孫遠(yuǎn)濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

引 言

天線是一種發(fā)射和接收電磁波的裝置，廣泛應(yīng)用于通信、廣播、雷達(dá)和電視等領(lǐng)域。隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了多種多樣的天線[1-2]。天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮電訊性能要求、材料選用、加工工藝、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和熱設(shè)計(jì)等因素[3-10]，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素對天線的性能具有重要的作用。

本文根據(jù)航天器任務(wù)特點(diǎn)和天線性能要求，對某星載天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。天線隨衛(wèi)星在火箭發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、惡劣，在軌時(shí)需承受空間環(huán)境，尤其是極端高低溫?zé)岘h(huán)境的影響，這些力學(xué)環(huán)境及熱環(huán)境對天線的可靠性具有很大的影響。針對這些問題，本文對天線進(jìn)行了力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以進(jìn)一步驗(yàn)證抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)性能，采取了熱控措施以確保天線在允許的工作溫度范圍內(nèi)工作，并針對熱分析結(jié)果開展了熱真空試驗(yàn)，對產(chǎn)品的熱性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要考慮電訊功能和加工、裝配的可實(shí)現(xiàn)性，還要滿足苛刻的工作環(huán)境，如火箭發(fā)射帶來的過載和震動(dòng)、太空的熱環(huán)境和原子氧等。

基于此，對星載天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

天線主要由螺旋天線、介質(zhì)支撐筒、連接器和底座等部分組成，其整體三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 天線模型示意圖

螺旋天線由QBe2.0銅絲繞制而成，采用介質(zhì)支撐筒支撐以保形，螺旋天線與介質(zhì)支撐筒之間采用點(diǎn)接觸的結(jié)構(gòu)形式[6]。在螺旋天線底座安裝TNC連接器，通過導(dǎo)體與螺旋天線連接。

介質(zhì)支撐筒采用Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料制成。該材料具有電磁波透過性能及密度小、強(qiáng)度高、模量高、耐熱性能和阻尼性能好等特點(diǎn)，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，尺寸穩(wěn)定性良好，是金屬螺旋天線較為理想的介質(zhì)支撐材料[7]。根據(jù)螺旋線的走向，在支撐筒外表面預(yù)先加工安裝孔，孔的角度與螺旋天線在該點(diǎn)的切線方向一致，便于固定螺旋天線，并點(diǎn)膠防止松脫。

介質(zhì)支撐筒與底座之間通過螺釘連接成一個(gè)整體。螺旋天線通過底座用4個(gè)螺釘安裝在衛(wèi)星星體上。底座由鋁合金2A12加工而成，采用筒形薄壁結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，剛強(qiáng)度好。

2 抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)與分析

天線安裝在衛(wèi)星艙板上，為重要的艙外設(shè)備，對剛度和強(qiáng)度具有較高的要求，即：

1)保證在設(shè)計(jì)極限載荷下，結(jié)構(gòu)部件具有一定的安全裕度，不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，且要求設(shè)計(jì)極限載荷為鑒定載荷與安全系數(shù)(取K= 1.5)的乘積，金屬的強(qiáng)度安全裕度MS≥ 0,樹脂基復(fù)合材料首層失效安全裕度MS≥ 0.25；

2)天線(含底座)的固有頻率≥70 Hz。

2.1 有限元模型

以天線安裝面的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，對稱安裝孔的連線分別是X軸和Y軸，安裝面的法線指向天線頂端，為Z軸，進(jìn)而建立天線的有限元模型。天線底座的4個(gè)安裝孔用螺栓固定，約束安裝孔位置節(jié)點(diǎn)處6個(gè)方向的自由度，材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 分析工況

考慮到火箭發(fā)射時(shí)的力學(xué)環(huán)境，按以下幾種工況開展力學(xué)分析：

1)加速度過載，載荷大小為10g；

2)正弦振動(dòng)，按照鑒定級(jí)施加載荷，見表2；

3)模態(tài)分析；

4)隨機(jī)振動(dòng)分析，按照鑒定級(jí)施加載荷，見表3。

表2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

表3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2.3 分析結(jié)果

根據(jù)加速度過載對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析。根據(jù)加速度過載的計(jì)算結(jié)果可以得出：在3個(gè)方向上，加速度過載最大變形為0.126 mm，各材料的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的允許強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

模態(tài)分析是天線隨機(jī)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)，在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析前，應(yīng)先獲得其固有模態(tài)。為了獲取天線的固有頻率，對天線進(jìn)行模態(tài)分析，得到的前6階模態(tài)頻率如圖2～圖4所示。

圖2 1階和2階振型

圖3 3階和4階振型

圖4 5階和6階振型

正弦掃頻范圍為10 Hz～100 Hz。天線單元在垂直于安裝面方向(Z向)上的基頻為995.8 Hz，遠(yuǎn)高于掃頻上限頻率。在垂直方向上掃頻，天線單元基本不會(huì)放大，可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)載荷(10g)。天線單元在水平方向的基頻為170.9 Hz，大于掃頻上限100 Hz，按照最大掃頻加速度放大η倍后的準(zhǔn)靜態(tài)過載計(jì)算。由于天線單元在水平方向振動(dòng)時(shí)相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)，因此可近似地按照單自由度振動(dòng)理論計(jì)算放大倍數(shù)η[8]，其中，復(fù)合材料的臨界阻尼比取0.05。

1.52

即天線單元在水平方向上的正弦掃頻振動(dòng)可按10g× 1.52 = 15.2g的加速度過載進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算；在垂直方向上正弦掃頻振動(dòng)可按照10g的加速度過載進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算。由前面加速度過載分析可以直接得出天線在正弦掃頻作用下的近似分析結(jié)果，見表4。

表4 正弦響應(yīng)近似結(jié)果

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模態(tài)疊加法，分析得出隨機(jī)振動(dòng)工況下的天線響應(yīng)結(jié)果，見表5。

表5 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

綜合加速度過載和隨機(jī)振動(dòng)的仿真結(jié)果，由分析結(jié)果可知：天線支撐筒最大應(yīng)力為18.30 MPa，支架最大應(yīng)力為133.41 MPa，相比各部件材料的強(qiáng)度，整體應(yīng)力水平很低，安全裕度較大；天線在水平方向上的基頻為170.9 Hz，頻率較高，不會(huì)與平臺(tái)發(fā)生明顯耦合，滿足動(dòng)剛度設(shè)計(jì)要求；天線的最大位移為1.415 7 mm，變形較小，在可控范圍之內(nèi)。

3 熱設(shè)計(jì)

天線為無源設(shè)備，安裝在星體外表面，進(jìn)入陰影區(qū)后或被星體遮擋時(shí)工作溫度會(huì)很低，而處于太陽輻射直接照射時(shí)溫度會(huì)很高，必須采取熱控措施減小天線的溫度變化范圍和梯度，使元器件及結(jié)構(gòu)材料在允許的工作溫度范圍內(nèi)。如對天線單元噴涂高半球發(fā)射率(εH≥ 0.85)、低太陽吸收率(αs≤ 0.2)的S781熱控白漆涂層，防止天線過冷與過熱，或采取在支座下部整個(gè)區(qū)域與衛(wèi)星平臺(tái)之間包覆15單元多層隔熱組件等被動(dòng)熱控措施。經(jīng)熱仿真分析，天線工作溫度為-70 ℃～ +46 ℃，為天線允許的工作溫度范圍(-90 ℃～ +90 ℃)。

所選用的熱控材料滿足熱真空、原子氧、紫外線、空間輻射、高低溫的要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

針對天線試驗(yàn)件，按鑒定級(jí)力學(xué)試驗(yàn)條件相繼開展了加速度、正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)后天線試驗(yàn)件無任何物理損傷，且經(jīng)測試，試驗(yàn)前后電性能一致。

在力學(xué)試驗(yàn)后開展了-90 ℃～70 ℃試驗(yàn)溫度范圍、6.5次循環(huán)的熱真空試驗(yàn)。試驗(yàn)后天線試驗(yàn)件無任何物理損傷，試驗(yàn)前后電性能一致。

天線試驗(yàn)件通過了鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)的考核。

5 結(jié)束語

本文對某星載天線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所選用的結(jié)構(gòu)材料和熱控材料均有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性。利用有限元方法對其進(jìn)行了加速度、模態(tài)、正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)分析。力學(xué)分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)基頻和各部件強(qiáng)度安全裕度均滿足設(shè)計(jì)要求，且通過了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的考核。針對天線采取了被動(dòng)熱控措施，熱分析結(jié)果表明天線在允許的工作溫度范圍內(nèi)可靠工作，且通過了熱真空試驗(yàn)的考核。力學(xué)、熱學(xué)分析及試驗(yàn)結(jié)果表明天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。