星載大型柔性索網天線重力環境下的型面調試

王輝，宋燕平，馬小飛

西安空間無線電技術研究所，西安 710100

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星載大型柔性索網天線重力環境下的型面調試

王輝*，宋燕平，馬小飛

西安空間無線電技術研究所，西安 710100

大口徑柔性索網天線在地面環境下重力變形較大，且變形與天線反射面的制造誤差始終交織在一起從而影響天線型面精度調試。針對這一問題，文章給出了反射面各類誤差的定義，提出了制造誤差與天線口面向上和口面向下不同放置狀態型面誤差的相互關系并予以證明；通過對這些關系式的運用降低了反射面重力變形與反射面制造誤差的耦合程度，為反射器在重力環境下的型面調試指明了方向；此外結合工程需求給出了索網天線型面調試的流程，在實際工作中利用該流程可以有效地減少天線翻轉調整次數，提高索網天線的型面調整效率。

星載柔性索網天線；重力環境；型面誤差；相關性；型面調試

柔性索網天線由于具有質量輕、收納比高的特點，在航天領域具有較為廣闊的應用前景，尤其在星載大口徑及超大口徑天線研發方面相比固面天線具有無可比擬的優勢。目前典型的幾類柔性索網天線形式有Harris公司的剛性肋傘天線[1]和折疊肋傘天線[2]、Astromesh公司的環形天線[3]、日本ETS-III的模塊化天線[4]等。

隨著技術的發展，星載柔性索網天線在對口徑尺寸需求增長的同時，對其型面精度也有越來越高的要求，設計師們正利用各種設計方法來提高索網天線型面的精度[5]。然而索網類天線反射面主要是由張力索構成，張力索橫向剛度一般比較低，地面重力引起索網型面的變形不能忽略[6]，而重力變形與天線的制造誤差始終交織在一起，容易導致天線的型面調試結果出現偏離，這種偏離帶來的調試誤差已經成為其型面誤差的主要構成因素。如何有效地將重力變形剝離，進而通過調試減小天線型面制造誤差，對于提高大口徑及超大口徑索網類天線在軌型面精度具有重要的指導意義。重力變形剝離最直接的方法是進行無重力環境模擬，常用的方法有：懸掛法、水槽浮力法、高塔或深坑跌落法、飛機自由落體法、部分或縮比模型在軌試驗法等[7-8]。以上這些方法由于存在空間尺寸限制、試驗成本高等因素，對大口徑天線結構來說適用性較差。國外對于有形狀精度要求的大型空間構件，如大型空間天線、大口徑空間望遠鏡鏡片等，常用的方法是利用正向放置(Face-up)及反向放置(Face-down)兩種狀態型面平均來等效無重力型面[2,9-10]。這對于大口徑柔性索網天線而言，不失為一個較為可行的辦法，但實際調試過程中由于天線的重力變形是事先不知道的，即缺乏明確的調整目標,因此如果不尋找出一定的規律，其實際操作過程必然是盲目的和缺乏效率的。

文章根據在索網類天線型面調試過程中積累的一些經驗，對地面環境下各狀態型面誤差之間的相關性進行了梳理，基于上述型面平均思想及各型面之間的相關性提出了一種在重力環境下進行天線型面調試的方法，該方法為星載大型柔性索網類天線地面環境下的型面加工調試指明了方向。

1　柔性索網天線重力環境下各型面誤差定義

一般柔性天線型面調試過程中，都會涉及到下面幾類型面及其型面誤差(各型面相對位置見圖1，型面誤差計算方法采用的是反射面的軸向偏差計算方法[11])：

1)天線設計型面，這是天線的理想型面，其型面誤差認為是0。

2)無重力型面，這是天線在軌使用的型面，其型面誤差主要是制造誤差記為RMS。

3)Cup-up型面，天線在重力環境中口面向上時的反射面型面，其型面誤差記為RMSup包括制造誤差及重力引起的變形(也有文獻稱之為Face-up)。

4)Cup-down型面，天線在重力環境中口面向下時的反射面型面,其型面誤差記為RMSdown包括制造誤差及重力引起的變形(也有文獻稱之為Face-down)。

5)將Cup-down相對于Cup-up的型面誤差記為RMSdouble。

6)天線平均型面即Cup-down狀態與Cup-up狀態的算術平均型面，其型面誤差記為RMSa。

圖1　天線各型面相對位置Fig.1　Relative positions of the reflector in different status

2　各型面間的相關性及推導證明

在型面調試過程中，天線設計型面設為目標型面，型面調試的目的是使反射器的無重力型面盡可能地接近設計型面(即使制造誤差最小)，而大型星載柔性天線的無重力型面在地面環境下一般是不可直接測知的，實際調試過程惟有Cup-up的型面、Cup-down的型面以及Cup-down相對于Cup-up的型面誤差是可通過測量準確得出。文章根據索網類天線型面調試經驗，推導了各型面誤差之間存在的一些相關性規律，希望利用這些規律對無重力型面的誤差范圍進行預估，以達到指導天線重力環境下進行型面調試的目的。

RMS=RMSa=

以上各符號定義如下：

1)規律1證明如下：

根據數列范數的三角不等式性質有

則

即

2)規律2 證明如下：

3)規律3證明如下：

(1)

(2)

(3)

根據式(1)～式(3)可以得到

即

RMS=RMSa=

3　規律的運用及驗證

上述關系式對于索網類天線在地面環境下進行型面調試具有較大的幫助，通過對規律的運用可以指導如何來縮小制造誤差，從而使索網反射器通過較少次數的翻轉，就可以實現天線型面精度目標。

在實際調試中綜合規律1和規律2提出如下的型面調試目標即

在實現該調試目標的情況下反射面的制造誤差至少滿足RMS<(1/2)RMSdouble，其證明可以參考規律2和規律3。

假設索網天線反射器型面制造誤差目標為 RMS0，為了實現該目標，其調試流程如圖2所示。

圖2　索網調試流程Fig.2　Flow chart of mesh adjusting

按照上述調試流程，對某型面制造誤差要求小于3 mm的星載柔性索網天線進行了實際型面調試。過程中天線型面變化曲線如圖3所示(選取了調整過程中的階段性測試結果)。

該天線入軌后進行了天線增益GT值測試，根據測試結果推算出天線增益符合預期，說明天線無重力型面是滿足調整目標要求的，圖2中的調整流程是合理可行的。

圖3　某柔性索網天線調整過程中型面測試結果Fig.3　Surface errors of a flexible mesh antenna during adjusting

4　結束語

柔性索網構型是目前實現星載大口徑天線設計的最佳形式，隨著天線設計口徑越來越大、精度要求越來越高，地面環境下天線重力變形對型面制造精度的影響越來越明顯。文章從地面環境下天線各狀態型面誤差入手，研究了它們之間存在的一些相關性規律，在天線重力變形和天線制造誤差均不可知的情況，利用這些規律可以確立天線的調整目標，實現了Cup-up和Cup-down型面平均方法調整的定量化處理。圖2調整流程通過初期有針對性地設計及后期少量地調整就能有效得縮小天線反射面的制造誤差使天線型面達到預期目標，此方法的有效性在工程上已經得到了檢驗。上述規律和方法針對正反向約束狀態一致的天線較為有效，當天線正反向狀態約束條件有差異時，即使索網正反向都不出現松弛，由于天線邊界約束發生變化，索網正反向重力變形可能會不對稱，這會對索網最終型面調試結果的準確性產生影響，在應用時需要格外注意。

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(編輯：車曉玲、范真真)

Surface accuracy adjusting method of large flexible mesh spaceborne antenna on ground

WANG Hui*, SONG Yanping, MA Xiaofei

Xi′an Institute of Space Radio Technology, Xi′an 710100, China

The deformation of large flexible mesh antenna under gravity load is remarkable and mixed with the manufacturing error，which bring tremendous troubles to the surface accuracy adjusting work. To solve the problem, firstly, the article expatiated all kinds of surface errors existing in the reflector manufacturing and working; secondly, the article provided and certified the correlations among the errors especially manufacturing error and surface errors when the reflector is put Cup-up and Cup-down. By applying those correlations, the effect on the reflector surface error bought by gravity could be decreased, which provided great advantage for surface accuracy adjusting on ground. To meet the engineering requirement, a flow chart of how the surface accuracy would be adjusted was produced. It can reduce the reversal frequency of reflector and save time during surface accuracy adjusting.

flexible mesh spaceborne antenna；on ground；surface error；correlation；surface accuracy adjusting

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0040

2015-11-26；

2015-12-30；錄用日期：2016-05-11；

時間：2016-07-1213:26:53

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.006.html

國家自然科學基金(11290154,U1537213)

王輝(1977-)，男，高級工程師，13519122235@139.com，主要研究方向為星載天線結構設計與分析

V554+.3

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：王輝, 宋燕平, 馬小飛. 星載大型柔性索網天線重力環境下的型面調試[J].中國空間科學技術, 2016, 36(4)：33-37.

WANGH,SONGYP,MAXF.Surfaceaccuracyadjustingmethodoflargeflexiblemeshspaceborneantennaonground[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016, 36(4)：33-37.(inChinese).