大型天线装配技术

大型天线装配技术

1轨装配技术的应用趋势随着卫星有效载荷技术的快速发展，大规模天线大型化的要求，如移动通信、野外观察、数据导入、微波前果等。大型可展开天线是指具备空间展开功能的、展开口径大于4m的星载天线。由于研制技术涉及多个专业领域,研制难度大,是目前衡量各国空间天线技术的重要标志。在需求的推动下,国外航天大国高度重视,投入较大。从上世纪60年代开始,先后研制了10余种空间可展开天线,并在各类卫星上得到了应用。50多年来,空间可展开天线一直是卫星有效载荷领域的研究重点和热点。大型可展开空间天线的发展趋势是大口径:在性能指标(带宽、扫描范围、工作频段等)不断提高而卫星平台输出功率有限情况下,使用的天线口径应不断增大。因为覆盖区域的最大增益随天线口径的增大而提高。大型空间天线结构超出了运载工具所能提供的可用装载体积,使得现有的运载工具无法满足其装载体积要求。在这种情况下,需要以空间站为依托进行装配,即通过航天员和机器人在轨装配天线单元,这可将空间站发展成为空间基地,在空间组装大型卫星,然后使用轨道机动飞行器将卫星送至地球同步轨道。在轨装配技术按照其发展过程可分为两个阶段,第一阶段需依靠航天员或由航天员操作辅助工具将航天器不同的部件连接起来构成一个结构、系统或子系统的方法和技巧;第二阶段为机器人装配阶段,通过地面发送指令或航天员在舱内发送操作指令的方式控制机器人进行装配,将各个分系统、部件在轨道上安装成一个或几个更大更复杂的航天器。在轨装配技术所实施的对象包括航天器、空间系统或空间结构的连接、装配或组装,小到如电池阵、天线的安装与展开,大到大型独立舱段的对接,以及空间站、超大型可装配天线体系等大型空间结构的装配。当前国外研究的在轨构造大型结构的方法主要可以归纳为3种:可展开结构构建、太空成形结构构建和可直立结构装配。NASA大型空间结构计划(20世纪70年代~80年代)先后论证了上述3种装配方法。相比之下,可直立结构装配方法具有结构简单、结构性能良好、包装效率高以及利用航天员和机器人作为装配工具的内在机动性等优点,可作为开展大型空间天线在轨装配的研究基础。由于空间环境和地面环境的差异,在轨装配具有难度大、危险性高、装配完成后测试校准困难等特点,因此需要开展大型空间天线的在轨装配技术研究。2大型航天器在轨操作技术的应用进展自1984年起空间在轨装配技术已从概念研究转向现实操作。1984年4月10日,航天飞机(“挑战者”号)利用遥控系统和机械臂捕获了SolarMaximumMission(SMM)卫星,并于次日修复了该卫星的姿态控制系统,更换了一些电子元件和一个碟形卫星天线,完成了该卫星的实时在轨捕获和修复。SMM卫星成为了人类历史上第一个利用航天飞机进行在轨捕获、维修的航天器。在国际空间站(ISS)计划开始之前,1985年,NASA和ESA合作,利用航天飞机在STS-61-B飞行任务中完成了EASE/ACCESS桁架结构的组装试验。1985年4月,美国利用航天飞机释放SYNCOMⅣ-3通信卫星,但该卫星未能正常启动。为此航天飞机与其交会伴飞,并由两名航天员对其进行手动启动,但未能取得成功。1985年8月,航天飞机再次与其交会并由两名航天员取回至载荷舱,重新安装新的电池和启动装置,再次释放,卫星成功启动。1991年5月,美国应用航天飞机捕获并回收了失效的Intelsat6/F3通信卫星。首次使用三名航天员将卫星取回至载荷舱,重新安装火箭发动机,而后成功将其释放。大型空间结构在轨操作技术的应用,最为人所知的当属对哈勃太空望远镜进行的维修任务。由于哈勃太空望远镜在工作过程中出现故障,1993年12月发射“奋进”号航天飞机,在太空与“哈勃”太空望远镜进行对接,然后在遥控操纵系统(RMS)等辅助工具的协助下,通过航天员5d的舱外活动维修顺利完成了光学校正、太阳翼的更换以及其它元器件更新等维修任务。经过检验,证明在轨维护任务全部达到预定的维护目标。兰利研究中心针对大型空间结构的在轨装配进行了结构零部件的地面包装和在轨展开与装配方面的研究。通过一系列的研究和分析认为:这种大型空间结构的地面包装及在轨展开和装配应该综合到航天器的早期设计内容中去,这样才能协调好地面包装、在轨展开以及在轨装配之间的关系。研究中主要进行了两个系统试验,其一是在轨装配方法和内容的研究和分析,另一是大型航天器的结构展开技术以及展开式航天器结构和装配/展开混合式航天器结构的地面包装要求。研究的重点是怎么样减小结构包装后的体积和质量,以及地面包装、在轨展开和最终结构之间的关系。2002年4月,在国际空间站的STS-110/8A任务中将S0桁架部件运送到了国际空间站所在的轨道位置,同时运送上去的还有一个安装在桁架结构上为加拿大臂2号提供一个可以移动的基座的机动运输器,通过两名航天员三次舱外活动完成了S0桁架的装配。这几次舱外装配都采用加拿大臂2号作为主要的装配辅助工具。3拼接式天线的结构大型可展开空间天线由多个模块单元组装而成,每个模块的结构近似,通过模块数量的不同可组装成不同口径大小的天线。在天线模块设计完成后,天线的口径仅依赖于组装数量的多少。模块通过货运飞船运送至舱外平台,然后展开各个天线单元,由机械臂或航天员逐一组装成完整的天线系统。天线总体结构示意图如图1所示。拼接式天线的组装形式及模块单元的结构形式可以是多种多样的。模块单元可以是三角形、四边形、六边形等,也可以是它们相互之间的组合,如图2~4所示。模块单元在结构设计上应该具有“即插即用”的接口功能。模块的组装原理如图5所示。先将中心模块单元放置好,后面模块以第一个模块为中心,依次组装到天线上。可以发现,拼接式天线的设计形面精度取决于单元的设计型面精度和单元间装配精度。需要研究“单元”的最佳形状与尺寸,以最小代价实现最大价值。4天线单元的组装空间站一般包括核心舱模块、载人飞船、货运飞船和实验舱模块。核心舱前端为节点舱,核心舱后部设置1个轴向对接口。核心舱前、后端均布置交会对接合作目标,节点舱位置左右和对天方向设3个停泊口,用于停泊实验舱模块或飞船。如图6所示的空间站有1个实验舱模块的“L”形组合体构型。当天线单元被货运飞船运输到太空和空间站对接完成后,航天员出舱到实验舱外部的操作平台上。同时,天线拼接所需工具箱也运送至操作平台。然后,天线各个模块单元通过机械臂运输到实验舱外部的操作平台上,用保险(绳)装置牵连于平台后打开。天线单元在轨展开后依次组装,最终形成整个天线阵面,组装示意图如图7所示。由图7可以看出,在组装天线之前,需先在平台上放置一个可伸展的展开桁架。根据装配需要,逐渐加长桁架,以避免天线阵面过大对空间站太阳翼及其它设施的碰撞。图8为展开桁架逐节展开示意图。在展开桁架的前端安装一个可旋转的连接过渡工装,当展开桁架延伸一定长度以后,将中心第一个天线阵面单元固定于其上,然后通过旋转该工装,依次按顺序安装其周围的天线阵面单元。如图7所示。当安装完成后,将馈源的支撑支架安装在天线边缘。如果在垂直于天线反射面的方向上航天员将无法直接到达,可以借助机械臂将航天员运送到安装位置。5模拟实验设备太空中的失重环境与地面环境相比有很大不同。航天员在太空中行动很难控制,太空中出舱作业方式与地面也有较大差距,许多在地面认为合理的设计,在太空中未必合理。因此对于一些不能整件一次发射上天的大型空间结构,为了确保在太空出舱操作时对结构的维护和组装的成功,必须在设计阶段对结构的合理性和在轨组装与维护的可行性通过地面模拟试验进行考验。目前应用于空间结构在轨装配与维护的地面模拟系统主要有3种:机动实验室、交会对接模拟器以及中性浮力模拟器。机动实验室内应用的是一个五自由度的遥控操纵装置。整个遥控操纵装置安放在一个暗室内,在装置的周围采用光照射以模拟太空环境。遥控操纵装置的操作对象放置在一个空气轴承座上,通过控制器根据模拟参数对操作对象进行操纵。这个系统可用来进行大尺寸空间结构的装配和维护模拟试验。交会对接模拟器和机动实验室模拟器的操作类似,操作者和大型空间结构之间通过计算机进行控制,试验应用的大型空间结构是缩比模型。通过计算机可以随时改变控制系统的性能。中性浮力水池包括一个大水池和一个控制室。水池中应包括水下声音和视觉管理系统、一个用于航天员操作的环境控制系统、水下呼吸器支持系统以及紧急救援和处理设备。还包括数据采集和记录、水下照明以及用于保证高逼真度要求的特殊的水下气动和电动设备。中性浮力模拟试验提供了一种有效并且真实的模拟试验手段,为马里兰大学的中性浮力模拟器,可以模拟太空舱外装配操作流程。通过这些地面模拟设备的比较,大型在轨可拼接式天线的装配技术模拟可通过中心浮力模拟器完成。在模拟器中,可验证天线反射器的在轨装配技术方案。主要验证反射器模块单元组装时对空间站操作空间的设计要求、组装过程的空间站控制方案、组装流程,机械臂或航天员操作方式。这些试验可验证反射器在轨性能测试和校准等项目,验证反射器拼接过程中的人工操作适应性和机械臂操作适应性等。根据验证过程中反映出的问题,对反射器模块单元的进一步优化设计提出边界条件。6单元拼接式天线的设计由于空间在轨装配技术在国内的研究处于起步阶段,国际上也仅有过几次对航天器的维修案例。本文讨论了在轨装配技术的概念,总结了