崔玉龍，白海龍，張立軍，張 碩，劉興隆

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

機(jī)載設(shè)備對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有較高的要求，尤其在重量、功耗等指標(biāo)。無(wú)人機(jī)更是朝著高空、長(zhǎng)航時(shí)的方向快速發(fā)展。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是近年來(lái)興起的新型無(wú)人機(jī)平臺(tái)，其飛行高度可達(dá)到2萬(wàn)米，續(xù)航時(shí)間可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百小時(shí)[1-2]。由于平臺(tái)的特殊性，對(duì)測(cè)控鏈路的機(jī)載天線(xiàn)也提出了新的要求。與目前無(wú)人機(jī)天線(xiàn)的工作環(huán)境相比，主要變化有工作溫度范圍增加到-83℃～+70℃，工作氣壓為1.2kPa(約0.01大氣壓)。天線(xiàn)的重量和功耗卻要大幅度降低，機(jī)載天線(xiàn)的重量只能是幾公斤，功耗幾十瓦的量級(jí)。

國(guó)外已有天線(xiàn)反射面和座架均為復(fù)合材料的衛(wèi)通天線(xiàn)，有效的減輕了天線(xiàn)整體重量，在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上有較好的應(yīng)用前景。當(dāng)前國(guó)內(nèi)尚無(wú)廠(chǎng)家研發(fā)基于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)平臺(tái)的輕量化低功耗機(jī)載天線(xiàn)，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)機(jī)載天線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路在重量和功耗上均無(wú)法滿(mǎn)足太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)平臺(tái)的要求，所以需要提出針對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)平臺(tái)的機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)方案，解決目前機(jī)載天線(xiàn)重量和功耗無(wú)法滿(mǎn)足載機(jī)平臺(tái)的問(wèn)題。

本研究采用新的技術(shù)、材料和工藝，設(shè)計(jì)一款輕量化、低功耗的機(jī)載天線(xiàn)。其天線(xiàn)主要結(jié)構(gòu)部件采用復(fù)合材料工藝及加工手段，驗(yàn)證了在機(jī)載結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性；采用質(zhì)心平衡、低功率驅(qū)動(dòng)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)跟蹤性能；完成了天線(xiàn)樣機(jī)高低溫工作、振動(dòng)、沖擊等環(huán)境試驗(yàn)。

1 天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輕量化、低功耗機(jī)載天線(xiàn)旨在研究機(jī)載天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)重量更輕、功耗更低的技術(shù)途徑及技術(shù)方案，并可推廣到其他機(jī)載天線(xiàn)。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)初步總體方案為Ka頻段等效0.45m拋物面天線(xiàn)。

天線(xiàn)屬于艙外設(shè)備，工作溫度為-83℃～+70℃，相對(duì)有環(huán)控系統(tǒng)的艙內(nèi)，其低溫環(huán)境相當(dāng)惡劣。綜合考慮天線(xiàn)元器件低溫選型和輕量化低功耗要求，天線(xiàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)原理框圖

位于艙外的天線(xiàn)由反射面、饋源網(wǎng)絡(luò)、天線(xiàn)座架、方位俯仰驅(qū)動(dòng)裝置組成。將傳統(tǒng)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)組成中的天線(xiàn)控制單元、電源模塊、組合導(dǎo)航、信道設(shè)備等從天線(xiàn)座架上分離，安裝于艙內(nèi)。這些組成單元可以進(jìn)一步可以和衛(wèi)通終端集成設(shè)計(jì)，天線(xiàn)控制單元、BDC等作為終端的一個(gè)功能板卡，統(tǒng)一安裝于終端機(jī)箱內(nèi)[4]。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)極大的簡(jiǎn)化了天線(xiàn)座架上的載荷，從而天線(xiàn)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)能夠更容易實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的自平衡狀態(tài)，減小了天線(xiàn)重量和偏心載荷。在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上由于載荷的減小，可以直接帶來(lái)驅(qū)動(dòng)功率的降低。

基于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路，天線(xiàn)采用賦形拋物面結(jié)合帽子饋源的天線(xiàn)型式、方位俯仰型座架結(jié)構(gòu)。天線(xiàn)反射面和座架采用碳纖維夾層的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，由于天線(xiàn)反射面的負(fù)載減小，所以采用反射面和座架直接連接的方式。U型架采用小跨距、大倒角的結(jié)構(gòu)外形，既能夠減輕重量同時(shí)也能夠增加結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)上，天線(xiàn)反射體重心設(shè)計(jì)在俯仰軸線(xiàn)上，固俯仰軸能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡；俯仰軸和方位軸在空間相交，保重天線(xiàn)反射體相對(duì)方位軸沒(méi)有偏心載荷，小跨距的U型架能夠?qū)⑻炀€(xiàn)座架中心相對(duì)于方位軸的偏心載荷控制到最小。能夠?qū)⑻炀€(xiàn)自身的慣性載荷和偏心載荷減少到最小。

2 天線(xiàn)負(fù)載計(jì)算

天線(xiàn)載荷主要來(lái)源有天線(xiàn)自身的慣性載荷、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的偏心載荷和摩擦載荷。慣性載荷和偏心載荷均和天線(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有直接關(guān)系，同時(shí)慣性載荷和偏心載荷也會(huì)直接影響方位俯仰驅(qū)動(dòng)鏈的摩擦載荷[5]。由上節(jié)天線(xiàn)系統(tǒng)方案中對(duì)慣性載荷和偏心載荷的論述可知，兩個(gè)載荷控制到最小的情況下，其對(duì)摩擦載荷的影響也最小。但在實(shí)際工程中天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件在低溫情況下的摩擦力矩不是很清楚，往往直接導(dǎo)致電機(jī)選型過(guò)大，所以有必要對(duì)天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件在低溫情況下的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量。

通過(guò)對(duì)軸承、滑環(huán)、關(guān)節(jié)的測(cè)試，在-70℃的情況下，以上總的摩擦力矩均小于0.5N·m，遠(yuǎn)小于輸出力矩為7N·m的20W常用電機(jī)，電機(jī)選型往往遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)需求，所以低溫摩擦力矩試驗(yàn)可以有力支撐傳動(dòng)鏈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而大幅降低天線(xiàn)功耗。下面根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行載荷計(jì)算，確定電機(jī)選型。

2.1 慣性載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)模型，方位軸總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約Ja=0.3kg·m2，俯仰軸總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約Je=0.06kg·m2；兩個(gè)轉(zhuǎn)軸最大速度和最大角加速度如下：

最大速度Ω=80(°)/s=1.4rad/ s；

最大加速度ε1=80(°)/s2=1.4rad/s2；

則方位軸的慣性力矩Ma1=Ja×ε1=0.3×1.4=0.42N·m；

俯仰軸的慣性力矩Me1=Je×ε1=0.06×1.4=0.084N·m。

2.2 摩擦載荷

摩擦載荷主要來(lái)自于軸承、滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、齒輪等轉(zhuǎn)動(dòng)器件的摩擦力矩，考慮到在-83℃低溫工作條件下，各旋轉(zhuǎn)器件的啟動(dòng)力矩相比-70℃會(huì)有所增加，結(jié)合實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)，摩擦載荷取Ma2=1.5N·m，Me2=1N·m。

2.3 偏心載荷

方位軸：方位軸偏心力臂最長(zhǎng)為13mm，方位軸偏心重量約為3.3kg，則偏心力矩Ma3=0.43N·m。

俯仰軸：天線(xiàn)俯仰軸載荷與俯仰軸線(xiàn)重合，所以俯仰偏心力矩Me3=0N·m。

因此，方位軸總的負(fù)載力矩為：

Ma=Ma1+Ma2+Ma3=0.42+1.5+0.43=2.35N·m

俯仰軸總的負(fù)載力矩為：

Me=Me1+Me2+Me3=0.084+1+0=1.1N·m

2.4 電機(jī)選型

根據(jù)總的負(fù)載力矩和最大角速度可計(jì)算所需電機(jī)的功率：

經(jīng)計(jì)算方位軸所需電機(jī)功率是三個(gè)轉(zhuǎn)軸中最大的約為3.3W，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及通用化模塊化的考慮，方位軸和俯仰軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合選用直流伺服電機(jī)，型號(hào)為2232U024SR。其中電機(jī)額定功率為8.68W，額定扭矩0.01Nm，額定轉(zhuǎn)速7100rpm；減速器26/1S減速比66，最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩0.66N·m；方位軸傳動(dòng)鏈末級(jí)減速比為8，俯仰軸傳動(dòng)鏈末級(jí)減速比為5.4。由上述計(jì)算可知所選電機(jī)能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速要求，且實(shí)際工作功率要小于額定功率。

3 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定了天線(xiàn)整體方案后，對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，天線(xiàn)U型架設(shè)計(jì)如圖2所示[6]，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)效果見(jiàn)圖3，天線(xiàn)的俯仰運(yùn)動(dòng)范圍為10°～90°。天線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了力學(xué)分析與優(yōu)化，將天線(xiàn)反射面和U型架不斷優(yōu)化，在滿(mǎn)足振動(dòng)沖擊條件下，重量減少到最輕。

圖2 復(fù)合材料U型架圖紙圖

圖3 天線(xiàn)整體設(shè)計(jì)效果圖

天線(xiàn)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)為Φ490mm×h370mm，重量為5kg，對(duì)比原0.45m Ka天線(xiàn)占用空間為Φ600mm×h430mm，重量為10kg，較原天線(xiàn)包絡(luò)空間和重量都大幅降低。

3.2 力學(xué)仿真分析

對(duì)最終設(shè)計(jì)的天線(xiàn)進(jìn)行了力學(xué)分析，天線(xiàn)模態(tài)分析的前三階模態(tài)諧振頻率值見(jiàn)表1，前三階模態(tài)振型圖見(jiàn)圖4。

表1 天線(xiàn)固有頻率

圖4 天線(xiàn)模態(tài)振型圖

三個(gè)方向振動(dòng)載荷作用下天線(xiàn)各部件最大應(yīng)力見(jiàn)表2，圖5為天線(xiàn)在振動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力云圖。

表2 隨機(jī)振動(dòng)條件下的最大應(yīng)力

圖5 天線(xiàn)振動(dòng)應(yīng)力云圖

三個(gè)方向沖擊載荷作用下天線(xiàn)整體最大應(yīng)力見(jiàn)表3，天線(xiàn)在沖擊載荷作用下的整體應(yīng)力云圖如圖6所示。

表3 沖擊條件下的最大應(yīng)力

圖6 天線(xiàn)沖擊應(yīng)力云圖

由上述仿真分析結(jié)果可知，天線(xiàn)整體具有較高的剛度，在隨機(jī)振動(dòng)沖擊條件下最大應(yīng)力值較小，均小于材料的許用應(yīng)力，能夠適應(yīng)機(jī)載的振動(dòng)沖擊環(huán)境。

4天線(xiàn)樣機(jī)驗(yàn)證

對(duì)天線(xiàn)樣機(jī)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)(高低溫工作、振動(dòng)、沖擊)和跟蹤搖擺對(duì)星試驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功耗值。

圖7 功能振動(dòng)試驗(yàn)譜

(1)高低溫工作。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了高低溫工作試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件-83℃～+70℃，保持時(shí)間4h，天線(xiàn)測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)正常，測(cè)試電壓為DC28V，啟動(dòng)最大電流為0.3A，功耗為8.4W。

(2)振動(dòng)沖擊。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功能振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)譜見(jiàn)圖7，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)每個(gè)軸向1h， 沖擊條件見(jiàn)表4。試驗(yàn)后測(cè)試，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)完好，轉(zhuǎn)動(dòng)正常。

表4 沖擊試驗(yàn)條件

(3)搖擺試驗(yàn)。將樣機(jī)固定在搖擺臺(tái)上進(jìn)行對(duì)星跟蹤搖擺試驗(yàn)，搖擺條件為三軸幅度10°，周期5s，天線(xiàn)跟蹤精度和原天線(xiàn)相當(dāng)滿(mǎn)足≤0.4°的要求，穩(wěn)定跟蹤后電壓為DC28V，電流為0.8A，功耗為22.4W。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前的機(jī)載0.45m Ka頻段衛(wèi)通天線(xiàn)，均采用了天線(xiàn)控制單元、電源模塊、信道設(shè)備等集成安裝于天線(xiàn)座架的方式，存在重量較重、功耗較高，結(jié)構(gòu)布局困難等問(wèn)題。為了有效降低天線(xiàn)的重量和功耗，本文設(shè)計(jì)的新型機(jī)載天線(xiàn)方案，采用天線(xiàn)組成分離集成、復(fù)材結(jié)構(gòu)和優(yōu)化傳動(dòng)鏈的方法，可以有效降低天線(xiàn)的重量和功耗。

輕量化低功耗機(jī)載天線(xiàn)的方案設(shè)計(jì)思路，可推廣到現(xiàn)在的眾多機(jī)載天線(xiàn)中去，將天線(xiàn)控制單元、BDC等模塊作為一塊功能板卡集成到衛(wèi)通終端中去，這樣機(jī)載天線(xiàn)的可靠性和維修性都將大大提高。復(fù)合材料座架可以在其他重量和振動(dòng)條件苛刻的項(xiàng)目中去應(yīng)用，能夠有效減輕重量，增加天線(xiàn)剛度。