重疊可展開天線雙軸指向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙 穎，王旭東，劉 曦，侯 健，馮小星

(中國(guó)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(chǎng)需求，如何高效運(yùn)用有限的運(yùn)載平臺(tái)，成為一大重要發(fā)展方向[1]。重疊可展開天線的優(yōu)勢(shì)是能夠最大程度運(yùn)用平臺(tái)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(diǎn)之一。

近期發(fā)射的中星16號(hào)衛(wèi)星，其東西天線應(yīng)用了我國(guó)首次研制的雙重疊可展開天線，因此其通信容量達(dá)到了20Gbps，超過我國(guó)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(shè)計(jì)緊湊，幾副天線都通過指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行展開、收攏以及調(diào)姿運(yùn)動(dòng)，也因此需要指向機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、雙軸可調(diào)、平穩(wěn)、驅(qū)動(dòng)力矩以及斷電保持力矩大等特點(diǎn)[2]。本文提出的雙軸指向機(jī)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(jī)構(gòu)是在空間環(huán)境條件下用來實(shí)現(xiàn)天線的兩自由度運(yùn)動(dòng)與定位的專用空間機(jī)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)天線對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)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(dá)與觀測(cè)器等對(duì)于兩自由度運(yùn)動(dòng)的需求[3]。

目前雙軸機(jī)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(duì)較強(qiáng)。

二是對(duì)稱支撐型，整體結(jié)構(gòu)緊湊，軸系受彎曲負(fù)荷相對(duì)小。

三是懸臂支撐型，雙軸連接方式簡(jiǎn)單，軸系承受彎曲負(fù)荷。

通過三者之間的比較可知，三種構(gòu)型各有優(yōu)缺點(diǎn)，框架型和對(duì)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(dòng)，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(yīng)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(jī)構(gòu)，更為符合需求[4-5]。

1 機(jī)構(gòu)組成與工作原理

衛(wèi)星天線的定向運(yùn)動(dòng)通過分解為相互垂直的雙軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有常用的雙軸指向機(jī)構(gòu)由完全相同并相互獨(dú)立的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)單元構(gòu)成，一個(gè)軸的取向不變，另一個(gè)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。按轉(zhuǎn)軸對(duì)服務(wù)區(qū)的取向，分為XZ型及XY型兩種。當(dāng)取向不變的轉(zhuǎn)軸指向服務(wù)區(qū)中心時(shí)為XZ型，而當(dāng)它垂直于衛(wèi)星和服務(wù)區(qū)中心的連線時(shí)為XY型。每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)單元主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(jī)架等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，在國(guó)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(yīng)用。

圖2 常用點(diǎn)波束指向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)雙軸指向機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)一般星載點(diǎn)波束天線在軌轉(zhuǎn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)精度、高斷電保持力矩等特性，故設(shè)計(jì)一種新型XY型雙軸指向機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

可重疊展開天線雙軸指向機(jī)構(gòu)最大的特點(diǎn)是將電機(jī)外殼作為軸來使用，旋轉(zhuǎn)變壓器直接裝配在電機(jī)外殼上，使得機(jī)構(gòu)整體尺寸緊密，相比傳統(tǒng)點(diǎn)波束機(jī)構(gòu)，軸向尺寸縮短至三分之一，更適用于多個(gè)天線同時(shí)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(yuǎn)離焦點(diǎn)的地方，不會(huì)遮擋天線視場(chǎng)并能避開饋源陣及波導(dǎo)饋線；第三，可重疊天線機(jī)構(gòu)在軌運(yùn)行更加穩(wěn)定，針對(duì)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(diǎn)波束類天線的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和電機(jī)不同心，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力將在一定范圍影響到天線狀態(tài)，特別是當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩小于內(nèi)應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生天線的回退現(xiàn)象；

2、高頻電纜產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于保持力矩時(shí)，導(dǎo)致指向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；

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

圖3 可重疊展開天線指向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

可重疊天線采用的機(jī)構(gòu)和點(diǎn)波束天線機(jī)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(jī)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(dòng)內(nèi)應(yīng)力問題；

2、可重疊天線機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于高頻電纜，對(duì)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)影響可忽略不計(jì)；

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

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

圖4 兩種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為防止意外情況下，天線轉(zhuǎn)動(dòng)至任務(wù)要求的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍之外，可能損害周邊產(chǎn)品或自身，故而采取機(jī)械結(jié)構(gòu)限位措施。機(jī)械可動(dòng)天線在設(shè)計(jì)中，角度存在四個(gè)層次范圍：機(jī)構(gòu)展開轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、在軌工作轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、軟件限位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、硬(機(jī)械)限位范圍。以多重疊天線指向機(jī)構(gòu)和可動(dòng)點(diǎn)波束機(jī)構(gòu)為例，四種角度以及硬限位設(shè)計(jì)示意如圖5所示。正常情況下，天線在工作角度運(yùn)動(dòng)，軟件輸入指令失誤時(shí)天線會(huì)進(jìn)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(shí)硬限位可從機(jī)械角度阻攔天線進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，防止反射器碰撞周邊產(chǎn)品，將損失降到最小。

圖5 重疊機(jī)構(gòu)角度示意圖

2 數(shù)學(xué)模型和力矩校核

根據(jù)重疊指向機(jī)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)，為獲得期望的加電、斷電保持力矩，而采用低速驅(qū)動(dòng)控制的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)作用在氣隙上的磁動(dòng)勢(shì)有兩個(gè)，一個(gè)是由永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，另一個(gè)是由控制繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)有時(shí)相加，有時(shí)是相減的，視控制繞組中電流方向而定。這種步進(jìn)電機(jī)不僅具有磁阻式步進(jìn)電機(jī)步距角小、運(yùn)行頻率高的特點(diǎn)，還具有永磁式步進(jìn)電機(jī)消耗功率小，轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)運(yùn)行頻率f可由式(1)計(jì)算：

(1)

其中，θs為步距角，n為電機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)的斷電保持力矩是衡量其輸出轉(zhuǎn)矩大小的一項(xiàng)重要參考數(shù)據(jù)，當(dāng)電機(jī)的保持力矩提高時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大，斷電保持力矩Mk計(jì)算公式為：

(2)

式中：

a為狀態(tài)系數(shù)，與電機(jī)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(jī)相數(shù)；

kc為考慮轉(zhuǎn)子軸向氣隙磁場(chǎng)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(zhǎng)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(shì)，Gl為氣隙比磁導(dǎo)的基波幅值；

G0為氣隙比磁導(dǎo)的平均分量，Am為永磁體等效內(nèi)磁導(dǎo)。

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(gè)為主動(dòng)件、一個(gè)為從動(dòng)件，即可以實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)或增速傳動(dòng)，通常較多選擇剛輪固定，波發(fā)生器輸入，柔輪輸出，這時(shí)減速比計(jì)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(fù)號(hào)“-”表示反向輸出。

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

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，取電機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速n為20 r/min，步距角θs為1.8°，采用兩相電機(jī)，故m取值為2，兩相電機(jī)通電時(shí)a=2.828，疊壓系數(shù)取0.95，等效磁勢(shì)計(jì)算值為2100A，電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50，電機(jī)運(yùn)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(jì)算得出減速比為1:101，該電機(jī)和諧波減速器所主城的轉(zhuǎn)動(dòng)單元斷電保持力矩約為3 Nm，實(shí)測(cè)該單元負(fù)載力矩大于20 Nm。

由于天線在軌展開到預(yù)定位置，需要一定的力矩進(jìn)行保持姿態(tài)，使得衛(wèi)星調(diào)姿時(shí)產(chǎn)生的加速度不會(huì)對(duì)天線的展開角度產(chǎn)生影響，故而對(duì)斷電保持力矩的裕度需要進(jìn)一步校核，斷電保持力矩裕度計(jì)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(hào)為例，天線負(fù)載為18 kg，衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足天線壽命末期在軌使用條件。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

可重疊展開天線雙軸指向機(jī)構(gòu)經(jīng)設(shè)計(jì)加工，通過了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性，如熱真空試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)精度試驗(yàn)以及加速壽命試驗(yàn)，如圖9所示，充分驗(yàn)證了裝置的可靠性和高效性，轉(zhuǎn)動(dòng)精度高達(dá)0.008°，該裝置已正式在軌應(yīng)用，在軌性能良好。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)單元裝配圖

圖7 指向機(jī)構(gòu)熱真空試驗(yàn)

4 總結(jié)

文章提出的雙軸指向機(jī)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(yīng)用于重疊可展開天線以及高精度天線，其驅(qū)動(dòng)力矩及斷電保持力矩大，通過了相應(yīng)的校核計(jì)算，地面試驗(yàn)安全穩(wěn)定，擴(kuò)展了可應(yīng)用星載天線的種類，為重疊天線在軌運(yùn)行的可靠性、安全性和高利用率提供保障。