一種新型星間鏈路天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

蘇 醒 張宇環(huán) 匡全進(jìn) 葉 聲 陳建龍 歐陽尚榮

一種新型星間鏈路天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

蘇 醒 張宇環(huán) 匡全進(jìn) 葉 聲 陳建龍 歐陽尚榮

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

針對目前國內(nèi)外星載可動天線主要采用兩個正交旋轉(zhuǎn)副作為指向機構(gòu)，無法滿足星間鏈路天線方位向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描的需求；同時傳統(tǒng)星載可動天線還存在收攏態(tài)包絡(luò)尺寸過大，運載火箭主動段力學(xué)響應(yīng)過大的問題，提出了新型星載可動天線結(jié)構(gòu)方案。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)天線方位軸的無限連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描；同時饋源可實現(xiàn)高精度收攏展開；饋源收攏時天線包絡(luò)扁平，能夠充分適應(yīng)衛(wèi)星側(cè)板與運載火箭內(nèi)包絡(luò)之間狹小的安裝環(huán)境,且力學(xué)響應(yīng)小。闡述了一種新型天線的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作機理，通過對天線進(jìn)行有限元力學(xué)仿真和實物試驗，驗證了這種新型天線設(shè)計的可行性和合理性。

星間鏈路；星載可動天線；無限連續(xù)旋轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

隨著國民經(jīng)濟與國防建設(shè)對衛(wèi)星通信需求日益增加，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為國家不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要地面站接收來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。受制于我國綜合國力及全球政治局勢，我國無法實現(xiàn)全球布站，因此我國衛(wèi)星飛離國內(nèi)地面站直視范圍后難以與地面進(jìn)行通信，只能將數(shù)據(jù)暫存于星上，待飛至國內(nèi)地面站直視范圍后再進(jìn)行數(shù)據(jù)下行。這就造成了衛(wèi)星通信時延大大增加，無法滿足我國軍隊在全球范圍內(nèi)實時指揮、協(xié)調(diào)各作戰(zhàn)單位的戰(zhàn)略需求[1～3]。

星間鏈路（Inter-satellite Link，ISL）技術(shù)被認(rèn)為是解決以上問題的重要途徑。星間鏈路是指衛(wèi)星與衛(wèi)星之間，或航天器之間直接進(jìn)行星間通信的無線鏈路。地面站不可見衛(wèi)星可將數(shù)據(jù)通過星間鏈路傳遞至地面站可見衛(wèi)星，再由地面站可見衛(wèi)星下傳至地面站。最大程度地減小了衛(wèi)星對地面站的依賴程度，極大地縮短了數(shù)據(jù)傳輸時間；利用星間鏈路技術(shù)可將孤立衛(wèi)星組成星基通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有全球覆蓋性、高時間同步性、強抗毀性和高靈活性，可向全球范圍內(nèi)的車載設(shè)備、艦載設(shè)備、在軌航天器等提供實時穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[4，5]。

星間鏈路系統(tǒng)一般由星間鏈路天線（數(shù)傳天線）、發(fā)射機、接收機等子系統(tǒng)組成。由于星間鏈路天線需要對同軌或異軌衛(wèi)星、地面站等目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤指向，因此天線需具備在方位向360°無限旋轉(zhuǎn)掃描的功能。

目前國內(nèi)星載高增益數(shù)傳天線通常采用大口徑的反射面+二維指向機構(gòu)的組合形式，二維指向機構(gòu)可實現(xiàn)反射面天線對既定目標(biāo)的跟蹤隨動指向。因此這類天線構(gòu)型被稱為可動天線。星載可動天線子系統(tǒng)一般由主副反射面、饋源及饋源支撐筒(桿)、二維指向機構(gòu)、饋線組件等部分組成，如圖1a所示。其中，二維指向機構(gòu)采用/軸座架形式，軸與軸成垂直正交；軸機構(gòu)與軸機構(gòu)采用相同傳動鏈和角度測量組件，步進(jìn)電機、諧波減速器和角度傳感器安裝在支架的一端，如圖1b所示。步進(jìn)電機分別驅(qū)動軸與軸座架做旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)天線在方向和方向的二維指向運動[6～9]。這種傳統(tǒng)二維指向機構(gòu)僅能實現(xiàn)小角度小范圍（約±60°）的指向，外加衛(wèi)星星體本身的遮擋和干涉，使天線指向的轉(zhuǎn)動范圍極其有限。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)傳天線及二維指向機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

目前，國外的一些衛(wèi)星如美國1999年發(fā)射的IKON0S對地觀測衛(wèi)星、2001年發(fā)射的QuickBird商用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星、意大利2007年發(fā)射的COSMO-SkyMed高分辨率SAR衛(wèi)星等衛(wèi)星上配置的對地數(shù)傳天線也均普遍采用含有二維指向機構(gòu)的可動天線形式。

為降低衛(wèi)星星體對天線視場干涉的影響，部分天線設(shè)計有一套可展開機構(gòu)，如圖1c所示?？烧归_機構(gòu)一般包含根部展開機構(gòu)和展開臂。根部展開機構(gòu)解鎖展開，驅(qū)動天線遠(yuǎn)離星體，減小了星體對天線視場的遮擋[10]。然而該天線無法實現(xiàn)方位軸的360°無限旋轉(zhuǎn)，指向范圍仍極為有限，無法適應(yīng)星間鏈路的使用場景。

由于無限連續(xù)掃描會造成熱控、低頻控制等電纜的扭曲斷裂，目前國內(nèi)的星載可動天線無論是否含有展開臂，均無法實現(xiàn)方位軸的360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描；同時由于星體側(cè)壁與運載火箭之間的距離過小，僅能提供最高300mm的弧形包絡(luò)空間，如圖2所示。傳統(tǒng)天線收攏態(tài)包絡(luò)過高，難以安裝在星體側(cè)壁與運載火箭之間的狹小空間。為了解決以上問題，本文提出了一種可沿方位軸360°無限旋轉(zhuǎn)，且收攏包絡(luò)低矮的新型星載可動天線方案。

圖2 新型星載可動天線收攏狀態(tài)示意圖

2 方案設(shè)計

表1 天線主要技術(shù)指標(biāo)

該新型星載可動天線采用廣泛應(yīng)用于星載太陽翼驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)的滑環(huán)技術(shù)，設(shè)計了360°驅(qū)滑機構(gòu)，實現(xiàn)天線在方位向的360°無線連續(xù)旋轉(zhuǎn)；設(shè)計了天饋俯仰機構(gòu)，實現(xiàn)了饋源的高精度折疊、展開、鎖定動作，保證了天線收縮狀態(tài)高度低矮，同時又降低了力學(xué)響應(yīng)，具體設(shè)計指標(biāo)見表1。

2.1 天線組成

該新型星載可動天線主要包括主反射器、饋源及饋線、饋源展開臂、天饋俯仰機構(gòu)、360°驅(qū)滑機構(gòu)、根部展開機構(gòu)、天線伸展臂、底座、壓緊點組件等，其整體構(gòu)型如圖3所示。

圖3 新型星載可動天線組成圖

根部展開機構(gòu)能將天線從根部展開，使天線主體遠(yuǎn)離星體；360°驅(qū)滑組件能夠驅(qū)動伸展臂及天線沿方位軸360°無限制的全向旋轉(zhuǎn)，且不會造成低頻電纜的扭曲形變；天饋俯仰機構(gòu)能夠驅(qū)動饋源展開臂相對于主反射器組件展開、鎖定，待饋源桿與主反射器組件鎖定后，天饋俯仰機構(gòu)能實現(xiàn)天線的俯仰指向；波導(dǎo)組件連接饋源組件，穿過伸展臂、經(jīng)由360°驅(qū)滑組件中心通孔到達(dá)根部展開機構(gòu)，最終與星體的內(nèi)部功率放大器連接。

2.2 天線壓緊方式

星間鏈路天線壓緊狀態(tài)下最大高度僅260mm，滿足天線收攏外包絡(luò)尺寸要求。天線采用6個壓緊點，其中，兩個火工品壓緊點用于固定天饋俯仰機構(gòu)，兩個火工品壓緊點用于固定主反射器組件，一個火工品壓緊點固定360°驅(qū)滑組件，一個火工品壓緊點固定饋源展開臂，如圖4所示。衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道后，由程控發(fā)出指令，火工品控制器實施火工品分3批解鎖，第一批：#1，#2；第二批：#3，#4；第三批：#5，#6。

圖4 星間天線壓緊點位置

2.3 天線在軌展開路徑規(guī)劃

圖5 天線在軌展開過程示意圖

第一步：在衛(wèi)星發(fā)射階段，天線機構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)，壓緊釋放裝置將天線和機構(gòu)等部組件壓緊在衛(wèi)星的側(cè)板上；

第二步：衛(wèi)星入軌后火工品控制器發(fā)送火工品解鎖指令，與主反射器組件連接的兩個火工品壓緊點起爆解鎖。天饋俯仰機構(gòu)驅(qū)動主反射面組件旋轉(zhuǎn)一定角度后，天饋俯仰機構(gòu)的定位銷插入限位槽內(nèi)，完成饋源桿相對于主反射器的相對位置的鎖定。饋源相對于主反射器的相對位置完全鎖定；

第三步：天饋俯仰機構(gòu)連接的兩個火工品壓緊點同時起爆解鎖，饋源桿、360°驅(qū)滑組件連接的火工品壓緊點同時起爆解鎖，此時天線所有壓緊點全部釋放；

第四步：根部展開機構(gòu)驅(qū)動天線旋轉(zhuǎn)90°，使天線主反射器遠(yuǎn)離星體側(cè)壁；

第五步：天饋俯仰機構(gòu)驅(qū)動主反射器與饋源同時旋轉(zhuǎn)，完成天線的俯仰運動。360°驅(qū)滑組件驅(qū)動天線沿方位軸旋轉(zhuǎn)，天線在方位軸上可實現(xiàn)無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描。展開過程如圖5所示。

3 天線詳細(xì)設(shè)計

3.1 360°驅(qū)滑組件設(shè)計

360°驅(qū)滑組件是實現(xiàn)天線在方位向無限旋轉(zhuǎn)掃描的主要結(jié)構(gòu)，360°驅(qū)滑組件主要由滑環(huán)、中孔驅(qū)動電機、中孔諧波減速器、中孔旋轉(zhuǎn)變壓器、角度傳感器等組成，如圖6所示。

圖6 360°驅(qū)滑組件結(jié)構(gòu)示意圖

360°驅(qū)滑組件核心部件為滑環(huán)，是一種能實現(xiàn)兩個相對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)間能量和信號傳遞的電氣部件。其工作原理是通過導(dǎo)電滑環(huán)的定子部分和轉(zhuǎn)子部分的相對旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)兩部分之間電信號的精確傳輸和聯(lián)結(jié)[4]。

宇航環(huán)境下，滑環(huán)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)。國內(nèi)尚無星載天線使用滑環(huán)實現(xiàn)天線無限旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用先例。為了保證饋電波導(dǎo)及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能從360°驅(qū)滑組件中心穿過，該方案在成熟滑環(huán)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性修改，設(shè)計了中孔滑環(huán)，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示，具體指標(biāo)參數(shù)見表2。電機、旋變、微動開關(guān)的低頻電纜和熱控電纜均通過滑環(huán)實現(xiàn)與星體連接，避免由于天線360°無限旋轉(zhuǎn)造成的低頻電纜扭曲損壞的問題。

圖7 柱式導(dǎo)電滑環(huán)

表2 滑環(huán)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 天饋俯仰機構(gòu)一體化設(shè)計

天饋驅(qū)動機構(gòu)可實現(xiàn)：a.饋源收攏、高精度展開并鎖定；b.天線與饋源沿俯仰軸旋轉(zhuǎn)±60°。

圖8 天饋俯仰機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 星間鏈路天線實物圖

天饋俯仰機構(gòu)包括：主反U形框、饋源U形框、伸展臂U形框、驅(qū)動電機、鎖緊組件、微動開關(guān)等，如圖8、圖9所示。饋源U形框相對于主反U形框旋轉(zhuǎn)至特定角度后，與饋源U形框固連的鎖緊組件的定位銷會插入主反U形框的限位槽內(nèi)，饋源與主反射器相對位置完全固定。驅(qū)動電機可以驅(qū)動主反U形框相對于伸展臂U形框在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，完成天線的俯仰運動。

4 天線仿真分析

4.1 有限元模型建立

本文采用的有限元分析軟件是MSC Patran/Nastran。為了方便計算對天線Pro/E模型簡化，去除部分零件的倒圓角及安裝孔；刪掉部分對整體模態(tài)影響較小的零部件，將其質(zhì)量參數(shù)添加到相應(yīng)的大零件中。將簡化后的Pro/E模型導(dǎo)入Patran軟件，再對模型進(jìn)行網(wǎng)格單元劃分，將反射器和所有波導(dǎo)簡化為殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對天線主體結(jié)構(gòu)使用二次四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證結(jié)構(gòu)最薄處最少分布3層單元。將所有火工品壓緊點、螺接約束簡化為剛性連接。

圖10 收攏態(tài)天線前三階模態(tài)振型

4.2 模態(tài)分析

通過MSC Patran/Nastran求解計算，可得到天線結(jié)構(gòu)的前三階固有頻率分別為44.8Hz、47.48Hz、49.3Hz，天線前三階模態(tài)振型均為反射面邊緣的振動，如圖11所示。

圖11 收攏態(tài)天線前三階模態(tài)振型

由仿真結(jié)果可知，天線收攏時的固有基頻為44.8Hz，大于要求的40Hz，滿足設(shè)計要求。

展開狀態(tài)下，天線前三階固有頻率為2.2Hz、4.4Hz、7.14Hz，前三階模態(tài)振型如圖12所示。

圖12 展開態(tài)天線前三階模態(tài)振型

由仿真結(jié)果可知，天線展開態(tài)的固有基頻為2.2Hz，大于要求的1Hz，滿足設(shè)計要求。

4.3 強度分析

表3 正弦振動試驗條件

圖13 天饋俯仰機構(gòu)應(yīng)力分布云圖

對天線施加正弦振動條件進(jìn)行頻響分析，正弦振動試驗條件如表3所示。天線的各類活動部件相對于其他結(jié)構(gòu)件對振動應(yīng)力更為敏感，通過三個方向的頻響分析可知，收攏狀態(tài)下天線的天饋俯仰機構(gòu)應(yīng)力較大，如圖13所示，最大應(yīng)力為4.06MPa，遠(yuǎn)小于鋁合金及各類合金鋼的屈服應(yīng)力，綜上所述，仿真結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對傳統(tǒng)星載可動天線掃描范圍小，收攏包絡(luò)尺寸大的現(xiàn)狀，提出了一種新型星載可動天線結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該天線采用中孔滑環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了天線方位向的360°無限旋轉(zhuǎn)掃描，極大地提高了天線的掃描范圍，系國內(nèi)首創(chuàng)；同時饋源可實現(xiàn)高精度收攏展開，收攏包絡(luò)高度僅260mm，能夠滿足衛(wèi)星與運載火箭之間狹窄的安裝環(huán)境。該方案已順利通過各項地面試驗，力學(xué)試驗結(jié)果與模態(tài)仿真結(jié)果吻合良好。目前該型號已進(jìn)入正樣階段。

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Structure Design and Simulation of Novel Inter-satellite Link Antenna

Su Xing Zhang Yuhuan Kuang Quanjin Ye Sheng Chen Jianlong Ouyang Shangrong

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

At present, two orthogonal rotating pairs are mainly used as pointing mechanism for the steerable antenna in satellite, which cannot meet the requirements of the inter-satellite link antenna rotating 360°along the azimuth axis infinitely. At the same time, the traditional steerable antenna in satellite also has the problems of too large folded envelope sizes and too large mechanical response in rocket’s powered flight process. Base on the above situation,a novel structure scheme of satellite steerable antenna is proposed. The scheme can rotate and scan continuously on the azimuth direction infinitely; at the same time, the feed can be folded and expanded with high precision, and the outer envelope of the antenna is relatively flat when the feet is retracted, which can fully adapt to the narrow installation environment between the satellite side plate and the inner envelope of the carrier rocket. The system composition, structure design and working mechanism of the novel antenna are described in detail, and the feasibility and rationality of the novel antenna structure are verified by finite element mechanics simulation and physical mechanical test.

inter-satellite link；steerable antenna in satellite；infinite continuous rotation；structure design

V442

A

蘇醒（1991），碩士，航天工程專業(yè)；研究方向：星載天線結(jié)構(gòu)與機電耦合技術(shù)。

2021-07-12