萬小平，楊粉莉，楊軍剛

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，世界各航天強(qiáng)國針對大型可展開天線的需求，紛紛發(fā)展了形式各樣的大型可展開天線。而對于高收納比的空間大型可展開高精度天線，更是由于其在空間中繼、降雨雷達(dá)、微波武器及深空探測測控通信中特殊應(yīng)用，加之其研制難度巨大，目前只有少數(shù)幾個國家成功研制，因而成為衡量一個航天大國宇航能力的標(biāo)尺之一。

本文簡要介紹了世界各航天國家的大型可展開高精度天線研制情況，從而了解大型可展開高精度天線在空間的應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合我國宇航事業(yè)對空間大型可展開高精度天線的需求，對我國的大型可展開高精度天線的發(fā)展提出了建議。

1 國外大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，據(jù)公開資料顯示僅美國、日本、俄羅斯成功研制了5米以上高精度可展開天線，以下分別敘述。

1.1 美國大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀

美國發(fā)展大型可展開高精度天線的公司主要有HARISS及ASTROMESH兩家，其中HARISS公司發(fā)展的大型可展開高精度天線以傘狀可展開天線為基礎(chǔ)，而ASTROMESH則以環(huán)形可展開天線為基礎(chǔ)。

HARRIS成功研制了口徑為3.5～9米的高精度網(wǎng)面可展開天線[1](見圖1)，該天線采用傘狀可展開結(jié)構(gòu)，主要由索網(wǎng)系統(tǒng)、天線肋及金屬反射網(wǎng)等組成，工作頻率為Ka頻段，型面精度為：0.3mm，它是目前世界上已成功研制型面精度最高的網(wǎng)狀可展開天線。

圖1 美國HARISS公司3.5～9米高精度網(wǎng)狀天線Fig.1 3.5～9m high-precision mesh antenna from HARISS,USA

另外，Harris公司結(jié)合網(wǎng)狀天線與膜面天線的特點(diǎn)，成功研制出了高精度柔性膜面可展開天線[1](見圖2)，最高工作頻率：90GHz，是目前已經(jīng)成功研制的型面精度最高的大型可展開天線。

圖2 美國Harris公司研制的柔性膜面可展開天線Fig.2 Flexible membrane surface deployable antenna developed by Harris Corporation

Harris公司采用CFRS材料研制可展開無反枕效應(yīng)薄膜反射器。這種反射器的反射面采用碳纖維復(fù)合材料薄膜，折疊成傘狀。若尺寸較大可折疊成兩折或多折。在折疊處具有很大的應(yīng)變，這是一般的碳纖維復(fù)合材料所不能承受的。新的設(shè)計(jì)方案是在應(yīng)變較大的部位的反射面的背面設(shè)置一些采用CTD公司研發(fā)的TEMBO?材料制作的背部加強(qiáng)件。TEMBO?材料是一種彈性記憶復(fù)合材料(EMC)，用這種材料制作成反射面的背部加強(qiáng)件粘接在反射面的背面。反射器折疊時將加強(qiáng)件加熱到EMC的玻璃轉(zhuǎn)換溫度以上，折疊后冷卻，反射器保持折疊狀態(tài)。展開時將加強(qiáng)件加熱到恢復(fù)溫度，反射器恢復(fù)成工作狀態(tài)。由于在折疊處采用了EMC加強(qiáng)件，這就大大增強(qiáng)了反射器折疊處的可折疊性能，使反射器的折疊處能承受很大的應(yīng)變。

Harris公司研制這種薄膜反射器是為了未來深空中繼站的25m中繼天線[2～4]。這一天線將工作于Ka頻段或更高，因此，這種反射器的研究目標(biāo)是工作于40GHz及以上的大型可展開天線。為驗(yàn)證這一概念，Harris公司研制了0.9m的原理樣機(jī)，如圖3所示。

(a)Packaged (b)Deployed圖3 薄膜反射器0.9m原理樣機(jī)Fig.3 Prototype of 0.9m film reflector

圖4是兩折反射器的設(shè)計(jì)方案，圖5是4折反射器的設(shè)計(jì)方案。4折反射器方案是為25m天線研究的方案。

圖4 兩折傘狀反射器設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of two-fold umbrella reflector

圖5 25m天線反射器的折疊方案Fig.5 Folding scheme of 25m antenna reflector

美國的Astro aerospace公司針對高頻段大型網(wǎng)狀天線的需求，對環(huán)形反射器[5]進(jìn)行了改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)6米天線型面精度0.192mm(RMS)，結(jié)構(gòu)如圖6所示，12.5米天線型面精度0.245mm(RMS)。為了驗(yàn)證該反射器在高/低溫下的型面變化情況，在真空罐中對該反射器在-170°～+80°采用攝影測量法進(jìn)行了型面測量。

圖6 6米高精度環(huán)形反射器Fig.6 6-meter high-precision ring reflector

為了滿足同步軌道降雨雷達(dá)及深空探測測控通信的對大型可展開高精度天線的需求，美國公司將網(wǎng)狀天線和薄膜天線的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，發(fā)明了一種基于靜電吸附原理、網(wǎng)面為薄膜的環(huán)形可展開天線。網(wǎng)面系統(tǒng)由主網(wǎng)面和副網(wǎng)面兩部分組成，在主副兩個網(wǎng)面上布置正、負(fù)電極。通過加在電極和薄膜之間的電壓，向電極方向吸引薄膜，可以在軌(環(huán)境溫度變化時)自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)反射面天線的型面。靜電控制可展開網(wǎng)狀薄膜天線結(jié)構(gòu)如圖7所示，天線具有輕重量、支持在軌控制、封裝效率高、在軌熱效應(yīng)引起的在軌形狀誤差即時矯正等優(yōu)點(diǎn)?？烧归_網(wǎng)狀薄膜天線通過靜電力的靈活控制，使薄膜偏離理想結(jié)構(gòu)達(dá)到最小。為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)，其研制了5米樣機(jī)。

圖7 網(wǎng)面為薄膜的環(huán)形可展開天線結(jié)構(gòu)Fig.7 Loop expandable antenna structure with thin film mesh

如上圖所示，該天線反射面采用金屬化的聚合物薄膜做成球面形狀，反射面的支撐結(jié)構(gòu)采用Aostromesh公司的環(huán)形構(gòu)架式網(wǎng)狀展開天線的支撐結(jié)構(gòu)。環(huán)形構(gòu)架式網(wǎng)狀展開天線是經(jīng)過多次飛行考驗(yàn)的可靠的可展開支撐結(jié)構(gòu)。它主要由可展開的環(huán)形桁架、上索網(wǎng)、下索網(wǎng)以及調(diào)整帶組成。它不但是反射面的良好的支撐結(jié)構(gòu)，也是主動控制反射面型面精度的驅(qū)動器的良好支撐結(jié)構(gòu)。用作反射面的聚合物薄膜是用SRS技術(shù)公司研發(fā)的一種大尺寸溶解鑄造法(Solution Casting Method)加工成球面的薄膜。在反射面上涂有一層金屬反射層。用這些金屬化的球面薄膜粘結(jié)成所需要的球形反射面，反射器的展開與收攏與環(huán)形構(gòu)架網(wǎng)狀天線反射器的展開與收攏是一樣的。

1.2 日本大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀

日本針對空間VLBI對大型可展開高精度天線的需求，研制了大型網(wǎng)狀高精度天線，詳述如下。其第一代VLBI[6](即VSOP-1)在1997年發(fā)射開始運(yùn)行，其分辨率達(dá)到0.01毫角秒。該衛(wèi)星上安裝的1副口徑為8米網(wǎng)狀可展開天線(圖8)，采用了正饋卡塞格倫雙反天線，其中可展開主反射器型面RMS值達(dá)到0.82mm(該值是考慮在軌熱變形后的最終值)，是目前在軌運(yùn)行的8米以上網(wǎng)狀反射器中型面精度最高的天線。

圖8 日本HALCA衛(wèi)星上口徑8米的可展開反射器Fig.8 A deployable reflector with an aperture of 8 meters on the Japanese HALCA satellite

該天線發(fā)射前后效率測試值如表1[7]所示。從表中可以看到，在L和C頻段在軌測試值僅比地面測試值降低1dB左右，但在Ka頻段就降低了24.2dB，導(dǎo)致其無法正常使用。

表1 HALCA衛(wèi)星8米大型可展開高精度天線發(fā)射前后效率測試結(jié)果Table 1 Efficiency test results of HALCA satellite 8-meter large deployable high-precision antenna before and after launch Comparison of the Antenna Efficiencies Before and Afer Launch

日本正在研制的第二代VLBI衛(wèi)星[6](VSOP-2)上，采用9.56米的天線。該天線采用了偏饋卡塞格倫雙反天線，天線結(jié)構(gòu)形式繼承了ETS-VIII衛(wèi)星的天線結(jié)構(gòu)，其在衛(wèi)星上的布局如圖9所示。

圖9 日本VSOP-2衛(wèi)星高精度天線方案Fig.9 High-precision antenna solution for Japan's VSOP-2 satellite

如上圖所示，其主反射器型面精度要求：0.4mm，天線的波束指向精度優(yōu)于：0.005°。為保證波束指向精度，副反與主反射器分別采用了1臺高精度指向機(jī)構(gòu)用于對天線的指向精度進(jìn)行在軌微調(diào)。該衛(wèi)星原計(jì)劃2012年發(fā)射，且9.56米天線的型面精度只能達(dá)到1mm，無法滿足預(yù)期要求，據(jù)報(bào)道目前該項(xiàng)目已經(jīng)停止。

另外為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，研制了4.8米原型樣機(jī)[6](見圖10)，型面精度達(dá)到了0.2mm(RMS)。

圖10 日本4.8米可展開反射器Fig.10 Japan 4.8m deployable reflector

1.3 俄羅斯大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀

以俄羅斯為主導(dǎo)研制RadioAstron衛(wèi)星于2011年發(fā)射，該衛(wèi)星上安裝了10米的高精度射電望遠(yuǎn)鏡反射器[8](見圖11)。該天線采用了固面可展開形式，最高工作頻率：25GHz，型面精度：0.5mm，重量：1500Kg。

圖11 俄羅斯RadioAstron的10米可展開固面天線Fig.11 The 10-meter deployable solid surface antenna of RadioAstron,Russia

根據(jù)其在軌性能測試結(jié)果，在25GHz時天線的效率僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的30%左右，據(jù)他們分析可能是由于熱變形導(dǎo)致型面精度無法滿足要求，從而引起了天線的效率下降。

另外，針對第二代空間VLBI對大型可展開高精度天線的需求，俄羅斯與歐洲合作的空間觀測項(xiàng)目Millimetron[9](planned launch in 2017)空間射電望遠(yuǎn)鏡采用了口徑為12米天線(見圖12)，工作在毫米波頻段、亞毫米波頻段甚至遠(yuǎn)紅外頻段，用于通過對宇宙空間的觀測研究恒星、行星與銀河系的形成與演化，甚至通過應(yīng)用甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI)來實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，以探索包括黑洞在內(nèi)的宇宙超緊密輻射源，其天線的配置如表2所示。

圖12 俄羅斯空間亞毫米波口徑為12m大型可展開高精度天線展開過程Fig.12 The deployment process of a large deployable high-precision antenna with a diameter of 12m in Russian space submillimeter wave

表2 天線配置與性能Table 2 Antenna configuration and performance

該天線為典型的正饋卡塞格倫式雙反射面系統(tǒng)，如圖3-7所示。由于對天線自身低溫(≤50 K)的要求，應(yīng)用了特殊的熱屏(無源輻射冷卻)措施。天線結(jié)構(gòu)采用固面與展開結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，中心高形面精度固面口徑為3.5m，周圍為翼瓣，結(jié)構(gòu)長為4.3m，與中心固面邊沿機(jī)械連接，展開后形面精度可以達(dá)到10μm，其具體的結(jié)構(gòu)配置見圖12，反射器材料選用金屬(金)反射鏡涂層得C-C或Si-C。為了實(shí)現(xiàn)所要求的形面精度，包括翼瓣支撐結(jié)構(gòu)中的機(jī)構(gòu)、有源反射面單元與主反形面測試系統(tǒng)等的有源反射面控制系統(tǒng)得到了應(yīng)用，以補(bǔ)償由于展開翼瓣位置誤差和由于溫度導(dǎo)致的形面變化。在副反射支撐結(jié)構(gòu)中也用到了機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)通過調(diào)整副反位置進(jìn)行再聚焦。

圖13 12米亞毫米波天線結(jié)構(gòu)配置Figure 13 12m submillimeter wave antenna structure configuration

為了消除來自太陽、地球、月球以及飛行器自身的熱載荷影響，對主、副面采用了可展開式多層熱屏圓錐鋪設(shè)設(shè)計(jì)，共3個：第一個熱屏口徑為30-35m，第二個熱屏口徑為20-25m，第三個熱屏口徑為13-15m。熱屏為類似Kapton的金屬化薄膜。第一個熱屏為雙層結(jié)構(gòu)，每層薄膜進(jìn)行了雙面金屬化處理，初步的熱模型分析認(rèn)為有以下的平均溫度分布：第一個熱屏的第一層溫度低于350K, 第二層溫度低于250K；第二個熱屏溫度低于150K；第三個熱屏溫度低于50K。

2 國內(nèi)大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀

我國在大型可展開網(wǎng)狀天線的研制起步較晚，國內(nèi)目前從事可展天線理論與試驗(yàn)研究的單位主要有中國空間技術(shù)研究院西安分院、中電39所、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)，天津大學(xué)，北京理工大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等單位。其中中國空間技術(shù)研究院西安分院經(jīng)過多年的努力，成功研制了徑向肋傘狀可展開高精度天線，型面精度小于0.40mm，最高可工作于Ka頻段，結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 西安分院研制高精度傘狀天線Figure 14 The high-precision umbrella antenna developed by CAST Xi’an

另外，針對我國空間VLBI對大型可展開天線的需求，國內(nèi)相關(guān)單位正組織力量對口徑為10m的大型可展開高精度天線進(jìn)行攻關(guān)研制，最高工作頻率為46GHz，型面精度要求0.4mm。其中中國空間技術(shù)研究院西安分院提出了固網(wǎng)結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 西安分院研制的10米固網(wǎng)結(jié)合高精度網(wǎng)狀天線Figure 15 The 10-meter solid combined with high- precision meshsurface antenna developed by CAST Xi’an

3 發(fā)展趨勢及建議

隨著空間探測及對地觀測等宇航事業(yè)的發(fā)展，大型可展開高精度天線的需求日益增多，美國、日本、俄羅斯都在不宜余力的發(fā)展并取得了豐碩的成果，而我國在這方面的起步較晚，差距巨大。目前難以滿足我國空間VLBI、深空探測、對地觀測等任務(wù)的需求，并日益成為制約某些任務(wù)發(fā)展的瓶頸，因此我們應(yīng)借機(jī)盡早開展這方面的研究。

在大型可展開高精度天線結(jié)構(gòu)形式方面，俄羅斯基于其特殊的國情，發(fā)展了固面高精度可展開天線并成功應(yīng)用，而美國與日本則采用了網(wǎng)狀(膜狀)可展開天線，目前9米左右的可展開天線最高工作頻率能夠做到90GHz。結(jié)合目前國內(nèi)的大型可展開高精度天線發(fā)展現(xiàn)狀，建議在國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)上發(fā)展網(wǎng)狀可展開高精度天線。

根據(jù)日本VSOP-1及俄羅斯RADIOASTRON大型可展開高精度天線在軌效率測試結(jié)果，其在高頻的效率均下降較多，該現(xiàn)象應(yīng)該引起我們重視。在發(fā)展大型可展開高精度天線過程中，天線型面精度地面測試值與入軌后天線的真實(shí)型面之間的關(guān)聯(lián)性、型面的空間穩(wěn)定性需要特別引起關(guān)注，避免重蹈日本及俄羅斯的覆轍。

結(jié)合我國深空探測需求，針對深空探測重量、體積及低功耗的特殊要求，采用新型智能材料研制大型高收納比可展開高精度天線是趨勢之一。另外，對于超高頻率的應(yīng)用場合，為保證天線型面的在軌穩(wěn)定性，天線型面的在軌主動控制成為一種趨勢，應(yīng)該盡早開展上述兩方面的應(yīng)用研究。