天線系統(tǒng)是衛(wèi)星的關鍵組成部分，擔負著衛(wèi)星與地面溝通的重要使命。在各類衛(wèi)星需求爆發(fā)式增長的今天，衛(wèi)星天線的技術水平直接決定了衛(wèi)星的服務能力。
日前，中國建材總院所屬西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司（以下簡稱“鐘表所”）自主研發(fā)的“多轉軸共軛運動裝置”以創(chuàng)新性的無源驅動方案，打破了以往衛(wèi)星天線空間展開的難題，讓衛(wèi)星天線得以大“展”身手。
天線展開“不用電”
出于不同的功能和設計考慮，衛(wèi)星天線形狀多樣。其中，傳統(tǒng)的圓環(huán)形天線形狀規(guī)整，可以像折疊傘一樣被高效折疊收納，藏進航天器寸土寸金的載荷艙內。但同樣由于其形狀限制，圓環(huán)形天線展開后的有效利用面積相對較低，一定程度上限制了衛(wèi)星的通信能力。
為了能夠在“好收納”的同時，保證天線展開后的有效面積足夠大，提升衛(wèi)星通信能力，我國研發(fā)人員研制出了多種非圓構型天線。這種天線在航天器載荷艙內收攏后，會變?yōu)槭忠?guī)整的圓形狀態(tài)，可以最大限度節(jié)約空間。而當航天器到達預定位置后，該天線能夠展開成橢圓、多邊形等特殊構型，顯著增強衛(wèi)星的通信容量和指向精度。
雖然非圓構型天線設計巧妙，但要實現從收攏到展開的“絲滑變形”絕非易事，其中最關鍵的是展開驅動裝置的設計。
由于空間環(huán)境限制、結構設計和共軛運動需求，天線從收攏到展開的驅動裝置設計面臨多重瓶頸。傳統(tǒng)的電機驅動方案在太空極端環(huán)境下面臨嚴峻挑戰(zhàn)。太空中零下65攝氏度至150攝氏度的劇烈溫度變化，會使電機中的潤滑油凝固或蒸發(fā)。而電機長期面臨空間高能粒子輻射，也可能導致電路失效。此外，發(fā)射、入軌、展開等一系列活動中的機械沖擊還可能造成齒輪卡死。更重要的是，非圓構型的展開需要多個“關節(jié)”進行復合運動，每個關節(jié)若都配置電機，復雜的電機陣列不僅增加系統(tǒng)重量，還可能導致“一點失效、滿盤皆輸”。
能否在不應用大量電機情況下，讓天線自主完成變形展開？瞄準這個目標，鐘表所研發(fā)團隊將目光投向了純機械結構的創(chuàng)新方案。“就像過去人們戴的機械手表，沒有電池和電機，同樣可以高精度運轉。”該成果技術負責人屈二淵說，憑借多年來在鐘表計時領域的技術積淀，研發(fā)團隊創(chuàng)新提出多轉軸共軛運動的設計理念，并以此為基礎，設計出無源緩速驅動裝置，驅動天線展開。
無源，意味著不需要任何電力驅動，大大降低裝置故障率，保證了天線展開的可靠性。緩速，則是指整個展開過程勻速、緩慢，顯著降低對裝置的沖擊力，進一步增強可靠性。
數字樣機尋找最優(yōu)解
屈二淵介紹，整個展開驅動裝置由三組核心模塊構成。一是儲能驅動模塊，它是整個裝置的動力源，負責提供動力，驅動裝置運行。團隊憑借多年對彈性材料性能的研究，設計了形式多樣的彈簧儲能系統(tǒng)，在地面時給模塊蓄滿能量，等到進入預定位置后，觸發(fā)機關，釋放能量，驅動裝置運行。
第二組模塊是共軛傳動機構，團隊設計出獨特的空間曲面凸輪組，可將直線運動轉化為空間三維復合運動。“我們受到了賽車場彎道設計的啟發(fā)。為了讓賽車過彎更快更安全，賽車場的彎道路面并不是完全的水平平面，而是有一定曲面弧度，這樣賽車過彎時不需要大角度轉動方向，也可以‘絲滑’轉彎。”屈二淵介紹，借助同樣的原理，空間曲面凸輪設計可以讓滾輪在運動爬坡時，隨著曲面軌跡變化，自動實現水平方向轉換，將直線運動轉化為一系列復雜的空間三維復合運動，并且保證整個過程精準流暢。
最后一個關鍵模塊則是緩釋控制系統(tǒng)。其設計靈感來源于機械鐘表中的擒縱機構。擒縱機構的工作原理是借助一系列復雜的齒輪機構，將不規(guī)律的動力轉化為規(guī)律的動力輸出，從而實現對運動部件的準確控制。借鑒擒縱機構原理，緩釋控制系統(tǒng)通過非線性阻尼控制實現了對展開速度的精準把控，讓展開過程平穩(wěn)、可靠。
精密的純機械結構方案給設計環(huán)節(jié)帶來巨大挑戰(zhàn)。屈二淵告訴記者，研發(fā)過程中，最棘手的挑戰(zhàn)是如何協(xié)調上百組不同規(guī)格的凸輪機構協(xié)同工作。這一過程中，傳統(tǒng)的建模方法已不再適用。
為此，研發(fā)團隊創(chuàng)新性地引入了運動仿真曲面建模技術，借助仿真模擬軟件，構建出了一個包含數十萬個網格節(jié)點的數字樣機。“借助這個虛擬的樣機，我們只要輸入不同的運動參數，就可以實現對空間曲面的高效建模優(yōu)化。”屈二淵說，通過在數字樣機上不斷試驗、反復迭代，團隊最終找到了協(xié)調上百個凸輪協(xié)同工作的“最優(yōu)解”。
從精密鐘表到浩瀚星空，鐘表所科研團隊創(chuàng)造性地將精密計時器研發(fā)經驗融入航天領域，推動我國空間技術水平不斷提升。
