星载可展开网状天线制造技术研究

星载可展开网状天线制造技术研究□

申志刚

南京

210039

南京电子技术研究所

摘

要院星载雷达一般采用可展开天线袁其中网状反射面天线具有质量轻尧收纳率大尧展开可靠性高

等优点袁成为星载可展开天线最常用的形式遥对星载可展开网状天线的国内外研究现状进行了介绍袁对金属网面的成型尧铺设尧精度调整尧测量等关键制造技术进行了分析研究袁为后续开展大型网面式可展开天线的研制提供技术支撑遥

关键词院卫星

天线

制造

文献标志码院A

文章编号院员园园园原源怨怨愿渊圆园员9冤03原园园52原园4

中图分类号院TH122曰TN828

themthemostcommonlyusedformofspaceborneexpandableantennas.Theresearchstatusofspaceborne

reflectorshavetheadvantagesoflightweight袁largestoragerate袁andhighexpandingreliability袁making

Abstract院Spaceborneradarsgenerallyuseexpandableantennas.Amongthem袁antennaswithmesh

expandablemeshantennasathomeandabroadwasintroduced.Theanalyticalstudyonkeymanufacturingtechnologiessuchasforming袁laying袁precisionadjustmentandmeasurementofmetalmeshsurfacewereconductedtoprovidetechnicalsupportforsubsequentdevelopmentoflarge-scalemesh-typeexpandableantennas.

KeyWords院Satellite

Antennae

Manufacture

1研究背景

星载天线一般发射前折叠收纳于卫星星体内部袁发射升空到位后袁触发展开成工作状态遥按照天线反射面结构形式袁一般可分为实体式尧网状和薄膜充气式三类咱1暂遥天线口径从数米到百米以上袁表面形位精度一般要求较高袁特别是高频段天线的表面精度要求更苛刻遥实体板状反射面的天线一般由轻质金属板材或者碳纤维增强复合材料构成袁分单块成型袁通过可展开结构拼接装配而成袁表面形位精度和表面质量高是其主要优点袁适用于高频段天线遥例如袁某正在研制的空间快速响应合成孔径雷达系统袁天线采用花瓣式可展开抛物面体制袁全面采用碳纤维复合材料和蜂窝夹芯结构遥但实体反射面天线的缺点也很明显袁质量大尧收缩比小袁一般不能应用于大口径的天线咱1暂遥目前对于大口径的可展开天线袁一般采用网状或银图1星载网状可展开天线针对星载可展开网状天线的国内外研究现状袁笔者重点对金属网面材料的成型尧阵面铺设尧精度调整及测量等关键制造技术进行分析遥同时袁对记忆合金材料在星载天线的在轨热控制尧主动精度控制方面的应用进行了研究袁简述记忆合金材料的加工工艺性袁为后续开展的大型网面式可展开天线的型号研制积累技术基础遥者薄膜式袁这是由于这两种形式的天线收纳率大尧单位口面积的质量比轻尧展开也相较于折叠展开机构式天线更为可靠遥网状可展开天线相比薄膜式天线袁曲面精度更高袁各项性能更稳定袁技术也更为成熟袁因此其在研制开发的空间大口径可展开天线项目中应用最为普遍咱2暂遥星载网状可展开天线如图1所示遥收稿日期院圆园员8年10月

2国内外研究现状

发达国家在空间可展开天线技术方面袁经过几十年的研究和应用实践袁美国尧日本尧德国尧俄罗斯等国家52圆园19袁57渊3冤

机械制造总第655期均已成功发射了不同类型的可展开天线遥与之相比袁我国可展开天线的技术研究起步晚袁直到上世纪90年代才开始袁技术水平差距较大袁主要表现在目前仍处于对国外现有天线的分析与试制阶段袁缺乏对天线类型的原始创新袁一些天线的发展原理尧驱动方式尧工作性能等技术应用不成熟袁展开天线口径和规模有待进一步增大遥以色列首颗雷达成像侦察卫星渊TecSAR冤于2008年TecSAR1月21日由印度极轨卫星运载火箭发线袁如图卫星2所示有效遥天线载荷直的径辐为射单3m元袁为一质量抛为物面射升21kg反空咱3暂袁射表天遥面误差优于0.8mm遥天线的反射面有碳纤维复合材料的中心面板和网布两部分袁反射面所有网布的总质量不大于0.5kg咱4暂遥银图2TecSAR卫星可展开天线西安电子科技大学在可展开天线的系统优化尧型面分析及精密控制等方面进行了研究袁对于周边桁架式大型可展开天线结构袁建立了几何非线性索网结构天线的非线性静动力计算模型袁如图3所示遥在此基础上袁提出优化综合找形法袁分析研究压电材料主动精度控制技术遥银图3周边桁架式可展开天线计算模型中国空间技术研究院第504所完成了口径4.2m径向肋可展开天线和6m伊2.8m构架式可展开天线的原理样机的研制遥3网面材料成型技术

对于大型可展开空间天线的制造袁特种金属丝网机械制造总第655期制造·材料

布是关键基础材料遥用于较高频段的天线反射体上的网面材料袁是由不锈钢尧钼尧钨制成直径0.015耀0.035mm超细金属丝袁再编织而成的针织网孔布袁表面镀镍或金袁机械性能和电讯性能要求高袁生产难度大咱5暂0.03美mm国左右用在的各上的镀金个频遥钼段9m丝天线口编上的网面材料是由直径为径织天线而成尧的MUS-ES-B针织网孔布咱6暂外袁ATS-6卫星航天遥此器上的TDRSS8m口径天线尧ETS-8卫星结构咱6暂遥卫星上的4.9m口径天线上的等袁均13属m于口金径属天线网布尧银图4可展开天线金属丝网面为满足天线在结构功能尧电气性能尧空间使用环境袁以及网状天线反射体曲面成型与精度保持方面的综合性能袁网布应有相应的性能袁如良好的多向弹性和各向延伸率一致性袁拉伸断裂负载不小于1kg辕cm袁断裂伸长率不大于50豫袁网孔尺寸具备与工作频段相适应的电波反射系数袁良好的透光性能袁金或镍镀层具有较小的接触电阻值和良好的电接触稳定性袁应尽可能轻薄袁编织结构具有良好的可折叠性尧抗皱性和抗松散性咱5暂遥为编织出质量轻尧弹性大的丝网袁需按一定的花样编织袁一般可分为经编尧纬编尧经纬编织三种遥经编结构具有较好的多向拉伸弹性均匀性袁不易松散遥纬编结构存在明显的单向弹性和易脱丝尧松散等缺点遥经纬编织结构没有平面拉伸弹性遥经编和纬编网面编织形式如图5所示袁绝大多数可展开网状天线金属丝网布采用经编结构遥星载天线力学和结构设计的主要依据是网面材料的各项性能参数袁其性能和制造水平对天线的最终可实现性具有决定性意义遥只有获得轻薄和弹性兼具的网面材料袁天线的整体结构和质量才能得到有效保证遥而此类材料的成型技术袁包括金属丝制造技术尧网布编圆园19袁57渊3冤

53制造·材料

0.907mm渊均值冤0.847mm渊均值冤0.03mm渊导线直径冤0.847mm渊均值冤0.907mm渊均值冤0.03mm渊导线直径冤(b)纬编影响反射面精度的主要因素有形状精度误差尧加工误差尧装配误差和网面的互动性遥索网结构本身不具刚性袁即在自然状态下不具备承载能力袁而只在施加预应力的情况下才具备结构承载所需的刚度与形状保持能力遥基于所需的索网结构形状袁通过寻求在该形状下结构达到自平衡状态的分布预应力袁来进行相应的网面调整遥图7所示为一种索网调整机构原理遥国外对天线型面精度调整方法进行了较深入的研究袁涵盖了不同频段的天线袁其中针对张力杆天线调整的辅助牵引面法袁应用较为成熟遥天线型面成型过程一般需要反复调整袁技术难度和工作量都较大袁必须采用计算机辅助程序袁国外各大公司均有自己专门的程序软件袁但由于其为高精度天线的关键技术袁因此一般较少公开咱7暂遥20世纪90年代初袁我国对网状展开天线的动力学(a)经编银图5网面编织网格结构织技术袁往往难度很大遥对于网面材料性能指标和加工制造技术的研究袁将成为大型尧超大型空间可展开天线研制的基础袁具有重大技术意义和经济价值遥4网面铺设尧精度测量和调整技术

天线反射面表面精度是衡量尧评价天线质量的重要指标袁其中网面的铺设工艺尧网面精度测量和调整技术是保证其成型精度的最重要因素遥研究高弹性和高柔性的金属丝网的裁剪尧铺设工艺方法袁摸索网面铺设成型过程中的快捷准确精度测量尧调整工艺袁可大幅缩短天线铺设过程的时间遥天线网面铺设及精度调整如图6所示遥特性尧网面精度调整及控制等方面进行了一些分析和研究咱8-9暂袁但是地面环境与空间在轨环境差别大袁对在轨热环境的网面精度调整技术的研究还不够深入咱10暂遥反射网面调整绳索增量载荷背面绳索系统银图7索网调整机构原理5记忆合金应用于天线形面精度控制

记忆合金因形状记忆效应而得名袁目前能够满足工程级应用需求的主要有三类院NiTi基尧Cu基和Fe基形状记忆合金遥银图6天线网面铺设及精度调整现阶段在航空航天领域的应用主要包括可展开天线尧特种管接头尧非火工分离释放机构尧超弹性防松构件尧超弹性均载连接件和智能结构控制件咱11暂遥记忆合金在星载天线的在轨热控制尧主动精度控制方面具有较大优势袁在可展开天线上的结构应用袁如驱动装置尧展所示为记忆合金应用于展开机构遥开机构尧分离释放机构尧网面精度调整机构等咱12暂遥图8针对记忆合金材料在可展开天线在轨精度控制方面的应用袁主要研究记忆合金材料的材料特性和加工性能袁包括切削加工性尧连接性能遥目前来看袁记忆合金材料在医用尧民用领域应用广泛袁在原材料制备尧坯料天线表面精度等级要求由工作频率决定袁一般精度不得低于工作波长的1/8袁而对应的测量精度一般不低于表面精度的1/3袁因此工作频率越高袁测量难度越大遥目前采用较多的针对大型天线反射面的测量方法有经纬仪测量法尧全站仪测量法尧激光跟踪测量法尧工业数字摄影系统测量法和激光雷达测量法等遥网状天线由于其独特的软性结构尧表面性质和时间稳定性差的特点袁其测量必须采用非接触式方法袁且测量用时要尽可能短遥54圆园19袁57渊3冤

机械制造总第655期制造·材料

形状记忆合金螺栓上凹槽分离面受拉伸断开的螺栓加热器和绝热片咱2暂李梅竹.3D-MID技术在电子产品天线制造领域的应用咱3暂NAFTALYU袁LEVY-NATHANSOHNR.Overviewofthe

426.

咱J暂.机械制造袁2015袁53渊11冤院45-47袁51.

TECSARSatelliteHardwareandMosaicMode咱J暂.IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters袁2008袁5渊3冤院423-

安电子科技大学袁2010.

咱4暂SHARAYY袁NAFTALYU.TECSAR院DesignConsiderations

andProgrammeStatus咱J暂.IEEProceedings-RadarSonarNavigation袁2006袁153渊2冤院117-121.

咱5暂郑建生袁李东伟袁田玉华袁星载可展开网状天线网面材料介咱6暂郑建生袁李东伟袁田玉华.空间可展开网状天线网面材料的咱7暂TAKANOT袁MIURAK袁NATORIM袁etal.Deployable

渊1冤院2-11.

性能研究咱J暂.电子机械工程袁2005袁21渊3冤院49-51袁55.Antennawith10-mMaximunDiameterforSpaceUse咱J暂.绍咱J暂.通信与测控袁2004渊3冤院26-32.

伸长的形状记忆合金银图8记忆合金应用于展开机构成型袁以及低精度尧简单结构件成型工艺方面已经具备一定的工程基础袁但是在高精度机加工尧焊接成型的复杂构件制造方面袁离实际工程应用要求还有不小的差距遥对于材料的熔炼制备尧冷热成型尧机械切削加工及连接技术等具体实际制造和工艺方面的信息袁需要进一步进行研究和通过相关工艺试验获得袁这些工艺信息的获取对各种加工工艺方式和参数的选择具有指导意义遥IEEETransactionsonAntennasandPropagation袁2004袁52咱8暂李小平.用于网状展开天线的一种新型反射网面成形与保咱9暂关富玲袁杨玉龙袁赵孟良.星载可展开网状天线的网面成形咱10暂侯管仲袁肖勇袁韦娟芳.一种确定金属网反射器索网形态的咱11暂谭天水.在轨可展开天线网面的形状记忆合金热变形控咱12暂李琴.形状记忆合金在星载大型可展开天线上的应用咱D暂.

西安院西安电子科技大学袁2006.

葺制咱D暂.西安院西安电子科技大学袁2005.方法咱J暂.现代电子技术袁2009袁32渊15冤院98-100.

与防缠绕设计咱J暂.工程设计学报袁2006袁13渊4冤院271-276.持方式咱J暂.空间电子技术袁2002渊4冤院59-64.

6结束语

网状可展开天线由于质量体积比优势而具有巨大的应用潜力遥通过对星载可展开天线相关制造工艺技术的前期研究袁对网面可展开天线制造过程涉及的关键工艺技术展开调研袁了解国内外相关技术的研究现状袁进而对材料成型尧制造水平尧获取途径有较为全面的了解袁为未来可能开展的星载型号研制袁特别是大型网面式可展开天线方面的研制积累基础袁为金属网面成型尧铺设尧精度调整等关键工艺技术提供支撑遥作者简介院艺。

（编辑雁申志刚（1982—），男，高级工程师，主要研究方向为雷达工

子）参考文献

咱1暂梁志刚.星载可展开天线的结构设计与研究咱D暂.西安院西渊上接第46页冤咱6暂马光飞.闸板位置对闸阀内部气固两相流及磨损的影咱7暂李长俊袁季楚凌袁陈磊袁等.气固两相流下球阀磨损特性研咱8暂RAISEEM袁ALEMIH袁IACOVIDESH.Predictionof

DevelopingTurbulentFlowin90毅-curvedDuctsUsingJournalforNumericalMethodsinFluids袁2010袁51渊12冤院LinearandNon-linearLow-Rek-着Models咱J暂.International究咱J暂.中国安全生产科学技术袁2015袁11渊3冤院5-11.响咱D暂.杭州院浙江理工大学袁2015.

GateValvesinVerticalGas-liquidFlows咱J暂.Experimental咱10暂TSAISF袁SHEUTWH.NumericalExplorationofFlow

2010袁71渊5冤院564-582.作者简介院械。

（编辑圆园19袁57渊3冤

岚）ThermalandFluidScience袁2014袁54院259-266.

TopologyandVortexStabilityinaCurvedDuct咱J暂.Interna-tionalJournalforNumericalMethodsinEngineering袁

葺咱9暂ALIMONTIC.ExperimentalCharacterizationofGlobeand

1379-1405.

郭建章（1969—），男，教授，主要研究方向为化工过程与机

机械制造总第655期55