模块化：空间可展开天线大型化新思路

空间可展开天线是工作在太空环境下的具有展开功能的天线，是航天器无线通信系统中不可或缺的重要装备，同时也是国际宇航界研究的前沿与热点，广泛应用于星际探测、卫星导航、移动通信、电子侦察和射电天文等领域。

在我国“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要中，规划的空间基础设施体系建设、星际探测、探月工程四期、北斗产业化等重大航天工程均对空间可展开天线提出了迫切的需求，开展可展开天线相关理论及应用研究具有较为重要的科研价值和实际意义。

航天器距离地面约为几万、几十万、甚至几百万公里，电磁波在穿越星际的过程中会有损耗，为了增加数据传输和接收能力、提高分辨率、增加通信距离，可展开天线需要向高精度化和大型化方向发展。

模块化空间可展开天线是空间可展开天线实现大型化的重要方式之一，其支撑结构由多个可展开六棱柱模块组成 （图 1，图 2）。

图 1：模块化可展开天线结构

图 2：单模块结构组成

目前，模块化空间可展开天线实现大型化主要有两个思路：

(1) 增大单模块的尺寸；

(2) 增加模块的数量。

然而，现有空间可展开天线的工作表面大多为抛物面，由若干个六棱柱模块构成平面很容易，而构成空间曲面(例如，抛物面、球面等)则较为困难。若想通过增加模块数量的方式实现天线的大型化，首先要解决的问题就是：如何用若干个六棱柱模块来构成空间可展开天线的支撑结构，同时还要满足天线的精度要求。

现有模块化的工程案例主要有：

(1) 日本2006年发射的 Engineering Test Satellite VIII (ETS-VIII) 卫星(图 3); 

(2) 美国 2021 年 12 月发射的詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)(图 4)。

图 3：ETS-VIII 卫星

图 4：詹姆斯韦伯太空望远镜

由图 3 和 4 可知，ETS-VIII 的六棱柱模块数量为 14，詹姆斯韦伯太空望远镜的六棱柱模块数量为 18，充分说明了模块化结构和方案的可行性。但多个模块如何构成空间曲面以及保证形面精度等细节，均无公开文献报道。

鉴于此，沈阳建筑大学田大可副教授团队采用简化等效的思路，将多个六棱柱模块构成抛物面的问题转化为求空间圆和球面位置关系的问题(图 5)，进而采用可视化和试验的方式验证上述模型的正确性和模块的连接精度(图 6~图 8)，从而解决了模块化结构的高精度建模问题。

图 5：模块化可展开天线的建模流程

研究成果以“六棱柱模块化可展开天线形面精度分析”为题发表于《光学 精密工程》（EI、Scopus 收录，中文核心期刊，2021 中国国际影响力优秀学术期刊）。

图 6：包络圆模型

图 7：模块化可展开天线 (61 个模块)

图 8：模块化可展开天线展开功能验证试验

研究结果表明：

(1) 六棱柱模块的拓扑变换具有较强的规律性，模块化可展开天线支撑结构可由若干个典型六棱柱模块经环形阵列形成。

(2) 数值仿真模型表明，依据所建立的模型可以实现各模块间的准确连接，并能够求解出模块连接点的空间坐标。

(3) 肋单元夹角是空间可展开天线支撑结构的一个重要参数，主要受拓扑层数i、拟合球半径 R 和包络圆半径 r 的影响。当参数 R=4701 mm、r=600 mm、i=4 时，肋单元夹角的最大值和最小值分别为：68.57° 和 45.35°，改变这 3 个参数的配置，可让夹角的最值更趋于 60°。

(4) 特征点的测量值与理论值偏差较小，绝对误差主要分布在 5~10 mm之间，相对误差主要分布在 0.05%~0.1% 之间，支撑结构具有较高的展开精度。

该模型可为超多模块可展开天线形面精度的研究提供理论参考。

作者简介：

田大可，博士，副教授，硕士生导师，2004 年于武汉理工大学获得学士学位，2007 年于东北大学获得硕士学位，2011 年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要研究方向为宇航空间折展机构创新设计、空天飞行器变形翼、航空发动机总体结构。
Email: tiandake@sjzu.edu.cn

金路，博士，副教授，硕士生导师，2004 年、2006 年、2011 年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要研究方向为宇航空间可展开结构动力学、钢结构分析与设计方法。
Email: jinlu@sjzu.edu.cn

论文信息

田大可,范小东,金路等.六棱柱模块化可展开天线形面精度分析[J].光学精密工程,2021,29(12):2855-2867.

https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2855

监制 | 臧春秀、赵阳

编辑 | 赵唯

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