发布时间 : 星期五 文章浅析可展结构在卫星天线中的应用-天津大学研究生e-Learning平台更新完毕开始阅读d76b474efe00bed5b9f3f90f76c66137ef064f55
先进制造技术课程大作业 2017年12月
浅析可展结构在卫星天线中的应用
顾元庆
天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2017级硕士生
摘要：随着科学技术的发展，可展结构已从一般的索链结构,发展到更为复杂的大型空间可展结构,如大型充气膜结构、可展式天线、太阳帆。这些可以从很小体积的初始状态展开到较大形状的工作状态或从较大形状收扰到便于携带的较小形态的可展式结构，正在被广泛地应用于宇宙开发工程中。 关键词：可展结构 便于携带 宇宙开发
0 前言
在现代, 最初提出可展结构的概念并使之得到成功的应用起始于航空和航天领域，如航天器上的天线、太阳能电池板、以及飞机上用的空中加油套管等. 后来, 甚至在太空空间站上还出现了靠记忆性材料的特性来实现可展的天线。随着电波频率和天线口径的不断提高，可展开天线以其质量轻、装载体积小、展开面积大的优势,成为适应航天结构发展趋势并具有广泛应用前景的一类天线反射器。
宇航事业的高速发展对宇航用天线提出了越来越高的要求。例如,为了减少背景噪声的影响,为了提高天线的增益和数据传输的速率,中继卫星天线通常选在Ku 波段,天线增益要求不小于50分贝。这样,天线口径便需大至5米,波速宽度约0. 27度,数据传输速率可达300兆比特/秒。由于天线反射器口径已达5米,超过了运载工具整流罩所能容纳的尺寸,故必须采用可展开天线这种结构形式。在轨运行过程中，空间热辐射等影响会引起可展开天线结构型面精度的变化，对天线的电性能造成不利影响，高精度的型面需求促进了国内外对可展开天线型面调整工作的研究[1]。并且，太空空间站等要求天线尺寸更大,且由于没有重力,天线刚度可以大大减低,从而重量减小,柔性增大。这样,对上述的精度要求高的可展开空间天线又提出了尺寸大、重量轻、柔性大的要求,这使得对空间可展开天线的制造及分析变得更加复杂,吸引来国内、外大批学者对其进行探讨[2]。
可展开天线相关的理论研究已经取得了很大的进展，多种类型的天线已经在轨运行，但少数天线运行时出现了一些故障，例如：NASA在伽利略木星探测器上使用的径向肋可展开天线由于解锁时限
位销与销孔间产生很大的摩擦力，使限位销没有拔出，天线展开失败；我国某型号卫星在定点过程中，太阳帆板二次展开和通信天线未能完成展开，导致卫星无法提供通信广播传输服务。这些案例表明可展开天线的理论体系还不够完整，在某些方面研究也不深入、不透彻。在空间展开失败不但很难调整，而且也带来了很大的经济损失。
1国内外研究现状及发展动态分析
星载大型可展开天线已被广泛应用于地球静止轨道通信卫星、跟踪与数据，中继卫星、电子侦察卫星等多种卫星上，甚至还可以在空间攻防中作为微波武器使用。正是由于其具有广阔的应用前景，各发达国家竞相发展该项技术，在这方面投入了大量的时间和精力，经过几十年的研究，特别是近20年，发达国家在空间可展开天线技术方面己经取得了长足的进步。美国于1974年发射的ATS-6卫星，1978年发射的SEASAFT卫星，以及1981年发射的哥伦比亚号航天飞机都使用了可展开天线。另外，美国于1997年10月至11月发射了两颗新型军事情报卫星，其中一颗为洛克希德·马丁公司制造德改进型“长曲棍球”雷达成像卫星，另一颗是休斯公司制造的喇叭信号情报卫星，它们是美国目前最大的两颗军事卫星，其中后者使用了一部足有一块足球场大小的展开天线，而“长曲棍球”卫星的成像雷达则使用了口径约9.1米的抛物面展开天线。同样，欧洲国家和日本也相继于90年代在遥感卫星ERS -1和地球资源卫星一号上成功使用可展开天线。目前国外现役大型卫星天线的口径一般在6米—30米之间，有的已经达到了150米。国内对于该领域的研究也相当活跃, 设计出多种可控展开结构用于航天及其他领域。对可展结构从理论上加以研
月2017年12月 顾元庆：浅析可展结构在卫星天线中的应用
究并从工程应用角度来考虑却是近二、三十年的事情。而且,只是在最近几年才逐渐成为工程领域的一个研究热点[3-4]。下面介绍近些年星载大型可展开天线按机构形式的分类。
1.1 花瓣型可展开天线
花瓣型天线[5]采用轮廓成螺旋线的翼状单元形成反射面。每一片翼状单元又由多片面板由合页连接而成。花瓣型天线主要由连接各翼状单元的中心圆盘和若干片用于形成反射面的翼状单元和展开机构组成。其中最经典的是由Dornier公司和ESA联合研制的MEA可展开天线(图1(a))和DAISY可展开天线(图1(b)) ，天线收拢后面板围绕在中心轮毂的周围。每个面板通过一个可以绕两个轴旋转的铰连接在中心轮毂上，并且面板之间通过带有球铰的杆件连在一起。面板间连接的杆件可以补偿面板间增加的运动自由度，同时可以保持运动的同步性[6]
。这类可展开天线形面精度高，收纳率较大，结构刚度大，但结构复杂，质量较大。
图1 (a)MEA可展开天线
图1 (b)DAISY可展开天线
再此之后又出现了结构与上述两种形式有很大差别的天线，例如剑桥大学可展结构实验（DSL）研制的SSDA固面可展开天线(图2(a))和来自哈尔滨工程大学的李扬所研究的花瓣式卫星天线(图2(b))，此类天线的反射面被划分成多个翼片，每个翼片又由若干个带转动副的面板组合而成。这种天线的收纳率较高，但天线质量大，展开机构复杂。
图2（a）SSDA固面可展开天线
图2（b）花瓣式卫星天线
此外，碳纤维强化塑料反射器天线(图3)是基于一种被弹性折叠的薄壳而形成的,因此提出了一种新型的包装反射器的概念。它的想法是将表面切成6-8瓣，沿着曲线的形状，其形状是这样的，在包装的结构中，花瓣包裹在中心部分。在部署过程中，它们打开，由折叠过程中储存的能量驱动。该方案确定了在给定的屈服应力和弹性模量的情况下，实现反射器的最佳包装所需的切削模式。
图3 碳纤维强化塑料反射器天线
1.2 伞状可展开天线
伞状天线是应用最广泛的天线机构形式。天线反射器由若干条过口径中心沿径向作辐射状均布的支持肋作为主要支撑结构，在各相邻肋中间铺设金属反射网。通过调节反射网与支撑肋的位置关系来改变金属网的张力以得到所需的形面构造。其中由美国Harris公司为NASA的跟踪与数据中继卫星（TDRS）及伽利略木星探测器而研制的径向肋可展开天线(图4(a))、JPL与洛克希德导弹及太空公司联合研制了缠绕肋可展开天线(图4(b))以及Harris公
月2017年12月 顾元庆：浅析可展结构在卫星天线中的应用
司为亚洲蜂窝卫星系统而设计的折叠肋可展开天线(图4(c))都属于结构比较基础的伞状天线。第一种天线肋不能产生变化，第二种的肋可以缠绕卷曲，第三种的可以直接折叠，所以它们的收纳率是折叠大于缠绕大于径向的，统一的特点有结构简单，展开可靠性较高，但天线整体刚度和形面精度均较低。
图4(a) 径向肋可展开天线
图4（b）缠绕肋可展开天线
图4（c）折叠肋可展开天线
1.3 环—柱式可展开天线
环—柱式可展开天线主要由可展开的环、可伸缩的中心圆柱、拉索、及金属反射网组成[7]。结构较简单的是NASA的兰利研究中心与Harris公司研制的环柱式可展开天线(图5(a))，它是一种比较简单的预拉压结构，环在电机的驱动下展开，最后环上带有扭簧的铰链释放弹性势能使天线完全打开。而俄罗斯Georgian公司，为了满足天线口径变化范围在5-25
ｍ之间的要求，而设计的EGS可展开天线，则是由可展开的圆环和连接在中心轮毂上的成辐射状的张拉膜肋组成(图5(b)), 此类天线收纳率高，适用于大口径可展开天线反射器。缺点是:结构重量较大，天线的刚度及抗震性较差，形面精度不高，由于拉索较多使得天线的装配和调试的难度都很大，结构的展开可靠性不高。
图5 (a)环柱式可展开天线
图5 (b) EGS可展开天线
1.4 单元构架式可展开天线
单元构架式天线的里程碑是日本的NASDA为工程实验卫星ETS-VIII研制的口径13米天线反射器（图7）。单元构架式天线是目前同类天线反射器中尺寸最大的，其采用模块化思想设计，它的优点是可以在完成每一个单元测试后再进行总装配，大大降低了装配和测试的难度。同时它具有较高的结构刚度和稳定性。缺点是天线结构重量较大，制造成本较高，展开可靠性不高。
月2017年12月 顾元庆：浅析可展结构在卫星天线中的应用
图 7 构架式可展开天线
中国电子科技集团公司第三十八研究所，于2012年7月发明了九块自动展开折叠式抛物面天线（图8），该天线沿宽度和高度方向各分为左中右三个阵面，其优点在于可以快速自动拼装与撤收，且加工、维修简单，适应能力好、成本低、可以在－40℃～＋55℃的温度范围内工作。
图 8 自动展开折叠式抛物面天线
1.5 柔性自回弹天线
自回弹可展开天线（图9）是一种新颖的天线形式，天线本身无活动关节，它由美国的休斯空间和通信公司开发研制。该天线由带有成整体网格状肋的薄石墨网和位于天线边缘的加强环组成。天线具有弹性结构，通过边缘的拉索保持收拢状态，当绳索剪断时曲线肋发生弹性变形实现展开，收拢后的高度几乎等于天线的直径。自回弹天线结构简单，展开可靠性高，质量轻，但收纳率小，刚度低，展开速度不易控制。
图 9 自回弹可展开天线
1.6充气式可展开天线
充气式可展开天线（图10）是一种具有广阔应用前景的天线形式。发射前天线收纳成很小的体积，进入轨道后，通过气体使结构膨胀至展开状态，当外部温度逐渐达到一个较高值时，经过化学树脂处理的柔性材料发生硬化作用，在太阳紫外光的照射下也可以使材料硬化[8-10]。充气式可展开天线突出的特点是收纳率大，质量小，展开可靠性高，口径适应范围广，但很难得到较高的形面精度，工作频率低，技术尚不成熟。
图 10 充气式可展开天线
1.7环形桁架式可展开天线
环形可展开机构于其他机构形式相比，具有应用范围广，天线口径大，机构形式简明等优点，是目前大型卫星天线理想机构形式[11-13]。其中TRW公司在2000年12月用于Thuraya卫星上的口径12.25ｍ的AstroMech可展天线（图11(a)），其主要由前索网、金属反射网、竖向拉索、可展环形桁架、后索网５部分组成。前、后索网固定在环形桁架上，通过竖向拉索相互联系，在索网中施加预拉力后，使前索网形成所需的抛物面，金属反射网附着于前索网完成电磁波的收发任务。除此之外，西安电子科技大学在天线结构的机电综合优化、面向反射面保型设计的系统优化及精密控制等方面进行了研究（图11(b)）、欧洲航天局的大型空间模拟器热真空室中也与2016年测试了另外基于碳纤维增强的硅