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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Solar Maximum Mission(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Intelsat 6/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