國外空間大型網狀天線在軌展開故障與對策

董富祥 周志成 曲廣吉

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

空間大型網狀天線是滿足移動通信、電子偵察和深空探測等空間應用的關鍵設備，具有口徑大、展開機構復雜等特點［1］，如跟蹤與數據中繼衛星的徑向肋型網狀天線和電子偵察衛星的大型環形桁架式天線展開機構，均由幾十個到上百個運動部件組成。由于空間大型網狀天線尺寸大及運載火箭整流罩的限制，發射前必須將其折疊，入軌后再展開。

空間大型網狀天線在軌能否可靠展開直接關系到航天項目的成敗。由于天線展開機構的復雜性及難以實現冗余設計，其展開過程易出現故障且難以實現在軌維修，一旦出現故障極易形成單點失效事件，直接影響預定航天任務的實現。開展空間大型網狀天線在軌展開故障和對策研究，有助于從國外案例中汲取經驗教訓，為研制階段天線防故障設計和在軌展開故障排除措施的制定提供參考，增強大型天線展開機構的可靠性。

本文列舉了國外1974-2011年期間發射的帶有大型網狀天線的航天器，并對其在軌展開故障模式和故障機理進行了分析；對天線在軌展開故障排除方法進行了總結，綜述了天線展開機構設計改進的主要技術措施；提出了可增強天線在軌展開可靠性的建議。

2 載有大型網狀天線的航天器統計和故障模式分析

2．1 載有大型網狀天線的航天器統計

表1為截至2011年12月根據公開資料統計得到的攜帶口徑為4．8m 以上網狀天線的部分科學、商業和軍用航天器統計數據，由于各國大量電子偵察衛星的天線口徑、在軌展開狀況和故障信息等數據難以確切核實，因此表1未將這類航天器統計在內。

表1 載有大型網狀天線的部分科學探索、商業和軍用航天器（截至2011年12月）Table 1 A part of scientific，commercial and military spacecraft with large mesh antenna

根據表1統計，截至2011年12月國際上共發射載有大型可展網狀天線的科學探索、商業和軍用航天器41個，其中FLTSATCOM、Galileo、LDREX、Eutelsat-W2A、Skyterra-1航天器載有的大型天線在軌展開過程中出現故障，經搶救，FLTSATCOM、Galileo、LDREX 和Eutelsat展開失敗，Skyterra-1排除故障后工作正常。由表1可知，天線展開過程遇到故障的航天器占發射總數的12．19%。

2．2 天線在軌展開故障模式分析

根據天線展開故障機理可將天線展開故障分為3種類型：①發射過程意外引起的天線展開故障；②壓緊釋放機構設計不合理導致天線展開故障；③索網纏繞引起的天線展開故障。下面分別對各類展開故障進行詳細介紹。

2．2．1 發射過程意外引起的天線展開故障

1981年8月發射的美國艦隊通信衛星-5（FLTSATCOM-5）（見圖1），4．9m 的UHF 頻段發射天線未能正常展開。分析星上遙測數據后發現，天線發生了彎曲。對衛星進行動力學分析，并經地面試驗驗證后確定，衛星入軌期間玻璃纖維制成的整流罩內襯發生了爆炸性剝離，飛濺的整流罩碎片打彎了天線桿，阻止了天線正常展開［3-4］。同時UHF 天線與星體連接部位也發生了斷裂，當星體轉速達到45r／min時，天線與星體便分離了，最終導致整星失效。

圖1 美國艦隊通信衛星-5Fig．1 FLTSATCOM-5

2．2．2 壓緊釋放機構設計不合理導致天線展開故障

1989年10月NASA 發射了伽利略號木星探測器，其上載有一副Harris公司制造的口徑為4．8m的高增益X 頻段徑向肋天線，用于將科學探測數據傳回地球，如圖2所示。然而，1991年4月該天線在展開過程中出現故障，無法正常展開。經過多次努力，仍然未能使該天線展開，后來雖然采取補救措施減小了高增益天線展開失敗帶來的損失，但仍導致絕大部分科學探測數據無法傳回地面［6-9］。

圖2 伽利略號探測器Fig．2 Galileo spacecraft

伽利略號探測器上的大型徑向肋天線繼承了此前Harris公司為“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）建造的傘狀徑向肋天線的基本結構，并為保證其展開可靠性，增加了冗余電動機、中心釋放機構和防纏繞系統。經故障模式分析和地面故障復現，故障定位在中心壓緊機構銷槽配合位置處，如圖3所示。原因是V 形槽位置處過高的接觸應力破壞銷槽之間二硫化鉬（MoS2）潤滑膜，而運輸過程中發生的振動和發射前多次驗證試驗又使這層膜被磨損掉，使銷槽金屬基體在空間高真空環境下直接接觸，發生黏著效應，使鎖緊機構發生卡滯，導致天線最終展開失敗。

圖3 插座設計示意圖［7］Fig．3 Receptacle design

2．2．3 索網纏繞引起的天線展開故障

2000年12 月日本“大型可展開反射器試驗”（LDREX）的六邊形模塊式試驗天線，作為輔助載荷由阿里安-5 火箭發射，開展在軌展開飛行驗證［15-18］。火箭進入轉移軌道后，天線在軌展開試驗開始。根據攝像機傳回的畫面，發現LDREX 展開120s后停止，在軌展開試驗失敗。圖4為LDREX天線在軌展開試驗示意圖。

LDREX 是日本工程試驗衛星-8（ETS-8）上的六邊形模塊式天線在軌驗證產品，由7個結構相同的基本模塊組成。圖5為六邊形模塊式天線基本模塊結構示意圖。從圖5中可以看出，該模塊主要由表面索網、網面反射器、支撐索、中心軸、基準桿和可展開桁架結構組成。可展開桁架結構由1個中心軸和6個徑向肋組成，展開過程中四桿對角單元的上桿和下桿通過同步單元保持平行。LDREX 采用壓簧和扭簧作為天線展開動力源，為了確保每個模塊展開速度受控和各個模塊展開的同步性，采用步進電動機對拉索回收速度進行控制。

圖4 LDREX 在軌展開試驗示意圖Fig．4 Diagram of LDREX in-orbit deployment experiment

圖5 LDREX 天線單元基本組成Fig．5 Detail of basic module

根據攝像機傳回的天線在軌展開故障圖像，判定LDREX 的索網與可展開桁架結構發生了纏繞。經研究分析各種失效模式后，得出如下結論［17］：

（1）在天線展開初始階段，特別是壓緊釋放機構（HRM）剛剛釋放后，天線發生了大幅振蕩；

（2）振蕩使天線索網與可展開桁架結構發生纏繞，導致展開過程終止。

此次天線在軌展開故障的教訓是：地面驗證試驗中的風險需要小心評估，在地面展開試驗中重力減小了索網振蕩的幅值，這樣在地面試驗期間可展開桁架結構沒有出現在軌試驗那樣大的振蕩，使設計時忽略了初始時刻壓緊釋放機構引起的振動，最終造成LDREX 在軌展開失敗。

3 天線在軌展開故障應急處理對策和設計改進

天線在軌展開遇到故障后，需要立即對天線展開故障模式進行判讀，確定故障類型，并根據應急處理預案開展故障排除工作。之后還應根據在軌遙測數據、動力學仿真結果和地面驗證試驗，確定引起天線展開故障的薄弱環節，改進天線展開機構設計，提高天線展開可靠性。

3．1 天線在軌展開故障應急處理對策

國外主要采用以下幾類方法排除天線在軌展開故障。

（1）收攏再展開法

僅適用于主動驅動天線展開機構，如傘狀肋天線。這類天線驅動機構具備正逆雙向驅動能力，但該方法會破壞原本已折疊好的天線柔性索網，引發索網自身纏繞或者與天線其他部件纏繞的風險。在伽利略號木星探測器故障排除預案中，曾擬采用該方法排除天線展開故障，但評估后放棄了該方法。

（2）冷熱循環法

利用空間熱輻射環境，將天線背離太陽使配合位置收縮，然后再將天線朝向太陽，使卡滯處產生熱膨脹，反復進行這一過程直至故障排除。在伽利略號木星探測器天線展開故障排除措施中采用了該方法，但是未能幫助天線展開。

（3）慣性力輔助法

控制航天器使其繞某慣量主軸以一定角速度轉動，以便在卡滯位置產生一定的慣性力，幫助天線從卡滯位置處解脫。采用該方法將會使衛星失去原來姿態，同時又要保持穩定的指向，因此對姿態控制系統極具挑戰性。該方法被用于排除FLTSATCOM-5衛星、伽利略號木星探測器、Eutesat W2A 衛星和SkyTerra-1衛星等天線展開故障。

以上3種故障排除方法僅為排除天線故障的基本方法，實際執行中還需要根據具體故障模式采取相應的搶救方案，例如阿尼克-E2（Anik-E2）衛星［4］天線展開故障排除措施就同時使用了方法（2）、（3）。

3．2 天線設計的改進

故障原因確定后，應通過仿真分析、修正設計和試驗驗證等環節多次迭代，提升天線展開可靠性。根據展開故障類型，天線設計改進措施主要有以下3點。

（1）針對發射意外引起的天線展開故障，增強天線的抗振動噪聲能力設計及驗證。

（2）針對壓緊釋放機構設計不合理引起的天線展開故障，應在壓緊釋放機構設計中盡量避免高接觸應力，防止其表面MoS2潤滑膜被破壞，其形成的潤滑膜很可能在地面試驗中被消耗殆盡，以至于在真正需要時不能提供必需的潤滑特性。

（3）針對索網纏繞引起的天線展開故障，目前國外主要采取以下措施予以避免：①修改壓緊釋放機構釋放次序，以減小壓緊釋放機構動作引起的反射器索網振蕩；②安裝防護帶和隔離組件，避免反射網與桁架結構纏繞。

4 結論

根據空間大型天線展開的復雜性，結合國外已發射衛星的工程經驗，建議在以下幾方面增強天線在軌展開可靠性。

（1）加強天線展開可靠性設計，提升天線展開機構抗沖擊能力。可降低運載火箭整流罩拋罩異常或其他意料沖擊對天線展開可靠性的不利影響。

（2）加強天線機構潤滑特性分析與試驗驗證，有條件地開展天線空間環境展開試驗。可靠潤滑是天線機構功能正常的重要保障，有助于降低天線展開過程中卡滯風險，避免卡滯引起的天線展開故障。有條件地開展大型天線空間環境展開驗證試驗，可充分暴露地面試驗難以預見的故障模式，保證大型空間天線在軌可靠展開。

（3）開展索網防纏繞設計與分析驗證工作，盡力避免索網自身纏繞及其與桁架之間的纏繞引起的天線展開故障。天線地面展開試驗中重力抑制了天線索網本身的振蕩，使現有索網管理方案能夠在地面常規試驗中有效避免索網纏繞，然而，仍然需要仔細評估空間力學環境下索網自身及其與桁架發生纏繞的風險。

（4）開展天線展開動力學過程預測，加強基于多學科的天線展開故障應急處理預案研究。深入細致地開展天線展開動力學過程仿真與預測研究，是合理布置傳感器、監控天線展開過程的重要前提。地面展開試驗成功并不代表在軌展開成功，發射前需要有完善的故障應急處理預案。加強天線展開故障模式處理對策多學科仿真與試驗研究，確定各類故障模式下天線展開故障應急處理預案，可以為天線展開異常時采取正確故障排除措施作好準備。

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