大型天線裝配技術

1軌裝配技術的應用趨勢隨著衛星有效載荷技術的快速發展，大規模天線大型化的要求，如移動通信、野外觀察、數據導入、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。由于研制技術涉及多個專業領域,研制難度大,是目前衡量各國空間天線技術的重要標志。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,并在各類衛星上得到了應用。50多年來,空間可展開天線一直是衛星有效載荷領域的研究重點和熱點。大型可展開空間天線的發展趨勢是大口徑:在性能指標(帶寬、掃描范圍、工作頻段等)不斷提高而衛星平臺輸出功率有限情況下,使用的天線口徑應不斷增大。因為覆蓋區域的最大增益隨天線口徑的增大而提高。大型空間天線結構超出了運載工具所能提供的可用裝載體積,使得現有的運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行裝配,即通過航天員和機器人在軌裝配天線單元,這可將空間站發展成為空間基地,在空間組裝大型衛星,然后使用軌道機動飛行器將衛星送至地球同步軌道。在軌裝配技術按照其發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成一個結構、系統或子系統的方法和技巧;第二階段為機器人裝配階段,通過地面發送指令或航天員在艙內發送操作指令的方式控制機器人進行裝配,將各個分系統、部件在軌道上安裝成一個或幾個更大更復雜的航天器。在軌裝配技術所實施的對象包括航天器、空間系統或空間結構的連接、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構的裝配。當前國外研究的在軌構造大型結構的方法主要可以歸納為3種:可展開結構構建、太空成形結構構建和可直立結構裝配。NASA大型空間結構計劃(20世紀70年代~80年代)先后論證了上述3種裝配方法。相比之下,可直立結構裝配方法具有結構簡單、結構性能良好、包裝效率高以及利用航天員和機器人作為裝配工具的內在機動性等優點,可作為開展大型空間天線在軌裝配的研究基礎。由于空間環境和地面環境的差異,在軌裝配具有難度大、危險性高、裝配完成后測試校準困難等特點,因此需要開展大型空間天線的在軌裝配技術研究。2大型航天器在軌操作技術的應用進展自1984年起空間在軌裝配技術已從概念研究轉向現實操作。1984年4月10日,航天飛機(“挑戰者”號)利用遙控系統和機械臂捕獲了SolarMaximumMission(SMM)衛星,并于次日修復了該衛星的姿態控制系統,更換了一些電子元件和一個碟形衛星天線,完成了該衛星的實時在軌捕獲和修復。SMM衛星成為了人類歷史上第一個利用航天飛機進行在軌捕獲、維修的航天器。在國際空間站(ISS)計劃開始之前,1985年,NASA和ESA合作,利用航天飛機在STS-61-B飛行任務中完成了EASE/ACCESS桁架結構的組裝試驗。1985年4月,美國利用航天飛機釋放SYNCOMⅣ-3通信衛星,但該衛星未能正常啟動。為此航天飛機與其交會伴飛,并由兩名航天員對其進行手動啟動,但未能取得成功。1985年8月,航天飛機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,衛星成功啟動。1991年5月,美國應用航天飛機捕獲并回收了失效的Intelsat6/F3通信衛星。首次使用三名航天員將衛星取回至載荷艙,重新安裝火箭發動機,而后成功將其釋放。大型空間結構在軌操作技術的應用,最為人所知的當屬對哈勃太空望遠鏡進行的維修任務。由于哈勃太空望遠鏡在工作過程中出現故障,1993年12月發射“奮進”號航天飛機,在太空與“哈勃”太空望遠鏡進行對接,然后在遙控操縱系統(RMS)等輔助工具的協助下,通過航天員5d的艙外活動維修順利完成了光學校正、太陽翼的更換以及其它元器件更新等維修任務。經過檢驗,證明在軌維護任務全部達到預定的維護目標。蘭利研究中心針對大型空間結構的在軌裝配進行了結構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為:這種大型空間結構的地面包裝及在軌展開和裝配應該綜合到航天器的早期設計內容中去,這樣才能協調好地面包裝、在軌展開以及在軌裝配之間的關系。研究中主要進行了兩個系統試驗,其一是在軌裝配方法和內容的研究和分析,另一是大型航天器的結構展開技術以及展開式航天器結構和裝配/展開混合式航天器結構的地面包裝要求。研究的重點是怎么樣減小結構包裝后的體積和質量,以及地面包裝、在軌展開和最終結構之間的關系。2002年4月,在國際空間站的STS-110/8A任務中將S0桁架部件運送到了國際空間站所在的軌道位置,同時運送上去的還有一個安裝在桁架結構上為加拿大臂2號提供一個可以移動的基座的機動運輸器,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拼接式天線的結構大型可展開空間天線由多個模塊單元組裝而成,每個模塊的結構近似,通過模塊數量的不同可組裝成不同口徑大小的天線。在天線模塊設計完成后,天線的口徑僅依賴于組裝數量的多少。模塊通過貨運飛船運送至艙外平臺,然后展開各個天線單元,由機械臂或航天員逐一組裝成完整的天線系統。天線總體結構示意圖如圖1所示。拼接式天線的組裝形式及模塊單元的結構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。模塊單元在結構設計上應該具有“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現,拼接式天線的設計形面精度取決于單元的設計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,以最小代價實現最大價值。4天線單元的組裝空間站一般包括核心艙模塊、載人飛船、貨運飛船和實驗艙模塊。核心艙前端為節點艙,核心艙后部設置1個軸向對接口。核心艙前、后端均布置交會對接合作目標,節點艙位置左右和對天方向設3個停泊口,用于停泊實驗艙模塊或飛船。如圖6所示的空間站有1個實驗艙模塊的“L”形組合體構型。當天線單元被貨運飛船運輸到太空和空間站對接完成后,航天員出艙到實驗艙外部的操作平臺上。同時,天線拼接所需工具箱也運送至操作平臺。然后,天線各個模塊單元通過機械臂運輸到實驗艙外部的操作平臺上,用保險(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施的碰撞。圖8為展開桁架逐節展開示意圖。在展開桁架的前端安裝一個可旋轉的連接過渡工裝,當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,可以借助機械臂將航天員運送到安裝位置。5模擬實驗設備太空中的失重環境與地面環境相比有很大不同。航天員在太空中行動很難控制,太空中出艙作業方式與地面也有較大差距,許多在地面認為合理的設計,在太空中未必合理。因此對于一些不能整件一次發射上天的大型空間結構,為了確保在太空出艙操作時對結構的維護和組裝的成功,必須在設計階段對結構的合理性和在軌組裝與維護的可行性通過地面模擬試驗進行考驗。目前應用于空間結構在軌裝配與維護的地面模擬系統主要有3種:機動實驗室、交會對接模擬器以及中性浮力模擬器。機動實驗室內應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,在裝置的周圍采用光照射以模擬太空環境。遙控操縱裝置的操作對象放置在一個空氣軸承座上,通過控制器根據模擬參數對操作對象進行操縱。這個系統可用來進行大尺寸空間結構的裝配和維護模擬試驗。交會對接模擬器和機動實驗室模擬器的操作類似,操作者和大型空間結構之間通過計算機進行控制,試驗應用的大型空間結構是縮比模型。通過計算機可以隨時改變控制系統的性能。中性浮力水池包括一個大水池和一個控制室。水池中應包括水下聲音和視覺管理系統、一個用于航天員操作的環境控制系統、水下呼吸器支持系統以及緊急救援和處理設備。還包括數據采集和記錄、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備。中性浮力模擬試驗提供了一種有效并且真實的模擬試驗手段,為馬里蘭大學的中性浮力模擬器,可以模擬太空艙外裝配操作流程。通過這些地面模擬設備的比較,大型在軌可拼接式天線的裝配技術模擬可通過中心浮力模擬器完成。在模擬器中,可驗證天線反射器的在軌裝配技術方案。主要驗證反射器模塊單元組裝時對空間站操作空間的設計要求、組裝過程的空間站控制方案、組裝流程,機械臂或航天員操作方式。這些試驗可驗證反射器在軌性能測試和校準等項目,驗證反射器拼接過程中的人工操作適應性和機械臂操作適應性等。根據驗證過程中反映出的問題,對反射器模塊單元的進一步優化設計提出邊界條件。6單元拼接式天線的設計由于空間在軌裝配技術在國內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的概念,總結了