許廣兵 曹子振 王琨

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458）

用于衛(wèi)星展開式平面天線的新型鉸鏈研究

許廣兵 曹子振 王琨

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458）

為保證衛(wèi)星平面天線展開后工作面“無突出物和零板間縫隙”，提出一種新型鉸鏈設(shè)計(jì)。采用該鉸鏈的天線展開后，鉸鏈不會(huì)突出在天線上表面，不會(huì)對(duì)天線波束的發(fā)射帶來干擾?；贏DAMS軟件，建立了裝有新型鉸鏈的平面天線展開動(dòng)力學(xué)模型；通過動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算，確定了鉸鏈設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和平面天線的安裝要求，研制了3套鉸鏈樣機(jī)，并進(jìn)行了多次展開試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：裝有該新型鉸鏈的天線展開動(dòng)作平穩(wěn)，同步性好，聯(lián)動(dòng)裝置中的繩索在天線展開過程中未出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，因此新型鉸鏈滿足平面天線的使用要求，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

衛(wèi)星平面天線；新型鉸鏈；動(dòng)力學(xué)分析；展開試驗(yàn)

1 引言

平面可展開天線作為星載通信天線，應(yīng)用于航天領(lǐng)域已有30多年的歷史。天線在發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，在衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道位置后展開。目前，衛(wèi)星平面天線的展開機(jī)構(gòu)主要有桁架式［1－2］和鉸鏈?zhǔn)剑?－4］兩種。美國(guó)的“海洋衛(wèi)星”（Seasat）、ESA的歐洲遙感衛(wèi)星－1（ERS－1）及日本的“先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星”（ALOS）的天線，都采用桁架式展開機(jī)構(gòu)。桁架式展開機(jī)構(gòu)的剛度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大，發(fā)射成本高。ESA“環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat）的高級(jí)合成孔徑雷達(dá)（ASAR）天線，采用了鉸鏈?zhǔn)降钠矫婵烧归_天線，天線展開后鉸鏈全部位于天線背面。不過，天線展開時(shí)必須采用主動(dòng)控制的分步展開方式，且鉸鏈較大，增加了展開控制難度；另外，鉸鏈會(huì)隨著天線折疊層數(shù)的增多而加大，增加了質(zhì)量和發(fā)射成本。

本文提出了一種用于衛(wèi)星平面天線展開的新型鉸鏈。該鉸鏈可以保證天線展開后各基板之間無間隙，且鉸鏈全部位于天線背面；同時(shí)，配合使用聯(lián)動(dòng)裝置，就能保證各基板的同步展開。相比國(guó)外現(xiàn)有的天線展開機(jī)構(gòu)，它有諸多優(yōu)勢(shì)：①質(zhì)量較小，大幅度降低了發(fā)射成本；②全機(jī)械設(shè)計(jì)，無需電路控制，可靠性高；③天線展開后相鄰基板間隙小于2mm，配合高精度鎖緊機(jī)構(gòu)，可提高天線精度；④天線層疊占用空間小，節(jié)省發(fā)射空間。

2 新型鉸鏈設(shè)計(jì)

由4塊基板折疊的平面天線如圖1（a）所示，天線展開后，相鄰2塊基板之間需要緊密貼合，為了不影響天線波束的發(fā)射，天線展開后展開機(jī)構(gòu)不得突出在天線上表面。

從圖1可以看出，折疊狀態(tài)的天線分為正面相對(duì)的2塊基板以及背面相對(duì)的2塊基板。其中：背面相對(duì)的2塊基板之間，使用具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的常規(guī)鉸鏈，就可以實(shí)現(xiàn)天線展開后鉸鏈位于天線下表面；而正面相對(duì)的2塊基板之間，則要設(shè)計(jì)一種新型鉸鏈，以滿足天線展開后鉸鏈也位于天線下表面的要求。

圖1 天線折疊及展開狀態(tài)Fig.1 Folding and deployment of antenna

2.1 新型鉸鏈的構(gòu)造

新型鉸鏈構(gòu)造如圖2所示，安裝座1和安裝座2分別與天線相鄰的2塊基板相連，鉸鏈可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式安裝在基板背面或者嵌入在基板內(nèi)部；驅(qū)動(dòng)桿1、驅(qū)動(dòng)桿2和2個(gè)L連桿構(gòu)成鉸鏈的主要展開機(jī)構(gòu)，通過銷軸相互連接，鉸鏈展開的驅(qū)動(dòng)力矩由安裝在鉸鏈上的2個(gè)平面渦卷彈簧卷簧1和卷簧2共同提供，平面渦卷彈簧的剛度要具備一定的靜力矩裕度［5］。在展開過程中，為確保各天線基板能按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)并同步展開，各鉸鏈之間通過繩索聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CCL）實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)［6］。為了實(shí)現(xiàn)天線展開后的鎖緊定位，使用銷－槽式鎖緊機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，鎖定擺桿上的柱銷先沿著滑道運(yùn)動(dòng)，在展開運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，柱銷滑入鎖緊槽內(nèi)［7］。鉸鏈樣機(jī)見圖3。

圖2 新型鉸鏈構(gòu)造Fig.2 Construction of novel hinge

圖3 新型鉸鏈?zhǔn)諗n和展開狀態(tài)Fig.3 Folded and deployment state of novel hinge

2.2 新型鉸鏈的原理分析

采用新型鉸鏈的天線展開過程如圖4所示。從圖4中可以看出：在天線展開后，鉸鏈完全位于天線上表面以下，且展開過程不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，展開后能夠保證2個(gè)相鄰基板之間沒有間隙。為了保證天線相鄰基板在整個(gè)展開動(dòng)作中不會(huì)發(fā)生干涉，鉸鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸位置（瞬心）應(yīng)始終在天線基板上側(cè)。

圖4 使用新型鉸鏈的天線展開過程Fig.4 Deployment of antenna using novel hinge

新型鉸鏈原理如圖5所示。在六連桿機(jī)構(gòu)中，桿1與桿4（相當(dāng)于鉸鏈與相鄰天線基板連接的安裝座1和安裝座2）的瞬心即為鉸鏈瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸，這里假設(shè)桿2（相當(dāng)于鉸鏈中的L連桿1，圖中用綠色表示）及桿5（相當(dāng)于鉸鏈中的L連桿2，圖中用紅色表示）都與Y軸有一個(gè)夾角γ，桿3和桿6（相當(dāng)于鉸鏈中的驅(qū)動(dòng)桿1和驅(qū)動(dòng)桿2，圖中用藍(lán)色表示）初始狀態(tài)豎直放置。桿1與桿2的瞬心為點(diǎn)M，桿4與桿2的瞬心為點(diǎn)D，故桿1與桿4的瞬心必在直線MD上。同理，桿1與桿4的瞬心應(yīng)在直線NA上，所以直線MD與直線NA的交點(diǎn)P即為桿1與桿4的瞬心，根據(jù)對(duì)稱性，點(diǎn)P在直線MD與Y軸的交點(diǎn)上。假設(shè)圖5中鉸接點(diǎn)A到鉸接點(diǎn)O的距離為l1，鉸接點(diǎn)O到桿3的距離為l2，按照?qǐng)D示坐標(biāo)系，點(diǎn)D的坐標(biāo)為（l1sinγ，l1cosγ），點(diǎn)M的坐標(biāo)為（－l2，l2cotγ），則PO的長(zhǎng)度為2l1l2cosγ/（l1sinγ＋l2），當(dāng)γ＝0時(shí)，PO的長(zhǎng)度為2l1，因此保證了瞬心始終在天線上側(cè)。

六連桿機(jī)構(gòu)實(shí)際上是2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱機(jī)構(gòu)，如圖6所示，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析，將該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為四連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)稱性作為其約束條件。

圖5 新型鉸鏈旋轉(zhuǎn)瞬心Fig.5 Instant center of novel hinge

圖6 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化Fig.6 Simplification of link mechanism

當(dāng)γ＝0時(shí)，簡(jiǎn)化后的四連桿機(jī)構(gòu)尺寸如圖7所示，m1為鉸鏈展開狀態(tài)下桿2與桿5重疊部分的長(zhǎng)度，m2為桿1的長(zhǎng)度，m3為桿3的長(zhǎng)度，m4表示在鉸鏈展開狀態(tài)下桿2與桿5非重疊部分的長(zhǎng)度，α0表示在鉸鏈展開狀態(tài)下桿1與桿5之間夾角，β0表示在鉸鏈展開狀態(tài)下桿2與桿5之間夾角。根據(jù)4個(gè)參數(shù)l1，l2，α0，β0，即可確定四連桿機(jī)構(gòu)的初始外形尺寸。其中，4條邊的尺寸分別為

假設(shè)鉸鏈處于任意狀態(tài)下桿1與桿5之間夾角為α，桿2與桿5之間夾角為β。四連桿機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，因此，只要確定β，就可以求得α。

圖7 四連桿機(jī)構(gòu)尺寸Fig.7 Dimension of four－link mechanism

天線折疊后的鉸鏈形狀如圖8所示，根據(jù)2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性可知，在鉸鏈折疊狀態(tài)下，桿1與桿5之間的夾角αt，以及桿2與桿5之間夾角βt滿足如下關(guān)系式。

天線折疊后的鉸鏈尺寸如圖9所示，鉸接點(diǎn)B距離天線上表面的距離為d1，鉸接點(diǎn)A距離天線上表面距離為d2，鉸鏈折疊狀態(tài)下相對(duì)的2個(gè)天線上表面距離為d，根據(jù)式（8）和式（9），可得出天線折疊狀態(tài)下αt和βt的值，繼而可求得此時(shí)2個(gè)天線上表面距離d的值。

為了保證展開機(jī)構(gòu)不會(huì)位于天線上表面，d1和d2的值要大于零，天線折疊后還須保證2個(gè)基板之間留有一定的距離d0，因此鉸鏈外形尺寸的設(shè)計(jì)要保證d＞d0，同時(shí)還要保證圖5中的點(diǎn)P位于天線上方。

圖8 天線折疊后鉸鏈形狀Fig.8 Shape of hinge after antenna folded

圖9 天線折疊后鉸鏈尺寸Fig.9 Dimension of hinge after antenna folded

3 采用新型鉸鏈的天線展開動(dòng)力學(xué)分析

利用鋁型材建造的桁架結(jié)構(gòu)來模擬天線，天線模擬件的高度為3040mm，單塊天線基板的寬度為1500mm，3塊基板的總長(zhǎng)度為4500mm，天線厚度為120mm。天線總質(zhì)量為200kg，幾何模型如圖10所示。為得到裝有新型鉸鏈的天線展開性能，對(duì)天線的展開進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。使用PATRAN/NASTRAN軟件計(jì)算天線前36階正交化模態(tài)，去除前6階剛體模態(tài)后，將中性文件導(dǎo)入ADAMS中，ADAMS/FLEX采用修正的Craig－Bampton方法，以模態(tài)展開法描述天線的柔性變形［8］。

圖10 天線的幾何模型Fig.10 Geometric model of antenna

由于天線展開過程中聯(lián)動(dòng)裝置的繩索并不是剛性的，繩索張力隨天線展開過程相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致相鄰2塊基板并不完全按照預(yù)定規(guī)律展開。為了提高天線展開的同步性，須在繩索中加入預(yù)置張力，繩索在模型中作為柔性體進(jìn)行分析。假定在天線展開過程中不發(fā)生繩索松弛現(xiàn)象，就能保證展開的基本同步，即天線展開過程中聯(lián)動(dòng)裝置中繩索的附加張力應(yīng)不大于預(yù)置張力［9］。

通過仿真分析，確定平面渦卷彈簧剛度為3.9N·mm/（°），彈簧預(yù)置角為220°，聯(lián)動(dòng)裝置中繩索預(yù)緊力為130N。鉸鏈展開角度隨時(shí)間的變化如圖11所示，天線在14.7s時(shí)完全展開。

圖11 鉸鏈展開角度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Hinge deployment angle versus time

4 采用新型鉸鏈的天線展開試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新型鉸鏈的可行性，采用氣浮裝置的試驗(yàn)設(shè)備提供零重力場(chǎng)，對(duì)上述天線模擬件進(jìn)行展開試驗(yàn)。天線模擬件下方裝有氣足，便于在氣浮平臺(tái)上進(jìn)行零重力展開試驗(yàn)。天線模擬件展開過程如圖12所示。

圖12 天線模擬件展開過程Fig.12 Deployment process of antenna model

經(jīng)過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）使用新型鉸鏈可以保證天線展開后各基板之間無間隙，且天線展開后鉸鏈全部位于天線上表面以下，不會(huì)對(duì)天線波束產(chǎn)生干擾。

（2）新型鉸鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用體積較小，可利用彈簧驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)各基板的同步展開。

（3）試驗(yàn)過程中天線展開平穩(wěn)，到達(dá)預(yù)定位置后順利鎖定。不過，2塊基板之間的間隙略大，最大處接近2mm，這主要是由于新型鉸鏈具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)轉(zhuǎn)軸與孔的間隙累積導(dǎo)致整體的間隙較大，后續(xù)要采用單獨(dú)的鎖緊裝置對(duì)鉸鏈進(jìn)行鎖緊。

（4）采用新型鉸鏈，天線折疊時(shí)，各基板之間的間距小于10mm，可以節(jié)省空間。

（5）天線展開時(shí)間約為16s，聯(lián)動(dòng)裝置中的繩索在天線展開過程中未出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。

（6）新型鉸鏈采用雙平面渦卷彈簧提供展開動(dòng)力，增加了鉸鏈展開的可靠性和安全性。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)平面天線的展開特性要求，提出了一種新型鉸鏈設(shè)計(jì)，并對(duì)裝有新型鉸鏈天線的展開特性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析和零重力展開試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，證明該新型鉸鏈的設(shè)計(jì)正確，其特殊的結(jié)構(gòu)形式能夠保證天線展開后鉸鏈不會(huì)突出在天線上表面，同時(shí)具有較小的質(zhì)量，可為相關(guān)平面天線的研制奠定基礎(chǔ)，具有工程應(yīng)用前景。

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（編輯：夏光）

Research on a Novel Hinge Used for Satellite Deployed Plane Antenna

XU Guangbing CAO Zizhen WANG Kun
（Tianjin Institute of Astronautics Electromechanical Device，Tianjin 300458，China）

To realize“non－outshoot and non－gap”for the satellite plane antenna，a novel hinge is proposed.This novel hinge doesn’t project on the top surface of antenna when the antenna deploys，thus won’t bring any jamming to the wave emitting of the antenna.A dynamic simulation model of plane antenna assembled with this novel hinge is established by using the software of ADAMS，and relevant design parameters of the hinge are determined.Based on the simulation results and the assembly requirements，three hinges are developed and the deployment tests are carried out.The test results show that the plane antenna assembled with the novel hinges deploys stably and synchronously，and no relaxation phenomenon in the close cable loop occurs in the deployment process.The novel hinge satisfies the use needs of plane antenna and it counts for the engineering application.

satellite plane antenna；novel hinge；dynamic analysis；deployment test

V414

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.008

2016－02－16；

2016－07－10

許廣兵，男，研究員，從事航天器配套產(chǎn)品研制工作。Email：gbxu65@163.com。