一種大型星載雷達(dá)天線(xiàn)限位式壓緊釋放方法

馬超 王志國(guó) 任友良 王開(kāi)浚 張如變

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星具備全天時(shí)、全天候工作能力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地高分寬幅成像、干涉測(cè)高、地表微小形變監(jiān)測(cè)等，衛(wèi)星影像廣泛應(yīng)用在國(guó)土資源、防災(zāi)減災(zāi)、測(cè)繪與軍事偵察等領(lǐng)域。世界各國(guó)都積極開(kāi)展星載合成孔徑雷達(dá)研究，發(fā)射了多顆SAR衛(wèi)星[1-5]。

常用的星載合成孔徑雷達(dá)天線(xiàn)包括拋物面天線(xiàn)和平板相控陣天線(xiàn)兩種[6-7]。拋物面天線(xiàn)具備質(zhì)輕、靈活等特點(diǎn)，多應(yīng)用在小型衛(wèi)星上，如以色列合成孔徑雷達(dá)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星(TecSAR)、德國(guó)盧普合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星(SAR-Lupe)。大口徑、高分辨率SAR多采用平板相控陣天線(xiàn)，一般由多塊天線(xiàn)子板拼接而成，如加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星一號(hào)(Radarsat-1)和我國(guó)的高分三號(hào)衛(wèi)星。

大型相控陣?yán)走_(dá)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，雷達(dá)天線(xiàn)多塊子板折疊收攏，設(shè)計(jì)多個(gè)壓緊點(diǎn)，采用壓緊釋放裝置安裝在星體上，入軌后解鎖展開(kāi)。RadarSat系列衛(wèi)星的任務(wù)是監(jiān)測(cè)地球環(huán)境和自然資源變化，其主載荷為4塊相控陣天線(xiàn)，分為左右兩翼，尺寸為15 m×1.5 m，質(zhì)量為1366 kg，每翼采用6發(fā)火工裝置壓緊在星體兩側(cè)，天線(xiàn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)為背架式可展開(kāi)桁架[8]。歐洲航天局環(huán)境衛(wèi)星(ENVIromental SATellite，ENVISAT)主要用于海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的探測(cè)，SAR天線(xiàn)尺寸為10 m×1.3 m，質(zhì)量830 kg,采用天線(xiàn)本身的框架以及框架之間連接的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈實(shí)現(xiàn)其收攏與展開(kāi)[9]。日本先進(jìn)陸地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星(ALOS)配置了一臺(tái)L頻段SAR，天線(xiàn)尺寸8.9 m×3.1 m，質(zhì)量880 kg，4塊天線(xiàn)子板折疊后采用8發(fā)火工裝置安裝于星體單側(cè)[10]。我國(guó)的高分三號(hào)衛(wèi)星是首顆民用高分辨率全極化平面相控陣SAR衛(wèi)星，服務(wù)于海洋、減災(zāi)、水利等領(lǐng)域，衛(wèi)星主載荷為一副大型平面相控陣SAR，天線(xiàn)尺寸約15 m×1.5 m，質(zhì)量1500 kg，為左右對(duì)稱(chēng)的兩翼構(gòu)型，壓緊在星體兩側(cè)[11-14]。

隨著雷達(dá)天線(xiàn)尺寸、子板數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)一步增加，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)性能和壓緊釋放技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。過(guò)大的天線(xiàn)尺寸占據(jù)運(yùn)載火箭整流罩大部分空間，若仍沿用傳統(tǒng)的壓緊釋放方案，采用火工裝置將天線(xiàn)固定在衛(wèi)星平臺(tái)側(cè)面，則衛(wèi)星包絡(luò)不滿(mǎn)足要求，且火工裝置壓緊桿過(guò)長(zhǎng)難以抽離，影響天線(xiàn)展開(kāi)的可靠性。本文探索一種限位式壓緊釋放方法，采用天線(xiàn)壓緊釋放機(jī)構(gòu)與星體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)思想，開(kāi)展了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、原理樣機(jī)研制和性能驗(yàn)證，為下一代大型雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展儲(chǔ)備技術(shù)。

1 系統(tǒng)方案

限位式壓緊釋放系統(tǒng)的利用星體的收攏實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)壓緊，星體的展開(kāi)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)釋放。根據(jù)一體化設(shè)計(jì)思路，開(kāi)展了原理樣機(jī)方案設(shè)計(jì)，主要包括構(gòu)型布局選擇、星體結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)和壓緊釋放裝置設(shè)計(jì)等。

1.1 構(gòu)型布局

當(dāng)雷達(dá)天線(xiàn)子板數(shù)量少、尺寸小、質(zhì)量輕時(shí)，傳統(tǒng)的方法是采用壓緊釋放火工裝置將其固定在星體側(cè)面，為“側(cè)掛式”構(gòu)型布局，如圖1(a)所示。當(dāng)雷達(dá)天線(xiàn)子板數(shù)量較多、尺寸較大時(shí)，會(huì)占據(jù)運(yùn)載火箭整流罩大部分空間時(shí)，“側(cè)掛式”構(gòu)型布局已不滿(mǎn)足整流罩包絡(luò)要求。為此，限位式壓緊釋放系統(tǒng)采用一種“收納式”構(gòu)型布局，即采用壓緊釋放裝置將天線(xiàn)子板安裝在星體內(nèi)部，如圖1(b)所示。

圖1 構(gòu)型布局示意

1.2 星體結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)

限位式壓緊釋放方法對(duì)星體提出了多種要求：①星體內(nèi)部要提供足夠的布局空間以安裝雷達(dá)天線(xiàn)；②星體要具有高剛度、大承載力學(xué)性能，以適應(yīng)發(fā)射過(guò)程中嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境；③星體入軌后要具備展開(kāi)功能以釋放天線(xiàn)。桁架式結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、便于調(diào)節(jié)和工藝性好等特性，對(duì)大型復(fù)雜有效載荷具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。為此，選擇大承載、高剛度桁架作為星體結(jié)構(gòu)。

星體桁架設(shè)計(jì)成中空的“口”字型，如圖2(a)所示，包括主體桁架、展開(kāi)桁架、分離螺母和展開(kāi)鉸鏈等部分。發(fā)射時(shí)星體桁架呈收攏狀態(tài)，展開(kāi)桁架與主體桁架之間設(shè)置了10個(gè)連接點(diǎn)，每個(gè)連接點(diǎn)采用大承載分離螺母實(shí)現(xiàn)可靠連接，使桁架形成封閉構(gòu)型，將天線(xiàn)牢固地壓緊在其內(nèi)部。入軌后分離螺母解鎖，在展開(kāi)鉸鏈作用下桁架展開(kāi)，如圖2(b)所示，釋放天線(xiàn)。

圖2 星體桁架

1.3 壓緊裝置

天線(xiàn)子板兩側(cè)邊框上設(shè)計(jì)10個(gè)耳片作為壓緊點(diǎn)，如圖3所示，耳片上安裝公母錐套。相鄰的天線(xiàn)子板利用相互配合的公母錐套串聯(lián)起來(lái)，形成天線(xiàn)組合體。通過(guò)桁架在端部加載錐套上施加預(yù)緊力，并傳遞至另一端，實(shí)現(xiàn)公母錐套間接觸擠壓，完成天線(xiàn)組合體壓緊。星體桁架展開(kāi)后，預(yù)緊力自動(dòng)卸載，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)釋放。

圖3 串聯(lián)壓緊錐套

為使錐套間獲得期望的預(yù)緊力，在每串錐套頂端的桁架上設(shè)計(jì)了預(yù)緊力加載測(cè)量裝置，如圖4所示。該裝置由鎖緊螺母、加載螺釘、加載底座、力傳感器、平面軸承、防脫軸、加載錐套和防松螺母等組成。利用扳手對(duì)加載螺釘施加扭矩，通過(guò)螺紋副實(shí)現(xiàn)加載，傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示預(yù)緊力。加載到位后可通過(guò)防松螺母鎖緊，加載裝置即可拆除。

圖4 預(yù)緊力加載測(cè)量裝置

1.4 整機(jī)狀態(tài)及參數(shù)

整機(jī)含8塊天線(xiàn)子板，單塊質(zhì)量100 kg，天線(xiàn)總質(zhì)量800 kg；每塊子板兩側(cè)邊框各設(shè)計(jì)5個(gè)耳片，共10串壓緊錐套；相應(yīng)地，展開(kāi)桁架接頭上對(duì)應(yīng)每串錐套設(shè)計(jì)一個(gè)壓緊點(diǎn)(編號(hào)A～J)，安裝壓緊力加載測(cè)量裝置，整機(jī)模型和坐標(biāo)系如圖5所示。原理樣機(jī)桁架采用低成本的鋁合金型材研制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏重。真實(shí)衛(wèi)星桁架選用高模量碳纖維復(fù)合材料，如M55J，可大幅減輕質(zhì)量，提升力學(xué)性能。

圖5 整機(jī)模型及坐標(biāo)系

2 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研制了一套限位式壓緊釋放系統(tǒng)樣機(jī)，開(kāi)展相關(guān)性能驗(yàn)證工作，包括預(yù)緊力加載試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和展開(kāi)分析等內(nèi)容。

2.1 加載試驗(yàn)

從系統(tǒng)方案可以看出，限位式壓緊的重要環(huán)節(jié)是依靠預(yù)緊力建立起公母錐套之間的接觸擠壓狀態(tài)。天線(xiàn)子板組合體內(nèi)外側(cè)跨度大，公母錐套串聯(lián)數(shù)量多，預(yù)緊力傳遞路徑長(zhǎng)。為研究預(yù)緊力能否可靠加載、傳遞和保持，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了預(yù)緊力加載試驗(yàn)。

選擇壓緊點(diǎn)A、J處的兩串錐套，除了端部的力傳感器外，在錐套傳力路徑上再串聯(lián)3個(gè)軸間傳感器，如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)在端部施加預(yù)緊力，觀(guān)察端部和軸間力傳感器讀數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊力可沿著長(zhǎng)路徑可靠傳遞，同一串錐套上預(yù)緊力最大偏差在10%左右，滿(mǎn)足工程要求；預(yù)緊力加載到位后靜置24 h，傳感器讀數(shù)波動(dòng)較小，預(yù)緊力保持穩(wěn)定。

2.2 模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)根部法蘭采用螺釘固定在試驗(yàn)工裝上，通過(guò)工裝連接到地基上，模擬固支邊界條件，如圖7所示。模態(tài)試驗(yàn)采用錘擊法，測(cè)試不同預(yù)緊力下樣機(jī)的模態(tài)頻率，其結(jié)果如圖8所示。

圖7 模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 不同預(yù)緊力下樣機(jī)模態(tài)頻率

由圖8可知，整機(jī)各階主要模態(tài)頻率受預(yù)緊力影響很小，特別是當(dāng)預(yù)緊力大于2000 N時(shí)，各階模態(tài)頻率幾乎保持不變。經(jīng)模態(tài)測(cè)試，整機(jī)各階主要模態(tài)頻率滿(mǎn)足現(xiàn)役運(yùn)載火箭的基頻要求。

2.3 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)接工裝固定在振動(dòng)臺(tái)上，開(kāi)展X、Y、Z三個(gè)方向正弦掃頻試驗(yàn)，各方向按照預(yù)振、滿(mǎn)振、復(fù)振順序進(jìn)行，預(yù)復(fù)振試驗(yàn)量級(jí)為0.1gn，滿(mǎn)振試驗(yàn)量級(jí)0.6gn。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)主要布置在桁架、天線(xiàn)壓緊點(diǎn)上。

整機(jī)經(jīng)過(guò)大量級(jí)振動(dòng)前后，各方向預(yù)復(fù)振頻率變化在0.1～0.4 Hz，說(shuō)明樣機(jī)結(jié)構(gòu)在大量級(jí)振動(dòng)前后的整體剛度特性無(wú)明顯變化，系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)射主動(dòng)段振動(dòng)環(huán)境。4000 N預(yù)緊力下，天線(xiàn)壓緊點(diǎn)加速度響應(yīng)，X方向?yàn)?.5～3.8gn，Y方向?yàn)?.1～4.5gn，Z向?yàn)?.9～3.2gn，總體而言動(dòng)力學(xué)環(huán)境良好。預(yù)緊力從3000 N到5000 N變大時(shí)，諧振頻率幾乎無(wú)變化，響應(yīng)水平會(huì)有一定程度降低；但更大的預(yù)緊力會(huì)在星體桁架上產(chǎn)生更大的預(yù)應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。綜合考慮，各壓緊點(diǎn)施加4000 N預(yù)緊力較為合適。

2.4 展開(kāi)分析

為降低研制成本，原理樣機(jī)采用分離螺母模擬件、展開(kāi)鉸鏈工藝件實(shí)現(xiàn)主體桁架和展開(kāi)桁架二者的連接，系統(tǒng)不具備解鎖展開(kāi)功能。故采用MSC/ADAMS軟件對(duì)系統(tǒng)建模，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。桁架展開(kāi)鉸鏈驅(qū)動(dòng)力矩為3 Nm，展開(kāi)過(guò)程扭矩輸出基本恒定，阻力矩0.5 Nm；展開(kāi)桁架繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為220 kgm2，展開(kāi)角度為90°，展開(kāi)時(shí)間約為18.5 s，運(yùn)動(dòng)過(guò)程角位移曲線(xiàn)如圖9所示。桁架展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)干涉現(xiàn)象，順利釋放雷達(dá)天線(xiàn)。

圖9 桁架展開(kāi)角位移曲線(xiàn)

天線(xiàn)板之間由鉸鏈相連接，通過(guò)有源驅(qū)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)展開(kāi)，各驅(qū)動(dòng)組件額定輸出力矩100 Nm，展開(kāi)時(shí)間約300 s，板間鉸鏈展開(kāi)角度隨時(shí)間變化如圖10所示。由分析可知，雷達(dá)天線(xiàn)展開(kāi)平穩(wěn)，公母錐套無(wú)卡滯現(xiàn)象，鎖定可靠。后續(xù)將開(kāi)展工程樣機(jī)研制，選用星上真實(shí)分離螺母和展開(kāi)鉸鏈產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其展開(kāi)性能。

圖10 天線(xiàn)板間鉸鏈角位移曲線(xiàn)

3 結(jié)論

針對(duì)大型星載雷達(dá)天線(xiàn)子板數(shù)量多、包絡(luò)大等技術(shù)特點(diǎn)，提出一種限位式壓緊釋放方法，進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原理樣機(jī)研制，并開(kāi)展試驗(yàn)和仿真分析以驗(yàn)證其性能。

(1)加載試驗(yàn)表明，預(yù)緊力可沿長(zhǎng)路徑可靠傳遞，且保持穩(wěn)定；

(2)模態(tài)試驗(yàn)表明，整機(jī)基頻滿(mǎn)足運(yùn)載火箭要求，且頻率受預(yù)緊力影響很小；

(3)振動(dòng)試驗(yàn)表明，樣機(jī)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)前后的整體剛度特性無(wú)明顯變化，系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)射主動(dòng)段振動(dòng)環(huán)境；天線(xiàn)壓緊點(diǎn)響應(yīng)水平適中，動(dòng)力學(xué)環(huán)境良好；

(4)運(yùn)動(dòng)仿真表明，星體桁架和天線(xiàn)展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)干涉卡滯現(xiàn)象，可順利釋放雷達(dá)天線(xiàn)。

綜上，限位式壓緊釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理可行，功能性能滿(mǎn)足要求，該技術(shù)可應(yīng)用于衛(wèi)星型號(hào)研制，實(shí)現(xiàn)大型雷達(dá)天線(xiàn)可靠壓緊釋放。