航天器可展SAR天线结构综述

2021-12-13刘志全曾惠忠白照广

宇航学报 2021年10期

邱慧，刘志全，曾惠忠，白照广，杨志

(1. 中国空间技术研究院总体设计部，北京 100094；2. 航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

0 引言

合成孔径雷达(Synthetic aperture radar, SAR)是利用天线与目标的相对运动，将尺寸较小的真实天线孔径借助于数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径的雷达[1]。SAR天线因不受光照和气候条件限制，具有全天候、全天时高分辨率微波遥感成像的优点而在航天器对地观测领域得到了广泛应用。

航天器SAR天线主要有两种体制：抛物面体制和平面阵体制[2-3]。抛物面体制SAR天线结构一般包括抛物面形反射器和位于抛物面焦点并朝向反射器的馈源。平面阵体制SAR天线结构一般由多块平板组成。航天器可展SAR天线结构收拢时呈折叠或卷曲状；当航天器到达预定轨道后，根据飞行程序，天线在展开机构的驱动下从收拢状态转变为展开状态，锁定后形成所需的天线结构。天线结构的刚度、精度和稳定性直接决定着SAR天线电性能的优劣，进而影响微波遥感成像的质量。因此，研究可展SAR天线结构具有重要意义。

为了借鉴国内外航天器可展SAR天线结构研究的经验，促进航天器SAR天线的技术发展，本文分别对抛物面可展SAR天线结构和平面可展SAR天线结构的研究现状及特点进行综述，提出航天器可展SAR天线结构的发展趋势和建议，旨在为航天器可展SAR天线结构的创新发展提供参考。

1 抛物面可展SAR天线结构的研究现状及特点

抛物面可展SAR天线结构，根据不同的展开方式，分为径向肋式、缠绕肋式、构架式和环形桁架式可展天线结构。

1.1 径向肋式可展天线结构

径向肋式可展天线结构和日常生活中雨伞相类似，如图1所示。天线反射器主要由中心固面、若干径向肋和金属丝反射网组成。径向肋形状为抛物线形。金属丝反射网由轻质金属丝编织而成，呈致密网状结构，附着在径向肋上。天线展开后，金属丝反射网与若干径向肋共同形成抛物面形状，用于反射电磁波。

2008年，以色列成功发射了TecSAR卫星[4-6]，其中，抛物面天线包括48条径向肋和金属丝反射网，如图1所示。该天线的金属丝反射网质量不足0.5 kg，天线总质量不足21 kg，天线展开后口径为3.6 m，形面精度(抛物反射面上各点位置的实际值与设计值轴向偏差的均方根Root mean square，RMS)为0.8 mm。径向肋通过根部铰链连接在中心固面结构上。金属丝反射网通过张拉结构铺设在径向肋上。当天线展开时，在电机驱动和绳索传动下，48条径向肋绕各自根部铰链向外同步旋转展开，类似雨伞的展开。展开到位后，各径向肋根部铰链锁定，以保证展开后结构的刚度和精度。当天线收拢时，根部铰链反向驱动，径向肋绕各自根部铰链向内收拢，收拢为柱状结构，如图2所示。

图1 径向肋式可展天线结构展开状态Fig.1 Deployed state of radial rib antenna structure

图2 径向肋式可展天线结构收拢状态Fig.2 Stowed state of radial rib antenna structure

径向肋式可展天线结构具有刚度高、形面精度高的优点。但天线收拢后的高度较高，受运载火箭整流罩尺寸的限制，径向肋式可展天线结构不适用于展开口径10 m以上的空间天线。

1.2 缠绕肋式可展天线结构

2018年，日本千叶大学和印度尼西亚航空航天研究院联合开发了一种缠绕肋式可展SAR天线[7-8]。缠绕肋式可展天线结构主要由中心轮毂、6个铝合金支撑架、24根弹性缠绕肋以及附着在肋条上的网格反射面组成，如图3所示，其中，6个铝合金支撑架见图3中网格反射面背面的6个花瓣状结构。每根弹性缠绕肋为抛物线状的弹性钢片，具有可弯折和形状恢复功能，均沿中心轮毂的切线方向，这样有益于弹性缠绕肋的缠绕折叠，如图3和图4所示。天线重15 kg，展开后口径为3.6 m,高0.65 m，形面精度为1.92 mm。

图3 缠绕肋式可展天线结构展开状态Fig.3 Deployed state of wrapped rib antenna structure

当天线收拢时，弹性缠绕肋和网格层被人工缠绕折叠于中心轮毂上。同时，6个支撑架收拢于弹性缠绕肋外部，将弹性缠绕肋和网格层包裹于中心轮毂上，起到固定弹性缠绕肋的作用，收拢后口径约0.85 m，收纳比(天线展开与收拢后口径大小之比)约为4.2∶1。

当解锁装置解锁后，6个支撑架根部铰链在驱动源的驱动下逐渐展开。解除约束后的弹性缠绕肋在自身弹性力作用下呈螺旋状展开，从而带动轻薄网格层展开，最终缠绕肋恢复成收拢前的自由状态，展开时间约60 s,天线展开过程如图4和图5所示。

相对于径向肋式可展天线结构，缠绕肋式可展天线结构具有较高的收纳比，天线口径可达到20 m以上。然而，缠绕肋刚度不高，导致整个天线结构的刚度较差，形面精度不高。此外，缠绕肋的展开同步性难以保证，较容易造成网格反射面的撕扯，影响天线展开的可靠性。

图4 缠绕肋展开过程Fig.4 Deployment of wrapped ribs

图5 缠绕肋式SAR天线展开过程Fig.5 Deployment of wrapped rib antenna

1.3 构架式可展天线结构

构架式可展天线结构主要由可展刚性桁架和附着在桁架上的金属网组成[9]。其中，可展刚性桁架是通过若干个可展基本单元组装而成的。可展基本单元主要是由连杆和铰链组成的四面体单元[10]或六棱柱单元[11]等。

2012年，中国发射了环境一号C卫星[12]，星载构架式可展SAR天线展开后直径为6 m，形面精度优于3 mm。

图6展示了2014年俄罗斯发射的Kondor-E卫星[13-14]SAR天线的展开状态和收拢状态。天线展开后口径达6 m，收拢后口径约0.5 m，收纳比约为12∶1。可展刚性桁架通过若干个可展四面体基本单元组装而成。金属反射面铺设在四面体单元的节点上，大量的四面体单元进行阵列排布后，由若干个小三角形组成的平面可逼近为抛物面形状。四面体单元由花盘节点、腹杆、铰链和折叠杆组成[15]，如图7所示。三条底边(折叠杆AEC、ADB和BFC)构成天线背架的上弦杆或下弦杆，三条棱边(杆AO、CO和BO)为腹杆，如图6和图7所示。腹杆两端与花盘节点相连，其长度固定，在展开过程中保持不变。底边(折叠杆AEC、ADB和BFC)的两端与花盘节点相连，杆中间有可折叠展开的铰链D、E和F。花盘节点和铰链处均装有扭簧以提供展开驱动力。天线收拢时可折叠杆AEC、ADB和BFC折叠收拢，同时花盘节点和铰链处收拢，天线整体刚性桁架最终收拢为圆柱形，利用绳索或包带进行压紧，如图6所示。当卫星入轨后，绳索或者包带按照预定飞行程序解锁释放，随之，花盘节点和铰链处的扭簧弹性势能释放，花盘节点和铰链同时展开，带动天线刚性桁架展开，展开后花盘节点和铰链锁定，整个桁架形成稳定的刚性结构。

图6 俄罗斯Kondor-E SAR天线展开和收拢状态Fig.6 Deployed and stowed state of Russian Kondor-E SAR antenna

图7 四面体单元展开和半展状态Fig.7 Deployed and half-deployed state of a tetrahedral element

构架式可展天线结构具有展开刚度高、收纳比大(约为12∶1)、空间扩展性强和易于实现大口径等众多优点。但展开机构环节较多、杆件接头和铰链多，一定程度上降低了展开的基本可靠性；且用扭簧驱动展开，展开速度不可控，展开到位后天线所受冲击较大。

1.4 环形桁架式可展天线结构

可展环形桁架是以桁架作为构件、当展开机构展开到位锁定后形成的大型环形桁架结构(下文出现的可展环形桁架均按此定义)。环形桁架式可展天线结构由前张力网、金属丝反射网、竖向张力索阵、可展环形桁架和后张力网构成[16-17]，如图8所示。

可展环形桁架为整个天线的外围支撑桁架，前、后张力网周边固定在环形桁架上。前后张力网之间通过含有预应力的竖向张力索阵连接，在索网中施加预应力后，使前张力网逼近工作状态所需的抛物面形状，金属丝反射网附着于前张力网面背后完成电波反射任务。

图8 环形桁架式可展天线结构组成Fig.8 Hoop deployable antenna structure configuration

2015年，美国发射的SMAP卫星[18-19]上应用了这种环形桁架式SAR天线，天线展开后口径为6 m，形面精度约为2 mm。天线收拢后口径约0.36 m，天线结构质量仅为13 kg，天线展开和收拢状态如图9所示。可展环形桁架由结构完全相同的平行四边形可展单元组成。图10为可展环形桁架的展开过程。相邻两个平行四边形可展单元组成如图11所示。每个单元由两根竖杆(长度不变)、两根横杆(长度不变)、一根斜杆(两节可伸缩套筒机构，长度可变，套筒内布有联动绳)、两个T型头和两个同步头组成(T型头和同步头里边布有弹性元件)[20-21]。竖杆两端分别与T型头和同步头固连，横杆两端分别与T型头和同步头用转动副连接，斜杆的两端分别与两个T型头用转动副连接。若干个平行四边形结构单元通过共用一根竖杆、一个T型头和一个同步头形成一个封闭的环形结构。图10左侧展示了可展环形桁架的收拢状态。杆件均沿竖直方向分布，整个桁架结构处于锁死状态，且利用绳索或包带进行绑定压紧。当需要桁架展开时，首先解除对桁架的绑定，接着在弹性元件的驱动下，弹开一定角度，解除锁死状态。最后通过电机带动斜杆内的联动绳收紧，带动桁架进一步展开，通过联动绳来保证可展单元的同步性。

图10 可展环形桁架的展开过程Fig.10 Deployment of hoop truss structure

图11 相邻两平行四边形可展单元组成Fig.11 Parallelogram element configuration

环形桁架式可展天线结构收纳比很大(约16.7∶1)，质量较轻，且质量不随口径的增大而成比例的增加，适用于大口径天线。但天线结构刚度较小，且天线反射网形面不容易调整，形面精度不是很高。

表1给出了不同展开方式下抛物面SAR天线的特点比较。

由表1的综合比较可知，具有可扩展、易于实现大口径和高刚度等特点的构架式抛物面可展天线结构，是未来大型高精度SAR天线结构的主要发展方向之一；轻质、大收纳比的环形桁架式可展天线结构在大口径SAR天线上具有很好的发展前景。

2 平面可展SAR天线结构的研究现状及特点

航天器SAR天线的另一种工作体制为平面阵体制。按照展开方式划分，平面可展SAR天线结构可分为翼式、桁架式和薄膜式可展天线结构。

2.1 翼式可展天线结构

翼式可展天线结构主要由若干块平面天线板及展开机构组成，如图12所示。

图12 Saocom-1A卫星在轨展开状态Fig.12 Deployed state of Saocom-1A satellite

当航天器发射时，翼式可展天线结构通过压紧释放装置折叠收拢于卫星侧壁上；当航天器入轨后，压紧释放装置按指令解锁，天线板在展开机构的驱动下展开为一个平面。

2018年，阿根廷发射的Saocom-1A卫星[22-24]上载有10 m×3.5 m的平面SAR天线。图12展示了该平面SAR天线的展开状态。该天线有7块大小相同的平面天线板，中间板固定在星体侧壁上，两边分别有3块平面天线板。平面天线板折叠时，3块板折叠于星体侧壁上，其展开过程如图13所示。首先最靠近中间板的平板先展开90°，即图13中①～③。接着次板展开180°，最后外板展开180°，即图13中④～⑤。在图13中，平面天线板两侧有可折叠式梯形侧梁，在天线板折叠时，两侧的梯形侧梁随之折叠收拢，为面板提供支撑。在天线展开后，3块板的梯形侧梁形成梯形结构，用于提高整块天线板的刚度。天线展开机构主要包含铰链、导向装置和锁定机构[25]，如图14所示。

图13 Saocom-1A卫星SAR天线在轨展开过程Fig.13 Deployment of Saocom-1A SAR antenna

图14 天线展开机构原理Fig.14 Schematic of deployment mechanism

铰链内的扭簧提供展开驱动力；导向装置由导轨和定位销组成，在前一个天线板完全展开之前，定位销限制后一个天线板的运动，用于控制天线展开过程；锁定机构保证天线展开后可靠锁定并在轨保持所需的平面度。

翼式可展天线结构具有展开运动简单、质量轻的特点。然而，当天线规模进一步加大时，天线刚度会有所降低。

2.2 桁架式可展天线结构

桁架式可展天线结构主要由可展开支撑桁架和平面天线板组成。可展开支撑桁架用以实现连接解锁、展开控制和展开锁定支撑等功能。可展开支撑桁架直接关系到在轨展开锁定后天线阵的位置精度、形面精度和基频。

欧空局(ESA)于1991年和1995年，分别发射了民用遥感雷达成像卫星系列ERS-1和ERS-2[26]，该系列卫星上的SAR天线由5块2 m×1 m的面板组成，天线展开过程如图15所示。中部天线板E固定在星体上，首先板A和B背部的可展开支撑桁架展开，带动板A和B向右侧展开，即图15中的①～③。然后板A和B整体向左侧展开，完成天线板一侧翼展开，即图15中的④。接着板D和E向右侧展开，即图15中的⑤～⑥。最终天线展开后构型，即图15中的⑦。

图15 ERS-1 SAR天线展开过程Fig.15 Deployment of ERS-1 SAR antenna

加拿大于1995年和2007年分别发射了Radarsat-1和Radarsat-2卫星[27-28]。卫星上均载有桁架式平板天线。图16为Radarsat-2卫星飞行状态和收拢状态，天线展开后尺寸15 m×1.5 m，总质量约200 kg，可展开支撑桁架(单翼)质量56 kg。

2016年，中国发射的高分三号(GF-3)卫星[29]，也采用了类似Radarsat-2的桁架式SAR天线，天线展开后的尺寸为15 m×1.232 m。

Radarsat-2卫星的桁架式可展天线结构(单翼)主要由两块天线板和可展开支撑桁架组成。可展开支撑桁架主要由星体支撑架、内框架组件、外框架组件、斜桁架杆、支撑杆组件、90°铰链、180°铰链和七杆铰接头等构成[30-31]，如图17所示。

星体支撑架是可展开支撑桁架与星体间的连接组件，与星体有四个连接点。内框架组件与星体支撑架通过90°铰链铰接；内外框架组件通过180°铰接；6根斜桁架杆与支撑杆组件的一端集中铰接于七杆铰接头上，另一端分别铰接到内、外框架组件和星体支撑架上，展开锁定后形成稳定的空间桁架结构。可展开支撑桁架在根部90°铰链处布有电机，依靠电机提供展开驱动力和控制展开速度，展开时间约为4.5 min。天线收拢时可展开支撑桁架和天线板收拢，通过6个压紧释放装置压紧于卫星侧壁[32]。

桁架式可展天线结构具有稳定性高、刚度高和热变形小的特点。然而，随着天线面板数量的增加，桁架式可展天线结构的复杂度会增加。

2.3 薄膜式可展天线结构

薄膜式可展天线结构主要由可展开框架和与之连接的多层柔性薄膜构成[33]。框架展开带动多层柔性薄膜展开为平面结构，依靠薄膜与框架间的张拉系统维持天线所需的平面度。

1998年，美国JPL(Jet Propulsion Laboratory)提出将平面薄膜运用到SAR天线上[34]，并于2001年分别联合L’Garde公司和ILC Dover公司研制了2个3.3 m×1.0 m的矩形框架平面薄膜无源相控阵天线原理样机[35]，靠自固化充气圆管[36-37]充气展开，如图18展示了该天线原理样机的收拢和展开状态。其中，与L’Garde公司联合研制的天线阵面密度为3.3 kg/m2，平面度达到±0.28 mm。2011年，JPL又研制了2.3 m×2.6 m的薄膜有源相控阵天线样机，将3层薄膜减为2层[38]。

图18 美国薄膜SAR天线原理样机Fig.18 Membrane SAR antenna structure of JPL

加拿大航天局(CSA)于2007年研制了2 m×3 m的、具有3层薄膜的平面薄膜SAR天线原理样机[39-40]，如图19所示。该天线采用多杆机构实现二维二次展开[41]，如图20所示。多杆的展开依靠杆件铰链中的弹簧驱动，展开后天线如图19所示。

图19 加拿大薄膜SAR天线结构Fig.19 Membrane SAR antenna structure of CSA

图20 加拿大薄膜天线展开过程图Fig.20 Deployment of CSA membrane antenna prototype

2008年，德国宇航局(DLR)研制出6 m×1.3 m、具有4层薄膜的平面薄膜SAR天线原理样机[42]，如图21所示。该天线的展开方式是透镜式碳纤维增强复合材料薄壁管[43-45]展开，透镜式薄壁管的横截面形状类似豆荚，所以也称“豆荚杆”。收拢时,“豆荚杆”压扁卷曲于中心筒上，展开时，中心筒在电机驱动下旋转，“豆荚杆”在自身弹性势能释放作用下从平卷状态恢复为长管形状，如图22所示。

图21 德国薄膜SAR天线结构Fig.21 Membrane SAR antenna structure of DLR

图22 “豆荚杆”式展开机构Fig.22 CFRP boom

2018年，中国上海宇航系统工程研究所研制出具有5层薄膜的5 m×20 m薄膜天线样机[46]，展开方式为“豆荚杆”式展开，天线平面度达到了±10 mm，样机收拢和展开状态如图23所示。

图23 上海宇航系统工程研究所薄膜天线样机Fig.23 Membrane SAR antenna prototype of Aerospace System Engineering Shanghai

薄膜可展天线结构较之于传统的刚性可展开天线，更易于实现大型化，且具有质量轻、收拢体积小和成本低等优点。但薄膜结构为柔性结构，其在轨长时间精度保持能力不强。迄今为止，在公开发表的文献中未见平面薄膜可展SAR天线结构在太空实际飞行的报道，从原理样机到工程应用，还需解决一些工程技术问题。

3 航天器可展SAR天线结构的发展趋势及建议

基于对国内外航天器可展SAR天线结构发展现状及特点的分析，得出如下几方面的发展趋势：

1)航天器可展SAR天线结构向着大型化、轻量化、大收纳比和高精度的方向发展；

2)具有可扩展、易于实现大口径特点的构架式抛物面可展天线结构，是未来大型高精度SAR天线结构的主要发展方向之一；

3)在若干抛物面可展SAR天线结构中，质量轻、收纳比大的环形桁架式可展天线结构在大口径(50～100 m)天线上具有很好的发展前景；

4)高刚度、高精度的平面桁架式可展天线结构是平面可展SAR天线结构的重要发展方向；

5)超轻、超大收纳比的薄膜式平面可展天线结构将在实现百平方米量级的平面SAR天线上具有很好的发展前景。自固化充气圆管展开和“豆荚杆”透镜式碳纤维增强复合材料薄壁管展开都将成为实现薄膜展开的重要的备选技术途径；

6)缠绕肋式抛物面可展天线结构相对于径向肋式抛物面可展天线结构而言，缠绕肋式抛物面可展天线结构更适用于大口径天线。

为了航天器可展SAR天线实现展开高精度，还需研究如下几方面的关键技术：

1)开发构架式天线新型轻质材料，减轻天线重量，保证展开后的天线结构高精度；研发控制手段来控制天线展开时的速度、加速度和展开有序性。

2)开发具备实时调整形面精度能力的环形桁架式可展天线结构。可展天线在轨展开后可能达不到其所需的形面精度或随时间推移而发生形面精度下降，所以需研究如何通过控制和调节手段来实现薄膜形面精度的在轨保持。形面精度在轨保持涉及在轨形面精度测量系统、控制系统和形面调整的执行器。因此需进一步研究高精度形面在轨测量技术、适应柔性天线结构非线性的形面控制系统的控制算法及形面调整执行器数量和配置的优化。

3)研究如何提高自固化充气圆管展开或基于“豆荚杆”透镜式碳纤维增强复合材料薄壁管的展开精度，从而保证薄膜式可展天线结构的高精度。

4)不同于传统结构，薄膜天线结构的设计与分析过程需进行基于有应力的理想构型来求解无应力状态构型的逆问题，据此来确定薄膜膜片的形状及裁剪。大型薄膜天线结构的力学分析难以用传统的刚体力学分析方法来处理，需在考虑薄膜材料蠕变性及结构非线性的基础上，对高精度薄膜结构进行多参数、多目标优化；需进一步通过研究薄膜褶皱数值模拟技术，获得薄膜形面因外部扰动形成的褶皱的具体形状以及褶皱的数量，从而准确模拟出薄膜天线的形面精度。