用于衛星展開式平面天線的新型鉸鏈研究

許廣兵 曹子振 王琨

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

用于衛星展開式平面天線的新型鉸鏈研究

許廣兵 曹子振 王琨

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

為保證衛星平面天線展開后工作面“無突出物和零板間縫隙”，提出一種新型鉸鏈設計。采用該鉸鏈的天線展開后，鉸鏈不會突出在天線上表面，不會對天線波束的發射帶來干擾。基于ADAMS軟件，建立了裝有新型鉸鏈的平面天線展開動力學模型；通過動力學分析和計算，確定了鉸鏈設計的相關參數。根據設計參數和平面天線的安裝要求，研制了3套鉸鏈樣機，并進行了多次展開試驗驗證。試驗結果表明：裝有該新型鉸鏈的天線展開動作平穩，同步性好，聯動裝置中的繩索在天線展開過程中未出現松弛現象，因此新型鉸鏈滿足平面天線的使用要求，具有工程應用價值。

衛星平面天線；新型鉸鏈；動力學分析；展開試驗

1 引言

平面可展開天線作為星載通信天線，應用于航天領域已有30多年的歷史。天線在發射時處于折疊狀態，在衛星到達預定軌道位置后展開。目前，衛星平面天線的展開機構主要有桁架式［1－2］和鉸鏈式［3－4］兩種。美國的“海洋衛星”（Seasat）、ESA的歐洲遙感衛星－1（ERS－1）及日本的“先進陸地觀測衛星”（ALOS）的天線，都采用桁架式展開機構。桁架式展開機構的剛度較高，但結構復雜，質量較大，發射成本高。ESA“環境衛星”（Envisat）的高級合成孔徑雷達（ASAR）天線，采用了鉸鏈式的平面可展開天線，天線展開后鉸鏈全部位于天線背面。不過，天線展開時必須采用主動控制的分步展開方式，且鉸鏈較大，增加了展開控制難度；另外，鉸鏈會隨著天線折疊層數的增多而加大，增加了質量和發射成本。

本文提出了一種用于衛星平面天線展開的新型鉸鏈。該鉸鏈可以保證天線展開后各基板之間無間隙，且鉸鏈全部位于天線背面；同時，配合使用聯動裝置，就能保證各基板的同步展開。相比國外現有的天線展開機構，它有諸多優勢：①質量較小，大幅度降低了發射成本；②全機械設計，無需電路控制，可靠性高；③天線展開后相鄰基板間隙小于2mm，配合高精度鎖緊機構，可提高天線精度；④天線層疊占用空間小，節省發射空間。

2 新型鉸鏈設計

由4塊基板折疊的平面天線如圖1（a）所示，天線展開后，相鄰2塊基板之間需要緊密貼合，為了不影響天線波束的發射，天線展開后展開機構不得突出在天線上表面。

從圖1可以看出，折疊狀態的天線分為正面相對的2塊基板以及背面相對的2塊基板。其中：背面相對的2塊基板之間，使用具有一個旋轉軸的常規鉸鏈，就可以實現天線展開后鉸鏈位于天線下表面；而正面相對的2塊基板之間，則要設計一種新型鉸鏈，以滿足天線展開后鉸鏈也位于天線下表面的要求。

圖1 天線折疊及展開狀態Fig.1 Folding and deployment of antenna

2.1 新型鉸鏈的構造

新型鉸鏈構造如圖2所示，安裝座1和安裝座2分別與天線相鄰的2塊基板相連，鉸鏈可以根據實際結構形式安裝在基板背面或者嵌入在基板內部；驅動桿1、驅動桿2和2個L連桿構成鉸鏈的主要展開機構，通過銷軸相互連接，鉸鏈展開的驅動力矩由安裝在鉸鏈上的2個平面渦卷彈簧卷簧1和卷簧2共同提供，平面渦卷彈簧的剛度要具備一定的靜力矩裕度［5］。在展開過程中，為確保各天線基板能按預定軌跡運動并同步展開，各鉸鏈之間通過繩索聯動機構（CCL）實現聯動［6］。為了實現天線展開后的鎖緊定位，使用銷－槽式鎖緊機構，在轉動過程中，鎖定擺桿上的柱銷先沿著滑道運動，在展開運動結束時，柱銷滑入鎖緊槽內［7］。鉸鏈樣機見圖3。

圖2 新型鉸鏈構造Fig.2 Construction of novel hinge

圖3 新型鉸鏈收攏和展開狀態Fig.3 Folded and deployment state of novel hinge

2.2 新型鉸鏈的原理分析

采用新型鉸鏈的天線展開過程如圖4所示。從圖4中可以看出：在天線展開后，鉸鏈完全位于天線上表面以下，且展開過程不會出現干涉現象，展開后能夠保證2個相鄰基板之間沒有間隙。為了保證天線相鄰基板在整個展開動作中不會發生干涉，鉸鏈的瞬時旋轉軸位置（瞬心）應始終在天線基板上側。

圖4 使用新型鉸鏈的天線展開過程Fig.4 Deployment of antenna using novel hinge

新型鉸鏈原理如圖5所示。在六連桿機構中，桿1與桿4（相當于鉸鏈與相鄰天線基板連接的安裝座1和安裝座2）的瞬心即為鉸鏈瞬時旋轉軸，這里假設桿2（相當于鉸鏈中的L連桿1，圖中用綠色表示）及桿5（相當于鉸鏈中的L連桿2，圖中用紅色表示）都與Y軸有一個夾角γ，桿3和桿6（相當于鉸鏈中的驅動桿1和驅動桿2，圖中用藍色表示）初始狀態豎直放置。桿1與桿2的瞬心為點M，桿4與桿2的瞬心為點D，故桿1與桿4的瞬心必在直線MD上。同理，桿1與桿4的瞬心應在直線NA上，所以直線MD與直線NA的交點P即為桿1與桿4的瞬心，根據對稱性，點P在直線MD與Y軸的交點上。假設圖5中鉸接點A到鉸接點O的距離為l1，鉸接點O到桿3的距離為l2，按照圖示坐標系，點D的坐標為（l1sinγ，l1cosγ），點M的坐標為（－l2，l2cotγ），則PO的長度為2l1l2cosγ/（l1sinγ＋l2），當γ＝0時，PO的長度為2l1，因此保證了瞬心始終在天線上側。

六連桿機構實際上是2個四連桿機構的對稱機構，如圖6所示，為了進一步簡化分析，將該機構簡化為四連桿機構，對稱性作為其約束條件。

圖5 新型鉸鏈旋轉瞬心Fig.5 Instant center of novel hinge

圖6 連桿機構簡化Fig.6 Simplification of link mechanism

當γ＝0時，簡化后的四連桿機構尺寸如圖7所示，m1為鉸鏈展開狀態下桿2與桿5重疊部分的長度，m2為桿1的長度，m3為桿3的長度，m4表示在鉸鏈展開狀態下桿2與桿5非重疊部分的長度，α0表示在鉸鏈展開狀態下桿1與桿5之間夾角，β0表示在鉸鏈展開狀態下桿2與桿5之間夾角。根據4個參數l1，l2，α0，β0，即可確定四連桿機構的初始外形尺寸。其中，4條邊的尺寸分別為

假設鉸鏈處于任意狀態下桿1與桿5之間夾角為α，桿2與桿5之間夾角為β。四連桿機構只有一個自由度，因此，只要確定β，就可以求得α。

圖7 四連桿機構尺寸Fig.7 Dimension of four－link mechanism

天線折疊后的鉸鏈形狀如圖8所示，根據2個四連桿機構的對稱性可知，在鉸鏈折疊狀態下，桿1與桿5之間的夾角αt，以及桿2與桿5之間夾角βt滿足如下關系式。

天線折疊后的鉸鏈尺寸如圖9所示，鉸接點B距離天線上表面的距離為d1，鉸接點A距離天線上表面距離為d2，鉸鏈折疊狀態下相對的2個天線上表面距離為d，根據式（8）和式（9），可得出天線折疊狀態下αt和βt的值，繼而可求得此時2個天線上表面距離d的值。

為了保證展開機構不會位于天線上表面，d1和d2的值要大于零，天線折疊后還須保證2個基板之間留有一定的距離d0，因此鉸鏈外形尺寸的設計要保證d＞d0，同時還要保證圖5中的點P位于天線上方。

圖8 天線折疊后鉸鏈形狀Fig.8 Shape of hinge after antenna folded

圖9 天線折疊后鉸鏈尺寸Fig.9 Dimension of hinge after antenna folded

3 采用新型鉸鏈的天線展開動力學分析

利用鋁型材建造的桁架結構來模擬天線，天線模擬件的高度為3040mm，單塊天線基板的寬度為1500mm，3塊基板的總長度為4500mm，天線厚度為120mm。天線總質量為200kg，幾何模型如圖10所示。為得到裝有新型鉸鏈的天線展開性能，對天線的展開進行動力學仿真分析。使用PATRAN/NASTRAN軟件計算天線前36階正交化模態，去除前6階剛體模態后，將中性文件導入ADAMS中，ADAMS/FLEX采用修正的Craig－Bampton方法，以模態展開法描述天線的柔性變形［8］。

圖10 天線的幾何模型Fig.10 Geometric model of antenna

由于天線展開過程中聯動裝置的繩索并不是剛性的，繩索張力隨天線展開過程相應變化，從而導致相鄰2塊基板并不完全按照預定規律展開。為了提高天線展開的同步性，須在繩索中加入預置張力，繩索在模型中作為柔性體進行分析。假定在天線展開過程中不發生繩索松弛現象，就能保證展開的基本同步，即天線展開過程中聯動裝置中繩索的附加張力應不大于預置張力［9］。

通過仿真分析，確定平面渦卷彈簧剛度為3.9N·mm/（°），彈簧預置角為220°，聯動裝置中繩索預緊力為130N。鉸鏈展開角度隨時間的變化如圖11所示，天線在14.7s時完全展開。

圖11 鉸鏈展開角度隨時間變化曲線Fig.11 Hinge deployment angle versus time

4 采用新型鉸鏈的天線展開試驗

為了驗證新型鉸鏈的可行性，采用氣浮裝置的試驗設備提供零重力場，對上述天線模擬件進行展開試驗。天線模擬件下方裝有氣足，便于在氣浮平臺上進行零重力展開試驗。天線模擬件展開過程如圖12所示。

圖12 天線模擬件展開過程Fig.12 Deployment process of antenna model

經過試驗得出以下結論：

（1）使用新型鉸鏈可以保證天線展開后各基板之間無間隙，且天線展開后鉸鏈全部位于天線上表面以下，不會對天線波束產生干擾。

（2）新型鉸鏈結構簡單，占用體積較小，可利用彈簧驅動的方式實現各基板的同步展開。

（3）試驗過程中天線展開平穩，到達預定位置后順利鎖定。不過，2塊基板之間的間隙略大，最大處接近2mm，這主要是由于新型鉸鏈具有多個旋轉軸，每個轉軸與孔的間隙累積導致整體的間隙較大，后續要采用單獨的鎖緊裝置對鉸鏈進行鎖緊。

（4）采用新型鉸鏈，天線折疊時，各基板之間的間距小于10mm，可以節省空間。

（5）天線展開時間約為16s，聯動裝置中的繩索在天線展開過程中未出現松弛現象。

（6）新型鉸鏈采用雙平面渦卷彈簧提供展開動力，增加了鉸鏈展開的可靠性和安全性。

5 結束語

本文根據平面天線的展開特性要求，提出了一種新型鉸鏈設計，并對裝有新型鉸鏈天線的展開特性進行了動力學仿真分析和零重力展開試驗驗證。仿真分析和試驗驗證的結果，證明該新型鉸鏈的設計正確，其特殊的結構形式能夠保證天線展開后鉸鏈不會突出在天線上表面，同時具有較小的質量，可為相關平面天線的研制奠定基礎，具有工程應用前景。

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（編輯：夏光）

Research on a Novel Hinge Used for Satellite Deployed Plane Antenna

XU Guangbing CAO Zizhen WANG Kun
（Tianjin Institute of Astronautics Electromechanical Device，Tianjin 300458，China）

To realize“non－outshoot and non－gap”for the satellite plane antenna，a novel hinge is proposed.This novel hinge doesn’t project on the top surface of antenna when the antenna deploys，thus won’t bring any jamming to the wave emitting of the antenna.A dynamic simulation model of plane antenna assembled with this novel hinge is established by using the software of ADAMS，and relevant design parameters of the hinge are determined.Based on the simulation results and the assembly requirements，three hinges are developed and the deployment tests are carried out.The test results show that the plane antenna assembled with the novel hinges deploys stably and synchronously，and no relaxation phenomenon in the close cable loop occurs in the deployment process.The novel hinge satisfies the use needs of plane antenna and it counts for the engineering application.

satellite plane antenna；novel hinge；dynamic analysis；deployment test

V414

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.008

2016－02－16；

2016－07－10

許廣兵，男，研究員，從事航天器配套產品研制工作。Email：gbxu65@163.com。