问题描述

空间天线是天基电子信息载荷的关键设备，天线口径直接决定信号收发和传输能力，通过增大天线口径，可获得更微小发射功率信号，从而提高目标感知能力、信息传输能力及对抗能力。其中的百米级以及公里级空间天线更是未来空间技术重要的发展方向，将广泛应用于电子信号获取、对地观测、深空观测等领域。

受限于火箭上行包络的约束，空间百米级/公里级天线需要采用极高收纳比形式进行上行运输，入轨后采用可控方式进行在轨展开，同时，面向更大尺寸天线结构，还需要进一步引入在轨装配技术实现空间天线公里级应用口径。空间百米级/公里级大型天线已成为国内外星载天线研究领域的制高点。有别于传统空间大型天线，百米级/公里级空间天线需要采用新的设计方法与技术以实现在轨成功应用。其中包括空间极大型天线机电热综合设计技术、高收纳比收拢展开技术、航天器载荷平台一体化设计技术、超柔性空间结构动力学分析与振动控制技术、在轨组装最优路径规划技术以及地面试验等效性分析技术等，亟待取得跨越式突破，满足我国航天关键载荷急需。

问题背景

从十五期间开始，我国持续跟踪研究星载大型可展开天线，并实现了十米级天线在轨成功应用。通过以西安空间无线电技术研究所为代表的各科研机构持续性研究，我国在空间大型天线相关理论方面奠定了较好基础。

为了实现对更微弱信号的接收、实现更高的遥感分辨率，最有效的方法就是增大天线口径。为取得载荷系统性能的跨越式提升，多种空间任务对百米级/公里级天线需求迫切。此类极大型空间天线已成为航天器的主体结构，相应的设计方法已无法采用传统方式进行研究，需要采用新的理论支撑，如更高效的收拢展开技术、极大型天线机电热综合设计技术、载荷平台一体化设计技术、超柔性空间结构动力学分析与振动控制技术、在轨组装极大型结构最优路径规划技术以及空间柔性可展开结构地面试验等效性分析技术等。

最新进展（截止问题发布年度）

国外从上个世纪六十年代开始开展进行空间天线的研究。在多种需求推动下，国外航天大国（美国、俄罗斯、欧空局、日本等）在空间大型可展开天线领域的投入都非常大，使得空间可展开天线成为研究的重点和热点。

首先，在极大型天线总体设计方面，上世纪八、九十年代结构设计人员首先提出机电集成设计思想，进入21 世纪以来，天线机械结构与电磁性能之间的两场耦合关系逐渐被研究人员关注，天线机电耦合分析逐渐成为研究热点。国际上针对天线机械结构变形对电磁性能的影响研究主要集中在电磁性能的分析上，相继以圆对称反射面天线、偏置反射面天线为例，针对表面随机误差对天线增益、平均功率方向图的影响开展了相关研究，但对机械结构与电磁性能之间的制约机理并未掌握。

其次，在航天器一体化设计方面，美国分别于2007年和2009年发射了World View-1、World View-2两颗高分辨率商业卫星。为了满足商业卫星的轻、小、快、精等应用要求，在结构布局上采用光学遥感器嵌入卫星平台，在嵌入部分采用桁架结构与卫星平台进行接口连接。从一体化设计理念上来说，World View系列卫星属于基于平台的一体化设计。2021年发射了詹姆斯·韦布空间望远镜，JWST主镜采用了分块设计及空间可展开设计，以满足发射条件，其恶劣的在轨条件对整星光机电热一体化设计提出了苛刻的要求。从设计理念上来说JWST遥感卫星均属于围绕载荷的一体化设计。从层级来说，二者代表的是世界上属于基于功能性能指标最优的一体化设计。

再次，在超柔性空间结构动力学分析与振动控制技术方面。由于含柔性索网的可展开空间结构具有广泛的应用前景，国内外学者对这类可展开空间结构进行了大量研究，包括概念设计、动力学建模与分析，动力学控制、地面模拟实验等。由于可展空间结构越来越大型化、复杂化，早期研究航天器动力学所用的中心刚体—柔性附件方法已无法分析其展开动力学过程。于是，航天界逐步转向基于多柔体动力学的研究。例如，Neto等建立了基于复合材料板和梁单元的欧洲ERS-1卫星的柔性太阳能电池阵列、柔性桁架、刚性本体系统的多柔体模型，并采用模态综合法降低求解规模，分析了柔性空间结构与卫星本体之间的耦合动力学特性。Mitsugi等建立了含柔性索网的卫星六边形桁架天线多柔体动力学模型，进行了展开动力学研究，网面绳索张力的计算结果与实测结果较为接近。Wasfy与 Noor 建立了一种NASA的大口径望远镜的多柔体动力学模型，采用模糊集来描述控制器的驻留时间，研究了驻留时间对展开动力学特性的影响。为了考虑柔性构件的变形与系统整体刚性运动的耦合动力学特性，一些学者采用基于模态截断的多柔体动力学商业软件对空间结构进行展开动力学分析。由于大型可展开空间结构通常存在很多非线性约束、运动副间隙及复杂的载荷条件，商业软件在系统动力学建模、数值求解等方面遇到许多困难。另外，模态截断方法不能处理带柔性索网的空间结构展开动力学问题。

再次，在轨组装极大型结构最优路径规划技术方面。随着在轨组装技术的快速发展和对组装对象的深入研究，美国、欧洲等部分航天研究机构提出了多种组装机器人方案。基于在轨组装任务的多样性和复杂性，大多数在轨组装任务需要多个机械臂进行协同操作完成。美国的“在轨机器人制造与组装”项目（IRMA）计划实现太空制造并完成卫星组装。另外，NASA的“多功能太空机器人精密制造与装配系统”项目计划为国际空间站研发具有3D打印功能的机械臂，并实现在轨部件制造与装配大型、复杂结构。利用机器人进行装配的序列规划问题与传统的序列规划不同，需要考虑机器人对整个装配过程的影响。已有研究中只考虑了机器人对装配过程的影响，并没有对各机器人的规划与控制进行具体设计。另外，没有考虑机器人的装配操作，只对机器人的末端轨迹进行了规划。

最后，空间柔性可展开结构地面试验等效性分析技术方面。首先，如何在空间结构展开过程中抵消其重力是地面实验技术的关键。对于小型可展开结构，可采用气浮平台来抵消重力；对于大型可展开结构，一般采用悬吊系统。例如，关富玲等研制了四面体桁架天线比例模型，对不同悬吊系统做了展开对比实验。西安空间无线电技术研究所（中国航天科技集团公司第504研究所）针对大型可展开环形桁架天线结构、直线桁架空间机械臂的地面样机，设计并研制了大型可展开结构的悬吊系统。从研究经验看，随着空间结构尺度不断加大，要保证结构展开过程中悬吊系统和结构展开作同步运动，在悬吊系统的布置、悬吊点的选择上存在较大难度。对于柔性索网，不论是其展开过程还是展开后的张紧状态，都无法通过悬吊系统来抵消重力。而在微重力环境下，柔性可展开结构展开过程很容易发生接触和碰撞，产生非常复杂的动力学问题。因此，应该特别关注如何在地面模拟柔性柔性可展开结构所处微重力环境。

重要意义

掌握空间极大型天线机电热综合设计技术、高收纳比收拢展开技术、航天器载荷平台一体化设计技术、超柔性空间结构动力学分析与振动控制技术、在轨组装最优路径规划技术以及地面试验等效性分析技术等，提出空间百米级/公里级天线实现方法，填补国内外研究空白，占领空间大型天线制高点，为提升空间装备能力水平提供支撑，同时引领空间公里级天线及空间科学技术的跨越式发展。