趙 穎，王旭東，劉 曦，侯 健，馮小星

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的深入發(fā)展和越來越多的市場需求，如何高效運用有限的運載平臺，成為一大重要發(fā)展方向[1]。重疊可展開天線的優(yōu)勢是能夠最大程度運用平臺艙板空間，將原本能布局一副天線的空間改為布局多副天線，成倍提高衛(wèi)星利用率，是目前航天技術(shù)的研究重點之一。

近期發(fā)射的中星16號衛(wèi)星，其東西天線應用了我國首次研制的雙重疊可展開天線，因此其通信容量達到了20Gbps，超過我國此前研制的通信衛(wèi)星容量之總和。重疊可展開天線結(jié)構(gòu)設計緊湊，幾副天線都通過指向機構(gòu)進行展開、收攏以及調(diào)姿運動，也因此需要指向機構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、雙軸可調(diào)、平穩(wěn)、驅(qū)動力矩以及斷電保持力矩大等特點[2]。本文提出的雙軸指向機構(gòu)能很好的滿足以上要求，雙重疊可展開天線收攏展開結(jié)構(gòu)形式如圖1所示：

圖1 重疊天線收攏展開示意圖

星載天線雙軸定位機構(gòu)是在空間環(huán)境條件下用來實現(xiàn)天線的兩自由度運動與定位的專用空間機構(gòu)，它可以實現(xiàn)天線對目標的實時跟蹤、定位等功能，從而滿足星地與星間通信和數(shù)據(jù)傳輸、各類雷達與觀測器等對于兩自由度運動的需求[3]。

目前雙軸機構(gòu)常用有三種形式：

一是框架支撐型，其旋轉(zhuǎn)軸的支承跨距大，結(jié)構(gòu)剛度相對較強。

二是對稱支撐型，整體結(jié)構(gòu)緊湊，軸系受彎曲負荷相對小。

三是懸臂支撐型，雙軸連接方式簡單，軸系承受彎曲負荷。

通過三者之間的比較可知，三種構(gòu)型各有優(yōu)缺點，框架型和對稱型的承載力系較為均衡，但轉(zhuǎn)角范圍受限制，而懸臂型自身能夠?qū)崿F(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，并且結(jié)構(gòu)最為緊湊和輕量化，需要根據(jù)衛(wèi)星的具體應用需求確定最終選擇何種形式。從衛(wèi)星可重疊天線具體情況來看，其中第三種懸臂支撐型指向機構(gòu)，更為符合需求[4-5]。

1 機構(gòu)組成與工作原理

衛(wèi)星天線的定向運動通過分解為相互垂直的雙軸旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)。現(xiàn)有常用的雙軸指向機構(gòu)由完全相同并相互獨立的2個轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成，一個軸的取向不變，另一個隨之轉(zhuǎn)動[6]。按轉(zhuǎn)軸對服務區(qū)的取向，分為XZ型及XY型兩種。當取向不變的轉(zhuǎn)軸指向服務區(qū)中心時為XZ型，而當它垂直于衛(wèi)星和服務區(qū)中心的連線時為XY型。每個轉(zhuǎn)動單元主要由驅(qū)動電機、角度傳感器、減速器、微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、低頻電纜、熱控和機架等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在國外通信衛(wèi)星和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星上已經(jīng)有了較多應用。

圖2 常用點波束指向機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)雙軸指向機構(gòu)主要用于實現(xiàn)一般星載點波束天線在軌轉(zhuǎn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強等優(yōu)點，但若用于可展開雙重疊天線，還需要結(jié)構(gòu)緊湊、高轉(zhuǎn)動精度、高斷電保持力矩等特性，故設計一種新型XY型雙軸指向機構(gòu)，如圖3所示。

可重疊展開天線雙軸指向機構(gòu)最大的特點是將電機外殼作為軸來使用，旋轉(zhuǎn)變壓器直接裝配在電機外殼上，使得機構(gòu)整體尺寸緊密，相比傳統(tǒng)點波束機構(gòu)，軸向尺寸縮短至三分之一，更適用于多個天線同時在艙板上布局；其次，這種結(jié)構(gòu)形式質(zhì)量輕、慣量小，可放置在遠離焦點的地方，不會遮擋天線視場并能避開饋源陣及波導饋線；第三，可重疊天線機構(gòu)在軌運行更加穩(wěn)定，針對目前在軌天線出現(xiàn)的角度偏移問題，總結(jié)原因有三類：

1、由于點波束類天線的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和電機不同心，導致轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生一定的內(nèi)應力，這種內(nèi)應力將在一定范圍影響到天線狀態(tài)，特別是當驅(qū)動力矩小于內(nèi)應力時，會產(chǎn)生天線的回退現(xiàn)象；

2、高頻電纜產(chǎn)生的內(nèi)應力大于保持力矩時，導致指向機構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動；

3、熱控帳篷在空間環(huán)境變硬導致應力增大，使得天線產(chǎn)生偏移。

圖3 可重疊展開天線指向機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

可重疊天線采用的機構(gòu)和點波束天線機構(gòu)存在較大區(qū)別，結(jié)構(gòu)形式完全不同，二者的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，可以看出：

1、可重疊天線展開機構(gòu)僅僅展開天線反射器，不存在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，也就沒有不同軸帶來的轉(zhuǎn)動內(nèi)應力問題；

2、可重疊天線機構(gòu)無高頻電纜，全部采用低頻電纜，電纜折彎半徑和硬度遠遠小于高頻電纜，對機構(gòu)的轉(zhuǎn)動影響可忽略不計；

3、可重疊天線機構(gòu)熱控采用獨立單元熱控包覆，活動部件之間無熱控連接，而非帳篷的形式，不存在熱控應力現(xiàn)象。

因此，可重疊天線指向機構(gòu)在軌運行更簡單可靠，可很大程度避免裝配加工帶來的在軌運行角度偏移問題。

圖4 兩種機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為防止意外情況下，天線轉(zhuǎn)動至任務要求的轉(zhuǎn)動范圍之外，可能損害周邊產(chǎn)品或自身，故而采取機械結(jié)構(gòu)限位措施。機械可動天線在設計中，角度存在四個層次范圍：機構(gòu)展開轉(zhuǎn)動范圍、在軌工作轉(zhuǎn)動范圍、軟件限位轉(zhuǎn)動范圍、硬(機械)限位范圍。以多重疊天線指向機構(gòu)和可動點波束機構(gòu)為例，四種角度以及硬限位設計示意如圖5所示。正常情況下，天線在工作角度運動，軟件輸入指令失誤時天線會進如軟件限位角度，并被軟限位阻攔，在軟件失效的極端惡劣情況下，天線失控，此時硬限位可從機械角度阻攔天線進一步運動，防止反射器碰撞周邊產(chǎn)品，將損失降到最小。

圖5 重疊機構(gòu)角度示意圖

2 數(shù)學模型和力矩校核

根據(jù)重疊指向機構(gòu)的應用特點，為獲得期望的加電、斷電保持力矩，而采用低速驅(qū)動控制的兩相混合式步進電機?；旌鲜讲竭M電機作用在氣隙上的磁動勢有兩個，一個是由永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢，另一個是由控制繞組電流產(chǎn)生的磁動勢。這兩個磁動勢有時相加，有時是相減的，視控制繞組中電流方向而定。這種步進電機不僅具有磁阻式步進電機步距角小、運行頻率高的特點，還具有永磁式步進電機消耗功率小，轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點，電機運行頻率f可由式(1)計算：

(1)

其中，θs為步距角，n為電機額定運行轉(zhuǎn)速。步進電機的斷電保持力矩是衡量其輸出轉(zhuǎn)矩大小的一項重要參考數(shù)據(jù)，當電機的保持力矩提高時，其輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大，斷電保持力矩Mk計算公式為：

(2)

式中：

a為狀態(tài)系數(shù)，與電機各相繞組通電狀態(tài)有關(guān)；

k為轉(zhuǎn)子鐵心段數(shù)的1/2；m為電機相數(shù)；

kc為考慮轉(zhuǎn)子軸向氣隙磁場不均勻引起的轉(zhuǎn)矩下降系數(shù)，Zr為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；

zl為定子每極齒數(shù)，l為轉(zhuǎn)子鐵心每段長度；

kFe為鐵心疊裝系數(shù)；FAT為每極安匝數(shù)；

Fm為永磁體等效磁勢，Gl為氣隙比磁導的基波幅值；

G0為氣隙比磁導的平均分量，Am為永磁體等效內(nèi)磁導。

諧波減速器由剛輪、柔輪、波發(fā)生器組成，任意固定鋼輪、柔輪、波發(fā)生器其中一件，一個為主動件、一個為從動件，即可以實現(xiàn)減速傳動或增速傳動，通常較多選擇剛輪固定，波發(fā)生器輸入，柔輪輸出，這時減速比計算公式如下[7]：

(3)

式中：i為減速比，ZR為柔輪齒數(shù)，ZG為剛輪齒數(shù)，負號“-”表示反向輸出。

為保證高精度、高同步隨動系統(tǒng)的要求，采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器輸出角度信號。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是將兩個極對數(shù)不等的旋轉(zhuǎn)變壓器合在一起。通常極對數(shù)少的稱為粗機，而極對數(shù)多的稱為精機。

根據(jù)上述數(shù)學模型，取電機額定運行轉(zhuǎn)速n為20 r/min，步距角θs為1.8°，采用兩相電機，故m取值為2，兩相電機通電時a=2.828，疊壓系數(shù)取0.95，等效磁勢計算值為2100A，電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50，電機運行頻率f可算得為67 Hz，斷電保持力矩Mk為300 g.cm。

根據(jù)所選諧波減速器的柔輪和剛輪齒數(shù)，可計算得出減速比為1:101，該電機和諧波減速器所主城的轉(zhuǎn)動單元斷電保持力矩約為3 Nm，實測該單元負載力矩大于20 Nm。

由于天線在軌展開到預定位置，需要一定的力矩進行保持姿態(tài)，使得衛(wèi)星調(diào)姿時產(chǎn)生的加速度不會對天線的展開角度產(chǎn)生影響，故而對斷電保持力矩的裕度需要進一步校核，斷電保持力矩裕度計算參考公示如下：

(4)

式中：Td為斷電保持力矩，Tg為慣性力帶來的轉(zhuǎn)矩。

以某成功發(fā)射型號為例，天線負載為18 kg，衛(wèi)星平臺發(fā)動機工作時作用于天線反射器上的慣性力可算得為0.06 N，慣性力帶來的轉(zhuǎn)矩約為0.0891 Nm，斷電保持力矩裕度約為32，遠遠滿足天線壽命末期在軌使用條件。

3 試驗驗證

可重疊展開天線雙軸指向機構(gòu)經(jīng)設計加工，通過了一系列實驗驗證了其可靠性，如熱真空試驗、隨機振動試驗、轉(zhuǎn)動精度試驗以及加速壽命試驗，如圖9所示，充分驗證了裝置的可靠性和高效性，轉(zhuǎn)動精度高達0.008°，該裝置已正式在軌應用，在軌性能良好。

圖6 轉(zhuǎn)動單元裝配圖

圖7 指向機構(gòu)熱真空試驗

4 總結(jié)

文章提出的雙軸指向機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、精度高，解決了天線布局空間狹小、指向精度需求高的問題，可有效應用于重疊可展開天線以及高精度天線，其驅(qū)動力矩及斷電保持力矩大，通過了相應的校核計算，地面試驗安全穩(wěn)定，擴展了可應用星載天線的種類，為重疊天線在軌運行的可靠性、安全性和高利用率提供保障。