董富祥 周志成 曲廣吉

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

空間大型網(wǎng)狀天線是滿足移動(dòng)通信、電子偵察和深空探測(cè)等空間應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，具有口徑大、展開(kāi)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)［1］，如跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的徑向肋型網(wǎng)狀天線和電子偵察衛(wèi)星的大型環(huán)形桁架式天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)，均由幾十個(gè)到上百個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成。由于空間大型網(wǎng)狀天線尺寸大及運(yùn)載火箭整流罩的限制，發(fā)射前必須將其折疊，入軌后再展開(kāi)。

空間大型網(wǎng)狀天線在軌能否可靠展開(kāi)直接關(guān)系到航天項(xiàng)目的成敗。由于天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性及難以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，其展開(kāi)過(guò)程易出現(xiàn)故障且難以實(shí)現(xiàn)在軌維修，一旦出現(xiàn)故障極易形成單點(diǎn)失效事件，直接影響預(yù)定航天任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。開(kāi)展空間大型網(wǎng)狀天線在軌展開(kāi)故障和對(duì)策研究，有助于從國(guó)外案例中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為研制階段天線防故障設(shè)計(jì)和在軌展開(kāi)故障排除措施的制定提供參考，增強(qiáng)大型天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)的可靠性。

本文列舉了國(guó)外1974-2011年期間發(fā)射的帶有大型網(wǎng)狀天線的航天器，并對(duì)其在軌展開(kāi)故障模式和故障機(jī)理進(jìn)行了分析；對(duì)天線在軌展開(kāi)故障排除方法進(jìn)行了總結(jié)，綜述了天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的主要技術(shù)措施；提出了可增強(qiáng)天線在軌展開(kāi)可靠性的建議。

2 載有大型網(wǎng)狀天線的航天器統(tǒng)計(jì)和故障模式分析

2．1 載有大型網(wǎng)狀天線的航天器統(tǒng)計(jì)

表1為截至2011年12月根據(jù)公開(kāi)資料統(tǒng)計(jì)得到的攜帶口徑為4．8m 以上網(wǎng)狀天線的部分科學(xué)、商業(yè)和軍用航天器統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于各國(guó)大量電子偵察衛(wèi)星的天線口徑、在軌展開(kāi)狀況和故障信息等數(shù)據(jù)難以確切核實(shí)，因此表1未將這類航天器統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。

表1 載有大型網(wǎng)狀天線的部分科學(xué)探索、商業(yè)和軍用航天器（截至2011年12月）Table 1 A part of scientific，commercial and military spacecraft with large mesh antenna

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，截至2011年12月國(guó)際上共發(fā)射載有大型可展網(wǎng)狀天線的科學(xué)探索、商業(yè)和軍用航天器41個(gè)，其中FLTSATCOM、Galileo、LDREX、Eutelsat-W2A、Skyterra-1航天器載有的大型天線在軌展開(kāi)過(guò)程中出現(xiàn)故障，經(jīng)搶救，F(xiàn)LTSATCOM、Galileo、LDREX 和Eutelsat展開(kāi)失敗，Skyterra-1排除故障后工作正常。由表1可知，天線展開(kāi)過(guò)程遇到故障的航天器占發(fā)射總數(shù)的12．19%。

2．2 天線在軌展開(kāi)故障模式分析

根據(jù)天線展開(kāi)故障機(jī)理可將天線展開(kāi)故障分為3種類型：①發(fā)射過(guò)程意外引起的天線展開(kāi)故障；②壓緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致天線展開(kāi)故障；③索網(wǎng)纏繞引起的天線展開(kāi)故障。下面分別對(duì)各類展開(kāi)故障進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2．2．1 發(fā)射過(guò)程意外引起的天線展開(kāi)故障

1981年8月發(fā)射的美國(guó)艦隊(duì)通信衛(wèi)星-5（FLTSATCOM-5）（見(jiàn)圖1），4．9m 的UHF 頻段發(fā)射天線未能正常展開(kāi)。分析星上遙測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，天線發(fā)生了彎曲。對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并經(jīng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證后確定，衛(wèi)星入軌期間玻璃纖維制成的整流罩內(nèi)襯發(fā)生了爆炸性剝離，飛濺的整流罩碎片打彎了天線桿，阻止了天線正常展開(kāi)［3-4］。同時(shí)UHF 天線與星體連接部位也發(fā)生了斷裂，當(dāng)星體轉(zhuǎn)速達(dá)到45r／min時(shí)，天線與星體便分離了，最終導(dǎo)致整星失效。

圖1 美國(guó)艦隊(duì)通信衛(wèi)星-5Fig．1 FLTSATCOM-5

2．2．2 壓緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致天線展開(kāi)故障

1989年10月NASA 發(fā)射了伽利略號(hào)木星探測(cè)器，其上載有一副Harris公司制造的口徑為4．8m的高增益X 頻段徑向肋天線，用于將科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球，如圖2所示。然而，1991年4月該天線在展開(kāi)過(guò)程中出現(xiàn)故障，無(wú)法正常展開(kāi)。經(jīng)過(guò)多次努力，仍然未能使該天線展開(kāi)，后來(lái)雖然采取補(bǔ)救措施減小了高增益天線展開(kāi)失敗帶來(lái)的損失，但仍導(dǎo)致絕大部分科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法傳回地面［6-9］。

圖2 伽利略號(hào)探測(cè)器Fig．2 Galileo spacecraft

伽利略號(hào)探測(cè)器上的大型徑向肋天線繼承了此前Harris公司為“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）建造的傘狀徑向肋天線的基本結(jié)構(gòu)，并為保證其展開(kāi)可靠性，增加了冗余電動(dòng)機(jī)、中心釋放機(jī)構(gòu)和防纏繞系統(tǒng)。經(jīng)故障模式分析和地面故障復(fù)現(xiàn)，故障定位在中心壓緊機(jī)構(gòu)銷槽配合位置處，如圖3所示。原因是V 形槽位置處過(guò)高的接觸應(yīng)力破壞銷槽之間二硫化鉬（MoS2）潤(rùn)滑膜，而運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的振動(dòng)和發(fā)射前多次驗(yàn)證試驗(yàn)又使這層膜被磨損掉，使銷槽金屬基體在空間高真空環(huán)境下直接接觸，發(fā)生黏著效應(yīng)，使鎖緊機(jī)構(gòu)發(fā)生卡滯，導(dǎo)致天線最終展開(kāi)失敗。

圖3 插座設(shè)計(jì)示意圖［7］Fig．3 Receptacle design

2．2．3 索網(wǎng)纏繞引起的天線展開(kāi)故障

2000年12 月日本“大型可展開(kāi)反射器試驗(yàn)”（LDREX）的六邊形模塊式試驗(yàn)天線，作為輔助載荷由阿里安-5 火箭發(fā)射，開(kāi)展在軌展開(kāi)飛行驗(yàn)證［15-18］?；鸺M(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道后，天線在軌展開(kāi)試驗(yàn)開(kāi)始。根據(jù)攝像機(jī)傳回的畫面，發(fā)現(xiàn)LDREX 展開(kāi)120s后停止，在軌展開(kāi)試驗(yàn)失敗。圖4為L(zhǎng)DREX天線在軌展開(kāi)試驗(yàn)示意圖。

LDREX 是日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星-8（ETS-8）上的六邊形模塊式天線在軌驗(yàn)證產(chǎn)品，由7個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本模塊組成。圖5為六邊形模塊式天線基本模塊結(jié)構(gòu)示意圖。從圖5中可以看出，該模塊主要由表面索網(wǎng)、網(wǎng)面反射器、支撐索、中心軸、基準(zhǔn)桿和可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)組成?？烧归_(kāi)桁架結(jié)構(gòu)由1個(gè)中心軸和6個(gè)徑向肋組成，展開(kāi)過(guò)程中四桿對(duì)角單元的上桿和下桿通過(guò)同步單元保持平行。LDREX 采用壓簧和扭簧作為天線展開(kāi)動(dòng)力源，為了確保每個(gè)模塊展開(kāi)速度受控和各個(gè)模塊展開(kāi)的同步性，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)拉索回收速度進(jìn)行控制。

圖4 LDREX 在軌展開(kāi)試驗(yàn)示意圖Fig．4 Diagram of LDREX in-orbit deployment experiment

圖5 LDREX 天線單元基本組成Fig．5 Detail of basic module

根據(jù)攝像機(jī)傳回的天線在軌展開(kāi)故障圖像，判定LDREX 的索網(wǎng)與可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生了纏繞。經(jīng)研究分析各種失效模式后，得出如下結(jié)論［17］：

（1）在天線展開(kāi)初始階段，特別是壓緊釋放機(jī)構(gòu)（HRM）剛剛釋放后，天線發(fā)生了大幅振蕩；

（2）振蕩使天線索網(wǎng)與可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生纏繞，導(dǎo)致展開(kāi)過(guò)程終止。

此次天線在軌展開(kāi)故障的教訓(xùn)是：地面驗(yàn)證試驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)需要小心評(píng)估，在地面展開(kāi)試驗(yàn)中重力減小了索網(wǎng)振蕩的幅值，這樣在地面試驗(yàn)期間可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)在軌試驗(yàn)?zāi)菢哟蟮恼袷?，使設(shè)計(jì)時(shí)忽略了初始時(shí)刻壓緊釋放機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)，最終造成LDREX 在軌展開(kāi)失敗。

3 天線在軌展開(kāi)故障應(yīng)急處理對(duì)策和設(shè)計(jì)改進(jìn)

天線在軌展開(kāi)遇到故障后，需要立即對(duì)天線展開(kāi)故障模式進(jìn)行判讀，確定故障類型，并根據(jù)應(yīng)急處理預(yù)案開(kāi)展故障排除工作。之后還應(yīng)根據(jù)在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)、動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果和地面驗(yàn)證試驗(yàn)，確定引起天線展開(kāi)故障的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高天線展開(kāi)可靠性。

3．1 天線在軌展開(kāi)故障應(yīng)急處理對(duì)策

國(guó)外主要采用以下幾類方法排除天線在軌展開(kāi)故障。

（1）收攏再展開(kāi)法

僅適用于主動(dòng)驅(qū)動(dòng)天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)，如傘狀肋天線。這類天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具備正逆雙向驅(qū)動(dòng)能力，但該方法會(huì)破壞原本已折疊好的天線柔性索網(wǎng)，引發(fā)索網(wǎng)自身纏繞或者與天線其他部件纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。在伽利略號(hào)木星探測(cè)器故障排除預(yù)案中，曾擬采用該方法排除天線展開(kāi)故障，但評(píng)估后放棄了該方法。

（2）冷熱循環(huán)法

利用空間熱輻射環(huán)境，將天線背離太陽(yáng)使配合位置收縮，然后再將天線朝向太陽(yáng)，使卡滯處產(chǎn)生熱膨脹，反復(fù)進(jìn)行這一過(guò)程直至故障排除。在伽利略號(hào)木星探測(cè)器天線展開(kāi)故障排除措施中采用了該方法，但是未能幫助天線展開(kāi)。

（3）慣性力輔助法

控制航天器使其繞某慣量主軸以一定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在卡滯位置產(chǎn)生一定的慣性力，幫助天線從卡滯位置處解脫。采用該方法將會(huì)使衛(wèi)星失去原來(lái)姿態(tài)，同時(shí)又要保持穩(wěn)定的指向，因此對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性。該方法被用于排除FLTSATCOM-5衛(wèi)星、伽利略號(hào)木星探測(cè)器、Eutesat W2A 衛(wèi)星和SkyTerra-1衛(wèi)星等天線展開(kāi)故障。

以上3種故障排除方法僅為排除天線故障的基本方法，實(shí)際執(zhí)行中還需要根據(jù)具體故障模式采取相應(yīng)的搶救方案，例如阿尼克-E2（Anik-E2）衛(wèi)星［4］天線展開(kāi)故障排除措施就同時(shí)使用了方法（2）、（3）。

3．2 天線設(shè)計(jì)的改進(jìn)

故障原因確定后，應(yīng)通過(guò)仿真分析、修正設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)多次迭代，提升天線展開(kāi)可靠性。根據(jù)展開(kāi)故障類型，天線設(shè)計(jì)改進(jìn)措施主要有以下3點(diǎn)。

（1）針對(duì)發(fā)射意外引起的天線展開(kāi)故障，增強(qiáng)天線的抗振動(dòng)噪聲能力設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

（2）針對(duì)壓緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起的天線展開(kāi)故障，應(yīng)在壓緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免高接觸應(yīng)力，防止其表面MoS2潤(rùn)滑膜被破壞，其形成的潤(rùn)滑膜很可能在地面試驗(yàn)中被消耗殆盡，以至于在真正需要時(shí)不能提供必需的潤(rùn)滑特性。

（3）針對(duì)索網(wǎng)纏繞引起的天線展開(kāi)故障，目前國(guó)外主要采取以下措施予以避免：①修改壓緊釋放機(jī)構(gòu)釋放次序，以減小壓緊釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作引起的反射器索網(wǎng)振蕩；②安裝防護(hù)帶和隔離組件，避免反射網(wǎng)與桁架結(jié)構(gòu)纏繞。

4 結(jié)論

根據(jù)空間大型天線展開(kāi)的復(fù)雜性，結(jié)合國(guó)外已發(fā)射衛(wèi)星的工程經(jīng)驗(yàn)，建議在以下幾方面增強(qiáng)天線在軌展開(kāi)可靠性。

（1）加強(qiáng)天線展開(kāi)可靠性設(shè)計(jì)，提升天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)抗沖擊能力?？山档瓦\(yùn)載火箭整流罩拋罩異?；蚱渌饬蠜_擊對(duì)天線展開(kāi)可靠性的不利影響。

（2）加強(qiáng)天線機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑特性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，有條件地開(kāi)展天線空間環(huán)境展開(kāi)試驗(yàn)?？煽繚?rùn)滑是天線機(jī)構(gòu)功能正常的重要保障，有助于降低天線展開(kāi)過(guò)程中卡滯風(fēng)險(xiǎn)，避免卡滯引起的天線展開(kāi)故障。有條件地開(kāi)展大型天線空間環(huán)境展開(kāi)驗(yàn)證試驗(yàn)，可充分暴露地面試驗(yàn)難以預(yù)見(jiàn)的故障模式，保證大型空間天線在軌可靠展開(kāi)。

（3）開(kāi)展索網(wǎng)防纏繞設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證工作，盡力避免索網(wǎng)自身纏繞及其與桁架之間的纏繞引起的天線展開(kāi)故障。天線地面展開(kāi)試驗(yàn)中重力抑制了天線索網(wǎng)本身的振蕩，使現(xiàn)有索網(wǎng)管理方案能夠在地面常規(guī)試驗(yàn)中有效避免索網(wǎng)纏繞，然而，仍然需要仔細(xì)評(píng)估空間力學(xué)環(huán)境下索網(wǎng)自身及其與桁架發(fā)生纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）開(kāi)展天線展開(kāi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程預(yù)測(cè)，加強(qiáng)基于多學(xué)科的天線展開(kāi)故障應(yīng)急處理預(yù)案研究。深入細(xì)致地開(kāi)展天線展開(kāi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程仿真與預(yù)測(cè)研究，是合理布置傳感器、監(jiān)控天線展開(kāi)過(guò)程的重要前提。地面展開(kāi)試驗(yàn)成功并不代表在軌展開(kāi)成功，發(fā)射前需要有完善的故障應(yīng)急處理預(yù)案。加強(qiáng)天線展開(kāi)故障模式處理對(duì)策多學(xué)科仿真與試驗(yàn)研究，確定各類故障模式下天線展開(kāi)故障應(yīng)急處理預(yù)案，可以為天線展開(kāi)異常時(shí)采取正確故障排除措施作好準(zhǔn)備。

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