天線系統(tǒng)是衛(wèi)星的關(guān)鍵組成部分，擔(dān)負(fù)著衛(wèi)星與地面溝通的重要使命。在各類衛(wèi)星需求爆發(fā)式增長的今天，衛(wèi)星天線的技術(shù)水平直接決定了衛(wèi)星的服務(wù)能力。
日前，中國建材總院所屬西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司（以下簡稱“鐘表所”）自主研發(fā)的“多轉(zhuǎn)軸共軛運(yùn)動裝置”以創(chuàng)新性的無源驅(qū)動方案，打破了以往衛(wèi)星天線空間展開的難題，讓衛(wèi)星天線得以大“展”身手。
天線展開“不用電”
出于不同的功能和設(shè)計考慮，衛(wèi)星天線形狀多樣。其中，傳統(tǒng)的圓環(huán)形天線形狀規(guī)整，可以像折疊傘一樣被高效折疊收納，藏進(jìn)航天器寸土寸金的載荷艙內(nèi)。但同樣由于其形狀限制，圓環(huán)形天線展開后的有效利用面積相對較低，一定程度上限制了衛(wèi)星的通信能力。
為了能夠在“好收納”的同時，保證天線展開后的有效面積足夠大，提升衛(wèi)星通信能力，我國研發(fā)人員研制出了多種非圓構(gòu)型天線。這種天線在航天器載荷艙內(nèi)收攏后，會變?yōu)槭忠?guī)整的圓形狀態(tài)，可以最大限度節(jié)約空間。而當(dāng)航天器到達(dá)預(yù)定位置后，該天線能夠展開成橢圓、多邊形等特殊構(gòu)型，顯著增強(qiáng)衛(wèi)星的通信容量和指向精度。
雖然非圓構(gòu)型天線設(shè)計巧妙，但要實現(xiàn)從收攏到展開的“絲滑變形”絕非易事，其中最關(guān)鍵的是展開驅(qū)動裝置的設(shè)計。
由于空間環(huán)境限制、結(jié)構(gòu)設(shè)計和共軛運(yùn)動需求，天線從收攏到展開的驅(qū)動裝置設(shè)計面臨多重瓶頸。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動方案在太空極端環(huán)境下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。太空中零下65攝氏度至150攝氏度的劇烈溫度變化，會使電機(jī)中的潤滑油凝固或蒸發(fā)。而電機(jī)長期面臨空間高能粒子輻射，也可能導(dǎo)致電路失效。此外，發(fā)射、入軌、展開等一系列活動中的機(jī)械沖擊還可能造成齒輪卡死。更重要的是，非圓構(gòu)型的展開需要多個“關(guān)節(jié)”進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動，每個關(guān)節(jié)若都配置電機(jī)，復(fù)雜的電機(jī)陣列不僅增加系統(tǒng)重量，還可能導(dǎo)致“一點失效、滿盤皆輸”。
能否在不應(yīng)用大量電機(jī)情況下，讓天線自主完成變形展開？瞄準(zhǔn)這個目標(biāo)，鐘表所研發(fā)團(tuán)隊將目光投向了純機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方案。“就像過去人們戴的機(jī)械手表，沒有電池和電機(jī)，同樣可以高精度運(yùn)轉(zhuǎn)?！痹摮晒夹g(shù)負(fù)責(zé)人屈二淵說，憑借多年來在鐘表計時領(lǐng)域的技術(shù)積淀，研發(fā)團(tuán)隊創(chuàng)新提出多轉(zhuǎn)軸共軛運(yùn)動的設(shè)計理念，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計出無源緩速驅(qū)動裝置，驅(qū)動天線展開。
無源，意味著不需要任何電力驅(qū)動，大大降低裝置故障率，保證了天線展開的可靠性。緩速，則是指整個展開過程勻速、緩慢，顯著降低對裝置的沖擊力，進(jìn)一步增強(qiáng)可靠性。
數(shù)字樣機(jī)尋找最優(yōu)解
屈二淵介紹，整個展開驅(qū)動裝置由三組核心模塊構(gòu)成。一是儲能驅(qū)動模塊，它是整個裝置的動力源，負(fù)責(zé)提供動力，驅(qū)動裝置運(yùn)行。團(tuán)隊?wèi){借多年對彈性材料性能的研究，設(shè)計了形式多樣的彈簧儲能系統(tǒng)，在地面時給模塊蓄滿能量，等到進(jìn)入預(yù)定位置后，觸發(fā)機(jī)關(guān)，釋放能量，驅(qū)動裝置運(yùn)行。
第二組模塊是共軛傳動機(jī)構(gòu)，團(tuán)隊設(shè)計出獨特的空間曲面凸輪組，可將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為空間三維復(fù)合運(yùn)動。“我們受到了賽車場彎道設(shè)計的啟發(fā)。為了讓賽車過彎更快更安全，賽車場的彎道路面并不是完全的水平平面，而是有一定曲面弧度，這樣賽車過彎時不需要大角度轉(zhuǎn)動方向，也可以‘絲滑’轉(zhuǎn)彎?！鼻Y介紹，借助同樣的原理，空間曲面凸輪設(shè)計可以讓滾輪在運(yùn)動爬坡時，隨著曲面軌跡變化，自動實現(xiàn)水平方向轉(zhuǎn)換，將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為一系列復(fù)雜的空間三維復(fù)合運(yùn)動，并且保證整個過程精準(zhǔn)流暢。
最后一個關(guān)鍵模塊則是緩釋控制系統(tǒng)。其設(shè)計靈感來源于機(jī)械鐘表中的擒縱機(jī)構(gòu)。擒縱機(jī)構(gòu)的工作原理是借助一系列復(fù)雜的齒輪機(jī)構(gòu)，將不規(guī)律的動力轉(zhuǎn)化為規(guī)律的動力輸出，從而實現(xiàn)對運(yùn)動部件的準(zhǔn)確控制。借鑒擒縱機(jī)構(gòu)原理，緩釋控制系統(tǒng)通過非線性阻尼控制實現(xiàn)了對展開速度的精準(zhǔn)把控，讓展開過程平穩(wěn)、可靠。
精密的純機(jī)械結(jié)構(gòu)方案給設(shè)計環(huán)節(jié)帶來巨大挑戰(zhàn)。屈二淵告訴記者，研發(fā)過程中，最棘手的挑戰(zhàn)是如何協(xié)調(diào)上百組不同規(guī)格的凸輪機(jī)構(gòu)協(xié)同工作。這一過程中，傳統(tǒng)的建模方法已不再適用。
為此，研發(fā)團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入了運(yùn)動仿真曲面建模技術(shù)，借助仿真模擬軟件，構(gòu)建出了一個包含數(shù)十萬個網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)字樣機(jī)。“借助這個虛擬的樣機(jī)，我們只要輸入不同的運(yùn)動參數(shù)，就可以實現(xiàn)對空間曲面的高效建模優(yōu)化。”屈二淵說，通過在數(shù)字樣機(jī)上不斷試驗、反復(fù)迭代，團(tuán)隊最終找到了協(xié)調(diào)上百個凸輪協(xié)同工作的“最優(yōu)解”。
從精密鐘表到浩瀚星空，鐘表所科研團(tuán)隊創(chuàng)造性地將精密計時器研發(fā)經(jīng)驗融入航天領(lǐng)域，推動我國空間技術(shù)水平不斷提升。
