大型天線裝配技術(shù)

1軌裝配技術(shù)的應(yīng)用趨勢隨著衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模天線大型化的要求，如移動通信、野外觀察、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、微波前果等。大型可展開天線是指具備空間展開功能的、展開口徑大于4m的星載天線。由于研制技術(shù)涉及多個專業(yè)領(lǐng)域,研制難度大,是目前衡量各國空間天線技術(shù)的重要標(biāo)志。在需求的推動下,國外航天大國高度重視,投入較大。從上世紀(jì)60年代開始,先后研制了10余種空間可展開天線,并在各類衛(wèi)星上得到了應(yīng)用。50多年來,空間可展開天線一直是衛(wèi)星有效載荷領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。大型可展開空間天線的發(fā)展趨勢是大口徑:在性能指標(biāo)(帶寬、掃描范圍、工作頻段等)不斷提高而衛(wèi)星平臺輸出功率有限情況下,使用的天線口徑應(yīng)不斷增大。因?yàn)楦采w區(qū)域的最大增益隨天線口徑的增大而提高。大型空間天線結(jié)構(gòu)超出了運(yùn)載工具所能提供的可用裝載體積,使得現(xiàn)有的運(yùn)載工具無法滿足其裝載體積要求。在這種情況下,需要以空間站為依托進(jìn)行裝配,即通過航天員和機(jī)器人在軌裝配天線單元,這可將空間站發(fā)展成為空間基地,在空間組裝大型衛(wèi)星,然后使用軌道機(jī)動飛行器將衛(wèi)星送至地球同步軌道。在軌裝配技術(shù)按照其發(fā)展過程可分為兩個階段,第一階段需依靠航天員或由航天員操作輔助工具將航天器不同的部件連接起來構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或子系統(tǒng)的方法和技巧;第二階段為機(jī)器人裝配階段,通過地面發(fā)送指令或航天員在艙內(nèi)發(fā)送操作指令的方式控制機(jī)器人進(jìn)行裝配,將各個分系統(tǒng)、部件在軌道上安裝成一個或幾個更大更復(fù)雜的航天器。在軌裝配技術(shù)所實(shí)施的對象包括航天器、空間系統(tǒng)或空間結(jié)構(gòu)的連接、裝配或組裝,小到如電池陣、天線的安裝與展開,大到大型獨(dú)立艙段的對接,以及空間站、超大型可裝配天線體系等大型空間結(jié)構(gòu)的裝配。當(dāng)前國外研究的在軌構(gòu)造大型結(jié)構(gòu)的方法主要可以歸納為3種:可展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建、太空成形結(jié)構(gòu)構(gòu)建和可直立結(jié)構(gòu)裝配。NASA大型空間結(jié)構(gòu)計(jì)劃(20世紀(jì)70年代~80年代)先后論證了上述3種裝配方法。相比之下,可直立結(jié)構(gòu)裝配方法具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)性能良好、包裝效率高以及利用航天員和機(jī)器人作為裝配工具的內(nèi)在機(jī)動性等優(yōu)點(diǎn),可作為開展大型空間天線在軌裝配的研究基礎(chǔ)。由于空間環(huán)境和地面環(huán)境的差異,在軌裝配具有難度大、危險(xiǎn)性高、裝配完成后測試校準(zhǔn)困難等特點(diǎn),因此需要開展大型空間天線的在軌裝配技術(shù)研究。2大型航天器在軌操作技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展自1984年起空間在軌裝配技術(shù)已從概念研究轉(zhuǎn)向現(xiàn)實(shí)操作。1984年4月10日,航天飛機(jī)(“挑戰(zhàn)者”號)利用遙控系統(tǒng)和機(jī)械臂捕獲了SolarMaximumMission(SMM)衛(wèi)星,并于次日修復(fù)了該衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng),更換了一些電子元件和一個碟形衛(wèi)星天線,完成了該衛(wèi)星的實(shí)時(shí)在軌捕獲和修復(fù)。SMM衛(wèi)星成為了人類歷史上第一個利用航天飛機(jī)進(jìn)行在軌捕獲、維修的航天器。在國際空間站(ISS)計(jì)劃開始之前,1985年,NASA和ESA合作,利用航天飛機(jī)在STS-61-B飛行任務(wù)中完成了EASE/ACCESS桁架結(jié)構(gòu)的組裝試驗(yàn)。1985年4月,美國利用航天飛機(jī)釋放SYNCOMⅣ-3通信衛(wèi)星,但該衛(wèi)星未能正常啟動。為此航天飛機(jī)與其交會伴飛,并由兩名航天員對其進(jìn)行手動啟動,但未能取得成功。1985年8月,航天飛機(jī)再次與其交會并由兩名航天員取回至載荷艙,重新安裝新的電池和啟動裝置,再次釋放,衛(wèi)星成功啟動。1991年5月,美國應(yīng)用航天飛機(jī)捕獲并回收了失效的Intelsat6/F3通信衛(wèi)星。首次使用三名航天員將衛(wèi)星取回至載荷艙,重新安裝火箭發(fā)動機(jī),而后成功將其釋放。大型空間結(jié)構(gòu)在軌操作技術(shù)的應(yīng)用,最為人所知的當(dāng)屬對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的維修任務(wù)。由于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在工作過程中出現(xiàn)故障,1993年12月發(fā)射“奮進(jìn)”號航天飛機(jī),在太空與“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行對接,然后在遙控操縱系統(tǒng)(RMS)等輔助工具的協(xié)助下,通過航天員5d的艙外活動維修順利完成了光學(xué)校正、太陽翼的更換以及其它元器件更新等維修任務(wù)。經(jīng)過檢驗(yàn),證明在軌維護(hù)任務(wù)全部達(dá)到預(yù)定的維護(hù)目標(biāo)。蘭利研究中心針對大型空間結(jié)構(gòu)的在軌裝配進(jìn)行了結(jié)構(gòu)零部件的地面包裝和在軌展開與裝配方面的研究。通過一系列的研究和分析認(rèn)為:這種大型空間結(jié)構(gòu)的地面包裝及在軌展開和裝配應(yīng)該綜合到航天器的早期設(shè)計(jì)內(nèi)容中去,這樣才能協(xié)調(diào)好地面包裝、在軌展開以及在軌裝配之間的關(guān)系。研究中主要進(jìn)行了兩個系統(tǒng)試驗(yàn),其一是在軌裝配方法和內(nèi)容的研究和分析,另一是大型航天器的結(jié)構(gòu)展開技術(shù)以及展開式航天器結(jié)構(gòu)和裝配/展開混合式航天器結(jié)構(gòu)的地面包裝要求。研究的重點(diǎn)是怎么樣減小結(jié)構(gòu)包裝后的體積和質(zhì)量,以及地面包裝、在軌展開和最終結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。2002年4月,在國際空間站的STS-110/8A任務(wù)中將S0桁架部件運(yùn)送到了國際空間站所在的軌道位置,同時(shí)運(yùn)送上去的還有一個安裝在桁架結(jié)構(gòu)上為加拿大臂2號提供一個可以移動的基座的機(jī)動運(yùn)輸器,通過兩名航天員三次艙外活動完成了S0桁架的裝配。這幾次艙外裝配都采用加拿大臂2號作為主要的裝配輔助工具。3拼接式天線的結(jié)構(gòu)大型可展開空間天線由多個模塊單元組裝而成,每個模塊的結(jié)構(gòu)近似,通過模塊數(shù)量的不同可組裝成不同口徑大小的天線。在天線模塊設(shè)計(jì)完成后,天線的口徑僅依賴于組裝數(shù)量的多少。模塊通過貨運(yùn)飛船運(yùn)送至艙外平臺,然后展開各個天線單元,由機(jī)械臂或航天員逐一組裝成完整的天線系統(tǒng)。天線總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。拼接式天線的組裝形式及模塊單元的結(jié)構(gòu)形式可以是多種多樣的。模塊單元可以是三角形、四邊形、六邊形等,也可以是它們相互之間的組合,如圖2~4所示。模塊單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)該具有“即插即用”的接口功能。模塊的組裝原理如圖5所示。先將中心模塊單元放置好,后面模塊以第一個模塊為中心,依次組裝到天線上?？梢园l(fā)現(xiàn),拼接式天線的設(shè)計(jì)形面精度取決于單元的設(shè)計(jì)型面精度和單元間裝配精度。需要研究“單元”的最佳形狀與尺寸,以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值。4天線單元的組裝空間站一般包括核心艙模塊、載人飛船、貨運(yùn)飛船和實(shí)驗(yàn)艙模塊。核心艙前端為節(jié)點(diǎn)艙,核心艙后部設(shè)置1個軸向?qū)涌凇：诵呐撉?、后端均布置交會對接合作目?biāo),節(jié)點(diǎn)艙位置左右和對天方向設(shè)3個停泊口,用于停泊實(shí)驗(yàn)艙模塊或飛船。如圖6所示的空間站有1個實(shí)驗(yàn)艙模塊的“L”形組合體構(gòu)型。當(dāng)天線單元被貨運(yùn)飛船運(yùn)輸?shù)教蘸涂臻g站對接完成后,航天員出艙到實(shí)驗(yàn)艙外部的操作平臺上。同時(shí),天線拼接所需工具箱也運(yùn)送至操作平臺。然后,天線各個模塊單元通過機(jī)械臂運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)艙外部的操作平臺上,用保險(xiǎn)(繩)裝置牽連于平臺后打開。天線單元在軌展開后依次組裝,最終形成整個天線陣面,組裝示意圖如圖7所示。由圖7可以看出,在組裝天線之前,需先在平臺上放置一個可伸展的展開桁架。根據(jù)裝配需要,逐漸加長桁架,以避免天線陣面過大對空間站太陽翼及其它設(shè)施的碰撞。圖8為展開桁架逐節(jié)展開示意圖。在展開桁架的前端安裝一個可旋轉(zhuǎn)的連接過渡工裝,當(dāng)展開桁架延伸一定長度以后,將中心第一個天線陣面單元固定于其上,然后通過旋轉(zhuǎn)該工裝,依次按順序安裝其周圍的天線陣面單元。如圖7所示。當(dāng)安裝完成后,將饋源的支撐支架安裝在天線邊緣。如果在垂直于天線反射面的方向上航天員將無法直接到達(dá),可以借助機(jī)械臂將航天員運(yùn)送到安裝位置。5模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備太空中的失重環(huán)境與地面環(huán)境相比有很大不同。航天員在太空中行動很難控制,太空中出艙作業(yè)方式與地面也有較大差距,許多在地面認(rèn)為合理的設(shè)計(jì),在太空中未必合理。因此對于一些不能整件一次發(fā)射上天的大型空間結(jié)構(gòu),為了確保在太空出艙操作時(shí)對結(jié)構(gòu)的維護(hù)和組裝的成功,必須在設(shè)計(jì)階段對結(jié)構(gòu)的合理性和在軌組裝與維護(hù)的可行性通過地面模擬試驗(yàn)進(jìn)行考驗(yàn)。目前應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)在軌裝配與維護(hù)的地面模擬系統(tǒng)主要有3種:機(jī)動實(shí)驗(yàn)室、交會對接模擬器以及中性浮力模擬器。機(jī)動實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用的是一個五自由度的遙控操縱裝置。整個遙控操縱裝置安放在一個暗室內(nèi),在裝置的周圍采用光照射以模擬太空環(huán)境。遙控操縱裝置的操作對象放置在一個空氣軸承座上,通過控制器根據(jù)模擬參數(shù)對操作對象進(jìn)行操縱。這個系統(tǒng)可用來進(jìn)行大尺寸空間結(jié)構(gòu)的裝配和維護(hù)模擬試驗(yàn)。交會對接模擬器和機(jī)動實(shí)驗(yàn)室模擬器的操作類似,操作者和大型空間結(jié)構(gòu)之間通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,試驗(yàn)應(yīng)用的大型空間結(jié)構(gòu)是縮比模型。通過計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)改變控制系統(tǒng)的性能。中性浮力水池包括一個大水池和一個控制室。水池中應(yīng)包括水下聲音和視覺管理系統(tǒng)、一個用于航天員操作的環(huán)境控制系統(tǒng)、水下呼吸器支持系統(tǒng)以及緊急救援和處理設(shè)備。還包括數(shù)據(jù)采集和記錄、水下照明以及用于保證高逼真度要求的特殊的水下氣動和電動設(shè)備。中性浮力模擬試驗(yàn)提供了一種有效并且真實(shí)的模擬試驗(yàn)手段,為馬里蘭大學(xué)的中性浮力模擬器,可以模擬太空艙外裝配操作流程。通過這些地面模擬設(shè)備的比較,大型在軌可拼接式天線的裝配技術(shù)模擬可通過中心浮力模擬器完成。在模擬器中,可驗(yàn)證天線反射器的在軌裝配技術(shù)方案。主要驗(yàn)證反射器模塊單元組裝時(shí)對空間站操作空間的設(shè)計(jì)要求、組裝過程的空間站控制方案、組裝流程,機(jī)械臂或航天員操作方式。這些試驗(yàn)可驗(yàn)證反射器在軌性能測試和校準(zhǔn)等項(xiàng)目,驗(yàn)證反射器拼接過程中的人工操作適應(yīng)性和機(jī)械臂操作適應(yīng)性等。根據(jù)驗(yàn)證過程中反映出的問題,對反射器模塊單元的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提出邊界條件。6單元拼接式天線的設(shè)計(jì)由于空間在軌裝配技術(shù)在國內(nèi)的研究處于起步階段,國際上也僅有過幾次對航天器的維修案例。本文討論了在軌裝配技術(shù)的概念,總結(jié)了