空间大型可展开高精度天线的应用现状及发展趋势①

万小平，杨粉莉，杨军刚

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.陕西航天技术应用研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

随着航天事业的发展，世界各航天强国针对大型可展开天线的需求，纷纷发展了形式各样的大型可展开天线。而对于高收纳比的空间大型可展开高精度天线，更是由于其在空间中继、降雨雷达、微波武器及深空探测测控通信中特殊应用，加之其研制难度巨大，目前只有少数几个国家成功研制，因而成为衡量一个航天大国宇航能力的标尺之一。

本文简要介绍了世界各航天国家的大型可展开高精度天线研制情况，从而了解大型可展开高精度天线在空间的应用现状，并结合我国宇航事业对空间大型可展开高精度天线的需求，对我国的大型可展开高精度天线的发展提出了建议。

1 国外大型可展开高精度天线发展现状

到目前为止，据公开资料显示仅美国、日本、俄罗斯成功研制了5米以上高精度可展开天线，以下分别叙述。

1.1 美国大型可展开高精度天线发展现状

美国发展大型可展开高精度天线的公司主要有HARISS及ASTROMESH两家，其中HARISS公司发展的大型可展开高精度天线以伞状可展开天线为基础，而ASTROMESH则以环形可展开天线为基础。

HARRIS成功研制了口径为3.5～9米的高精度网面可展开天线[1](见图1)，该天线采用伞状可展开结构，主要由索网系统、天线肋及金属反射网等组成，工作频率为Ka频段，型面精度为：0.3mm，它是目前世界上已成功研制型面精度最高的网状可展开天线。

图1 美国HARISS公司3.5～9米高精度网状天线Fig.1 3.5～9m high-precision mesh antenna from HARISS,USA

另外，Harris公司结合网状天线与膜面天线的特点，成功研制出了高精度柔性膜面可展开天线[1](见图2)，最高工作频率：90GHz，是目前已经成功研制的型面精度最高的大型可展开天线。

图2 美国Harris公司研制的柔性膜面可展开天线Fig.2 Flexible membrane surface deployable antenna developed by Harris Corporation

Harris公司采用CFRS材料研制可展开无反枕效应薄膜反射器。这种反射器的反射面采用碳纤维复合材料薄膜，折叠成伞状。若尺寸较大可折叠成两折或多折。在折叠处具有很大的应变，这是一般的碳纤维复合材料所不能承受的。新的设计方案是在应变较大的部位的反射面的背面设置一些采用CTD公司研发的TEMBO®材料制作的背部加强件。TEMBO®材料是一种弹性记忆复合材料(EMC)，用这种材料制作成反射面的背部加强件粘接在反射面的背面。反射器折叠时将加强件加热到EMC的玻璃转换温度以上，折叠后冷却，反射器保持折叠状态。展开时将加强件加热到恢复温度，反射器恢复成工作状态。由于在折叠处采用了EMC加强件，这就大大增强了反射器折叠处的可折叠性能，使反射器的折叠处能承受很大的应变。

Harris公司研制这种薄膜反射器是为了未来深空中继站的25m中继天线[2～4]。这一天线将工作于Ka频段或更高，因此，这种反射器的研究目标是工作于40GHz及以上的大型可展开天线。为验证这一概念，Harris公司研制了0.9m的原理样机，如图3所示。

(a)Packaged (b)Deployed图3 薄膜反射器0.9m原理样机Fig.3 Prototype of 0.9m film reflector

图4是两折反射器的设计方案，图5是4折反射器的设计方案。4折反射器方案是为25m天线研究的方案。

图4 两折伞状反射器设计方案Fig.4 Design scheme of two-fold umbrella reflector

图5 25m天线反射器的折叠方案Fig.5 Folding scheme of 25m antenna reflector

美国的Astro aerospace公司针对高频段大型网状天线的需求，对环形反射器[5]进行了改进，能够实现6米天线型面精度0.192mm(RMS)，结构如图6所示，12.5米天线型面精度0.245mm(RMS)。为了验证该反射器在高/低温下的型面变化情况，在真空罐中对该反射器在-170°～+80°采用摄影测量法进行了型面测量。

图6 6米高精度环形反射器Fig.6 6-meter high-precision ring reflector

为了满足同步轨道降雨雷达及深空探测测控通信的对大型可展开高精度天线的需求，美国公司将网状天线和薄膜天线的优点结合起来，发明了一种基于静电吸附原理、网面为薄膜的环形可展开天线。网面系统由主网面和副网面两部分组成，在主副两个网面上布置正、负电极。通过加在电极和薄膜之间的电压，向电极方向吸引薄膜，可以在轨(环境温度变化时)自适应控制调节反射面天线的型面。静电控制可展开网状薄膜天线结构如图7所示，天线具有轻重量、支持在轨控制、封装效率高、在轨热效应引起的在轨形状误差即时矫正等优点。可展开网状薄膜天线通过静电力的灵活控制，使薄膜偏离理想结构达到最小。为验证上述设计，其研制了5米样机。

图7 网面为薄膜的环形可展开天线结构Fig.7 Loop expandable antenna structure with thin film mesh

如上图所示，该天线反射面采用金属化的聚合物薄膜做成球面形状，反射面的支撑结构采用Aostromesh公司的环形构架式网状展开天线的支撑结构。环形构架式网状展开天线是经过多次飞行考验的可靠的可展开支撑结构。它主要由可展开的环形桁架、上索网、下索网以及调整带组成。它不但是反射面的良好的支撑结构，也是主动控制反射面型面精度的驱动器的良好支撑结构。用作反射面的聚合物薄膜是用SRS技术公司研发的一种大尺寸溶解铸造法(Solution Casting Method)加工成球面的薄膜。在反射面上涂有一层金属反射层。用这些金属化的球面薄膜粘结成所需要的球形反射面，反射器的展开与收拢与环形构架网状天线反射器的展开与收拢是一样的。

1.2 日本大型可展开高精度天线发展现状

日本针对空间VLBI对大型可展开高精度天线的需求，研制了大型网状高精度天线，详述如下。其第一代VLBI[6](即VSOP-1)在1997年发射开始运行，其分辨率达到0.01毫角秒。该卫星上安装的1副口径为8米网状可展开天线(图8)，采用了正馈卡塞格伦双反天线，其中可展开主反射器型面RMS值达到0.82mm(该值是考虑在轨热变形后的最终值)，是目前在轨运行的8米以上网状反射器中型面精度最高的天线。

图8 日本HALCA卫星上口径8米的可展开反射器Fig.8 A deployable reflector with an aperture of 8 meters on the Japanese HALCA satellite

该天线发射前后效率测试值如表1[7]所示。从表中可以看到，在L和C频段在轨测试值仅比地面测试值降低1dB左右，但在Ka频段就降低了24.2dB，导致其无法正常使用。

表1 HALCA卫星8米大型可展开高精度天线发射前后效率测试结果Table 1 Efficiency test results of HALCA satellite 8-meter large deployable high-precision antenna before and after launch Comparison of the Antenna Efficiencies Before and Afer Launch

日本正在研制的第二代VLBI卫星[6](VSOP-2)上，采用9.56米的天线。该天线采用了偏馈卡塞格伦双反天线，天线结构形式继承了ETS-VIII卫星的天线结构，其在卫星上的布局如图9所示。

图9 日本VSOP-2卫星高精度天线方案Fig.9 High-precision antenna solution for Japan's VSOP-2 satellite

如上图所示，其主反射器型面精度要求：0.4mm，天线的波束指向精度优于：0.005°。为保证波束指向精度，副反与主反射器分别采用了1台高精度指向机构用于对天线的指向精度进行在轨微调。该卫星原计划2012年发射，且9.56米天线的型面精度只能达到1mm，无法满足预期要求，据报道目前该项目已经停止。

另外为了验证设计和分析结果，研制了4.8米原型样机[6](见图10)，型面精度达到了0.2mm(RMS)。

图10 日本4.8米可展开反射器Fig.10 Japan 4.8m deployable reflector

1.3 俄罗斯大型可展开高精度天线发展现状

以俄罗斯为主导研制RadioAstron卫星于2011年发射，该卫星上安装了10米的高精度射电望远镜反射器[8](见图11)。该天线采用了固面可展开形式，最高工作频率：25GHz，型面精度：0.5mm，重量：1500Kg。

图11 俄罗斯RadioAstron的10米可展开固面天线Fig.11 The 10-meter deployable solid surface antenna of RadioAstron,Russia

根据其在轨性能测试结果，在25GHz时天线的效率仅达到设计值的30%左右，据他们分析可能是由于热变形导致型面精度无法满足要求，从而引起了天线的效率下降。

另外，针对第二代空间VLBI对大型可展开高精度天线的需求，俄罗斯与欧洲合作的空间观测项目Millimetron[9](planned launch in 2017)空间射电望远镜采用了口径为12米天线(见图12)，工作在毫米波频段、亚毫米波频段甚至远红外频段，用于通过对宇宙空间的观测研究恒星、行星与银河系的形成与演化，甚至通过应用甚长基线干涉测量技术(VLBI)来实现更高的分辨率，以探索包括黑洞在内的宇宙超紧密辐射源，其天线的配置如表2所示。

图12 俄罗斯空间亚毫米波口径为12m大型可展开高精度天线展开过程Fig.12 The deployment process of a large deployable high-precision antenna with a diameter of 12m in Russian space submillimeter wave

表2 天线配置与性能Table 2 Antenna configuration and performance

该天线为典型的正馈卡塞格伦式双反射面系统，如图3-7所示。由于对天线自身低温(≤50 K)的要求，应用了特殊的热屏(无源辐射冷却)措施。天线结构采用固面与展开结构结合的方式，中心高形面精度固面口径为3.5m，周围为翼瓣，结构长为4.3m，与中心固面边沿机械连接，展开后形面精度可以达到10μm，其具体的结构配置见图12，反射器材料选用金属(金)反射镜涂层得C-C或Si-C。为了实现所要求的形面精度，包括翼瓣支撑结构中的机构、有源反射面单元与主反形面测试系统等的有源反射面控制系统得到了应用，以补偿由于展开翼瓣位置误差和由于温度导致的形面变化。在副反射支撑结构中也用到了机构，以实现通过调整副反位置进行再聚焦。

图13 12米亚毫米波天线结构配置Figure 13 12m submillimeter wave antenna structure configuration

为了消除来自太阳、地球、月球以及飞行器自身的热载荷影响，对主、副面采用了可展开式多层热屏圆锥铺设设计，共3个：第一个热屏口径为30-35m，第二个热屏口径为20-25m，第三个热屏口径为13-15m。热屏为类似Kapton的金属化薄膜。第一个热屏为双层结构，每层薄膜进行了双面金属化处理，初步的热模型分析认为有以下的平均温度分布：第一个热屏的第一层温度低于350K, 第二层温度低于250K；第二个热屏温度低于150K；第三个热屏温度低于50K。

2 国内大型可展开高精度天线发展现状

我国在大型可展开网状天线的研制起步较晚，国内目前从事可展天线理论与试验研究的单位主要有中国空间技术研究院西安分院、中电39所、西北工业大学、浙江大学，天津大学，北京理工大学，同济大学和西安电子科技大学等单位。其中中国空间技术研究院西安分院经过多年的努力，成功研制了径向肋伞状可展开高精度天线，型面精度小于0.40mm，最高可工作于Ka频段，结构如图14所示。

图14 西安分院研制高精度伞状天线Figure 14 The high-precision umbrella antenna developed by CAST Xi’an

另外，针对我国空间VLBI对大型可展开天线的需求，国内相关单位正组织力量对口径为10m的大型可展开高精度天线进行攻关研制，最高工作频率为46GHz，型面精度要求0.4mm。其中中国空间技术研究院西安分院提出了固网结合的结构方案，其产品结构如图15所示。

图15 西安分院研制的10米固网结合高精度网状天线Figure 15 The 10-meter solid combined with high- precision meshsurface antenna developed by CAST Xi’an

3 发展趋势及建议

随着空间探测及对地观测等宇航事业的发展，大型可展开高精度天线的需求日益增多，美国、日本、俄罗斯都在不宜余力的发展并取得了丰硕的成果，而我国在这方面的起步较晚，差距巨大。目前难以满足我国空间VLBI、深空探测、对地观测等任务的需求，并日益成为制约某些任务发展的瓶颈，因此我们应借机尽早开展这方面的研究。

在大型可展开高精度天线结构形式方面，俄罗斯基于其特殊的国情，发展了固面高精度可展开天线并成功应用，而美国与日本则采用了网状(膜状)可展开天线，目前9米左右的可展开天线最高工作频率能够做到90GHz。结合目前国内的大型可展开高精度天线发展现状，建议在国内现有基础上发展网状可展开高精度天线。

根据日本VSOP-1及俄罗斯RADIOASTRON大型可展开高精度天线在轨效率测试结果，其在高频的效率均下降较多，该现象应该引起我们重视。在发展大型可展开高精度天线过程中，天线型面精度地面测试值与入轨后天线的真实型面之间的关联性、型面的空间稳定性需要特别引起关注，避免重蹈日本及俄罗斯的覆辙。

结合我国深空探测需求，针对深空探测重量、体积及低功耗的特殊要求，采用新型智能材料研制大型高收纳比可展开高精度天线是趋势之一。另外，对于超高频率的应用场合，为保证天线型面的在轨稳定性，天线型面的在轨主动控制成为一种趋势，应该尽早开展上述两方面的应用研究。