無(wú)源裝置驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星天線(xiàn)“絲滑”展開(kāi)

天線(xiàn)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(lèi)衛(wèi)星需求爆發(fā)式增長(zhǎng)的今天，衛(wèi)星天線(xiàn)的技術(shù)水平直接決定了衛(wèi)星的服務(wù)能力。

日前，中國(guó)建材總院所屬西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鐘表所”）自主研發(fā)的“多轉(zhuǎn)軸共軛運(yùn)動(dòng)裝置”以創(chuàng)新性的無(wú)源驅(qū)動(dòng)方案，打破了以往衛(wèi)星天線(xiàn)空間展開(kāi)的難題，讓衛(wèi)星天線(xiàn)得以大“展”身手。

天線(xiàn)展開(kāi)“不用電”

出于不同的功能和設(shè)計(jì)考慮，衛(wèi)星天線(xiàn)形狀多樣。其中，傳統(tǒng)的圓環(huán)形天線(xiàn)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(xiàn)展開(kāi)后的有效利用面積相對(duì)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(shí)，保證天線(xiàn)展開(kāi)后的有效面積足夠大，提升衛(wèi)星通信能力，我國(guó)研發(fā)人員研制出了多種非圓構(gòu)型天線(xiàn)。這種天線(xiàn)在航天器載荷艙內(nèi)收攏后，會(huì)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(xiàn)能夠展開(kāi)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(xiàn)設(shè)計(jì)巧妙，但要實(shí)現(xiàn)從收攏到展開(kāi)的“絲滑變形”絕非易事，其中最關(guān)鍵的是展開(kāi)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。

由于空間環(huán)境限制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和共軛運(yùn)動(dòng)需求，天線(xiàn)從收攏到展開(kāi)的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)面臨多重瓶頸。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)使電機(jī)中的潤(rùn)滑油凝固或蒸發(fā)。而電機(jī)長(zhǎng)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(kāi)等一系列活動(dòng)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(kāi)需要多個(gè)“關(guān)節(jié)”進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，每個(gè)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(diǎn)失效、滿(mǎn)盤(pán)皆輸”。

能否在不應(yīng)用大量電機(jī)情況下，讓天線(xiàn)自主完成變形展開(kāi)？瞄準(zhǔn)這個(gè)目標(biāo)，鐘表所研發(fā)團(tuán)隊(duì)將目光投向了純機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方案。“就像過(guò)去人們戴的機(jī)械手表，沒(méi)有電池和電機(jī)，同樣可以高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。”該成果技術(shù)負(fù)責(zé)人屈二淵說(shuō)，憑借多年來(lái)在鐘表計(jì)時(shí)領(lǐng)域的技術(shù)積淀，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出多轉(zhuǎn)軸共軛運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出無(wú)源緩速驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)展開(kāi)。

無(wú)源，意味著不需要任何電力驅(qū)動(dòng)，大大降低裝置故障率，保證了天線(xiàn)展開(kāi)的可靠性。緩速，則是指整個(gè)展開(kāi)過(guò)程勻速、緩慢，顯著降低對(duì)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(gè)展開(kāi)驅(qū)動(dòng)裝置由三組核心模塊構(gòu)成。一是儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)模塊，它是整個(gè)裝置的動(dòng)力源，負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)?wèi){借多年對(duì)彈性材料性能的研究，設(shè)計(jì)了形式多樣的彈簧儲(chǔ)能系統(tǒng)，在地面時(shí)給模塊蓄滿(mǎn)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(dòng)裝置運(yùn)行。

第二組模塊是共軛傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出獨(dú)特的空間曲面凸輪組，可將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為空間三維復(fù)合運(yùn)動(dòng)。“我們受到了賽車(chē)場(chǎng)彎道設(shè)計(jì)的啟發(fā)。為了讓賽車(chē)過(guò)彎更快更安全，賽車(chē)場(chǎng)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(chē)過(guò)彎時(shí)不需要大角度轉(zhuǎn)動(dòng)方向，也可以‘絲滑’轉(zhuǎn)彎。”屈二淵介紹，借助同樣的原理，空間曲面凸輪設(shè)計(jì)可以讓滾輪在運(yùn)動(dòng)爬坡時(shí)，隨著曲面軌跡變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平方向轉(zhuǎn)換，將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一系列復(fù)雜的空間三維復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并且保證整個(gè)過(guò)程精準(zhǔn)流暢。

最后一個(gè)關(guān)鍵模塊則是緩釋控制系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)靈感來(lái)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(dòng)力轉(zhuǎn)化為規(guī)律的動(dòng)力輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(guò)非線(xiàn)性阻尼控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)展開(kāi)速度的精準(zhǔn)把控，讓展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、可靠。

精密的純機(jī)械結(jié)構(gòu)方案給設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。屈二淵告訴筆者，研發(fā)過(guò)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(guò)程中，傳統(tǒng)的建模方法已不再適用。

為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了運(yùn)動(dòng)仿真曲面建模技術(shù)，借助仿真模擬軟件，構(gòu)建出了一個(gè)包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)字樣機(jī)。“借助這個(gè)虛擬的樣機(jī)，我們只要輸入不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間曲面的高效建模優(yōu)化。”屈二淵說(shuō)，通過(guò)在數(shù)字樣機(jī)上不斷試驗(yàn)、反復(fù)迭代，團(tuán)隊(duì)最終找到了協(xié)調(diào)上百個(gè)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(duì)創(chuàng)造性地將精密計(jì)時(shí)器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)融入航天領(lǐng)域，推動(dòng)我國(guó)空間技術(shù)水平不斷提升。