星載大型柔性索網(wǎng)天線重力環(huán)境下的型面調(diào)試

王輝，宋燕平，馬小飛

西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100

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星載大型柔性索網(wǎng)天線重力環(huán)境下的型面調(diào)試

王輝*，宋燕平，馬小飛

西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100

大口徑柔性索網(wǎng)天線在地面環(huán)境下重力變形較大，且變形與天線反射面的制造誤差始終交織在一起從而影響天線型面精度調(diào)試。針對這一問題，文章給出了反射面各類誤差的定義，提出了制造誤差與天線口面向上和口面向下不同放置狀態(tài)型面誤差的相互關(guān)系并予以證明；通過對這些關(guān)系式的運(yùn)用降低了反射面重力變形與反射面制造誤差的耦合程度，為反射器在重力環(huán)境下的型面調(diào)試指明了方向；此外結(jié)合工程需求給出了索網(wǎng)天線型面調(diào)試的流程，在實(shí)際工作中利用該流程可以有效地減少天線翻轉(zhuǎn)調(diào)整次數(shù)，提高索網(wǎng)天線的型面調(diào)整效率。

星載柔性索網(wǎng)天線；重力環(huán)境；型面誤差；相關(guān)性；型面調(diào)試

柔性索網(wǎng)天線由于具有質(zhì)量輕、收納比高的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景，尤其在星載大口徑及超大口徑天線研發(fā)方面相比固面天線具有無可比擬的優(yōu)勢。目前典型的幾類柔性索網(wǎng)天線形式有Harris公司的剛性肋傘天線[1]和折疊肋傘天線[2]、Astromesh公司的環(huán)形天線[3]、日本ETS-III的模塊化天線[4]等。

隨著技術(shù)的發(fā)展，星載柔性索網(wǎng)天線在對口徑尺寸需求增長的同時(shí)，對其型面精度也有越來越高的要求，設(shè)計(jì)師們正利用各種設(shè)計(jì)方法來提高索網(wǎng)天線型面的精度[5]。然而索網(wǎng)類天線反射面主要是由張力索構(gòu)成，張力索橫向剛度一般比較低，地面重力引起索網(wǎng)型面的變形不能忽略[6]，而重力變形與天線的制造誤差始終交織在一起，容易導(dǎo)致天線的型面調(diào)試結(jié)果出現(xiàn)偏離，這種偏離帶來的調(diào)試誤差已經(jīng)成為其型面誤差的主要構(gòu)成因素。如何有效地將重力變形剝離，進(jìn)而通過調(diào)試減小天線型面制造誤差，對于提高大口徑及超大口徑索網(wǎng)類天線在軌型面精度具有重要的指導(dǎo)意義。重力變形剝離最直接的方法是進(jìn)行無重力環(huán)境模擬，常用的方法有：懸掛法、水槽浮力法、高塔或深坑跌落法、飛機(jī)自由落體法、部分或縮比模型在軌試驗(yàn)法等[7-8]。以上這些方法由于存在空間尺寸限制、試驗(yàn)成本高等因素，對大口徑天線結(jié)構(gòu)來說適用性較差。國外對于有形狀精度要求的大型空間構(gòu)件，如大型空間天線、大口徑空間望遠(yuǎn)鏡鏡片等，常用的方法是利用正向放置(Face-up)及反向放置(Face-down)兩種狀態(tài)型面平均來等效無重力型面[2,9-10]。這對于大口徑柔性索網(wǎng)天線而言，不失為一個(gè)較為可行的辦法，但實(shí)際調(diào)試過程中由于天線的重力變形是事先不知道的，即缺乏明確的調(diào)整目標(biāo),因此如果不尋找出一定的規(guī)律，其實(shí)際操作過程必然是盲目的和缺乏效率的。

文章根據(jù)在索網(wǎng)類天線型面調(diào)試過程中積累的一些經(jīng)驗(yàn)，對地面環(huán)境下各狀態(tài)型面誤差之間的相關(guān)性進(jìn)行了梳理，基于上述型面平均思想及各型面之間的相關(guān)性提出了一種在重力環(huán)境下進(jìn)行天線型面調(diào)試的方法，該方法為星載大型柔性索網(wǎng)類天線地面環(huán)境下的型面加工調(diào)試指明了方向。

1　柔性索網(wǎng)天線重力環(huán)境下各型面誤差定義

一般柔性天線型面調(diào)試過程中，都會(huì)涉及到下面幾類型面及其型面誤差(各型面相對位置見圖1，型面誤差計(jì)算方法采用的是反射面的軸向偏差計(jì)算方法[11])：

1)天線設(shè)計(jì)型面，這是天線的理想型面，其型面誤差認(rèn)為是0。

2)無重力型面，這是天線在軌使用的型面，其型面誤差主要是制造誤差記為RMS。

3)Cup-up型面，天線在重力環(huán)境中口面向上時(shí)的反射面型面，其型面誤差記為RMSup包括制造誤差及重力引起的變形(也有文獻(xiàn)稱之為Face-up)。

4)Cup-down型面，天線在重力環(huán)境中口面向下時(shí)的反射面型面,其型面誤差記為RMSdown包括制造誤差及重力引起的變形(也有文獻(xiàn)稱之為Face-down)。

5)將Cup-down相對于Cup-up的型面誤差記為RMSdouble。

6)天線平均型面即Cup-down狀態(tài)與Cup-up狀態(tài)的算術(shù)平均型面，其型面誤差記為RMSa。

圖1　天線各型面相對位置Fig.1　Relative positions of the reflector in different status

2　各型面間的相關(guān)性及推導(dǎo)證明

在型面調(diào)試過程中，天線設(shè)計(jì)型面設(shè)為目標(biāo)型面，型面調(diào)試的目的是使反射器的無重力型面盡可能地接近設(shè)計(jì)型面(即使制造誤差最小)，而大型星載柔性天線的無重力型面在地面環(huán)境下一般是不可直接測知的，實(shí)際調(diào)試過程惟有Cup-up的型面、Cup-down的型面以及Cup-down相對于Cup-up的型面誤差是可通過測量準(zhǔn)確得出。文章根據(jù)索網(wǎng)類天線型面調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)了各型面誤差之間存在的一些相關(guān)性規(guī)律，希望利用這些規(guī)律對無重力型面的誤差范圍進(jìn)行預(yù)估，以達(dá)到指導(dǎo)天線重力環(huán)境下進(jìn)行型面調(diào)試的目的。

RMS=RMSa=

以上各符號定義如下：

1)規(guī)律1證明如下：

根據(jù)數(shù)列范數(shù)的三角不等式性質(zhì)有

則

即

2)規(guī)律2 證明如下：

3)規(guī)律3證明如下：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(1)～式(3)可以得到

即

RMS=RMSa=

3　規(guī)律的運(yùn)用及驗(yàn)證

上述關(guān)系式對于索網(wǎng)類天線在地面環(huán)境下進(jìn)行型面調(diào)試具有較大的幫助，通過對規(guī)律的運(yùn)用可以指導(dǎo)如何來縮小制造誤差，從而使索網(wǎng)反射器通過較少次數(shù)的翻轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)天線型面精度目標(biāo)。

在實(shí)際調(diào)試中綜合規(guī)律1和規(guī)律2提出如下的型面調(diào)試目標(biāo)即

在實(shí)現(xiàn)該調(diào)試目標(biāo)的情況下反射面的制造誤差至少滿足RMS<(1/2)RMSdouble，其證明可以參考規(guī)律2和規(guī)律3。

假設(shè)索網(wǎng)天線反射器型面制造誤差目標(biāo)為 RMS0，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，其調(diào)試流程如圖2所示。

圖2　索網(wǎng)調(diào)試流程Fig.2　Flow chart of mesh adjusting

按照上述調(diào)試流程，對某型面制造誤差要求小于3 mm的星載柔性索網(wǎng)天線進(jìn)行了實(shí)際型面調(diào)試。過程中天線型面變化曲線如圖3所示(選取了調(diào)整過程中的階段性測試結(jié)果)。

該天線入軌后進(jìn)行了天線增益GT值測試，根據(jù)測試結(jié)果推算出天線增益符合預(yù)期，說明天線無重力型面是滿足調(diào)整目標(biāo)要求的，圖2中的調(diào)整流程是合理可行的。

圖3　某柔性索網(wǎng)天線調(diào)整過程中型面測試結(jié)果Fig.3　Surface errors of a flexible mesh antenna during adjusting

4　結(jié)束語

柔性索網(wǎng)構(gòu)型是目前實(shí)現(xiàn)星載大口徑天線設(shè)計(jì)的最佳形式，隨著天線設(shè)計(jì)口徑越來越大、精度要求越來越高，地面環(huán)境下天線重力變形對型面制造精度的影響越來越明顯。文章從地面環(huán)境下天線各狀態(tài)型面誤差入手，研究了它們之間存在的一些相關(guān)性規(guī)律，在天線重力變形和天線制造誤差均不可知的情況，利用這些規(guī)律可以確立天線的調(diào)整目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了Cup-up和Cup-down型面平均方法調(diào)整的定量化處理。圖2調(diào)整流程通過初期有針對性地設(shè)計(jì)及后期少量地調(diào)整就能有效得縮小天線反射面的制造誤差使天線型面達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，此方法的有效性在工程上已經(jīng)得到了檢驗(yàn)。上述規(guī)律和方法針對正反向約束狀態(tài)一致的天線較為有效，當(dāng)天線正反向狀態(tài)約束條件有差異時(shí)，即使索網(wǎng)正反向都不出現(xiàn)松弛，由于天線邊界約束發(fā)生變化，索網(wǎng)正反向重力變形可能會(huì)不對稱，這會(huì)對索網(wǎng)最終型面調(diào)試結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，在應(yīng)用時(shí)需要格外注意。

References)

[1]KELLER P N, LAKE M S, CODELL D, et al. Development of elastic memory composite stiffeners for a flexible precision reflector, AIAA-2006-2179[R]. Reston: AIAA, 2006.

[2]SEMLER D, TULINTSEFF A, SORRELL R, et al.

Design, integration, and deployment of the TerreStar 18-meter reflector, AIAA-2010-8855[R]. Reston: AIAA，2010.

[3]DATASHVILI L, ENDLER S, WEI B，et al. Study of mechanical architectures of large deployable space antenna apertures: from design to tests[J]. CEAS Space Journal, 2013, 5(3): 169-184.

[4]YONEZAWA K, HOMMA M. Attitude control on ETS-VIII mobile communication satellite with large deployable antenna, AIAA-2003-2216[R].Reston: AIAA, 2003.

[5] 張華振, 馬小飛, 宋燕平, 等. 星載高精度環(huán)形網(wǎng)狀天線設(shè)計(jì)方法[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 2013, 33(5): 1-6.

ZHANG H Z，MA X F，SONG Y P, et al. Design method of high precision perimeter truss antenna on board[J]. Chinese Space Science and Technology, 2013, 33(5): 1-6 (in Chinese).

[6]NATORI M C, TAKANO T, OHNISHI A, et al. Ground adjustment procedure of a deployable high accuracy mesh antenna for space VLBI mission，A98-25353[R]. Reston: AIAA,1998.

[7] 李團(tuán)結(jié)，段寶巖，王堯. 星載大型可展開天線太空工作性能預(yù)測研究[C]∥快速響應(yīng)航天器系統(tǒng)及有效載荷技術(shù)研討會(huì)論文集, 北京，3月6日-7日，2009: 189-197.

[8]劉明治，高桂芳. 空間可展開天線結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].宇航學(xué)報(bào), 2003, 24(1): 82-87.

LIU M Z，GAO G F. Advances in the study on structure for space deployable antenna[J]. Journal of Astronautics, 2003, 24(1):82-87 (in Chinese).

[9]BLOEMHOF E E, LAM J C, FERIA V A，et al. Precise determination of the zero-gravity surface figure of a mirror without gravity-sag modeling[J]. Applied Optics, 2007, 46(31):7670-7678.

[10]YAMADA K, TSUTSUMI Y, YOSHIHARA M, et al. Integration and testing of large deployable reflector on ETS-VIII, AIAA-2003-2217[R]. Reston: AIAA, 2003.

[11]王從思， 段寶巖， 仇原鷹. 天線表面誤差的精確計(jì)算方法及電性能分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 21(3): 403-409.

WANG C S，DUAN B Y, QIU Y Y. Precise algorithm for surface errors of reflector antennas and analysis of its electrical performance[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2006, 21(3): 403-409.

(編輯：車曉玲、范真真)

Surface accuracy adjusting method of large flexible mesh spaceborne antenna on ground

WANG Hui*, SONG Yanping, MA Xiaofei

Xi′an Institute of Space Radio Technology, Xi′an 710100, China

The deformation of large flexible mesh antenna under gravity load is remarkable and mixed with the manufacturing error，which bring tremendous troubles to the surface accuracy adjusting work. To solve the problem, firstly, the article expatiated all kinds of surface errors existing in the reflector manufacturing and working; secondly, the article provided and certified the correlations among the errors especially manufacturing error and surface errors when the reflector is put Cup-up and Cup-down. By applying those correlations, the effect on the reflector surface error bought by gravity could be decreased, which provided great advantage for surface accuracy adjusting on ground. To meet the engineering requirement, a flow chart of how the surface accuracy would be adjusted was produced. It can reduce the reversal frequency of reflector and save time during surface accuracy adjusting.

flexible mesh spaceborne antenna；on ground；surface error；correlation；surface accuracy adjusting

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0040

2015-11-26；

2015-12-30；錄用日期：2016-05-11；

時(shí)間：2016-07-1213:26:53

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.006.html

國家自然科學(xué)基金(11290154,U1537213)

王輝(1977-)，男，高級工程師，13519122235@139.com，主要研究方向?yàn)樾禽d天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

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http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：王輝, 宋燕平, 馬小飛. 星載大型柔性索網(wǎng)天線重力環(huán)境下的型面調(diào)試[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2016, 36(4)：33-37.

WANGH,SONGYP,MAXF.Surfaceaccuracyadjustingmethodoflargeflexiblemeshspaceborneantennaonground[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016, 36(4)：33-37.(inChinese).