劉 建,趙海奇

(1.西安交通大學(xué), 陜西 西安 710000;2.上海賽連信息科技有限公司西安分公司, 陜西 西安 710000)

1 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人類對航天領(lǐng)域的持續(xù)深入探索,相繼將航天飛機(jī)、載人飛船、人造衛(wèi)星、空間站等送入太空,許多問題隨之浮現(xiàn),例如相關(guān)設(shè)備發(fā)展無法脫離天線技術(shù)的有效支持,如果缺少基礎(chǔ)天線,相關(guān)設(shè)備和地面之間就不能維持順暢聯(lián)系,會影響地面和太空之間的導(dǎo)航、偵察以及順暢通信。 在空間技術(shù)持續(xù)應(yīng)用發(fā)展的背景下,空間天線逐漸成為導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)重要的組成內(nèi)容。航天器天線對航天器具體功能和應(yīng)用性能有直接影響,成為推動航天技術(shù)發(fā)展主要因素。 當(dāng)前形勢下,空間天線技術(shù)具有較高挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性,與傳統(tǒng)模式下的天線技術(shù)相比,存在較大差異,例如地面站接收天線需要設(shè)置為點對點操作形式。 地面站對應(yīng)接收天線相關(guān)技術(shù)目標(biāo)為立足視角層面而擴(kuò)大了整體增益。 從空間天線層面分析,覆蓋范圍中各點對應(yīng)電性能指標(biāo)具有關(guān)鍵作用,比如保障邊緣覆蓋區(qū)域內(nèi)的設(shè)備參數(shù)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;未定型的單獨圓形波束以及圓形可以從視角層面順利實現(xiàn)高收益目標(biāo),但卻無法達(dá)到衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)荷載要求。 為了進(jìn)一步滿足衛(wèi)星關(guān)于信息傳輸荷載的高性能條件,必須加強(qiáng)定形天線以及賦形波束技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用。 種種差異進(jìn)一步擴(kuò)大了空間天線設(shè)計復(fù)雜性。

在衛(wèi)星有效荷載技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下,微波遙感衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、移動通信衛(wèi)星等航天器對大型空間可展開天線的技術(shù)進(jìn)一步提出要求。 大型空間可展開天線技術(shù)即擁有空間展開功能的大型星載天線設(shè)備,對應(yīng)展開口徑普遍超出4 m,普遍是以拋物面的二次曲面設(shè)計形式為主,平面展開技術(shù)形式和大型空間相關(guān)可展開天線通常不屬于同一技術(shù)范圍,處于衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)下按照收攏形式實施設(shè)置安裝,等待衛(wèi)星正式步入軌道后,基于地面發(fā)送具體控制命令條件下展開各項行為活動,達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。 因為涉及多種專業(yè)領(lǐng)域,進(jìn)一步擴(kuò)大了技術(shù)研究難度,也是準(zhǔn)確衡量各個國家大型空間可展開天線技術(shù)核心標(biāo)志。 基于實際應(yīng)用需求,相關(guān)航天大國進(jìn)一步擴(kuò)大了整體投入,先后研制出10 多種空間可展開天線,廣泛應(yīng)用于不同形式衛(wèi)星當(dāng)中。 而空間可展開天線在長時間發(fā)展中始終是大型結(jié)構(gòu)以及空間天線領(lǐng)域熱點研究內(nèi)容和重點研究內(nèi)容。

2 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)發(fā)展問題分析

大型空間可開展結(jié)構(gòu)按照基礎(chǔ)展開單元構(gòu)型差異,具體可以分成構(gòu)架型、徑向肋型、膨脹充氣式以及板式等形式。 對應(yīng)環(huán)形可開展結(jié)構(gòu)較為簡單,擁有較大收納比和良好熱穩(wěn)定性,屬于新時期可開展天線最佳理想結(jié)構(gòu)模式。 大型空間可展開天線具體表現(xiàn)形式包括以下幾種類型,分別是半剛性天線、環(huán)形天線、固面天線、充氣式天線、構(gòu)架式天線傘狀天線等形式的可展開天線。 因為自身重量以及收攏體積等因素影響和限制,針對長度超出10 m 的天線,可選擇天線類型相對有限,具體包含充氣式、環(huán)形以及傘狀展開等形式天線。 其中固面可展開天線是通過數(shù)個固面反射單元共同構(gòu)成反射器系統(tǒng),因為整體收攏體積相對較大,重量大,所以目前很少應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)中。 又因其展開后擁有較高的形面精度,和網(wǎng)狀模式的可展開天線比起來,對應(yīng)單元形面可以直接選擇利用模具成形,提高形面精度。 微波遙感領(lǐng)域中,可以選擇散射技術(shù)以及微波輻射技術(shù)進(jìn)行設(shè)計,上述技術(shù)也廣泛應(yīng)用于多種航天器。

傘狀可展開天線具有多種形式,包括支桿型天線、環(huán)柱形天線以及徑向肋天線和纏繞性肋式展開天線,上述天線類型也是現(xiàn)有航天器內(nèi)廣泛應(yīng)用天線類型。構(gòu)架形式的可展開天線骨架選擇設(shè)計為可折疊形式桁架,為順利折疊桁架,在桁架連接桿件之間合理設(shè)置鉸鏈,借助彈簧系統(tǒng)順利展開天線。 該種類型天線具有較高收納率,具備良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和展開剛度,而主要缺陷是不能將口徑展開過大,具有較大重量[1]。

和前面幾種天線形式比起來,可展開環(huán)形天線的誕生時間相對較晚,以網(wǎng)面柔性成型技術(shù)以及環(huán)形桁架展開架構(gòu)為主。 比起其他結(jié)構(gòu)方式,天線口徑適用于6～150 m 型號,整體結(jié)構(gòu)形式十分簡單,處于某種范圍內(nèi)隨著口徑擴(kuò)展不會對相關(guān)結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生任何變化,對應(yīng)質(zhì)量也不會增加,也是當(dāng)前大型衛(wèi)星天線中的最佳形式結(jié)構(gòu)。 17 m 口徑和20 m 口徑兩種型號天線在部分系列衛(wèi)星中得到了有效應(yīng)用。

充氣式的空間天線主要按照充氣膨脹原理實施。對應(yīng)成本、包裝體積以及質(zhì)量等全部小于機(jī)械反射網(wǎng)對應(yīng)一種數(shù)量級。 未來空間引用發(fā)展典型代表,具有較高誘惑力。 主要缺陷為存在較大的技術(shù)難點,比如其中的軌形面對應(yīng)自硬化等技術(shù)手段尚未實現(xiàn)全面創(chuàng)新突破,因為形面精度不足以及漏氣等問題,尚未實現(xiàn)在軌應(yīng)用。

半剛性天線主要是通過某種自回彈性能以及柔性薄膜材料構(gòu)成天線反射面。 對應(yīng)展開機(jī)構(gòu)相對簡單,并不是十分復(fù)雜,能夠大幅度減少對應(yīng)重量,提升系統(tǒng)設(shè)備整體可靠性。 結(jié)構(gòu)存在某種剛性,和網(wǎng)狀形式天線比起來,能夠更好地保障形面精度。 主要缺陷是整體收納率相對較低,適用天線口徑低于6 m 的狀況。大型空間可展開天線相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋天文觀測、數(shù)據(jù)中繼、微波遙感、電子偵察以及移動通信等。 隨著各種大型空間可展開天線正式應(yīng)用,移動通信以及數(shù)據(jù)中繼領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)量最大,中繼衛(wèi)星對應(yīng)天線口徑普遍低于9 m,移動通信衛(wèi)星對應(yīng)天線口徑超出9 m。 按照不同頻段劃分,大型空間可展開天線對應(yīng)頻段涵蓋UHF 到KA 頻段,大型空間可展開天線具體應(yīng)用頻段普遍在S 段或小于S 頻段。

3 大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用

在本設(shè)計中,大型空間可展開天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)主要從機(jī)械設(shè)計技術(shù)、熱設(shè)計技術(shù)、測試技術(shù)這3項技術(shù)展開細(xì)致論述與設(shè)計。

3.1 機(jī)械設(shè)計技術(shù)

大型空間可展開天線相關(guān)機(jī)械技術(shù)涵蓋重量、強(qiáng)度、剛度以及精度等內(nèi)容,對應(yīng)精度涵蓋形面精度以及指向精度。 結(jié)合當(dāng)前空間天線系統(tǒng)表現(xiàn)形式分析,針對各種機(jī)械設(shè)計問題可以直接利用現(xiàn)有技術(shù)實施。 反射面形式會受到所選頻率影響,至于天線所使用的非展開結(jié)構(gòu)以及展開結(jié)構(gòu)主要可以按照口徑類型進(jìn)行合理選擇。 天線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步設(shè)計成充氣式結(jié)構(gòu)、可展開剛性結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及非展開剛性結(jié)構(gòu)等形式。實際設(shè)計環(huán)節(jié)中需要綜合考慮天線頻率和天線口徑兩者關(guān)系。 通過分析發(fā)現(xiàn),在天線口徑持續(xù)擴(kuò)大條件下,可挑選結(jié)構(gòu)類型逐漸縮小。 如果天線較高尺寸超出運載設(shè)備整流罩對應(yīng)尺寸,則可以把天線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可展開模式[2]。 環(huán)形展開反射器主要是圓環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)為主,對應(yīng)收攏和展開原理主要是按照平行四邊形對角線長度整體可伸縮性實現(xiàn)的。 環(huán)形可展開天線具體展開過程為平行四邊形伸縮感縮短,也是借助電機(jī)驅(qū)動動力的展開結(jié)構(gòu),收卷穿梭于斜伸縮桿內(nèi)繩索,從而帶動整個斜伸縮桿進(jìn)行收縮。 環(huán)形桁架展開中,對應(yīng)控制器可以檢測接收展開指示信號,并發(fā)送控制命令,停止動力機(jī)構(gòu)運行,固定反射器展開狀態(tài),維持長時間穩(wěn)定。 反射器從最初收攏狀態(tài)到展開鎖定狀態(tài)屬于某種持續(xù)轉(zhuǎn)化過程,最終鎖定命令是顯示反射器是否順利展開的基礎(chǔ)上參數(shù)。 該參數(shù)的實時性和準(zhǔn)確性屬于其中的重點關(guān)注內(nèi)容。 假如指示信號不準(zhǔn),產(chǎn)生錯誤判斷,對應(yīng)展開控制器的展開機(jī)構(gòu)便會停止運行,導(dǎo)致環(huán)形桁架處于某種半展開形式,整個反射面無法構(gòu)成目標(biāo)工作型面。 假如指示信號延誤,環(huán)形桁架展開到位后,動力展開機(jī)構(gòu)因為控制器未能順利接收指示信號而持續(xù)操作,收卷繩索,容易產(chǎn)生動力繩索被拉斷以及桁架破壞等現(xiàn)象,從不同程度上損傷環(huán)形桁架,為此需要準(zhǔn)確測算繩索收卷長度。

目前針對大型空間可展開天線的展開結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化主要可以利用3 種形式實施具體操作,第一是自展開結(jié)構(gòu),涵蓋充氣硬化、充氣式以及機(jī)械式等可展開結(jié)構(gòu)類型,對應(yīng)典型應(yīng)用模式為大型反射面結(jié)構(gòu)以及空間桁架結(jié)構(gòu)兩種形式。 第二是在軌裝配由機(jī)器人和宇航員進(jìn)行結(jié)構(gòu)零件的現(xiàn)場裝配工作,順利完成月球前哨基地對應(yīng)結(jié)構(gòu)裝配工作。 第三是在軌制造,能夠促進(jìn)桁架尺寸以及口徑尺寸超出1 000 m 超大空間結(jié)構(gòu)。 后面兩種方法只是人類一種美好設(shè)想,而第一種方法依然存在部分關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行深入研究。

3.2 熱設(shè)計技術(shù)

大型空間可展開天線相關(guān)熱設(shè)計主要是為了確保太空中的天線系統(tǒng)能夠始終保持在允許目標(biāo)溫度條件下,進(jìn)一步減少熱變形問題。 針對各種空間天線而言,傳統(tǒng)模式下熱控制技術(shù)涵蓋多層絕熱材料、應(yīng)用涂料以及低熱膨脹系數(shù)材料等。 但從大型空間可展開天線相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計層面分析,因為擁有較大的尺寸結(jié)構(gòu)以及突出的熱變形問題。 假如熱變形無法承受因熱變形對于指向精度和形面精度的影響,需要重點關(guān)注熱設(shè)計工作。 通常而言,大型天線選擇主動溫控措施不夠現(xiàn)實,主要利用被動溫控方式,為此需要實施各種熱匹配優(yōu)化設(shè)計[3]。

3.3 電氣設(shè)計技術(shù)

電氣設(shè)計技術(shù)可從以下3 個方面展開設(shè)計。

3.3.1 波束賦形方面

合理設(shè)計空間天線,可以幫助進(jìn)一步優(yōu)化覆蓋空間整體性能,嚴(yán)格遵守波束衰減以及頻率復(fù)用基礎(chǔ)要求。 裁剪后對應(yīng)賦形波束需要確保波束邊緣和覆蓋區(qū)域形狀保持一致。 當(dāng)前能夠促進(jìn)實現(xiàn)賦形波束主要方法如下,第一是直接輻射陣列,該種方法具有較強(qiáng)靈活性,較為通用,通過合理控制各個獨立單元對應(yīng)激勵系數(shù),能夠順利實現(xiàn)區(qū)域覆蓋要求。 對應(yīng)覆蓋區(qū)域在實際通信中,在對陣列單元相關(guān)激勵系數(shù)實施有效調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上能夠改變覆蓋區(qū)域范圍。 由于是控制不同單元輻射圖,此項技術(shù)更加適用于點波束覆蓋,可以進(jìn)一步提升信息傳輸速度。 因為激勵系數(shù)相關(guān)控制電路組成較為復(fù)雜,溢出損失較大,所以相關(guān)技術(shù)未能有效應(yīng)用于商業(yè)衛(wèi)星。

3.3.2 多饋源陣列方面

該種技術(shù)下,單反射面在多饋元喇叭照射下,形成某種賦形波束,此種方法主要借助成型波束網(wǎng)絡(luò)對各個饋元激勵系數(shù)實施有效控制。 波束成型網(wǎng)絡(luò)和多饋元進(jìn)一步擴(kuò)大天線子系統(tǒng)重量,也擴(kuò)大系統(tǒng)復(fù)雜性,存在較大溢出損失,并非一種有效方法。 反射面輪廓成形屬于近期商業(yè)通信衛(wèi)星普遍應(yīng)用技術(shù)之一。 通過單饋元對反射面進(jìn)行照射,反射面也并非是平曲面,成形后可以滿足覆蓋區(qū)域和基礎(chǔ)性能要求。 相關(guān)技術(shù)中需要率先對基礎(chǔ)面進(jìn)行準(zhǔn)確定義,普遍為平面、雙曲面、橢圓面和拋物面,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步疊加一種可調(diào)面,反射面初步成形。 此項技術(shù)相對簡單,具有較強(qiáng)可行性,但也存在一定缺陷,對應(yīng)反射面梯度較大,無法制造。

3.3.3 無源互調(diào)分析

針對收發(fā)共用天線,無源互調(diào)屬于一種關(guān)鍵性內(nèi)容。 無源互調(diào)因其自身通信性能衰減性,得到了廣泛關(guān)注。 如果不止一種頻率遇到非線性材料以及電結(jié)點條件,便形成無源互調(diào)。 無源互調(diào)會形成某些干擾信號,此種信號于數(shù)學(xué)中和原始頻率相關(guān)。 處于多載波背景下,實施無源互調(diào)分析,系統(tǒng)檢測發(fā)射信號對應(yīng)無源互調(diào)諧波是否處于接收頻段當(dāng)中。 假如存在高能量諧波,且尚未采取有效措施,容易對衛(wèi)星接收器產(chǎn)生影響和破壞,導(dǎo)致其出現(xiàn)明顯振蕩,進(jìn)而導(dǎo)致通信失敗。為此需要提前實施無源互調(diào)分析,避免類似失效問題出現(xiàn)[4]。

低階無源互調(diào)設(shè)備整體運行功率較大,同時帶邊頻率容易形成最低階無源互調(diào)。 其中的無源互調(diào)問題十分關(guān)鍵,需要重點關(guān)注制造、設(shè)計、維護(hù)、集成等不同階段內(nèi)容。 當(dāng)前,尚未形成完整數(shù)學(xué)模型,輔助實施PIM 設(shè)計,僅能利用預(yù)防對策、歷史經(jīng)驗以及測試結(jié)果。 具體可以參考下列措施控制PIM 電平。 第一是預(yù)防應(yīng)用鐵金屬,減少不同金屬接觸,預(yù)防不同零件污染以及灰塵問題,從最大程度上減少接觸點數(shù)量,保證接觸點存在充足壓力,對不同零件實施科學(xué)排列,焊接觸點,針對表面實施均勻電鍍處理,控制氧化問題發(fā)生,避免連接件中產(chǎn)生扭矩以及線纜彎曲等問題。 第二是將過濾裝置設(shè)置在信號發(fā)射路徑當(dāng)中,幫助合理控制接收帶頻,應(yīng)用PIM 較低饋源喇叭。 選擇不同型號天線進(jìn)行頻帶發(fā)射和接收。 但如此附加天線容易進(jìn)一步擴(kuò)大重量,造成衛(wèi)星安裝空間占用。

3.4 測試技術(shù)

針對傳統(tǒng)模式下的小口徑天線,環(huán)境測試普遍是在完整天線內(nèi)實施。 但在天線口徑持續(xù)擴(kuò)大的背景下,飛行測試模式更加不具備現(xiàn)實性。 傳統(tǒng)測試的缺陷主要是無法找到較大測試環(huán)境。 借助地面系統(tǒng)設(shè)備無法對零重力環(huán)境進(jìn)行合理模擬,針對無法逆轉(zhuǎn)的展開過程不能實施充分測試,尤其是充氣硬化天線。 在地面應(yīng)用大口徑天線,實施測量工作因為受重力因素影響,對于天線性能檢測,需要重點研究微重力測試環(huán)境的構(gòu)建。 當(dāng)前構(gòu)建微重力測量環(huán)境對應(yīng)試驗措施包含航天飛機(jī)自由落體、水槽浮力法、懸掛法、模型在軌試驗等。 由于相關(guān)試驗成本相對較高,在傳統(tǒng)性能測試處于失效模式下,設(shè)計人員需要綜合考慮預(yù)測分析、測試驗證以及結(jié)構(gòu)特征,選擇適合集成方法。

4 結(jié)語

綜上所述,大型空間可展開天線技術(shù)具有較大挑戰(zhàn)性,相關(guān)技術(shù)涉及多個領(lǐng)域,包括機(jī)械、電氣、熱技術(shù)以及測試技術(shù)等,其核心技術(shù)需要進(jìn)一步聯(lián)系工程技術(shù)和基礎(chǔ)理論實施深入研究,指導(dǎo)國內(nèi)大型空間可展開天線技術(shù)快速、持續(xù)建設(shè)發(fā)展。