充气式空间可展开天线结构概述

收稿日期:2005-05-11;　收修改稿日期:2005-06-21充气式空间可展开天线结构概述
马小飞　宋燕平　韦娟芳　宋剑鸣　柏宏武
(西安空间无线电技术研究所,西安710000)
摘　要　充气式空间可展开结构是国外空间结构领域研究的热点之一。

当前,充气天线是充气式空间可展开结构研究的重点和主要应用方向。

文章首先概述了充气天线的结构特点以及应用前景,然后介绍了充气天线的国外研究情况,最后对充气天线涉及的充气薄膜材料技术、充气薄膜材料硬化技术、充气和展开技术、型面精度的摄影测量方法、充气天线制造技术以及结构设计与分析技术等关键技术进行了分析。

主题词　充气天线　展开式天线　卫星天线　天线结构
1　概　述
当前,航天器结构发展的一个趋势是结构尺寸的大型化。

随着航天器结构尺寸的增大,传统的机械结构在质量、体积和成本等方面的代价越来越大。

而且,由于机械展开式大型空间机构有大量的活动关节、驱动机构,所以制造复杂、可靠性差、整体刚度差。

空间充气结构是这些问题的有效解决方案。

空间充气结构是国外航天结构领域的研究热点,研究工作主要集中在反射面薄膜材料的设计与制造、薄膜材料的硬化、充气柔性结构的设计与分析、充气结构的在轨试验等方面。

目前,各项关键技术的研究都相对成熟,很多充气结构已经得到工程化应用。

空间充气结构的应用非常广泛,如充气天线反射器、充气太阳阵、充气式太阳帆、月球和火星漫游机器人充气轮、充气式月球基地建筑设施等都可以用到。

充气式空间可展开天线(以下简称充气天线)是典型的空间充气结构。

它采用薄膜结构,收拢时通过折叠或卷曲方式包装,在轨道上通过充气膨胀至所需的反射面型面。

充气天线具有质量轻、收藏体积小的特点,而且天线口径越大,它的优势越明显。

高轨电子侦察卫星、高轨移动通信卫星、深空探测卫星等提出了对口径10m 以上大型空间天线的需求。

毋庸置疑,充气天线的研究能够为这些领域的需求提供一种新的选择。

2　充气天线国外研究现状
充气天线在国外有比较广泛的研究和应用,美国的L ′Garde 公司、NAS A 、JP L 、欧空局、俄罗斯等都开展了相关研究。

美国在充气天线方面的投资最大,许多研究成果也趋于成熟;欧空局和NAS A 合作研制出了可实现空间自固化的充气天线;俄罗斯已经研制出了多个充气天线样机,但尚未见到公开报道。

211　L ′Garde 公司的精密充气天线
L ′Garde 公司是在充气天线研制领域最早开展研究、研究成果最多的单位,到目前为止,已经制成了口径3m 、7m 、9m 、14m 等系列的充气天线。

其中14m 充气天线在1996年曾做过在轨试验[1]。

01空间电子技术S PAC E ELEC TRON I C TECHNOLO GY 2006年第3期
该公司研制的充气反射器典型结构见图
1,
它由一个封闭的双凸面体构成,它的背部是一个金属化抛物面,前部是一个球形罩,两者在边缘处连接,从而形成孔径。

球形罩可透过工作辐射频率的微波。

反射器和球形罩由若干分割得非常精确的三角形分片构成,这些三角形分片是采用聚酰亚胺薄膜制成的。

充气气囊具有自固化性能,因而充气完成后,即使空气泄露,仍能保持型面。

定性地分析认为,如果自固化效果较好,不但不影响型面精度,还能带来刚度的提高;如果自固化效果较差,局部可能会起皱,从而可能会影响型面精度。

212　混合型充气天线
美国Johns Hopkins 应用物理实验室和I L C Dover 公司已经研制出一种混合型充气式反射器[2]
(图2)。

该天线由一个固定的刚性抛物面反射器和一个环绕其周围的抛物环面充气反射器组成,2个分别用于刚性反射器和充气反射器的馈源及其支撑安装在刚性反射器上。

环面反射器可大大增加天线面积,充气膨胀后形成的反射面可硬化。

发射前,充气反射器紧密收缩在刚性反射器的下方,以适应各种不同的航天器载荷舱和发射火箭的整流罩。

卫星入轨后,用适中的气压展开充气反射面和支撑圆环。

为了验证设计的性能,I L C Dover 公司制造了两个口径112m 的刚柔混合型充气天线(图3)。

测试结果证实,通过采用这种混合技术,充气反射面的精度可以大大提高,用于Ka 波段的混合式反射面是可以实现的。

112006年第3期 马小飞等:充气式空间可展开天线结构概述
213　AR I SE 航天计划中的充气天线美国的加利弗尼亚大学正在为NAS A 研制一个口径25m 的充气天线[3](图4)。

该天线准备用于
美国的AR I SE (Advanced Radi o I nterfer ometry Bet w een Space and Earth )航天计划。

该天线为一偏置格里高利抛物面天线,工作频率为8GHz ～86GHz 。

为了满足这一超宽频带的要求,反射器型面精度指标为0125mm 。

由于这一型面精度对充气天线的工程化实现难度较大,设计时采用副反射面赋型和调整技术对主反射面的型面精度进行补偿。

214　欧空局自固化充气天线
欧空局联合Contraves 公司开展了基于I SRS 技术(I nflatable Space R igidised Structure )的充气空间自固化天线(图5),先后研制了口径315m 、6m 和12m 的3个样机,薄膜材料采用树脂基的Kevlar 。

展开硬化依靠太阳照射完成:卫星入轨以后,天线首先通过充气展开;为了更好地吸收太阳光,加快硬化过程,卫星需要调姿,让反射器正对太阳;在太阳照射下,只要反射面温度保持在110℃达6个小时以上,反射器就会完成硬化过程。

反射器硬化后,反射器内部的气体被排出,反射器完成硬化2展开过程。

215　充气式相控阵天线
相控阵天线具有波束扫描功能,扫描角度大,可实现天线指向的灵活控制,因此相控阵天线的应用范围很广。

最常见的是用于对地成像的微波遥感合成孔径雷达天线(S AR 天线)。

但是,S AR 天
线都有收藏体积大和质量大的特点,国外S AR 天线的单位面积质量均超过10kg/m 2,总质量一般都在
400～600kg 左右。

为了有效地降低S AR 天线收拢尺寸和质量,美国的JP L 实验室采用充气可展开技术[4]。

其结构由可卷曲框架和柔软辐射面组成。

同时将S AR 天线的高频接收/发射电子设备置于可折叠天线阵面的内部,将天线背面的高频波导和馈线也做成柔性可折叠的,这样可将传统的S AR 天线质量降低到原来的五分之一,可以达到质量轻、收纳效率高的目的。

展开过程类似于卷曲席筒的展开(图6)。

216　美国充气天线的I A E 在轨试验
充气天线的发展走过了一条漫长而曲折的发展道路,而1996年的在轨试验无疑将充气式空间天线技术推向了一个里程碑式的新高峰。

1996年5月20日,通过“奋进号”航天飞机搭载的“斯巴达人”航天器[5],以美国L ′Garde 公司研
制的口径14m 的天线为试验对象,进行了一次充气天线的在轨试验(I A E 试验),这是自“回声”系列卫星升空以来所进行的最重要的充气天线空间试验。

这次空间试验的目的是:验证低成本建造大型充气天线的可行性;验证大型充气天线结构的机械包装;验证大型充气天线结构的展开可靠性;验证大型充气式反射器的表面精度;在轨测量反射器表面精度。

21空间电子技术 2006年第3期
图7　I A E 试验中的充气天线
图7是该试验中充气天线的结构示意图,它主要由充气式反射器组合装置和圆环/连杆支撑结构组成。

反射器组合装置呈双凸透镜状,背面是金属化的偏置
抛物面反射器(F /D =015),表面精度的目标是
1mmRMS,前面是遮罩。

反射器由62个镀铝的、厚约
7μm 的三角形聚酯膜膜片构成。

以211×10-5kg /c m 2
的充气压力将它加压到约21067Pa 。

经过精确计算,该
压力值对确保一个适合于精度测量系统的良好反射面
是足够的。

遮罩也是由62个镀铝的、厚约7
μm 的三角形聚酯膜膜片构成的,不过是透波的。

圆环/连杆结构的直径分别为016m 和0145m ,用涂有氯丁橡胶的
300
μm 的Kevlar 制成。

圆环对反射器组合装置的边缘进行支撑,如果没有圆环,反射器组合装置就会在充气后呈球形。

试验基本上达到了预期目标,但仍存在以下几个问题:天线展开没有按照设计压力充气要求得到控制;没有按照设计压力充气;表面精度比预期的要低一些,测量结果是在反射器中心8m 范围内的RMS 值是115mm ,在整个反射面上的型面精度还要差一些。

尽管如此,最终的反射器形状仍达到了设计值和预期值。

因此,这次试验是非常成功的。

试验获得了许多宝贵的经验和数据,为充气天线的改进和逐步走向实用化奠定了坚实的基础。

3　充气天线关键技术分析
充气天线技术涉及的技术领域较多,包括结构、机构、材料、化学、表面工程、工程测量、空间环境等诸多领域,其中涉及的关键技术主要有:
・充气薄膜材料技术
充气薄膜研究是充气天线研制的关键环节。

由于充气结构要在空间使用,所以首先它应该能满足空间环境条件的要求;第二,在收拢时材料的状态应该是可折叠的,以便满足包装要求,一般要求为薄膜型材料;第三,应具备可硬化要求,天线展开后应能够硬化,进而提高结构的刚度。

根据国外一些报道:经过大量试验,Kap t on E 、Kap t on HN 、Kap t on H 、Kap t on VN 、Kap t on CB 、Kap t on XC 、T OR 2L M 、Up ilex 2S 、Mylar 等具有良好的空间环境稳定性,而CP2、T OR 2LM 等稳定性不佳,不太适合于制备大型空间膨胀式天线。

・充气薄膜材料硬化技术
目前,材料硬化技术的研究主要集中在硬化材料的选择与分析。

由于空间任务具有复杂性与多样性,所以对硬化薄膜的展开方法的要求也不相同,每种方法都有适合自己的领域,即没有一种可硬化材料能满足所有的应用要求。

具体来说,常用的硬化材料主要有:热固性复合材料、紫外光固化复合材料、充气反应复合材料、二阶转变和记忆聚合物复合材料、增塑剂或溶剂挥发固化复合材料、发泡硬化材料、铝箔/塑料薄膜叠层结构等。

・充气天线的充气和展开技术
充气天线的充气方式根据充气材料可以分为两种:使用氮气和升华气体。

出于硬件价格和低研制成本的考虑,氮气充气系统应用得最多。

用于充气天线空间实验的14m 天线采用的就是氮气充气系统。

I A E 充气子系统的关键环节包括:(1)高压氮气储存包;(2)传感器、阀门和调整器;(3)充气系统的最佳化运行方式。

升华充气材料系统从第一次ECHO 气球轨道实验开始使用。

升华粉末的操作原理是:天线展开312006年第3期 马小飞等:充气式空间可展开天线结构概述
时,先释放粉末到充气天线中。

在太空环境下,粉末升华,并且提供10-5～10-6个大气压的压力,由于这个压力依赖于充气时气体的温度,所以有专门的温度控制环节。

升华系统的优点是在室温下无腐蚀和呈固态,易于操作。

据报道,L ′Garde 公司已将升华充气系统用于探空火箭发射的靶标气球的飞行试验中。

图8　充气天线展开方式充气天线的收藏和展开方式有喷出式、卷轴折叠式等
多种形式。

图8是I A E 试验中14m 天线的展开过程示意
图,它采用喷出式展开方式。

天线收拢时包装于盒体中,展
开时首先打开包装盒盖,反射器气囊随即在弹簧作用下弹
出盒体,接着充气系统开始工作,反射器气囊和支撑杆同时
开始充气直至完全展开,最终完成展开过程。

・充气天线型面精度的摄影测量方法
无论是地面测试还是在轨测试,对于充气天线反射器,
摄影测量都是最好的选择[6]。

这主要是因为以下两个原
因:摄影测量过程操作简单。

传统上使用电子经纬仪测量
的方法,在每次测量前都要先建立系统,摄影测量前期对专业相机的标定只是在初次使用前做一次,以后的测量不用再标定;使用电子经纬仪测量时,系统一旦建立,电子经纬仪不能有任何位置移动,摄影测量对此没有限制。

为了避免风载等空气运动对轻质薄膜反射面的影响,充气式反射器型面精度的测量大都在真空罐中进行,这种情况只能使用摄影测量方法。

摄影测量特别适用于测量数据量大的情况。

当测量的反射器口径较大时,如果采用传统的型面精度测量方法,由于每个靶标都需逐个瞄准,因此工作量非常大。

而且,由于大口径大型的反射面都需要不断的调整和修正,不断的反复将非常耗时耗力。

摄影测量的原理决定了其测量工作量与被测反射器口径的大小关系不大。

由于充气天线的优势在大口径领域更加明显,潜在应用主要在大口径反射器方面,因此,摄影测量特别适用于充气天线型面精度的测量。

・充气天线制造技术
图9　典型的充气天线结构方案
由于充气结构使用柔性薄膜,例如,I A E 中14m 的天线用了01006mm 厚的聚酯薄膜制作反射器结构,用0128mm 厚的橡胶浸渍的Kevlar 织物制作结构的圆环和支撑杆件,所以充气结构需要独特的制造方法和技术。

是否能精确地从薄膜上切下材料并且将多块薄膜无缝连接,对于获得最终的精确的反射器或支撑结构是一个非常重要的因素。

在制造较小的反射器和支撑结构时,一般经常用高精
度模板切割薄膜[7]。

这种方法可以保证加工出高精度的零件,但是当零件的尺寸变大时,这种模板
将变得非常昂贵。

一个比较好的方法是利用自动切割系统(如高精度激光切割机),可加工出精度很高的薄膜零件,并且加工成本也较低。

对于缝合,国
外一般采用专用的高频缝纫机。

・充气天线结构设计与分析技术
充气式设计和分析技术包括:结构方案的选择、
反射面膜片设计、充气膜几何非线性分析等技术。

国外充气天线结构方案的主流结构形式如图9
所示,它由3部分组成:充气膜反射结构、环形充气
箍、支撑臂。

这种结构方案已经被绝大多数的充气天
线所采用(包括I N _STEP 计划中口径14m 的在轨试
验天线)。

充气膜反射结构由反射面和天篷组成,通过连接41空间电子技术 2006年第3期
带与环形充气箍连接。

环形充气箍是充气膜反射结构的刚性支撑,为一环形回转体:如果没有环形充气箍,充气膜反射结构在内压作用下趋于球体。

两者之间通过预应力绳索连接。

由于环形充气箍为充气膜反射结构提供半刚性边界,所以设计要保证充气箍膜片较厚且需保持很高的气压。

支撑臂是反射器和星体的接口,其刚性要求较大,根据需要设计根数。

在结构设计前,要对充气结构的刚度、应力分布、应力大小、重力引起的变形等通过计算做出预测。

另外,充气天线必须解决任何充气结构都必须面对的一个“逆向问题”,即“必须是什么样的充气式薄膜结构的初始形状,才能在经历大的结构变形之后达到所需平滑的抛物面表面”,这需要准确的分析和仿真。

由于充气结构的展开和变形是几何大变形过程,因此,必须用几何非线性的方法进行分析。

4　结束语
充气天线及其相关技术是国外航天结构和材料领域研究的热点,美国、俄罗斯、欧空局等都投入了相当大的资金在开展该领域的研究。

美国的投入最大,也取得了丰硕的成果。

1996年14m 充气天线的在轨成功试验,是大型充气天线即将步入实用化的标志。

通过多部充气天线的研制、地面试验和14m 充气天线的空间飞行试验,已经积累了大量宝贵的数据和经验,为充气天线结构技术的进一步发展奠定了坚实的基础。

据报道,NAS A 还在近期安排了口径10m 、25m,乃至更大口径充气天线的飞行试验。

可以设想,充气天线一旦技术成熟并成功应用,由于它收拢体积小、质量轻、展开可靠性高的突出优点,将有可能代替现有多种超大口径机械展开式空间天线的结构形式。

因此,充气天线技术是空间天线结构领域的一次革命性技术。

参考文献
1　Cassapakis C and Thomas m.I nflatable structures technol ogy devel opment overview .A I A A Paper 9523738,p resented at the
Space Pr ogram s and Technical Conference,Huntsville,AL,Sep t .26～28,1995
2　L in J K H,Cadogan D P .A hybrid inflatable disk antenna syste m for s pacecraft .42nd A I A A /AS ME /AS CE /AHS Structure,
Structural Dyna m ics and materials Conference &Exhibit .A I A A Gossa mer Spacecraft Foru m.Ap ril 16～19,2001
3　Yahya R S and Hoferer R A.AR I SE a challenging 252m s pace antenna design 1Depart m ent of Electrical Engineering .Uni 2
versity of California
4　Huang J.The devel opment of inflatable array antennas .JP L California I nstitute of Technol ogy Pasadena,C A91109US A 5　Freeland R E and B ilyeu G D.I N 2STEP inflatable antenna experi m ent .I A F Paper 92203011p resented at the 43rd Congress
of the I nternati onal A str onautical Federati on,W ashingt on,D.C 1,August 28～Sep t .5,1992
6　R ichard S .Phot ogra mmetry of a 5m inflatable s pace antenna with consu mer digital ca meras .Pappa Langley Research Cen 2
ter,Ha mp t on,V irginia
7　Steiner M D,Cars on D E .Large,light w eight dep l oyable antenna .Earth Science Enter p rice Technol ogy Planning Work 2
shop 123～24,January 2001
作者简介
马小飞　1980年生,工程师
/硕士。

主要研究方向:卫星天线及星载电子设备的结构设计。

宋燕平　1963年生,研究员
/硕士。

主要研究方向:卫星天线及星载电子设备的结构设计。

韦娟芳　1964年生,研究员
/博士。

主要研究方向:卫星天线结构分析与仿真技术。

宋剑鸣　1938年生,研究员/大本。

主要研究方向:卫星天线设计与制造。

柏宏武　1980年生,硕士研究生。

主要研究方向:卫星天线及星载电子设备的结构设计。

512006年第3期 马小飞等:充气式空间可展开天线结构概述。