鄭士昆 冀有志 崔兆云 方永剛 周麗萍

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 西安 710100)

1 引言

環(huán)境一號(hào) C星是我國環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座的一顆雷達(dá)星，具有全天候、全天時(shí)觀測(cè)能力，對(duì)我國大尺度水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、環(huán)境監(jiān)管以及突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急響應(yīng)的監(jiān)測(cè)發(fā)揮了重要作用，是我國第1顆集中式SAR體制衛(wèi)星，對(duì)我國微波遙感應(yīng)用總體技術(shù)水平的提升起到重要的推動(dòng)作用。

環(huán)境一號(hào)C星采用的SAR天線是網(wǎng)狀拋物面天線，是國際上主要3種星載SAR天線形式之一，相對(duì)微帶平面天線陣和波導(dǎo)縫隙陣天線具有收攏體積小、重量輕、容易實(shí)現(xiàn)多波束、多極化的特點(diǎn)[1,2]。天線采用了構(gòu)架式可展開拋物面天線和多波束饋源技術(shù)方案，是我國首個(gè)在軌飛行驗(yàn)證的構(gòu)架式可展開天線，也是目前我國在軌最大的網(wǎng)狀拋物面天線。

本文介紹了環(huán)境一號(hào)C星SAR天線的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電性能仿真分析、力學(xué)分析及熱分析內(nèi)容。

2 SAR天線總體設(shè)計(jì)

環(huán)境一號(hào)C星SAR天線安裝于衛(wèi)星平臺(tái)頂部，主要包括反射器組件、饋源組件、展開組件(展開臂、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、饋源展開機(jī)構(gòu)、壓緊釋放裝置、第4支撐結(jié)構(gòu))組成。衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道后，第4支撐、饋源解鎖機(jī)構(gòu)、反射器底部解鎖機(jī)構(gòu)以及反射器包帶分別解鎖，天線按照預(yù)定展開動(dòng)作實(shí)現(xiàn)展開，天線星上收攏和展開狀態(tài)如圖1所示。

SAR天線在軌通過多波束饋源輻射拋物面形成9個(gè)條帶波束，多波束饋源由輻射饋源陣、高頻電纜組件、大功率電子開關(guān)、功分網(wǎng)絡(luò)、波導(dǎo)組件、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，通過大功率電子開關(guān)電控切換還可以形成SanSAR波束，滿足衛(wèi)星寬幅測(cè)繪的需求。相鄰4個(gè)饋源形成1個(gè)波束，12個(gè)饋源由下而上依次共形成9個(gè)波束，通過大功率電子開關(guān)進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)原理及天線波束工作模式如圖2所示。

圖1 SAR天線子系統(tǒng)在軌收攏和展開狀態(tài)Fig.1 On-orbit folded and deployed states of SAR antenna subsystem

圖2 SAR天線波束形成原理示意圖Fig.2 Forming principle diagram of SAR antenna beam

3 SAR天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境一號(hào)C星SAR天線是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在軌展開步驟多，空間運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，按照天線在軌展開順序包括4步展開動(dòng)作：第4支撐桿展開鎖定、饋源展開鎖定、天線展開臂展開、構(gòu)架反射器展開，各個(gè)展開過程如圖3所示。

第4支撐展開和饋源展開是天線在軌展開序列的前兩步，采用彈簧展開鉸鏈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。彈簧展開鉸鏈由單個(gè)渦卷彈簧便可實(shí)現(xiàn)展開功能，但采用冗余備份設(shè)計(jì)，在每個(gè)鉸鏈安裝了兩個(gè)渦卷彈簧；此外，在加工生產(chǎn)方面對(duì)渦卷彈簧進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，對(duì)渦卷彈簧的表面質(zhì)量、物理外觀尺寸、力矩特性等進(jìn)行強(qiáng)制檢驗(yàn)，以保證渦卷彈簧的加工制造精度；同時(shí)，渦卷彈簧表面噴涂MoS2固體涂層，防止渦卷彈簧空間冷焊。

天線展開臂展開是天線在軌展開的第3步，依靠電動(dòng)展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)展開機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、角度傳感器、諧波減速器及機(jī)構(gòu)支架等組成，電機(jī)采用繞組備份的形式實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高了部件可靠性?？臻g電動(dòng)展開可靠性同樣受加工及裝配精度影響，此外，機(jī)構(gòu)的零部件尺寸精度及裝配精度還決定了機(jī)構(gòu)的展開精度及重復(fù)精度，故對(duì)電機(jī)傳動(dòng)軸系尺寸進(jìn)行了強(qiáng)制檢驗(yàn)，并要求控制關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)的裝配間隙，要求在機(jī)構(gòu)裝配完畢后經(jīng)過跑合、精度測(cè)試及環(huán)境試驗(yàn)后才能裝入天線分系統(tǒng)。

構(gòu)架反射器展開是天線在軌展開序列的第4步動(dòng)作，而構(gòu)架展開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更是SAR天線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。構(gòu)架可展開結(jié)構(gòu)有多種單元形式[3－5]，環(huán)境一號(hào)C星SAR天線反射器采用四面體構(gòu)架單元的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)單元由 3根腹桿、3根折疊桿、節(jié)點(diǎn)及扭簧驅(qū)動(dòng)部件組成，依靠自身彈簧部件驅(qū)動(dòng)展開，其工作原理如圖4所示。通過四面體構(gòu)架單元幾何拓?fù)湓O(shè)計(jì)形成SAR天線需要的反射器型面，構(gòu)架反射器安裝表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的反射傳輸。

構(gòu)架反射器的幾何拓?fù)湓O(shè)計(jì)采用了以型面精度為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[6,7]，通過天線6×2.8 m展開口徑和優(yōu)于3 mm型面精度的設(shè)計(jì)要求，首先可確定構(gòu)架反射器正面桿件的初始拓?fù)溟L度。根據(jù)構(gòu)架天線型面精度控制的近似公式：

求解估算桿件長度為：

將構(gòu)架單元節(jié)點(diǎn)a,b,c,d,e坐標(biāo)與目標(biāo)反射器拋物面方程聯(lián)立可得：

聯(lián)立式(2)-式(4)，可得非線性方程組：

即

圖3 SAR天線在軌展開過程Fig.3 SAR antenna on-orbit deployed process

圖4 構(gòu)架單元工作原理及組成Fig.4 Working principle and composition of truss unit

通過求解上述非線性方程組可以得到構(gòu)架反射器正面節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)及腹桿長度。進(jìn)一步，通過正四面體單元設(shè)計(jì)原理，可以解算出反射器背面節(jié)點(diǎn)的空間位置，最終確定整個(gè)構(gòu)架反射器的空間幾何位置，其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D5所示。

4 SAR天線電性能仿真

構(gòu)架式反射器由多個(gè)三角形近似擬合拋物面形成反射器網(wǎng)面，若以標(biāo)準(zhǔn)拋物面進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，其仿真結(jié)果與實(shí)際天線性能差別較大[8]，因此仿真過程中要對(duì)構(gòu)架反射器的實(shí)際三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，同時(shí)還需考慮天線展開臂、衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)天線視場(chǎng)內(nèi)的遮擋，圖6給出了反射器仿真模型及SAR天線9個(gè)波束方位向方向圖，中心波束距離向方向圖及方位向、距離向交叉極化仿真結(jié)果。

圖5 構(gòu)架反射器幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Geometry topology of truss deployable reflector

通過SAR天線電氣仿真結(jié)果可見，天線波束設(shè)計(jì)的增益、波束寬度、夾角、距離向副瓣電平、極化純度均滿足設(shè)計(jì)要求，如表1所示，且與國外同類型產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)。

5 SAR天線力學(xué)性能分析

環(huán)境一號(hào)C星SAR天線采用了構(gòu)架式可展開網(wǎng)狀天線，構(gòu)型復(fù)雜，機(jī)構(gòu)類運(yùn)動(dòng)部件多，在天線力學(xué)分析方面的難點(diǎn)如下：

(1) 構(gòu)架式可展開反射器由上千個(gè)活動(dòng)部件組成，反射器局部模態(tài)低，如何設(shè)置合理的彈簧單元阻尼對(duì)天線整體模態(tài)分析至關(guān)重要；

表1 天線電氣性能符合表Tab.1 Antenna electrical properties table

圖6 SAR天線電氣性能仿真結(jié)果Fig.6 Electrical performance simulation results of SAR antenna

(2) SAR天線安裝于衛(wèi)星平臺(tái)頂部，力學(xué)環(huán)境相對(duì)苛刻，天線X向頻率與衛(wèi)星接近，因此，需優(yōu)化第4支撐結(jié)構(gòu)方案，避免天線與衛(wèi)星頻率耦合；

(3) SAR天線構(gòu)架反射器展開狀態(tài)與衛(wèi)星太陽帆板的動(dòng)力學(xué)耦合分析。

結(jié)合SAR天線工程研制情況，根據(jù)實(shí)測(cè)的構(gòu)架反射器的收攏、展開剛度，通過調(diào)整各活動(dòng)部件的連接剛度，實(shí)現(xiàn)有限元模型的簡(jiǎn)化及修整，在天線第4支撐剛度強(qiáng)度分析及展開狀態(tài)反射器與衛(wèi)星太陽帆板動(dòng)力學(xué)耦合分析過程中考慮了大型柔性可展開幾何非線性問題。

根據(jù)仿真計(jì)算，可獲得HJ-1-C衛(wèi)星SAR天線主要模態(tài)及振型，如表2和圖7所示，分析確定，最終設(shè)計(jì)方案可滿足系統(tǒng)要求。

表2 SAR天線主要模態(tài)固有頻率及振型描述Tab.2 Main modal natural frequency and vibration mode of SAR antenna

圖7 SAR天線主要模態(tài)振型Fig.7 Main modal vibration mode of SAR antenna

6 SAR天線熱分析

環(huán)境一號(hào)C星是太陽同步軌道衛(wèi)星，在衛(wèi)星壽命期內(nèi)，軌道b角變化范圍大，天線表面外熱流復(fù)雜，又由于 SAR天線采用的構(gòu)架式可展反射器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的有限元處理增加了SAR天線極端工況選取的難度。針對(duì)SAR天線熱分析的技術(shù)難點(diǎn)，建立了熱分析模型如圖8所示，結(jié)合工程實(shí)際工作狀態(tài)對(duì)有限元模型進(jìn)行了假設(shè)簡(jiǎn)化，給出了天線高溫、低溫工況下的計(jì)算結(jié)果(如表 3所示)，分析結(jié)果對(duì)天線溫控及饋源部件散熱方案確定提供了有效保障。

進(jìn)一步，根據(jù)在軌溫度，可計(jì)算反射器桁架的熱變形，熱變形分析結(jié)果見表4。由分析可見，反射器桁架熱變形很小，對(duì)天線波束指向影響可以忽略。

圖8 SAR天線熱分析模型Fig.8 Thermal analysis model of SAR antenna

表3 SAR天線在軌熱分析結(jié)果Tab.3 On-orbit thermal analysis result of SAR antenna

表4 反射器桁架熱變形計(jì)算值Tab.4 Thermal deformation calculated results of reflector truss

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