包 鵬， 曾品松， 李克郎， 陳佳玲， 向紀邦

(湖南飛宇航空裝備有限公司， 長沙 410013)

1 引言

以無線電、激光作為傳輸方式的通信系統(tǒng)中，天線作為輻射或接收電磁波的裝置，是必不可少的。 在航天領域，由于運載工具的直徑限制，發(fā)展可展天線已成為一種趨勢[1]。 型面精度指標影響天線傳輸信息的準確性與天線的可靠性[2-3]，根據(jù)可展天線反射面的形式可分為固體反射面(固面)天線、網(wǎng)狀反射面天線和薄膜反射面天線3 類，盡管反射面形式各有不同，但固面天線對比其他形式的天線具有型面精度高的優(yōu)點。

現(xiàn)有的固面天線展開方式分為有源驅動及無源驅動2 種。 無源驅動方式采用機械零部件作為驅動機構，無需用到導軌及電機，具有結構簡單、占用空間小、質量輕等優(yōu)點，適用于中小型口徑可展天線的展開[4]。 潘亮來等[5]提出了一種采用扭簧驅動的無源驅動方式，可用于小口徑可展固面天線結構；王建東等[6]設計了一種單閉環(huán)空間連桿機構可展單元；張騫等[7]選用單頂點五折痕模式對拋物面固體反射天線進行了結構設計。 以上研究主要集中于實現(xiàn)小口徑可展天線的無源驅動的機構設計，但對天線其他重要設計指標的滿足程度卻較少提及。

可展天線除了上述文獻進行的展開機構設計外，反射面型面精度、整體收納率等都是重要的設計指標，例如天線的電性能就與天線反射面精度有很大關聯(lián)。 本文選用固面形式的天線，用以保證無源驅動展開后的反射面型面精度。 在此基礎上，從展開反射面、無源驅動展開機構、鎖緊釋放機構3 個方面進行結構設計，以實現(xiàn)一種精度可靠、質量輕且具備良好收納率的中型口徑可展開固面天線，最后經(jīng)由剛度計算，并制作樣機進行試驗測試，驗證無源驅動方式可行性及型面精度水平。

2 結構設計

某中型口徑可展開天線由片狀展開反射面、展開機構、鎖緊釋放機構等組成，可實現(xiàn)天線反射面的收攏和無源驅動的展開，設計總體圖如圖1所示。

圖1 結構設計總體圖Fig.1 Overall scheme of the structure design

具體設計指標如下:①天線展開口徑為2200 mm；②收攏后尺寸為Φ500 mm×1295 mm；③展開機構采用無源驅動方式；④反射面型面精度RMS≤0.5 mm。

2.1 天線主反射面設計

天線主反射面采用片狀可展開固面形式，工作曲面是由30 片旋轉拋物面拼裝所得的環(huán)焦拋物面，環(huán)焦拋物面口徑為Φ2200 mm，中央開孔Φ200 mm。 為避免收攏時片狀天線之間相互影響，相鄰片狀天線拼接處留有1 mm 的避讓空隙。

主反射面采用碳纖維復合材料制成。 碳纖維復合材料具有質輕高強、熱膨脹系數(shù)低及可導電等特性，使用該種材料制成的天線反射面，適宜應用于各種場景，并具有高型面精度[4]。 本文針對2 種不同結構形式的反射面:背部網(wǎng)狀筋增強的薄殼結構(N 型)和蜂窩增強夾層結構(H 型)，通過ABAQUS 軟件對兩者單片及組裝體的熱變形程度進行比對，確定反射面的結構形式。

2 種結構形式具體為:N 型反射面蒙皮厚1 mm，背部網(wǎng)狀筋厚2 mm；H 型蜂窩為碳纖維蜂窩，厚度為2.2 mm， 反射面內外蒙皮各厚0.4 mm。 首先，將片狀反射面根部固定，按照以下方式對單片結構施加溫度場:內表面施加溫度180 ℃，外表面施加溫度-100 ℃，模擬空間在軌運行情況，采用穩(wěn)態(tài)熱變形分析法計算單片N 型及H 型結構的熱變形。

2 種結構該溫度場下的熱變形情況如圖2 所示，單片N 型結構熱變形最大值為5.654 mm，單片H 型結構熱變形最大值為1.622 mm，對比后初步選取變形量較小的H 型夾層結構復合材料作為片狀固面材料。

圖2 2 種結構形式片狀反射面的位移云圖Fig.2 Displacement contour of N-type and H-type flake structure

片狀天線在展開后，兩兩之間還設計有搭接結構，采用磁吸原理，保證其為一個整體，從而進一步保證天線的精度穩(wěn)定性和展開的重復精度。搭接結構如圖3 所示。

圖3 天線背側搭接示意圖Fig.3 Structure of antenna back lap

為了進一步確認片狀反射面結構形式的合理性，采用ABAQUS 軟件對搭接之后形成的各結構片狀反射面組裝體進行空間在軌環(huán)境熱變形的計算。 由于相鄰2 個片狀結構通過背部的搭接機構連接，變形協(xié)調，所以相鄰結構面板采用綁定(TIE)方式連接，另外，片狀結構的根部也采用該方式連接，保證變形協(xié)調。 按照與單片反射面同樣的方式對組裝體結構施加溫度場，即內表面施加溫度180 ℃，外表面施加溫度-100 ℃。

2 種結構在該溫度場下的熱變形情況如圖4所示，N 型結構組裝體熱變形最大值為1.806 mm，H 型結構組裝體熱變形最大值為0.292 mm，對比驗證最終選取H 型夾層結構形式復合材料作為片狀固面材料。

圖4 2 種結構形式組裝體的位移云圖Fig.4 Displacement contour of N-type and H-type assembly structure

2.2 無源驅動展開機構設計

可展開反射面設計的一個關鍵技術是其展開機構設計，要求反射面具有可收攏、可展開功能和很高的展開可靠性及精度穩(wěn)定性；收攏體積小，總質量輕；展開時采用無源驅動；展開狀態(tài)具有一定的剛度和較穩(wěn)定的重復精度。

本文無源展開驅動結構采用自動雨傘形式，中心彈簧蓄能驅動，通過一系列鉸鏈及連桿機構拉動片狀反射面繞雙軸旋轉展開。 天線展開或收攏時利用中心軸導向，側邊滾輪按螺旋軌跡限位，保證天線展開和收攏時的精度及尺寸要求。

圖5 為天線主反射面展開機構示意圖。 展開機構的自由度按公式(1)計算，所得自由度為1，滿足使用要求。

圖5 天線主反射面展開機構示意圖Fig. 5 Deployment mechanism of the antenna main reflector

式中，n為活動構件的數(shù)量；Pi(i＝1～5)為i級副機構的數(shù)量。

展開機構結構形式如圖6 所示，整個展開機構主要由中心體保持架組件、旋轉驅動盤組件、片狀反射面驅動連桿及鉸鏈組件和到位鎖緊彈簧機構組成，具體如下:

圖6 天線主反射面展開機構結構示意圖Fig.6 Deployable structure of the antenna main reflector

1)中心體保持架組件。 中心體保持架組件為整個天線的安裝支座，中心的安裝板可用于副反支撐件和饋源等組件的安裝，中心軸和周邊的鉸鏈軸支座用于片狀反射面的安裝定位。 在保持架側壁上設計有弧形的螺旋導槽，用于控制片狀反射面在旋轉收攏或展開時的運動軌跡。

2)旋轉驅動盤組件。 旋轉驅動盤組件的中心部位為滑動軸承，與中心體保持架的中心軸配合，驅動盤的外圈上安裝有滾輪機構，可以在保持架側壁的弧形限位槽內運動。 通過旋轉驅動盤組件與中心體保持架的配合，把中心部位彈簧伸展或壓縮轉換成驅動盤外圈的旋轉上升或下降運動，從而帶動片狀反射面，實現(xiàn)其收攏與展開。

3)鉸鏈支座連接組件。 片狀反射面與中心體保持架的鉸鏈支座連接處為雙軸鉸鏈結構，可以保證天線在驅動連桿的作用下，實現(xiàn)向整個天線的中心收攏與展開，同時也可以繞單個片狀反射面的轉軸旋轉。

4)彈簧限位結構。 當天線展開到位后，安裝在旋轉驅動盤上的彈簧限位機構滑入卡槽，在伸縮定位桿及止動塊的共同作用下，將天線鎖死。彈簧限位機構在圓周上設計有3 組，保證機構鎖緊時的穩(wěn)定性。 彈簧限位機構示意圖如圖7所示。

圖7 彈簧限位機構示意圖Fig.7 Structure of spring limit

2.3 天線鎖緊釋放結構設計

天線的鎖緊釋放機構設計在片狀反射面的頂部，天線收攏后，可用捆緊繩索將其捆緊；當天線需要展開釋放時，通過電信號控制火工品熔斷捆緊繩索。 鎖緊釋放機構示意圖如圖8 所示。

圖8 鎖緊釋放機構示意圖Fig.8 Locking and releasing mechanism

2.4 總體剛度計算

本文可展天線發(fā)射過程與衛(wèi)星固定，發(fā)射狀態(tài)為豎直狀態(tài)，對處于該力學環(huán)境下收攏狀態(tài)的天線采用ABAQUS 進行總體剛度計算，要求天線具有足夠的剛性。

天線收攏狀態(tài)的有限元模型如圖9 所示。 天線各部件由不同材料制成，片狀反射面部分采用蒙皮夾蜂窩芯復合材料，預埋件、球鉸組件等采用鈦合金，其他中心體保持架等組件主要采用航空鋁材。 以長征二號丙火箭發(fā)射過程中的衛(wèi)星載荷工況作為校核該可展天線靜載的工況計算，計算結果如圖10 所示。

圖9 天線有限元模型Fig.9 Finite element model of antenna

從圖10 可以看出，天線最大變形處位于葉片根部固定處，最大位移為2.05 mm，各零件應力值及安全裕度情況列于表1(以材料種類進行分類)。 基于以上計算結果，總體剛度、強度滿足要求。

表1 發(fā)射狀態(tài)靜載工況不同材料的最大應力值及安全裕度Table 1 Maximum stress and M.S value of different materials under launching state static load condition

圖10 發(fā)射狀態(tài)靜載工況位移云圖Fig. 10 Displacement contour of antenna under launching state static load condition

3 樣機制作及試驗驗證

3.1 樣機制作

按上述天線主反射面設計，將選用蒙皮夾蜂窩芯復合材料進行主反射面的成型制造(H 型)，反射面的成型采用熱壓罐成型方法，在Invar 鋼模具上鋪貼反射面材料后對其抽真空進罐，采用多段升溫及加壓方式使其固化，熱壓罐成型過程如圖11 所示，所制得單件片狀反射面質量約為0.32 kg。 與展開機構、鎖緊機構組裝后形成的原理樣機總重約為26 kg，其中片狀反射面總質量約為9.5 kg，展開驅動機構的質量約為16.5 kg，實現(xiàn)了輕質的技術要求。

圖11 片狀反射面熱壓罐成型過程圖Fig.11 Autoclave molding process of flake reflector

通過研制原理樣機，驗證本文可展開反射面收攏展開的功能，按展開時間順序將天線自動展開過程做了展示，如圖12 所示，說明本文展開機構設計可行。

圖12 原理樣機展開過程驗證Fig.12 Validation of prototype deployment process

3.2 精度測量

本文某中型口徑可展開反射面由30 片片狀反射面組成，展開到位后共同組成天線的反射面曲面。 反射面的精度主要是由單件片狀反射面的型面精度、支撐結構制造精度及安裝精度去控制。采用數(shù)字攝影測量方法進行樣機天線反射面精度測量，反射面表面精度測量標志點位置圖如圖13所示。 3 次收攏展開之后的精度測試結果分別為0. 42 mm、0. 40 mm、0. 44 mm，如圖14 所示，滿足型面總裝精度RMS≤0. 5 mm 的要求，3 次測量精度差別不大，說明天線反射面重復精度可靠。

圖13 樣機精度測量標志點位置圖Fig.13 Location of marking points for the prototype precision measurement

圖14 樣機3 次精度測量數(shù)據(jù)圖Fig.14 Three precision measurement results of the prototype

4 結論

1) 設計了一種基于無源驅動的可重復展開收攏的中型口徑反射面天線結構，總體結構剛度滿足要求，可展天線收納率為22.7%，極大地便利了運輸。

2) 完成了原理樣機的制作，經(jīng)動作演示驗證了該無源驅動展開收攏方式可行；樣機總重為26 kg；經(jīng)精度測量顯示總裝精度RMS≤0.5 mm，型面重復精度可以滿足要求。

3) 本文無源驅動展開方式主要通過中心彈簧蓄能驅動實現(xiàn)，可為中小型口徑可展反射面天線的展開驅動結構設計提供思路。