国外空间大型网状天线在轨展开故障与对策

董富祥 周志成 曲广吉

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

空间大型网状天线是满足移动通信、电子侦察和深空探测等空间应用的关键设备，具有口径大、展开机构复杂等特点［1］，如跟踪与数据中继卫星的径向肋型网状天线和电子侦察卫星的大型环形桁架式天线展开机构，均由几十个到上百个运动部件组成。由于空间大型网状天线尺寸大及运载火箭整流罩的限制，发射前必须将其折叠，入轨后再展开。

空间大型网状天线在轨能否可靠展开直接关系到航天项目的成败。由于天线展开机构的复杂性及难以实现冗余设计，其展开过程易出现故障且难以实现在轨维修，一旦出现故障极易形成单点失效事件，直接影响预定航天任务的实现。开展空间大型网状天线在轨展开故障和对策研究，有助于从国外案例中汲取经验教训，为研制阶段天线防故障设计和在轨展开故障排除措施的制定提供参考，增强大型天线展开机构的可靠性。

本文列举了国外1974-2011年期间发射的带有大型网状天线的航天器，并对其在轨展开故障模式和故障机理进行了分析；对天线在轨展开故障排除方法进行了总结，综述了天线展开机构设计改进的主要技术措施；提出了可增强天线在轨展开可靠性的建议。

2 载有大型网状天线的航天器统计和故障模式分析

2．1 载有大型网状天线的航天器统计

表1为截至2011年12月根据公开资料统计得到的携带口径为4．8m 以上网状天线的部分科学、商业和军用航天器统计数据，由于各国大量电子侦察卫星的天线口径、在轨展开状况和故障信息等数据难以确切核实，因此表1未将这类航天器统计在内。

表1 载有大型网状天线的部分科学探索、商业和军用航天器（截至2011年12月）Table 1 A part of scientific，commercial and military spacecraft with large mesh antenna

根据表1统计，截至2011年12月国际上共发射载有大型可展网状天线的科学探索、商业和军用航天器41个，其中FLTSATCOM、Galileo、LDREX、Eutelsat-W2A、Skyterra-1航天器载有的大型天线在轨展开过程中出现故障，经抢救，FLTSATCOM、Galileo、LDREX 和Eutelsat展开失败，Skyterra-1排除故障后工作正常。由表1可知，天线展开过程遇到故障的航天器占发射总数的12．19%。

2．2 天线在轨展开故障模式分析

根据天线展开故障机理可将天线展开故障分为3种类型：①发射过程意外引起的天线展开故障；②压紧释放机构设计不合理导致天线展开故障；③索网缠绕引起的天线展开故障。下面分别对各类展开故障进行详细介绍。

2．2．1 发射过程意外引起的天线展开故障

1981年8月发射的美国舰队通信卫星-5（FLTSATCOM-5）（见图1），4．9m 的UHF 频段发射天线未能正常展开。分析星上遥测数据后发现，天线发生了弯曲。对卫星进行动力学分析，并经地面试验验证后确定，卫星入轨期间玻璃纤维制成的整流罩内衬发生了爆炸性剥离，飞溅的整流罩碎片打弯了天线杆，阻止了天线正常展开［3-4］。同时UHF 天线与星体连接部位也发生了断裂，当星体转速达到45r／min时，天线与星体便分离了，最终导致整星失效。

图1 美国舰队通信卫星-5Fig．1 FLTSATCOM-5

2．2．2 压紧释放机构设计不合理导致天线展开故障

1989年10月NASA 发射了伽利略号木星探测器，其上载有一副Harris公司制造的口径为4．8m的高增益X 频段径向肋天线，用于将科学探测数据传回地球，如图2所示。然而，1991年4月该天线在展开过程中出现故障，无法正常展开。经过多次努力，仍然未能使该天线展开，后来虽然采取补救措施减小了高增益天线展开失败带来的损失，但仍导致绝大部分科学探测数据无法传回地面［6-9］。

图2 伽利略号探测器Fig．2 Galileo spacecraft

伽利略号探测器上的大型径向肋天线继承了此前Harris公司为“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）建造的伞状径向肋天线的基本结构，并为保证其展开可靠性，增加了冗余电动机、中心释放机构和防缠绕系统。经故障模式分析和地面故障复现，故障定位在中心压紧机构销槽配合位置处，如图3所示。原因是V 形槽位置处过高的接触应力破坏销槽之间二硫化钼（MoS2）润滑膜，而运输过程中发生的振动和发射前多次验证试验又使这层膜被磨损掉，使销槽金属基体在空间高真空环境下直接接触，发生黏着效应，使锁紧机构发生卡滞，导致天线最终展开失败。

图3 插座设计示意图［7］Fig．3 Receptacle design

2．2．3 索网缠绕引起的天线展开故障

2000年12 月日本“大型可展开反射器试验”（LDREX）的六边形模块式试验天线，作为辅助载荷由阿里安-5 火箭发射，开展在轨展开飞行验证［15-18］。火箭进入转移轨道后，天线在轨展开试验开始。根据摄像机传回的画面，发现LDREX 展开120s后停止，在轨展开试验失败。图4为LDREX天线在轨展开试验示意图。

LDREX 是日本工程试验卫星-8（ETS-8）上的六边形模块式天线在轨验证产品，由7个结构相同的基本模块组成。图5为六边形模块式天线基本模块结构示意图。从图5中可以看出，该模块主要由表面索网、网面反射器、支撑索、中心轴、基准杆和可展开桁架结构组成。可展开桁架结构由1个中心轴和6个径向肋组成，展开过程中四杆对角单元的上杆和下杆通过同步单元保持平行。LDREX 采用压簧和扭簧作为天线展开动力源，为了确保每个模块展开速度受控和各个模块展开的同步性，采用步进电动机对拉索回收速度进行控制。

图4 LDREX 在轨展开试验示意图Fig．4 Diagram of LDREX in-orbit deployment experiment

图5 LDREX 天线单元基本组成Fig．5 Detail of basic module

根据摄像机传回的天线在轨展开故障图像，判定LDREX 的索网与可展开桁架结构发生了缠绕。经研究分析各种失效模式后，得出如下结论［17］：

（1）在天线展开初始阶段，特别是压紧释放机构（HRM）刚刚释放后，天线发生了大幅振荡；

（2）振荡使天线索网与可展开桁架结构发生缠绕，导致展开过程终止。

此次天线在轨展开故障的教训是：地面验证试验中的风险需要小心评估，在地面展开试验中重力减小了索网振荡的幅值，这样在地面试验期间可展开桁架结构没有出现在轨试验那样大的振荡，使设计时忽略了初始时刻压紧释放机构引起的振动，最终造成LDREX 在轨展开失败。

3 天线在轨展开故障应急处理对策和设计改进

天线在轨展开遇到故障后，需要立即对天线展开故障模式进行判读，确定故障类型，并根据应急处理预案开展故障排除工作。之后还应根据在轨遥测数据、动力学仿真结果和地面验证试验，确定引起天线展开故障的薄弱环节，改进天线展开机构设计，提高天线展开可靠性。

3．1 天线在轨展开故障应急处理对策

国外主要采用以下几类方法排除天线在轨展开故障。

（1）收拢再展开法

仅适用于主动驱动天线展开机构，如伞状肋天线。这类天线驱动机构具备正逆双向驱动能力，但该方法会破坏原本已折叠好的天线柔性索网，引发索网自身缠绕或者与天线其他部件缠绕的风险。在伽利略号木星探测器故障排除预案中，曾拟采用该方法排除天线展开故障，但评估后放弃了该方法。

（2）冷热循环法

利用空间热辐射环境，将天线背离太阳使配合位置收缩，然后再将天线朝向太阳，使卡滞处产生热膨胀，反复进行这一过程直至故障排除。在伽利略号木星探测器天线展开故障排除措施中采用了该方法，但是未能帮助天线展开。

（3）惯性力辅助法

控制航天器使其绕某惯量主轴以一定角速度转动，以便在卡滞位置产生一定的惯性力，帮助天线从卡滞位置处解脱。采用该方法将会使卫星失去原来姿态，同时又要保持稳定的指向，因此对姿态控制系统极具挑战性。该方法被用于排除FLTSATCOM-5卫星、伽利略号木星探测器、Eutesat W2A 卫星和SkyTerra-1卫星等天线展开故障。

以上3种故障排除方法仅为排除天线故障的基本方法，实际执行中还需要根据具体故障模式采取相应的抢救方案，例如阿尼克-E2（Anik-E2）卫星［4］天线展开故障排除措施就同时使用了方法（2）、（3）。

3．2 天线设计的改进

故障原因确定后，应通过仿真分析、修正设计和试验验证等环节多次迭代，提升天线展开可靠性。根据展开故障类型，天线设计改进措施主要有以下3点。

（1）针对发射意外引起的天线展开故障，增强天线的抗振动噪声能力设计及验证。

（2）针对压紧释放机构设计不合理引起的天线展开故障，应在压紧释放机构设计中尽量避免高接触应力，防止其表面MoS2润滑膜被破坏，其形成的润滑膜很可能在地面试验中被消耗殆尽，以至于在真正需要时不能提供必需的润滑特性。

（3）针对索网缠绕引起的天线展开故障，目前国外主要采取以下措施予以避免：①修改压紧释放机构释放次序，以减小压紧释放机构动作引起的反射器索网振荡；②安装防护带和隔离组件，避免反射网与桁架结构缠绕。

4 结论

根据空间大型天线展开的复杂性，结合国外已发射卫星的工程经验，建议在以下几方面增强天线在轨展开可靠性。

（1）加强天线展开可靠性设计，提升天线展开机构抗冲击能力。可降低运载火箭整流罩抛罩异常或其他意料冲击对天线展开可靠性的不利影响。

（2）加强天线机构润滑特性分析与试验验证，有条件地开展天线空间环境展开试验。可靠润滑是天线机构功能正常的重要保障，有助于降低天线展开过程中卡滞风险，避免卡滞引起的天线展开故障。有条件地开展大型天线空间环境展开验证试验，可充分暴露地面试验难以预见的故障模式，保证大型空间天线在轨可靠展开。

（3）开展索网防缠绕设计与分析验证工作，尽力避免索网自身缠绕及其与桁架之间的缠绕引起的天线展开故障。天线地面展开试验中重力抑制了天线索网本身的振荡，使现有索网管理方案能够在地面常规试验中有效避免索网缠绕，然而，仍然需要仔细评估空间力学环境下索网自身及其与桁架发生缠绕的风险。

（4）开展天线展开动力学过程预测，加强基于多学科的天线展开故障应急处理预案研究。深入细致地开展天线展开动力学过程仿真与预测研究，是合理布置传感器、监控天线展开过程的重要前提。地面展开试验成功并不代表在轨展开成功，发射前需要有完善的故障应急处理预案。加强天线展开故障模式处理对策多学科仿真与试验研究，确定各类故障模式下天线展开故障应急处理预案，可以为天线展开异常时采取正确故障排除措施作好准备。

（References）

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