某星载天线结构设计与分析*

孙远涛

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

引 言

天线是一种发射和接收电磁波的装置，广泛应用于通信、广播、雷达和电视等领域。随着我国航天事业的蓬勃发展，产生了多种多样的天线[1-2]。天线的结构设计需要考虑电讯性能要求、材料选用、加工工艺、结构刚强度和热设计等因素[3-10]，这些结构设计因素对天线的性能具有重要的作用。

本文根据航天器任务特点和天线性能要求，对某星载天线进行了结构设计。天线随卫星在火箭发射阶段的力学环境复杂、恶劣，在轨时需承受空间环境，尤其是极端高低温热环境的影响，这些力学环境及热环境对天线的可靠性具有很大的影响。针对这些问题，本文对天线进行了力学分析和试验验证，以进一步验证抗力学环境设计性能，采取了热控措施以确保天线在允许的工作温度范围内工作，并针对热分析结果开展了热真空试验，对产品的热性能进行了验证。

1 天线结构设计

星载天线的结构设计不仅需要考虑电讯功能和加工、装配的可实现性，还要满足苛刻的工作环境，如火箭发射带来的过载和震动、太空的热环境和原子氧等。

基于此，对星载天线进行了结构设计。

天线主要由螺旋天线、介质支撑筒、连接器和底座等部分组成，其整体三维设计模型如图1所示。

图1 天线模型示意图

螺旋天线由QBe2.0铜丝绕制而成，采用介质支撑筒支撑以保形，螺旋天线与介质支撑筒之间采用点接触的结构形式[6]。在螺旋天线底座安装TNC连接器，通过导体与螺旋天线连接。

介质支撑筒采用Kevlar49/环氧复合材料制成。该材料具有电磁波透过性能及密度小、强度高、模量高、耐热性能和阻尼性能好等特点，其化学稳定性和热稳定性好，尺寸稳定性良好，是金属螺旋天线较为理想的介质支撑材料[7]。根据螺旋线的走向，在支撑筒外表面预先加工安装孔，孔的角度与螺旋天线在该点的切线方向一致，便于固定螺旋天线，并点胶防止松脱。

介质支撑筒与底座之间通过螺钉连接成一个整体。螺旋天线通过底座用4个螺钉安装在卫星星体上。底座由铝合金2A12加工而成，采用筒形薄壁结构，质量轻，刚强度好。

2 抗力学环境设计与分析

天线安装在卫星舱板上，为重要的舱外设备，对刚度和强度具有较高的要求，即：

1)保证在设计极限载荷下，结构部件具有一定的安全裕度，不发生结构强度破坏，且要求设计极限载荷为鉴定载荷与安全系数(取K= 1.5)的乘积，金属的强度安全裕度MS≥ 0,树脂基复合材料首层失效安全裕度MS≥ 0.25；

2)天线(含底座)的固有频率≥70 Hz。

2.1 有限元模型

以天线安装面的几何中心为坐标原点，对称安装孔的连线分别是X轴和Y轴，安装面的法线指向天线顶端，为Z轴，进而建立天线的有限元模型。天线底座的4个安装孔用螺栓固定，约束安装孔位置节点处6个方向的自由度，材料的力学参数见表1。

表1 材料力学参数

2.2 分析工况

考虑到火箭发射时的力学环境，按以下几种工况开展力学分析：

1)加速度过载，载荷大小为10g；

2)正弦振动，按照鉴定级施加载荷，见表2；

3)模态分析；

4)随机振动分析，按照鉴定级施加载荷，见表3。

表2 正弦振动试验条件

表3 随机振动试验条件

2.3 分析结果

根据加速度过载对天线结构进行力学仿真分析。根据加速度过载的计算结果可以得出：在3个方向上，加速度过载最大变形为0.126 mm，各材料的最大应力远远小于材料的允许强度，满足设计要求。

模态分析是天线随机振动分析的基础，在进行随机振动分析前，应先获得其固有模态。为了获取天线的固有频率，对天线进行模态分析，得到的前6阶模态频率如图2～图4所示。

图2 1阶和2阶振型

图3 3阶和4阶振型

图4 5阶和6阶振型

正弦扫频范围为10 Hz～100 Hz。天线单元在垂直于安装面方向(Z向)上的基频为995.8 Hz，远高于扫频上限频率。在垂直方向上扫频，天线单元基本不会放大，可以认为是准静态载荷(10g)。天线单元在水平方向的基频为170.9 Hz，大于扫频上限100 Hz，按照最大扫频加速度放大η倍后的准静态过载计算。由于天线单元在水平方向振动时相当于悬臂结构，因此可近似地按照单自由度振动理论计算放大倍数η[8]，其中，复合材料的临界阻尼比取0.05。

1.52

即天线单元在水平方向上的正弦扫频振动可按10g× 1.52 = 15.2g的加速度过载进行准静态计算；在垂直方向上正弦扫频振动可按照10g的加速度过载进行准静态计算。由前面加速度过载分析可以直接得出天线在正弦扫频作用下的近似分析结果，见表4。

表4 正弦响应近似结果

在模态分析的基础上，运用模态叠加法，分析得出随机振动工况下的天线响应结果，见表5。

表5 随机振动分析结果

综合加速度过载和随机振动的仿真结果，由分析结果可知：天线支撑筒最大应力为18.30 MPa，支架最大应力为133.41 MPa，相比各部件材料的强度，整体应力水平很低，安全裕度较大；天线在水平方向上的基频为170.9 Hz，频率较高，不会与平台发生明显耦合，满足动刚度设计要求；天线的最大位移为1.415 7 mm，变形较小，在可控范围之内。

3 热设计

天线为无源设备，安装在星体外表面，进入阴影区后或被星体遮挡时工作温度会很低，而处于太阳辐射直接照射时温度会很高，必须采取热控措施减小天线的温度变化范围和梯度，使元器件及结构材料在允许的工作温度范围内。如对天线单元喷涂高半球发射率(εH≥ 0.85)、低太阳吸收率(αs≤ 0.2)的S781热控白漆涂层，防止天线过冷与过热，或采取在支座下部整个区域与卫星平台之间包覆15单元多层隔热组件等被动热控措施。经热仿真分析，天线工作温度为-70 ℃～ +46 ℃，为天线允许的工作温度范围(-90 ℃～ +90 ℃)。

所选用的热控材料满足热真空、原子氧、紫外线、空间辐射、高低温的要求。

4 试验验证情况

针对天线试验件，按鉴定级力学试验条件相继开展了加速度、正弦振动和随机振动试验。试验后天线试验件无任何物理损伤，且经测试，试验前后电性能一致。

在力学试验后开展了-90 ℃～70 ℃试验温度范围、6.5次循环的热真空试验。试验后天线试验件无任何物理损伤，试验前后电性能一致。

天线试验件通过了鉴定级力学环境试验和热真空环境试验的考核。

5 结束语

本文对某星载天线进行了结构设计，所选用的结构材料和热控材料均有良好的空间环境适应性。利用有限元方法对其进行了加速度、模态、正弦振动和随机振动分析。力学分析结果表明，结构基频和各部件强度安全裕度均满足设计要求，且通过了力学环境试验的考核。针对天线采取了被动热控措施，热分析结果表明天线在允许的工作温度范围内可靠工作，且通过了热真空试验的考核。力学、热学分析及试验结果表明天线结构设计合理。