yīng)展開控制器的展開機(jī)構(gòu)便會(huì)停止運(yùn)行,導(dǎo)致環(huán)形桁架處于某種半展開形式,整個(gè)反射面無法構(gòu)成目標(biāo)工作型面。 假如指示信號(hào)延誤,環(huán)形桁架展開到位后,動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)因?yàn)榭刂破魑茨茼樌邮罩甘拘盘?hào)而持續(xù)操作,收卷繩索,容易產(chǎn)生動(dòng)力繩索被拉斷以及桁架破壞等現(xiàn)象,從不同程度上損傷環(huán)形桁架,為此需要準(zhǔn)確測(cè)算繩索收卷長度。

目前針對(duì)大型空間可展開天線的展開結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化主要可以利用3 種形式實(shí)施具體操作,第一是自展開結(jié)構(gòu),涵蓋充氣硬化、充氣式以及機(jī)械式等可展開結(jié)構(gòu)類型,對(duì)應(yīng)典型應(yīng)用模式為大型反射面結(jié)構(gòu)以及空間桁架結(jié)構(gòu)兩種形式。 第二是在軌裝配由機(jī)器人和宇航員進(jìn)行結(jié)構(gòu)零件的現(xiàn)場(chǎng)裝配工作,順利完成月球前哨基地對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)裝配工作。 第三是在軌制造,能夠促進(jìn)桁架尺寸以及口徑尺寸超出1 000 m 超大空間結(jié)構(gòu)。 后面兩種方法只是人類一種美好設(shè)想,而第一種方法依然存在部分關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行深入研究。

3.2 熱設(shè)計(jì)技術(shù)

大型空間可展開天線相關(guān)熱設(shè)計(jì)主要是為了確保太空中的天線系統(tǒng)能夠始終保持在允許目標(biāo)溫度條件下,進(jìn)一步減少熱變形問題。 針對(duì)各種空間天線而言,傳統(tǒng)模式下熱控制技術(shù)涵蓋多層絕熱材料、應(yīng)用涂料以及低熱膨脹系數(shù)材料等。 但從大型空間可展開天線相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面分析,因?yàn)閾碛休^大的尺寸結(jié)構(gòu)以及突出的熱變形問題。 假如熱變形無法承受因熱變形對(duì)于指向精度和形面精度的影響,需要重點(diǎn)關(guān)注熱設(shè)計(jì)工作。 通常而言,大型天線選擇主動(dòng)溫控措施不夠現(xiàn)實(shí),主要利用被動(dòng)溫控方式,為此需要實(shí)施各種熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

3.3 電氣設(shè)計(jì)技術(shù)

電氣設(shè)計(jì)技術(shù)可從以下3 個(gè)方面展開設(shè)計(jì)。

3.3.1 波束賦形方面

合理設(shè)計(jì)空間天線,可以幫助進(jìn)一步優(yōu)化覆蓋空間整體性能,嚴(yán)格遵守波束衰減以及頻率復(fù)用基礎(chǔ)要求。 裁剪后對(duì)應(yīng)賦形波束需要確保波束邊緣和覆蓋區(qū)域形狀保持一致。 當(dāng)前能夠促進(jìn)實(shí)現(xiàn)賦形波束主要方法如下,第一是直接輻射陣列,該種方法具有較強(qiáng)靈活性,較為通用,通過合理控制各個(gè)獨(dú)立單元對(duì)應(yīng)激勵(lì)系數(shù),能夠順利實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋要求。 對(duì)應(yīng)覆蓋區(qū)域在實(shí)際通信中,在對(duì)陣列單元相關(guān)激勵(lì)系數(shù)實(shí)施有效調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上能夠改變覆蓋區(qū)域范圍。 由于是控制不同單元輻射圖,此項(xiàng)技術(shù)更加適用于點(diǎn)波束覆蓋,可以進(jìn)一步提升信息傳輸速度。 因?yàn)榧?lì)系數(shù)相關(guān)控制電路組成較為復(fù)雜,溢出損失較大,所以相關(guān)技術(shù)未能有效應(yīng)用于商業(yè)衛(wèi)星。

3.3.2 多饋源陣列方面

該種技術(shù)下,單反射面在多饋元喇叭照射下,形成某種賦形波束,此種方法主要借助成型波束網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)饋元激勵(lì)系數(shù)實(shí)施有效控制。 波束成型網(wǎng)絡(luò)和多饋元進(jìn)一步擴(kuò)大天線子系統(tǒng)重量,也擴(kuò)大系統(tǒng)復(fù)雜性,存在較大溢出損失,并非一種有效方法。 反射面輪廓成形屬于近期商業(yè)通信衛(wèi)星普遍應(yīng)用技術(shù)之一。 通過單饋元對(duì)反射面進(jìn)行照射,反射面也并非是平曲面,成形后可以滿足覆蓋區(qū)域和基礎(chǔ)性能要求。 相關(guān)技術(shù)中需要率先對(duì)基礎(chǔ)面進(jìn)行準(zhǔn)確定義,普遍為平面、雙曲面、橢圓面和拋物面,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步疊加一種可調(diào)面,反射面初步成形。 此項(xiàng)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)可行性,但也存在一定缺陷,對(duì)應(yīng)反射面梯度較大,無法制造。

3.3.3 無源互調(diào)分析

針對(duì)收發(fā)共用天線,無源互調(diào)屬于一種關(guān)鍵性內(nèi)容。 無源互調(diào)因其自身通信性能衰減性,得到了廣泛關(guān)注。 如果不止一種頻率遇到非線性材料以及電結(jié)點(diǎn)條件,便形成無源互調(diào)。 無源互調(diào)會(huì)形成某些干擾信號(hào),此種信號(hào)于數(shù)學(xué)中和原始頻率相關(guān)。 處于多載波背景下,實(shí)施無源互調(diào)分析,系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)無源互調(diào)諧波是否處于接收頻段當(dāng)中。 假如存在高能量諧波,且尚未采取有效措施,容易對(duì)衛(wèi)星接收器產(chǎn)生影響和破壞,導(dǎo)致其出現(xiàn)明顯振蕩,進(jìn)而導(dǎo)致通信失敗。為此需要提前實(shí)施無源互調(diào)分析,避免類似失效問題出現(xiàn)[4]。

低階無源互調(diào)設(shè)備整體運(yùn)行功率較大,同時(shí)帶邊頻率容易形成最低階無源互調(diào)。 其中的無源互調(diào)問題十分關(guān)鍵,需要重點(diǎn)關(guān)注制造、設(shè)計(jì)、維護(hù)、集成等不同階段內(nèi)容。 當(dāng)前,尚未形成完整數(shù)學(xué)模型,輔助實(shí)施PIM 設(shè)計(jì),僅能利用預(yù)防對(duì)策、歷史經(jīng)驗(yàn)以及測(cè)試結(jié)果。 具體可以參考下列措施控制PIM 電平。 第一是預(yù)防應(yīng)用鐵金屬,減少不同金屬接觸,預(yù)防不同零件污染以及灰塵問題,從最大程度上減少接觸點(diǎn)數(shù)量,保證接觸點(diǎn)存在充足壓力,對(duì)不同零件實(shí)施科學(xué)排列,焊接觸點(diǎn),針對(duì)表面實(shí)施均勻電鍍處理,控制氧化問題發(fā)生,避免連接件中產(chǎn)生扭矩以及線纜彎曲等問題。 第二是將過濾裝置設(shè)置在信號(hào)發(fā)射路徑當(dāng)中,幫助合理控制接收帶頻,應(yīng)用PIM 較低饋源喇叭。 選擇不同型號(hào)天線進(jìn)行頻帶發(fā)射和接收。 但如此附加天線容易進(jìn)一步擴(kuò)大重量,造成衛(wèi)星安裝空間占用。

3.4 測(cè)試技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)模式下的小口徑天線,環(huán)境測(cè)試普遍是在完整天線內(nèi)實(shí)施。 但在天線口徑持續(xù)擴(kuò)大的背景下,飛行測(cè)試模式更加不具備現(xiàn)實(shí)性。 傳統(tǒng)測(cè)試的缺陷主要是無法找到較大測(cè)試環(huán)境。 借助地面系統(tǒng)設(shè)備無法對(duì)零重力環(huán)境進(jìn)行合理模擬,針對(duì)無法逆轉(zhuǎn)的展開過程不能實(shí)施充分測(cè)試,尤其是充氣硬化天線。 在地面應(yīng)用大口徑天線,實(shí)施測(cè)量工作因?yàn)槭苤亓σ蛩赜绊?對(duì)于天線性能檢測(cè),需要重點(diǎn)研究微重力測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建。 當(dāng)前構(gòu)建微重力測(cè)量環(huán)境對(duì)應(yīng)試驗(yàn)措施包含航天飛機(jī)自由落體、水槽浮力法、懸掛法、模型在軌試驗(yàn)等。 由于相關(guān)試驗(yàn)成本相對(duì)較高,在傳統(tǒng)性能測(cè)試處于失效模式下,設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮預(yù)測(cè)分析、測(cè)試驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)特征,選擇適合集成方法。

4 結(jié)語

綜上所述,大型空間可展開天線技術(shù)具有較大挑戰(zhàn)性,相關(guān)技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域,包括機(jī)械、電氣、熱技術(shù)以及測(cè)試技術(shù)等,其核心技術(shù)需要進(jìn)一步聯(lián)系工程技術(shù)和基礎(chǔ)理論實(shí)施深入研究,指導(dǎo)國內(nèi)大型空間可展開天線技術(shù)快速、持續(xù)建設(shè)發(fā)展。