空間可展開天線是工作在太空環境下的具有展開功能的天線，是航天器無線通信系統中不可或缺的重要裝備，同時也是國際宇航界研究的前沿與熱點，廣泛應用于星際探測、衛星導航、移動通信、電子偵察和射電天文等領域。

在我國“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要中，規劃的空間基礎設施體系建設、星際探測、探月工程四期、北斗產業化等重大航天工程均對空間可展開天線提出了迫切的需求，開展可展開天線相關理論及應用研究具有較為重要的科研價值和實際意義。

航天器距離地面約為幾萬、幾十萬、甚至幾百萬公里，電磁波在穿越星際的過程中會有損耗，為了增加數據傳輸和接收能力、提高分辨率、增加通信距離，可展開天線需要向高精度化和大型化方向發展。

模塊化空間可展開天線是空間可展開天線實現大型化的重要方式之一，其支撐結構由多個可展開六棱柱模塊組成 （圖 1，圖 2）。

圖 1：模塊化可展開天線結構

圖 2：單模塊結構組成

目前，模塊化空間可展開天線實現大型化主要有兩個思路：

(1) 增大單模塊的尺寸；

(2) 增加模塊的數量。

然而，現有空間可展開天線的工作表面大多為拋物面，由若干個六棱柱模塊構成平面很容易，而構成空間曲面(例如，拋物面、球面等)則較為困難。若想通過增加模塊數量的方式實現天線的大型化，首先要解決的問題就是：如何用若干個六棱柱模塊來構成空間可展開天線的支撐結構，同時還要滿足天線的精度要求。

現有模塊化的工程案例主要有：

(1) 日本2006年發射的 Engineering Test Satellite VIII (ETS-VIII) 衛星(圖 3); 

(2) 美國 2021 年 12 月發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)(圖 4)。

圖 3：ETS-VIII 衛星

圖 4：詹姆斯韋伯太空望遠鏡

由圖 3 和 4 可知，ETS-VIII 的六棱柱模塊數量為 14，詹姆斯韋伯太空望遠鏡的六棱柱模塊數量為 18，充分說明了模塊化結構和方案的可行性。但多個模塊如何構成空間曲面以及保證形面精度等細節，均無公開文獻報道。

鑒于此，沈陽建筑大學田大可副教授團隊采用簡化等效的思路，將多個六棱柱模塊構成拋物面的問題轉化為求空間圓和球面位置關系的問題(圖 5)，進而采用可視化和試驗的方式驗證上述模型的正確性和模塊的連接精度(圖 6~圖 8)，從而解決了模塊化結構的高精度建模問題。

圖 5：模塊化可展開天線的建模流程

研究成果以“六棱柱模塊化可展開天線形面精度分析”為題發表于《光學 精密工程》（EI、Scopus 收錄，中文核心期刊，2021 中國國際影響力優秀學術期刊）。

圖 6：包絡圓模型

圖 7：模塊化可展開天線 (61 個模塊)

圖 8：模塊化可展開天線展開功能驗證試驗

研究結果表明：

(1) 六棱柱模塊的拓撲變換具有較強的規律性，模塊化可展開天線支撐結構可由若干個典型六棱柱模塊經環形陣列形成。

(2) 數值仿真模型表明，依據所建立的模型可以實現各模塊間的準確連接，并能夠求解出模塊連接點的空間坐標。

(3) 肋單元夾角是空間可展開天線支撐結構的一個重要參數，主要受拓撲層數i、擬合球半徑 R 和包絡圓半徑 r 的影響。當參數 R=4701 mm、r=600 mm、i=4 時，肋單元夾角的最大值和最小值分別為：68.57° 和 45.35°，改變這 3 個參數的配置，可讓夾角的最值更趨于 60°。

(4) 特征點的測量值與理論值偏差較小，絕對誤差主要分布在 5~10 mm之間，相對誤差主要分布在 0.05%~0.1% 之間，支撐結構具有較高的展開精度。

該模型可為超多模塊可展開天線形面精度的研究提供理論參考。

作者簡介：

田大可，博士，副教授，碩士生導師，2004 年于武漢理工大學獲得學士學位，2007 年于東北大學獲得碩士學位，2011 年于哈爾濱工業大學獲得博士學位，主要研究方向為宇航空間折展機構創新設計、空天飛行器變形翼、航空發動機總體結構。
Email: tiandake@sjzu.edu.cn

金路，博士，副教授，碩士生導師，2004 年、2006 年、2011 年于哈爾濱工業大學分別獲得學士、碩士、博士學位，主要研究方向為宇航空間可展開結構動力學、鋼結構分析與設計方法。
Email: jinlu@sjzu.edu.cn

論文信息

田大可,范小東,金路等.六棱柱模塊化可展開天線形面精度分析[J].光學精密工程,2021,29(12):2855-2867.

https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2855

監制 | 臧春秀、趙陽

編輯 | 趙唯

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