空間可展開(kāi)天線是工作在太空環(huán)境下的具有展開(kāi)功能的天線，是航天器無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的重要裝備，同時(shí)也是國(guó)際宇航界研究的前沿與熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于星際探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)通信、電子偵察和射電天文等領(lǐng)域。

在我國(guó)“十四五”規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，規(guī)劃的空間基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)、星際探測(cè)、探月工程四期、北斗產(chǎn)業(yè)化等重大航天工程均對(duì)空間可展開(kāi)天線提出了迫切的需求，開(kāi)展可展開(kāi)天線相關(guān)理論及應(yīng)用研究具有較為重要的科研價(jià)值和實(shí)際意義。

航天器距離地面約為幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)、甚至幾百萬(wàn)公里，電磁波在穿越星際的過(guò)程中會(huì)有損耗，為了增加數(shù)據(jù)傳輸和接收能力、提高分辨率、增加通信距離，可展開(kāi)天線需要向高精度化和大型化方向發(fā)展。

模塊化空間可展開(kāi)天線是空間可展開(kāi)天線實(shí)現(xiàn)大型化的重要方式之一，其支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)可展開(kāi)六棱柱模塊組成 （圖 1，圖 2）。

圖 1：模塊化可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)

圖 2：?jiǎn)文K結(jié)構(gòu)組成

目前，模塊化空間可展開(kāi)天線實(shí)現(xiàn)大型化主要有兩個(gè)思路：

(1) 增大單模塊的尺寸；

(2) 增加模塊的數(shù)量。

然而，現(xiàn)有空間可展開(kāi)天線的工作表面大多為拋物面，由若干個(gè)六棱柱模塊構(gòu)成平面很容易，而構(gòu)成空間曲面(例如，拋物面、球面等)則較為困難。若想通過(guò)增加模塊數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)天線的大型化，首先要解決的問(wèn)題就是：如何用若干個(gè)六棱柱模塊來(lái)構(gòu)成空間可展開(kāi)天線的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要滿足天線的精度要求。

現(xiàn)有模塊化的工程案例主要有：

(1) 日本2006年發(fā)射的 Engineering Test Satellite VIII (ETS-VIII) 衛(wèi)星(圖 3); 

(2) 美國(guó) 2021 年 12 月發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST)(圖 4)。

圖 3：ETS-VIII 衛(wèi)星

圖 4：詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

由圖 3 和 4 可知，ETS-VIII 的六棱柱模塊數(shù)量為 14，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的六棱柱模塊數(shù)量為 18，充分說(shuō)明了模塊化結(jié)構(gòu)和方案的可行性。但多個(gè)模塊如何構(gòu)成空間曲面以及保證形面精度等細(xì)節(jié)，均無(wú)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道。

鑒于此，沈陽(yáng)建筑大學(xué)田大可副教授團(tuán)隊(duì)采用簡(jiǎn)化等效的思路，將多個(gè)六棱柱模塊構(gòu)成拋物面的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求空間圓和球面位置關(guān)系的問(wèn)題(圖 5)，進(jìn)而采用可視化和試驗(yàn)的方式驗(yàn)證上述模型的正確性和模塊的連接精度(圖 6~圖 8)，從而解決了模塊化結(jié)構(gòu)的高精度建模問(wèn)題。

圖 5：模塊化可展開(kāi)天線的建模流程

研究成果以“六棱柱模塊化可展開(kāi)天線形面精度分析”為題發(fā)表于《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus 收錄，中文核心期刊，2021 中國(guó)國(guó)際影響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊）。

圖 6：包絡(luò)圓模型

圖 7：模塊化可展開(kāi)天線 (61 個(gè)模塊)

圖 8：模塊化可展開(kāi)天線展開(kāi)功能驗(yàn)證試驗(yàn)

研究結(jié)果表明：

(1) 六棱柱模塊的拓?fù)渥儞Q具有較強(qiáng)的規(guī)律性，模塊化可展開(kāi)天線支撐結(jié)構(gòu)可由若干個(gè)典型六棱柱模塊經(jīng)環(huán)形陣列形成。

(2) 數(shù)值仿真模型表明，依據(jù)所建立的模型可以實(shí)現(xiàn)各模塊間的準(zhǔn)確連接，并能夠求解出模塊連接點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

(3) 肋單元夾角是空間可展開(kāi)天線支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，主要受拓?fù)鋵訑?shù)i、擬合球半徑 R 和包絡(luò)圓半徑 r 的影響。當(dāng)參數(shù) R=4701 mm、r=600 mm、i=4 時(shí)，肋單元夾角的最大值和最小值分別為：68.57° 和 45.35°，改變這 3 個(gè)參數(shù)的配置，可讓夾角的最值更趨于 60°。

(4) 特征點(diǎn)的測(cè)量值與理論值偏差較小，絕對(duì)誤差主要分布在 5~10 mm之間，相對(duì)誤差主要分布在 0.05%~0.1% 之間，支撐結(jié)構(gòu)具有較高的展開(kāi)精度。

該模型可為超多模塊可展開(kāi)天線形面精度的研究提供理論參考。

作者簡(jiǎn)介：

田大可，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2004 年于武漢理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007 年于東北大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2011 年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)橛詈娇臻g折展機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、空天飛行器變形翼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)。
Email: tiandake@sjzu.edu.cn

金路，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2004 年、2006 年、2011 年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)橛詈娇臻g可展開(kāi)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法。
Email: jinlu@sjzu.edu.cn

論文信息

田大可,范小東,金路等.六棱柱模塊化可展開(kāi)天線形面精度分析[J].光學(xué)精密工程,2021,29(12):2855-2867.

https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2855

監(jiān)制 | 臧春秀、趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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